CN103575654B - 一种提高太赫兹扫描成像速度的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高太赫兹扫描成像速度的系统，包括太赫兹波源、太赫兹波探测器、第一分束镜、准直透镜、第二分束镜、平面金属反射镜、第一斩波器、第二斩波器、斩波器控制器、第一90°离轴抛物面金属反射镜、第二90°离轴抛物面金属反射镜、二维电控位移台、电控位移台控制器、计算机和数据采集卡。使用本发明提供的系统，仅使用一个连续太赫兹波源和一个点太赫兹探测器，即可在相同的扫描速度下，将太赫兹扫描成像速度提高一倍。

Description

一种提高太赫兹扫描成像速度的方法和系统

技术领域

本发明涉及太赫兹波应用领域，尤其涉及一种提高太赫兹扫描成像速度的方法和系统。

背景技术

太赫兹（THz）波通常指频率在0.1 ~ 10 THz（波长在3 mm ~ 30 μm）之间的电磁波，在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间。THz波能穿透很多介电材料和非极性材料，如衣料、塑料和纸张等，可以对可见光不透明的物体进行透视成像，且其光子能量很低，不会对生物体产生电离，故太赫兹成像技术是一种安全的成像技术。另外，与毫米波成像技术相比，太赫兹波波长更短，因此能够提供更高的空间分辨率。基于以上特点，太赫兹波成像技术在邮件、行李和人体安检领域有着重要的应用价值。

目前，太赫兹阵列探测器制作困难而且价格昂贵，因此大多数的太赫兹成像系统仍然采用点探测器和扫描成像模式。受限于机械扫描装置的扫描速度，太赫兹成像系统完成目标扫描成像通常需要耗费很长的时间，难以满足安检领域对成像实时性的需求。尽管通过增加点探测器个数可以成倍提高太赫兹扫描成像速度，但却会导致成本的大幅度提高。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中提高太赫兹扫描成像速度成本太高的缺陷，提供一种提高太赫兹扫描成像速度的方法和系统。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种提高太赫兹扫描成像速度的系统，太赫兹波源、太赫兹波探测器、第一分束镜、准直透镜、第二分束镜、平面金属反射镜、第一斩波器、第二斩波器、斩波器控制器、第一90°离轴抛物面金属反射镜、第二90°离轴抛物面金属反射镜、二维电控位移台、电控位移台控制器、计算机和数据采集卡；

所述第一分束镜将太赫兹波源发出的太赫兹波光束转至准直透镜；所述准直透镜用于扩大太赫兹波光束的束腰半径；所述第二分束镜用于将经过准直透镜的太赫兹光路按能量均分为两路；第二分束镜分束后的一路太赫兹光束进入第二斩波器；平面金属反射镜用于协助将分束后的另一路太赫兹光束折射至第一斩波器；所述第一斩波器和第二斩波器用于对两路太赫兹波光束以不同频率进行斩波；斩波器控制器用于控制第一斩波器和第二斩波器以不同频率运转；所述第一90°离轴抛物面金属反射镜和第二90°离轴抛物面金属反射镜用于将斩波后的太赫兹光束反射、聚焦至待测物体表面；二维电控位移台用于使待测物体在二维平面内运动，使太赫兹聚焦光斑在物体表面形成二维扫描；电控位移台控制器用于控制二维电控位移台；所述第一分束镜用于将返回的太赫兹波反射被太赫兹探测器接收；所述太赫兹波探测器用于将接收到的太赫兹波转换为电压信号；所述计算机用于对通过数据卡通采集的转换的电压信号进行图像处理。

上述方案中，所述90°离轴抛物面金属反射镜可使用由金属反射镜和聚乙烯透镜组成的反射、聚焦式光学系统替换。

本发明还提供了一种提高太赫兹扫描成像速度的方法,包括以下步骤：

让太赫兹波源发射的连续太赫兹波经过准直透镜后形成准平行光束，然后用分束器平分为两路；

在两路太赫兹波光束中分别插入第一斩波器和第二斩波器，斩波频率分别为f₁和f₂；

两路太赫兹波光束分别被90°离轴抛物面金属反射镜反射，在待测物体表面两个不同位置分别形成聚焦光斑；

被待测物体表面反射的两路太赫兹波原路返回，经过第二分束镜被太赫兹探测器所接收；

太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换为电压信号，并输出含有两种调制频率为f₁和f₂的模拟电压信号，该信号通过数据卡被计算机采集；

在计算机中采用数字滤波技术，根据频率不同分别提取得到两路太赫兹波的反射信号强度；

控制二维电控位移台使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面二维扫描，获取待测物体每一点的反射信号强度，通过数据融合获得待测物体的二维太赫兹波反射图像。

本发明产生的有益效果是：

1. 使用本发明提供的系统，仅使用一个连续太赫兹波源和一个点太赫兹探测器，即可在相同的扫描速度下，将太赫兹扫描成像速度提高一倍。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的太赫兹波扫描成像系统的实施例的结构示意图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，图1是本发明的一个实施例组成框图。本实施例包括太赫兹波源1、太赫兹波探测器2、第一分束镜3、准直透镜4、第二分束镜5、平面金属反射镜6、斩波器7、斩波器8、斩波器控制器9、90°离轴抛物面金属反射镜10、90°离轴抛物面金属反射镜11、二维电控位移台12、电控位移台控制器13、计算机14、数据采集卡15和待测物体16。

太赫兹波源1输出连续的太赫兹波，为系统提供成像载波；太赫兹探测器2用于将接收到的太赫兹波转换为电压信号；第一分束镜3用于将返回光学系统的太赫兹波引导至太赫兹探测器；准直透镜4用于准直太赫兹波束，扩大太赫兹波源发出的太赫兹波束的束腰半径；第二分束镜5用于将太赫兹波按能量平分为两路；第二分束镜5分束后的一路太赫兹光束进入斩波器8；平面金属反射镜6用于协助将分束后的太赫兹光束折射至斩波器7；；第一斩波器7和第二斩波器8用于对均分后的两路连续太赫兹波分别进行斩波；斩波器控制器9用于控制斩波器7和斩波器8分别以频率f1和f2运转；90°离轴抛物面金属反射镜10借助平面金属反射镜6折转太赫兹光路将斩波后的太赫兹光束折射至第一90°离轴抛物面金属反射镜，90°离轴抛物面金属反射镜10和90°离轴抛物面金属反射镜11分别用于将两路太赫兹波反射、汇聚至待测物体表面；二维电控位移台12用于将待测物体在二维平面内运动，使太赫兹聚焦光斑在物体表面形成二维扫描；电控位移台控制器13用于控制二维电控位移台12；计算机14用作整个系统的主控单元，从数据采集卡15获取太赫兹电压信号，利用数字滤波技术分别提取两路太赫兹反射信号，并进行图像处理，在显示器中输出待测物体的二维太赫兹反射图像；数据采集卡用于对太赫兹探测器2输出的模拟电压信号进行A/D转换，然后通过PCI接口将数据提供给计算机。

在发明的实施例中，太赫兹波源1可采用德国Radiometer Physics公司生产的由耿氏振荡器和倍频器级联组成、输出频率为0.2 THz、功率为12 mW的连续太赫兹波源。太赫兹探测器2可采用由美国Pacific Millimeter公司生产的型号为GD的肖特基二极管。分束镜3和分束镜5可采用高阻硅片制作。准直透镜4可采用高密度聚乙烯、聚四氟乙烯、聚4-甲基戊烯-1（TXP）等材料制作。平面金属反射镜6可采用铝板制作。斩波器7和斩波器8可以采用直流马达和扇形铝板制作，转速可分别设置为1 kHz和1.5 kHz。90°离轴抛物面金属反射镜10和90°离轴抛物面金属反射镜11可采用美国Edmund公司生产的型号为83-975的铝制抛物面反射镜。数据采集卡15可采用由台湾凌华公司生产的型号为PCI-9812、最高采集速率为20 MHz的模拟信号采集卡。

进一步，上述90°离轴抛物面金属反射镜10、11可使用由金属反射镜和聚乙烯透镜组成的反射、聚焦式光学系统替换。

本发明还提供一种提高太赫兹扫描成像速度的方法，包括以下步骤：

让太赫兹波源发射的连续太赫兹波经过准直透镜后形成准平行光束，然后用分束器平分为两路；

在两路太赫兹波光束中分别插入第一斩波器和第二斩波器，斩波频率分别为f₁和f₂；

两路太赫兹波光束分别被90°离轴抛物面金属反射镜反射，在待测物体表面两个不同位置分别形成聚焦光斑；

被待测物体表面反射的两路太赫兹波原路返回，经过第二分束镜被太赫兹探测器所接收；

太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换为电压信号，并输出含有两种调制频率为f₁和f₂的模拟电压信号，该信号通过数据卡被计算机所采集；

在计算机中采用数字滤波技术，根据频率不同分别提取得到两路太赫兹波的反射信号强度；

控制二维电控位移台使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面二维扫描，获取待测物体每一点的反射信号强度，通过数据融合获得待测物体的二维太赫兹波反射图像。

该方法实施例中，可采用输出功率更强的连续太赫兹波源，将经过准直的太赫兹波束按能量分为N路（N>2）；每路采用不同频率（fi）的斩波器进行斩波，并采用N个相同的90°离轴抛物面金属反射镜进行反射、聚焦，从而在待测物体表面N个不同位置分别形成太赫兹聚焦光斑；从待测物体反射的太赫兹波原路返回光学系统，最后被太赫兹探测器接收；从太赫兹探测器输出的太赫兹电压信号将含有N个频率分量，该信号通过数据采集卡发送给计算机；在计算机中对该信号数字滤波可分别得到N路太赫兹反射信号强度，通过图像处理即可获得待测物体的二维太赫兹反射图像。由于在扫描成像过程中，能够同时获得从待测物体N个位置返回的太赫兹信号，因此在相同的扫描速度下，实施方式能够将太赫兹扫描成像速度提高N倍。

实施例中，计算机14完成的数字滤波提取两路太赫兹反射信号的功能也可以采用计算机外部的硬件电路实现。

实施例中，所采用的成像扫描方式并非唯一选择。本发明提供的提高扫描成像速度的方法，也可应用到其它的成像扫描方式中。

本发明提供的提高扫描成像速度的方法，也可通过将太赫兹波探测器替换为毫米波探测器，应用到毫米波扫描成像系统中。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种提高太赫兹扫描成像速度的系统，其特征在于，包括太赫兹波源、太赫兹波探测器、第一分束镜、准直透镜、第二分束镜、平面金属反射镜、第一斩波器、第二斩波器、斩波器控制器、第一90°离轴抛物面金属反射镜、第二90°离轴抛物面金属反射镜、二维电控位移台、电控位移台控制器、计算机和数据采集卡；

所述第一分束镜将太赫兹波源发出的太赫兹波光束转至准直透镜；所述准直透镜用于扩大太赫兹波光束的束腰半径；所述第二分束镜用于将经过准直透镜的太赫兹光路按能量均分为两路；第二分束镜分束后的一路太赫兹光束进入第二斩波器；平面金属反射镜用于协助将分束后的另一路太赫兹光束折射至第一斩波器；所述第一斩波器和第二斩波器用于对两路太赫兹波光束进行斩波；斩波器控制器用于控制第一斩波器和第二斩波器以不同频率运转；所述第一90°离轴抛物面金属反射镜和第二90°离轴抛物面金属反射镜用于将斩波后的太赫兹光束反射、聚焦至待测物体表面；二维电控位移台用于使待测物体在二维平面内运动，使太赫兹聚焦光斑在物体表面形成二维扫描；电控位移台控制器用于控制二维电控位移台；所述第一分束镜用于将返回的太赫兹波反射被太赫兹探测器接收；所述太赫兹波探测器用于将接收到的太赫兹波转换为电压信号；所述计算机用于对通过数据卡通采集的转换的电压信号进行图像处理。

2.一种提高太赫兹扫描成像速度的方法，其特征在于,包括以下步骤：

让太赫兹波源发射的连续太赫兹波经过准直透镜后形成准平行光束，然后用分束器平分为两路；

在两路太赫兹波光束中分别插入第一斩波器和第二斩波器，斩波频率分别为f₁和f₂；

两路太赫兹波光束分别被90°离轴抛物面金属反射镜反射，在待测物体表面两个不同位置分别形成聚焦光斑；

被待测物体表面反射的两路太赫兹波原路返回，经过第二分束镜被太赫兹探测器所接收；

太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换为电压信号，并输出含有两种调制频率为f₁和f₂的模拟电压信号，该信号通过数据卡被计算机采集；

在计算机中采用数字滤波技术，根据频率不同分别提取得到两路太赫兹波的反射信号强度；

控制二维电控位移台使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面二维扫描，获取待测物体每一点的反射信号强度，通过数据融合获得待测物体的二维太赫兹波反射图像。

3.一种提高太赫兹扫描成像速度的方法，其特征在于,包括以下步骤：

让太赫兹波源发射的连续太赫兹波经过准直透镜后形成准平行光束，然后将经过准直的太赫兹波束平分为N路，N大于2；

在N路太赫兹波束中分别插入N个斩波器，每路都采用不同的斩波频率；

让N路太赫兹波束分别被N个90°离轴抛物面金属反射镜反射，在待测物体表面N个不同位置分别形成聚焦光斑；

被待测物体表面反射的N个太赫兹波原路返回，最终被太赫兹探测器所接收；

太赫兹探测器将接收到的太赫兹波转换为电压信号，并输出含有N种调制频率的模拟电压信号，该信号通过数据卡被计算机采集；

在计算机中采用数字滤波技术，根据频率不同分别提取得到N路太赫兹波的反射信号强度；

控制二维电控位移台使太赫兹聚焦光斑在待测物体表面二维扫描，获取待测物体每一点的反射信号强度，通过数据融合获得待测物体的二维太赫兹波反射图像。