CN104048761B - 一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，包括天馈模块、W个太赫兹照射源模块、太赫兹焦平面多通道相参接收模块、中频信号处理模块、本振参考源，W为预获取的颜色数量，W为≥1的自然数。每一个太赫兹照射源模块发射用于照射在被探测目标上的太赫兹照射信号，每一个太赫兹照射源模块包括太赫兹照射信号倍频器、太赫兹天线；本振参考源产生的本振信号通过太赫兹照射信号倍频器倍频后，经过太赫兹天线辐射，照射在被探测目标上。本发明的照相机能在复杂背景环境下提高目标的识别能力，抗干扰性能强，实时成像，具有较好分辨率和灵敏度。

Description

一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机

技术领域

本发明涉及太赫兹成像技术领域，具体涉及一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波通常指的是频率在0.1THz～10THz(波长3mm～30μm)范围内的电磁辐射(1THz＝10¹²Hz)，它在电磁波谱中介于微波和红外辐射之间。太赫兹波辐射在成像应用中可具有如下特点：太赫兹波辐射可以穿透很多普通的非金属遮掩材料，探测到隐匿物体；太赫兹波的波长足够短，可获得较高的成像空间分辨率，或实现危险物高精度定位；太赫兹频率的电磁波辐射对有机体是非电离的，因此在适当的强度下使用，对人体比较安全；相比于微波毫米波成像系统，同样的图像分辨率下，太赫兹成像系统体积更小。太赫兹辐射的上述特点决定了太赫兹成像具有广阔的应用前景，是国际上的研究热点之一。

但是，目前的太赫兹照相机存在一些问题，包括：

1、完全依靠检测目标自身辐射的太赫兹信号的被动式照相机，抗干扰性能差，对相机本身的噪声性能要求很高；作用距离有限；无法获取目标的相位信息。

2、通常工作在一个频率。采用单一太赫兹频率，虽然可以有效发现目标并对目标实现成像，但是由于目标辐射特性的复杂性，在有效的目标辐射强度或特征识别上存在问题。

3、通常采用单像素扫描结构，不能实时成像，分辨率有待提高。

4、接收信号通常采用直接检波方式，或者较少像素的外差接收方式。如果采用直接检波方式，虽然可以较容易的实现大规模阵列的焦平面成像，但是灵敏度较低且缺失了相位信息；如果采用外差接收方式，每个通道均需要本振信号，因此中频电路复杂且体积较大，不适宜便携式使用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺点，提供一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，提高抗干扰性能、增加作用距离、获取目标相位信息，在复杂背景环境下提高目标的识别能力，实时成像，具有较好的分辨率和较高的灵敏度，体积小、封装简单。

本发明提供的一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机包括天馈模块、W个太赫兹照射源模块、太赫兹焦平面多通道相参接收模块、中频信号处理模块、本振参考源，W为预获取的颜色数量，W为≥1的自然数；每一个太赫兹照射源模块发射用于照射在被探测目标上的太赫兹照射信号，每一个太赫兹照射源模块包括太赫兹照射信号倍频器、太赫兹天线；本振参考源产生的本振信号通过太赫兹照射信号倍频器倍频后，经过太赫兹天线辐射，照射在被探测目标上；天馈模块包括反射面天线和天线伺服模块，天馈模块中的反射面天线用于接收被探测目标散射的太赫兹照射信号(相对于太赫兹焦平面多通道相参接收模块来说，是太赫兹射频信号，以下称太赫兹射频信号)，反射面天线在天线伺服模块的控制下扫描被测目标散射的太赫兹射频信号；太赫兹焦平面多通道相参接收模块位于反射面天线的焦平面上，被探测目标发出的太赫兹射频信号经天馈模块中的反射面天线的反射，聚焦于太赫兹焦平面多通道相参接收模块；太赫兹焦平面多通道相参接收模块包括太赫兹多波束准光混频器，太赫兹多波束准光混频器将收到的太赫兹射频信号和太赫兹本振信号进行混频，产生混频输出信号；中频信号处理模块对混频输出信号依次进行一分W路功率分配、滤波、低噪声放大、二次混频处理，输出中频信号。

太赫兹多波束准光混频器包括N1×N2个像素，太赫兹多波束准光混频器将收到的太赫兹射频信号和太赫兹本振信号进行混频，产生N1×N2路混频输出信号，N1、N2为≥1的自然数，每一路混频输出信号对应一个像素，每一路混频输出信号称为每一像素混频输出信号；中频信号处理模块包括二次变频模块，二次变频模块包括N1×N2个中频信号装置，每一中频信号装置对每一路混频输出信号依次进行一分W路功率分配、滤波、低噪声放大、二次混频处理，输出N1×N2×W路中频信号。

本发明的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机相对于现有技术具有如下有益效果：

1、相比较需要扫描的单像素照相机，焦平面照相机具有如下的优点：1)能够实时成像，可对快速运动目标成像；2)具有较好的分辨率和较高灵敏度，因为采用焦平面凝视阵列，天线不需要扫描，光学部分便可以做得大一些，从而可以得到较好的分辨率；因为积分时间不受扫描速度限制，故有可能获得较高灵敏度。

2、本发明的焦平面照相机可以工作在多个频率，由于接收一个目标的多个频率辐射信号，可以实现在复杂背景环境下(例如在目标与背景辐射强度对比度很低的情况下或者在阳光等辐射/反射干扰下)提高目标的识别能力。

3、太赫兹多波束准光混频器和中频信号处理模块采用LTCC封装工艺集成，实现了一体化三维立体封装，本发明的太赫兹焦平面多通道成像系统采用太赫兹多波束准光混频器作为主要的接收与变频元件，集成度高，十分适用于二维大规模成阵；适用于二维大规模成阵，整体的接收机体积和重量小，方便携带；本发明采用高阻介质透镜可以避免混频天线表面波的产生，提高天线的增益，减小表面波损耗，并可以提高天线的方向性，高阻介质透镜采用复眼透镜，因此在具体的成像应用时，布阵结构更为灵活，可以适用于大视场或者远焦距成像等场合。

4、相比于太赫兹被动式照相机，半主动式照相机能在复杂背景环境下提高目标的识别能力，抗干扰性能强，可以提高作用距离，并且获取目标相位信息实现信号的相参接收。

5、本发明采用波束分离器可以有效地提高射频信号与本振信号的隔离度。

6、使用方式灵活，当需要进行大视场成像时，可以扫描次镜，实现宽视场成像。

7、可以国内自主生产，并且随着产品的数量提升，成本大幅度降低。

附图说明

应说明的是，下面描述中的附图仅示意地示出了一些实施例，并没有包括所有可能的实施例。

图1为太赫兹半主动式彩色焦平面照相机的实施例的示意图；

图2为天馈模块结构实施例的示意图与太赫兹半主动式彩色焦平面照相机实施例的部分信号流程示意图；

图3为太赫兹多波束准光混频器的实施例的示意图；

图4为中频信号处理模块的实施例的网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图描述本发明的示例性实施例的技术方案。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。所描述的实施例仅用于图示说明，而不是对本发明范围的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

尽管本申请中使用了词语第一、第二等来描述多个元件或构成部分，这些元件或构成部分不应受这些词语的限制。这些词语仅用于区分一个元件或构成部分和另一元件或构成部分，而不包含“顺序”。因此，将下面讨论的第一元件或构成部分称为第二元件或构成部分也没有超出本发明的构思和范围。

图1示出了一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机的实施例的示意图。如图1所示，一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机包括W个太赫兹照射源模块、天馈模块、太赫兹焦平面多通道相参接收模块、中频信号处理模块、本振参考源、模/数转换与存储处理模块、数字信号处理模块、显示与控制模块和电源模块，W为预获取的颜色数量，W为≥1的自然数。

每一个太赫兹照射源模块发射用于照射在被探测目标上的太赫兹照射信号。每一个太赫兹照射源模块包括太赫兹照射信号倍频器、太赫兹天线；本振参考源产生的本振信号通过太赫兹照射信号倍频器倍频后，经过太赫兹天线辐射，照射在被探测目标上。

天馈模块包括反射面天线和天线伺服模块，天馈模块中的反射面天线用于接收被探测目标散射的太赫兹照射信号(以下称太赫兹射频信号)，反射面天线在天线伺服模块的控制下扫描被测目标的太赫兹射频信号。天馈模块中的反射面天线可以采用偏焦卡塞格伦天线，偏焦卡塞格伦天线包括主抛物面和次级反射面，用于接收被探测目标散射的太赫兹波。太赫兹焦平面多通道相参接收模块位于反射面天线的焦平面上，被探测目标散射的太赫兹射频信号经主抛物面和次级反射面的反射，聚焦于太赫兹焦平面多通道相参接收模块；天线伺服模块控制次级反射面，在需要增大视场时，可以通过次级反射面的扫描实现对大视场被探测目标的成像，如图2所示。

其中，主抛物面的口径D满足：

其中，θ_3dB为太赫兹焦平面多通道成像系统的空间分辨率，λ₀为被探测目标辐射出的太赫兹波的波长λ₀为被探测目标辐射出的太赫兹波的波长。rad(弧度)表示的是角的大小。

太赫兹焦平面多通道相参接收模块包括波束分离器、太赫兹多波束准光混频器和太赫兹本振倍频器。太赫兹本振倍频器用于产生太赫兹本振信号，本振参考源产生的本振信号通过太赫兹本振倍频器倍频后，产生太赫兹本振信号；波束分离器用于控制太赫兹本振信号的空间传播方向，透射太赫兹射频信号并且反射太赫兹本振信号，使太赫兹射频信号和太赫兹本振信号共同传递给太赫兹多波束准光混频器。太赫兹多波束准备混频器包括N1×N2个像素；太赫兹多波束准光混频器将收到的太赫兹射频信号和太赫兹本振信号进行混频，产生N1×N2路混频输出信号；N1、N2为≥1的自然数，每一路混频输出信号对应一个像素，每一路混频输出信号称为每一像素混频输出信号。

太赫兹多波束准光混频器包括高阻介质透镜和混频天线芯片，如图3形所示。混频天线芯片包含相同结构的N1×N2个混频天线，排列成N1行，N2列。高阻介质透镜采用复眼透镜，复眼透镜包括小透镜阵列和扩展底座，小透镜阵列位于扩展底座上，小透镜通过扩展底座与混频天线实现信号间的传输；小透镜阵列包括N1×N2个小透镜，小透镜与混频天线一一对应，小透镜的中心与其对应的混频天线的中心位于同一轴线上，一个像素包括一个混频天线和一个小透镜。

采用准光混频结构，即太赫兹多波束准光混频器，包括复眼结构的高阻介质透镜和混频天线芯片。其中复眼结构的高阻介质透镜是一个宽频带响应器件，因此，太赫兹多波束准光混频器的响应频率主要取决于混频天线芯片的响应频率。为了实现目标辐射出来的多个频率信号的接收，混频天线芯片中每个像素所采用的片上天线形式采用宽频带的天线形式，例如螺旋天线、对数周期天线等；或者采用能够在几个频率上响应的天线结构。

图4示出了中频信号处理模块的实施例的网络拓扑结构示意图。中频信号处理模块包括二次变频模块，二次变频模块包括N1×N2个中频信号处理装置，每一中频信号装置对每一路混频输出信号依次进行一分W路功率分配、滤波、低噪声放大、二次混频处理，输出N1×N2×W路中频信号，W为预获取的颜色数量，W为≥1的自然数。

中频信号处理模块的每个中频信号处理装置对每一路混频输出信号进行处理，中频信号装置包括一分W路功率分配器、滤波器、低噪声放大器、二次混频器和倍频器，每一路混频输出信号都会经过一分W路功率分配器，然后分别经过滤波器、低噪声放大器、二次混频器，从二次混频器输出中频信号，一共输出N1×N2×W路中频信号，其中，所述一分W路功率分配器将太赫兹多波束准光混频器输出的每一路混频输出信号分为W路，

本振参考源产生的本振信号通过中频信号处理模块的倍频器倍频后，产生二次混频的本振信号。

例如，W＝3，则取太赫兹照射信号中的三个频率；所述三个频率例如可以取220GHz、340GHz、450GHz，例如太赫兹本振信号频率为105GHz；则对于220GHz，利用2次混频，输出10GHz信号；对于340GHz，利用3次混频，输出25GHz信号；对于450GHz，利用4次混频，输出30GHz信号。当W＝3时，所述一分W路功率分配器为一分3路功率分配器。所述一分3路功率分配器将太赫兹多波束准光混频器输出的每一像素混频输出信号分为3路信号，所述3路信号包括第一路信号、第二路信号、第三路信号，滤波器包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器，第一路信号通过第一滤波器，第一滤波器输出10GHz信号，第二路信号通过第二滤波器，第二滤波器输出25GHz信号，第三路信号通过第三滤波器，第三滤波器输出30GHz信号，对于10GHz信号、25GHz信号、30GHz信号，再分别经过二次混频器(例如本振参考源为14GHz，分别经过1次、2次和2次倍频)进行二次混频，输出4GHz、3GHz、2GHz的中频信号，如图4所示。要说明的是，本发明的W不局限于为3。根据使用需要，W可以为≥1的自然数。

模/数转换与存储处理模块对中频信号处理模块输出的中频信号进行采样、量化、编码，将中频信号变换成中频数字信号并进行存储，同时将中频数字信号输出给数字信号处理模块。

数字信号处理模块根据原始采集数据，按照定标方程将每个通道输出的中频数字信号转换成辐射温度值，并最终转换成图像灰度数据，并将图像灰度数据传送给显示与控制模块。

显示与控制模块用于显示灰度值图像，并控制天线伺服模块，实现空间波束的机械扫描。

电源模块用于给天线伺服模块、太赫兹本振倍频器、本振参考源、中频信号处理模块、模/数转换与存储处理模块，以及显示与控制模块提供电流或者电压。

太赫兹多波束准光混频器和中频信号处理模块采用LTCC封装工艺集成，实现了一体化三维立体封装。虽然随着芯片集成技术的不断发展，很多射频有源电路都可以实现小型化单片集成，但是无源器件尚且不能在集成电路内部实现集成，成为占据电路二维版图面积的主要器件。本设备充分利用LTCC工艺，具有三维立体化封装特点，中频信号处理模块的二次变频模块埋置于基于LTCC的封装的下表面空腔中或者表贴在LTCC下表面基板上，太赫兹多波束准光混频器的混频天线芯片位于LTCC基板顶部。采用三维立体封装设计方式，实现了传统电路的二维平面结构到三维立体化封装结构的转变，极大地减小了设备的体积和重量。除此之外，由于采用了一体化集成工艺，避免了原有分立的系统所必须的繁琐的组装和调试过程，从而提高了系统的整体可靠性。

以上对本发明的实施例的描述仅用于说明本发明的技术方案，而不是对本发明范围的限制，本发明并不限于所公开的这些实施例，本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或替换都应落入本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于，所述照相机包括天馈模块、W个太赫兹照射源模块、太赫兹焦平面多通道相参接收模块、中频信号处理模块、本振参考源；W为预获取的颜色数量，W为≥1的自然数；

每一个太赫兹照射源模块发射用于照射在被探测目标上的太赫兹照射信号，每一个太赫兹照射源模块包括太赫兹照射信号倍频器、太赫兹天线；本振参考源产生的本振信号通过太赫兹照射信号倍频器倍频后，经过太赫兹天线辐射，照射在被探测目标上；

天馈模块包括反射面天线和天线伺服模块，天馈模块中的反射面天线用于接收被探测目标散射的太赫兹射频信号，反射面天线在天线伺服模块的控制下扫描被测目标的太赫兹射频信号；

太赫兹焦平面多通道相参接收模块位于反射面天线的焦平面上，被探测目标散射的太赫兹射频信号经天馈模块中的反射面天线的反射，聚焦于太赫兹焦平面多通道相参接收模块；太赫兹焦平面多通道相参接收模块包括太赫兹多波束准光混频器，太赫兹多波束准光混频器将收到的太赫兹射频信号和太赫兹本振信号进行混频，产生混频输出信号，

中频信号处理模块对混频输出信号依次进行一分W路功率分配、滤波、低噪声放大、二次混频处理，输出中频信号。

2.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：

太赫兹多波束准光混频器包括N1×N2个像素，太赫兹多波束准光混频器将收到的太赫兹射频信号和太赫兹本振信号进行混频，产生N1×N2路混频输出信号，N1、N2为≥1的自然数，每一路混频输出信号对应一个像素，每一路混频输出信号称为每一像素混频输出信号；

中频信号处理模块包括二次变频模块，二次变频模块包括N1×N2个中频信号装置，每一中频信号装置对每一路混频输出信号依次进行一分W路功率分配、滤波、低噪声放大、二次混频处理，输出N1×N2×W路中频信号。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：天馈模块中的反射面天线采用偏焦卡塞格伦天线，偏焦卡塞格伦天线包括主抛物面和次级反射面；被探测目标散射的太赫兹射频信号经天馈模块中的主抛物面和次级反射面的反射，聚焦于太赫兹焦平面多通道相参接收模块；

天线伺服模块控制次级反射面，通过次级反射面的扫描实现对大视场被探测目标的成像。

4.如权利要求3所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：主抛物面的口径D满足：

${\mathrm{\θ}}_{3dB}\≈\frac{1.22{\mathrm{\λ}}_0}{D}$

其中，θ_3dB为太赫兹焦平面多通道成像系统的空间分辨率，λ₀为被探测目标辐射出的太赫兹波的波长。

5.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：

太赫兹焦平面多通道相参接收模块还包括波束分离器、太赫兹本振倍频器，本振参考源产生的本振信号通过太赫兹本振倍频器倍频后产生太赫兹本振信号；波束分离器用于控制太赫兹本振信号的空间传播方向，透射太赫兹射频信号并且反射太赫兹本振信号，使太赫兹射频信号和太赫兹本振信号共同传递给太赫兹多波束准光混频器。

6.如权利要求5所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：太赫兹多波束准光混频器包括高阻介质透镜和混频天线芯片；混频天线芯片包含相同结构的N1×N2个混频天线，排列成N1行，N2列；高阻介质透镜采用复眼透镜，复眼透镜包括小透镜阵列和扩展底座，小透镜阵列位于扩展底座上，小透镜通过扩展底座与混频天线实现信号间的传输；小透镜阵列包括N1×N2个小透镜，小透镜与混频天线一一对应，小透镜的中心与其对应的混频天线的中心位于同一轴线上，一个像素包括一个混频天线和一个小透镜。

7.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：

中频信号处理模块的每个中频信号处理装置对每一路混频输出信号进行处理，中频信号处理装置包括一分W路功率分配器、滤波器、低噪声放大器、二次混频器和倍频器，每一路混频输出信号都会经过一分W路功率分配器，然后分别经过滤波器、低噪声放大器、二次混频器，从二次混频器输出中频信号，一共输出N1×N2×W路中频信号，其中，所述一分W路功率分配器将太赫兹多波束准光混频器输出的每一路混频输出信号分为W路，本振参考源产生的本振信号通过中频信号处理模块的倍频器倍频后，产生二次混频的本振信号。

8.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：

所述照相机还包括模/数转换与存储处理模块、数字信号处理模块、显示与控制模块和电源模块，模/数转换与存储处理模块对中频信号处理模块输出的中频信号进行采样、量化、编码，将中频信号变换成中频数字信号并进行存储，同时将中频数字信号输出给数字信号处理模块；

数字信号处理模块根据原始采集数据，按照定标方程将每个通道输出的中频数字信号转换成辐射温度值，并最终转换成图像灰度数据，并将图像灰度数据传送给显示与控制模块；

显示与控制模块用于显示灰度值图像，并控制天线伺服模块，实现空间波束的机械扫描；

电源模块用于给天线伺服模块、太赫兹本振倍频器、本振参考源、中频信号处理模块、模/数转换与存储处理模块，以及显示与控制模块提供电流或者电压。

9.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：太赫兹多波束准光混频器和中频信号处理模块采用LTCC封装工艺集成，实现了一体化三维立体封装，其中中频信号处理模块的二次变频模块埋置于基于LTCC的封装的下表面空腔中或者表贴在LTCC下表面基板上，太赫兹多波束准光混频器的混频天线芯片位于LTCC基板顶部。

10.如权利要求1所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：W＝3，取目标辐射出太赫兹信号中的三个频率，所述一分W路功率分配器为一分3路功率分配器。

11.如权利要求10所述的太赫兹半主动式彩色焦平面照相机，其特征在于：所述三个频率取为220GHz、340GHz、450GHz，太赫兹本振信号频率为105GHz；对于220GHz，利用2次混频，输出10GHz信号；对于340GHz，利用3次混频，输出25GHz信号；对于450GHz，利用4次混频，输出30GHz信号；

所述一分3路功率分配器将太赫兹多波束准光混频器输出的每一像素混频输出信号分为3路信号，所述3路信号包括第一路信号、第二路信号、第三路信号，滤波器包括第一滤波器、第二滤波器、第三滤波器，第一路信号通过第一滤波器，第一滤波器输出10GHz信号，第二路信号通过第二滤波器，第二滤波器输出25GHz信号，第三路信号通过第三滤波器，第三滤波器输出30GHz信号，对于10GHz信号、25GHz信号、30GHz信号，再分别经过二次混频器进行二次混频，输出4GHz、3GHz、2GHz的中频信号。