一種太赫茲被動式彩色焦平面照相的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機，包括天饋模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源。所述接收模塊位于天饋模塊的反射面天線的焦平面上，被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)所述反射面天線的反射，聚焦于所述接收模塊；所述接收模塊包括太赫茲多波束準光混頻器，所述混頻器包括N1×N2個像素，將收到的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進行混頻，產(chǎn)生N1×N2路混頻輸出信號；中頻信號處理模塊對N1×N2路混頻輸出信號進行處理，輸出N1×N2×W路中頻信號，W的值與預處理的被探測目標輻射波的太赫茲頻率個數(shù)一致。本發(fā)明的照相機能在復雜背景環(huán)境下提高目標的識別能力，實時成像，具有較好分辨率和靈敏度。
【專利說明】一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及太赫茲成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(Terahertz，THz)波通常指的是頻率在0.1THz?1THz (波長3mm?30 μ m)范圍內(nèi)的電磁輻射(ITHz = 112Hz),它在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間。太赫茲波輻射在成像應(yīng)用中可具有如下特點:太赫茲波輻射可以穿透很多普通的非金屬遮掩材料，探測到隱匿物體；太赫茲波的波長足夠短，可獲得較高的成像空間分辨率，或?qū)崿F(xiàn)危險物高精度定位；太赫茲頻率的電磁波輻射對有機體是非電離的，因此在適當?shù)膹姸认率褂?，對人體比較安全；相比于微波毫米波成像系統(tǒng)，同樣的圖像分辨率下，太赫茲成像系統(tǒng)體積更小。太赫茲輻射的上述特點決定了太赫茲成像具有廣闊的應(yīng)用前景，是國際上的研究熱點之一。
[0003]但是目前的太赫茲成像設(shè)備存在一些問題:
[0004]1、通常工作在一個頻率。采用單一太赫茲頻率，雖然可以有效發(fā)現(xiàn)目標并對目標實現(xiàn)成像，但是由于目標輻射特性的復雜性，在有效的目標輻射強度或特征識別上存在問題。
[0005]2、通常采用單像素掃描結(jié)構(gòu)，不能實時成像，分辨率有待提高。
[0006]3、通常采用直接檢波方式，或者較少像素的外差接收方式。如果采用直接檢波方式，雖然可以較容易的實現(xiàn)大規(guī)模陣列的焦平面成像，但是靈敏度較低且缺失了相位信息；如果采用外差接收方式，每個通道均需要本振信號，因此中頻電路復雜且體積較大，不適宜便攜式使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，提供一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機，能在復雜背景環(huán)境下提高目標的識別能力，實時成像，具有較好的分辨率和較高的靈敏度，具有體積小、簡單的中頻電路，適用于二維大規(guī)模成陣，整體的接收機體積和重量小。
[0008]本發(fā)明提供的一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機包括天饋模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源；天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，天饋模塊中的反射面天線用于接收被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號，反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃描被測目標的太赫茲射頻信號；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的反射面天線的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊包括太赫茲多波束準光混頻器，太赫茲多波束準光混頻器包括NI XN2個像素，太赫茲多波束準光混頻器將收到的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進行混頻，產(chǎn)生NI XN2路混頻輸出信號，N1、N2為> I的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號對應(yīng)一個像素，每一路混頻輸出信號稱為每一像素混頻輸出信號；中頻信號處理模塊包括二次變頻模塊，二次變頻模塊包括NI XN2個中頻信號裝置，每一中頻信號裝置對每一路混頻輸出信號依次進行一分W路功率分配、濾波、低噪聲放大、二次混頻處理，輸出N1XN2XW路中頻信號，W的值與預處理的被探測目標輻射出的太赫茲波的太赫茲頻率個數(shù)一致，W為> I的自然數(shù)。
[0009]本發(fā)明的太赫茲被動式彩色焦平面照相機相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
[0010]1、相比較需要掃描的單像素照相機，焦平面照相機具有如下的優(yōu)點:1)能夠?qū)崟r成像，可對快速運動目標成像；2)具有較好的分辨率和較高靈敏度，因為采用焦平面凝視陣列，天線不需要掃描，光學部分便可以做得大一些，從而可以得到較好的分辨率；因為積分時間不受掃描速度限制，故有可能獲得較高靈敏度。
[0011]2、本發(fā)明的焦平面照相機可以工作在多個頻率，由于接收一個目標的多個頻率輻射信號，可以實現(xiàn)在復雜背景環(huán)境下(例如在目標與背景輻射強度對比度很低的情況下或者在陽光等輻射/反射干擾下)提高目標的識別能力。
[0012]3、太赫茲多波束準光混頻器和中頻信號處理模塊采用LTCC封裝工藝集成，實現(xiàn)了一體化三維立體封裝，本發(fā)明的太赫茲焦平面多通道成像系統(tǒng)采用太赫茲多波束準光混頻器作為主要的接收與變頻元件，集成度高，十分適用于二維大規(guī)模成陣；適用于二維大規(guī)模成陣，整體的接收機體積和重量小，方便攜帶；本發(fā)明采用高阻介質(zhì)透鏡可以避免混頻天線表面波的廣生，提聞天線的增益，減小表面波損耗，并可以提聞天線的方向性，聞阻介質(zhì)透鏡采用復眼透鏡，因此在具體的成像應(yīng)用時，布陣結(jié)構(gòu)更為靈活，可以適用于大視場或者遠焦距成像等場合。
[0013]4、本發(fā)明采用波束分離器可以有效地提高射頻信號與本振信號的隔離度。
[0014]5、使用方式靈活，當需要進行大視場成像時，可以掃描次鏡，實現(xiàn)寬視場成像。
[0015]6、可以國內(nèi)自主生產(chǎn)，并且隨著產(chǎn)品的數(shù)量提升，成本大幅度降低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]應(yīng)說明的是，下面描述中的附圖僅示意地示出了一些實施例，并沒有包括所有可能的實施例。
[0017]圖1為太赫茲被動式彩色焦平面照相機的實施例的示意圖；
[0018]圖2為天饋模塊結(jié)構(gòu)實施例的示意圖與太赫茲被動式彩色焦平面照相機實施例的部分信號流程示意圖；
[0019]圖3為太赫茲多波束準光混頻器的實施例的示意圖；
[0020]圖4為中頻信號處理模塊的實施例的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0021]下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的示例性實施例的技術(shù)方案。顯然，所描述的實施例只是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例。所描述的實施例僅用于圖示說明，而不是對本發(fā)明范圍的限制?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。
[0022]盡管本申請中使用了詞語第一、第二等來描述多個元件或構(gòu)成部分，這些元件或構(gòu)成部分不應(yīng)受這些詞語的限制。這些詞語僅用于區(qū)分一個元件或構(gòu)成部分和另一元件或構(gòu)成部分，而不包含“順序”。因此，將下面討論的第一元件或構(gòu)成部分稱為第二元件或構(gòu)成部分也沒有超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
[0023]圖1示出了一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機的實施例的示意圖。如圖1所示,一種太赫茲被動式彩色照相機包括天饋模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊、數(shù)字信號處理模塊、顯示與控制模塊和電源模塊。
[0024]天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，反射面天線用于接收被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號，反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃描被測目標的太赫茲射頻信號。天饋模塊中的反射面天線可以采用偏焦卡塞格倫天線，偏焦卡塞格倫天線包括主拋物面和次級反射面，用于接收被探測目標發(fā)出的太赫茲波。太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)主拋物面和次級反射面的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊；天線伺服模塊控制次級反射面，在需要增大視場時，可以通過次級反射面的掃描實現(xiàn)對大視場被探測目標的成像，如圖2所示。
[0025]其中，主拋物面的口徑D滿足:
[0026]
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲被動式彩色焦平面照相機，其特征在于，所述照相機包括天饋模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊， 天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，天饋模塊中的反射面天線用于接收被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號，反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃描被測目標的太赫茲射頻信號； 太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的反射面天線的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊包括太赫茲多波束準光混頻器，太赫茲多波束準光混頻器包括NI XN2個像素，太赫茲多波束準光混頻器將收到的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進行混頻，產(chǎn)生N1XN2路混頻輸出信號，N1、N2為> I的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號對應(yīng)一個像素，每一路混頻輸出信號稱為每一像素混頻輸出信號； 中頻信號處理模塊包括二次變頻模塊，二次變頻模塊包括NI XN2個中頻信號裝置，每一中頻信號裝置對每一路混頻輸出信號依次進行一分W路功率分配、濾波、低噪聲放大、二次混頻處理，輸出N1XN2XW路中頻信號，W的值與預處理的被探測目標輻射出的太赫茲波的太赫茲頻率個數(shù)一致，W為> I的自然數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于:天饋模塊中的反射面天線采用偏焦卡塞格倫天線，偏焦卡塞格倫天線包括主拋物面和次級反射面；被探測目標發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的主拋物面和次級反射面的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模 塊； 天線伺服模塊控制次級反射面，通過次級反射面的掃描實現(xiàn)對大視場被探測目標的成像。
3.如權(quán)利要求2所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于:主拋物面的口徑D滿足: a ~1.22為 W ~—U 其中，e3dB為太赫茲焦平面多通道成像系統(tǒng)的空間分辨率，λ^為被探測目標輻射出的太赫茲波的波長。
4.如權(quán)利要求1所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于: 所述照相機還包括本振參考源； 太赫茲焦平面多通道相參接收模塊還包括波束分離器、太赫茲本振倍頻器，本振參考源產(chǎn)生的本振信號通過太赫茲本振倍頻器倍頻后產(chǎn)生太赫茲本振信號；波束分離器用于控制太赫茲本振信號的空間傳播方向，透射太赫茲射頻信號并且反射太赫茲本振信號，使太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號共同傳遞給太赫茲多波束準光混頻器。
5.如權(quán)利要求4所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于:太赫茲多波束準光混頻器包括高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片；混頻天線芯片包含相同結(jié)構(gòu)的Ν1ΧΝ2個混頻天線，排列成NI行，Ν2列；高阻介質(zhì)透鏡采用復眼透鏡，復眼透鏡包括小透鏡陣列和擴展底座，小透鏡陣列位于擴展底座上，小透鏡通過擴展底座與混頻天線實現(xiàn)信號間的傳輸；小透鏡陣列包括NI ΧΝ2個小透鏡，小透鏡與混頻天線——對應(yīng)，小透鏡的中心與其對應(yīng)的混頻天線的中心位于同一軸線上，一個像素包括一個混頻天線和一個小透鏡。
6.如權(quán)利要求1-5的任一權(quán)利要求所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于: 中頻信號處理模塊的每個中頻信號處理裝置對每一路混頻輸出信號進行處理，中頻信號處理裝置包括一分W路功率分配器、濾波器、低噪聲放大器、二次混頻器和倍頻器，每一路混頻輸出信號都會經(jīng)過一分W路功率分配器，然后分別經(jīng)過濾波器、低噪聲放大器、二次混頻器，從二次混頻器輸出中頻信號，一共輸出NI X N2 X W路中頻信號，其中，所述一分W路功率分配器將太赫茲多波束準光混頻器輸出的每一路混頻輸出信號分為W路， 其特征還在于:所述照相機包括本振參考源，本振參考源產(chǎn)生的本振信號通過中頻信號處理模塊的倍頻器倍頻后，產(chǎn)生二次混頻的本振信號。
7.如權(quán)利要求1所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于: 所述照相機還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊、數(shù)字信號處理模塊、顯示與控制模塊和電源模塊， 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊對中頻信號處理模塊輸出的中頻信號進行采樣、量化、編碼，將中頻信號變換成中頻數(shù)字信號并進行存儲，同時將中頻數(shù)字信號輸出給數(shù)字信號處理模塊； 數(shù)字信號處理模塊根據(jù)原始采集數(shù)據(jù)，按照定標方程將每個通道輸出的中頻數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成輻射溫度值，并最終轉(zhuǎn)換成圖像灰度數(shù)據(jù)，并將圖像灰度數(shù)據(jù)傳送給顯示與控制模塊； 顯示與控制模塊用于顯示灰度值圖像，并控制天線伺服模塊，實現(xiàn)空間波束的機械掃描; 電源模塊用于給天線伺服模塊、太赫茲本振倍頻器、本振參考源、中頻信號處理模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊，以及顯示與控制模塊提供電流或者電壓。
8.如權(quán)利要求1-7的任一權(quán)利要求所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于--太赫茲多波束準光混頻器和中頻信號處理模塊采用LTCC封裝工藝集成，實現(xiàn)了一體化三維立體封裝，其中中頻信號處理模塊的二次變頻模塊埋置于基于LTCC的封裝的下表面空腔中或者表貼在LTCC下表面基板上，太赫茲多波束準光混頻器的混頻天線芯片位于LTCC基板頂部。
9.如權(quán)利要求1-8的任一權(quán)利要求所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于:W=3，取目標輻射出太赫茲信號中的三個頻率，所述一分W路功率分配器為一分3路功率分配器。
10.如權(quán)利要求9所述的太赫茲被動式彩色照相機，其特征在于:所述三個頻率取為.220.5GHz、340.2GHz、450.1GHz，太赫茲本振信號頻率為10GHz ;對于220.5GHz，利用2次混頻，輸出20.5GHz信號；對于340.2GHz，利用3次混頻，輸出40.2GHz信號；對于450.1GHz,利用4次混頻，輸出50.1GHz信號； 所述一分3路功率分配器將太赫茲多波束準光混頻器輸出的每一像素混頻輸出信號分為3路信號，所述3路信號包括第一路信號、第二路信號、第三路信號，濾波器包括第一濾波器、第二濾波器、第三濾波器，第一路信號通過第一濾波器，第一濾波器輸出20.5GHz信號，第二路信號通過第二濾波器，第二濾波器輸出40.2GHz信號,第三路信號通過第三濾波器，第三濾波器輸出50.1GHz信號，對于20.5GHz信號、40.2GHz信號、50.1GHz信號，再分別經(jīng)過二次混頻器進行二次混頻，輸出500MHz、200MHzUOOMHz的中頻信號。
【文檔編號】H04N5/30GK104038706SQ201310073017
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2013年3月7日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月7日
【發(fā)明者】呂昕, 牟進超, 郝海東, 盧宏達, 郭大路, 馬朝輝, 朱思衡, 劉埇, 司黎明, 孫鈺, 王志明 申請人:北京理工大學