CN105675130A - 太赫兹探测器及读出电路系统频响测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种太赫兹探测器及读出电路系统频响测量方法，包含太赫兹锁相信号源、傅立叶光谱仪、太赫兹探测器及读出电路系统、高精度数据采集卡和控制计算机，太赫兹锁相信号源为输入信号源，傅立叶光谱仪与太赫兹锁相信号源连接对太赫兹锁相信号源进行空间干涉，太赫兹探测器及读出电路系统与傅立叶光谱仪连接用于接受干涉条纹并进行初步处理，高精度数据采集卡与太赫兹探测器及读出电路系统连接用于采集干涉条纹数据，控制计算机与高精度数据采集卡连接用于进行干涉条纹数据加窗预处理和频谱处理。本发明系统构成简洁，测量方法涉及数据处理易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹探测器及读出电路系统频响测量方法，属于太赫兹技术研究领域。
背景技术
半导体Bolometer探测器、超导热电子HEB探测器、太赫兹超导隧道结SIS探测器、DLATGS探测器等是当前太赫兹频段应用广泛的探测器，可直接用于太赫兹频段宽带信号辐射强度探测。在太赫兹探测器及读出电路系统中，有两个衡量频率响应的重要技术参数，其一是太赫兹探测器射频响应带宽，该技术参数表征太赫兹探测器入射太赫兹信号的有效探测频率范围，其测量方法常通过一个具有宽带特性的黑体辐射源作为太赫兹信号源输入，采用傅立叶光谱仪技术，进行太赫兹探测器的射频响应带宽测量；其二是太赫兹探测器及读出电路系统（包括太赫兹探测器及其直流电源偏置电路）低频频率响应带宽，该技术参数则反映了太赫兹探测器及读出电路系统在太赫兹信号检测时信号读出的快慢。太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应，常用读出电路的低频响应带宽来表征。
我们知道，由于太赫兹探测器及读出电路系统存在的低频漂移噪声（如1/f噪声）影响了太赫兹探测器系统的检测灵敏度。为了提高检测信噪比，在太赫兹探测器系统进行太赫兹信号检测时，通常要求将太赫兹信号进行调制（如斩波调制等），使其调制信号有效避开低频漂移噪声的频率区间，同时又落在太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应有效带宽内。此刻，太赫兹探测器及读出电路系统的低频响应最高频率则限定了太赫兹信号调制频率的上限。若调制频率超过太赫兹探测器系统低频响应频率，则太赫兹探测器检测信噪比将迅速降低，甚至无法检测出有效的太赫兹信号。因此，太赫兹探测器系统低频响应频率也是太赫兹探测器系统探测性能优化的重要依据。
测量太赫兹探测器及读出电路系统低频响应带宽，目前采用的方法有如下两种。其一，采用宽带太赫兹信号源（黑体信号源）作为输入信号，并借助傅立叶光谱仪的快速扫描和慢速扫描，获取两帧太赫兹探测器系统输出的信号源频谱，并进行比较（将快速扫描时获取信号源频率除以慢速扫描时获取的信号源频谱），从而得到太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽，从原理上，该测量方法简单和直接，但是考虑到在宽带太赫兹信号源输入信号的较弱，且太赫兹探测器及读出电路系统的噪声性能较差的情况下，通过快速和慢速扫描的频谱比较，很难获得较好的信噪比，而将导致难于获得精确的太赫兹探测器及读出电路系统低频频率响应。
其二，采用光学或电学调制太赫兹单频信号源作为输入，在太赫兹探测器及读出电路系统连接锁定放大器，通过锁定放大器度读出电路系统检测到的调制信号进行解调。改变光学或电学调制频率，并读取锁定放大器对应的解调输出信号幅度，即可实现太赫兹探测器及读出电路系统低频响应带宽的测量。该测量方法主要是基于时域的同步检波测量方法进行太赫兹探测器及读出电路系统的频响带宽测量。该测量方法对所采用太赫兹信号源输出稳定性以及调制信号源频率稳定性要求较高，否则检测的信号幅度精度难于保证。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、易于实现的太赫兹探测器及读出电路系统频响测量方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种太赫兹探测器，其特征在于：包含太赫兹锁相信号源、傅立叶光谱仪、太赫兹探测器及读出电路系统、高精度数据采集卡和控制计算机，太赫兹锁相信号源为输入信号源，傅立叶光谱仪与太赫兹锁相信号源连接对太赫兹锁相信号源进行空间干涉，太赫兹探测器及读出电路系统与傅立叶光谱仪连接用于接受干涉条纹并进行初步处理，高精度数据采集卡与太赫兹探测器及读出电路系统连接用于采集干涉条纹数据，控制计算机与高精度数据采集卡连接用于进行干涉条纹数据加窗预处理和频谱处理。
进一步地，所述太赫兹探测器及读出电路系统包含太赫兹探测器和读出电路，太赫兹探测器接受傅立叶光谱仪输出的干涉条纹，读出电路提供太赫兹探测器偏置电源，对检测信号进行直流放大等初步处理后，输出至高精度数据采集卡进行数据采集。
一种太赫兹探测器读出电路系统频响测量方法，其特征在于包含以下步骤：
A、设定太赫兹锁相信号源的合适信号输出频率和功率；
B、设定太赫兹探测器的工作点；
C、设定傅立叶光谱仪的工作模式为快速扫描模式，并控制扫描速率V的大小后，开始扫描傅立叶频谱仪，使之将太赫兹信号形成干涉条纹，并通过控制计算机从高精度数据采集卡读取被太赫兹探测器所接收的干涉条纹信号，利用数据处理程序对干涉条纹进行加平顶窗预处理后，在进行频谱后处理，获取调制信号的频率和幅度；
D、保持太赫兹锁相信号源的输出频率和功率不变，通过不断改变傅立叶光谱仪的扫描速率V，重复步骤C，获取不同扫描速率V下的调制频率f和幅度；
E、根据频谱处理获得的不同调制信号频率和幅度，还原太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽，即可完成太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽测量。
进一步地，所述工作点为工作电压或工作电流。
本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：本发明的太赫兹探测器及读出电路系统频响测量方法系统构成简洁，测量方法涉及数据处理易于实现，特别适合应用于太赫兹探测器及读出电路系统与干涉仪集成的傅立叶光谱仪系统。
附图说明
图1是本发明的一种太赫兹探测器的示意图。
图2是本发明的不同扫描速率V进行太赫兹探测器及读出电路系统低频响应带宽的频率扫描示意图。
具体实施方式
下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
如图所示，本发明的一种太赫兹探测器，包含太赫兹锁相信号源1、傅立叶光谱仪2、太赫兹探测器及读出电路系统3、高精度数据采集卡4和控制计算机5，太赫兹锁相信号源1为输入信号源，傅立叶光谱仪2与太赫兹锁相信号源1连接对太赫兹锁相信号源进行空间干涉，太赫兹探测器及读出电路系统3与傅立叶光谱仪2连接用于接受干涉条纹并进行初步处理，高精度数据采集卡4与太赫兹探测器及读出电路系统3连接用于采集干涉条纹数据，控制计算机5与高精度数据采集卡4连接用于进行干涉条纹数据加窗预处理和频谱处理。太赫兹探测器及读出电路系统3包含太赫兹探测器31和读出电路32，太赫兹探测器接受傅立叶光谱仪输出的干涉条纹，读出电路提供太赫兹探测器偏置电源，对检测信号进行直流放大等初步处理后，输出至高精度数据采集卡进行数据采集。
太赫兹探测器将太赫兹锁相信号源（其频率选择在太赫兹探测器射频响应带宽内），置于傅立叶光谱仪输入端口合适位置（实现波束匹配），傅立叶光谱仪后基于实现波束匹配考虑，在合适位置放置太赫兹探测器及读出电路，其读出电路连接高精度数据采集卡，数据采集卡和傅立叶光谱仪同时连接控制计算机。控制计算机内置傅立叶光谱仪控制，数据采集和频谱处理等必要的程序。
本发明基于傅立叶光谱技术，实现太赫兹探测器及读出电路系统低频频响带宽测量。太赫兹锁相信号源作为输入信号，输入至傅立叶光谱仪，并由傅立叶光谱仪对太赫兹锁相信号源进行空间干涉，干涉条纹输出至太赫兹探测器中并为之所接收。太赫兹探测器读出电路的提供太赫兹探测器偏置电源，对检测信号进行直流放大等初步处理后，输出至高精度数据采集卡进行数据采集，采集的干涉条纹数据最后送至控制计算机进行干涉条纹数据加窗预处理和频谱处理。
傅立叶光谱仪在快速扫描模式下工作时，傅立叶光谱仪通过扫描速率V将太赫兹锁相信号源频率进行调制，快速扫描形成干涉条纹被太赫兹探测器读出电路接收和低频处理后，被后续的高精度数据采集卡数字化后形成时间序列。在干涉条纹数据时间序列中，太赫兹信号源频率fsig、快速扫描速度V与调制频率f三者之间关系为
f＝2*V*fsig/C
其中C是光速。因此在输入太赫兹信号源频率fsig保持不变的情况下，通过改变傅立叶光谱仪的扫描速率V，与之对应的调制频率f也随之发生变化。在保持太赫兹信号源幅度不变的情况下，改变扫描速率V，太赫兹锁相信号源对应的调制频率f将在在太赫兹探测器及读出电路的低频响应带宽内进行扫描。通过干涉条纹的频谱中读取调制信号频率和幅度，即可获取太赫兹探测器及读出电路的低频响应带宽。不同扫描速率V进行太赫兹探测器及读出电路的低频响应带宽R的频率扫描示意图如图2所示。
考虑到干涉条纹进行傅立叶变换的频谱处理过程中，为降低不同调制频率f有限数据长度的傅立叶变换时引起频谱的振铃效应（频谱振铃效应的存在将使得不同调制频率f其输出幅度产生起伏最大变化接近4dB，这可能导致低频响应带宽测量错误），在干涉条纹进行傅立叶变换前，先采用具有高效抑制振铃效应平顶窗（flat-top）进行加窗预处理（使得不同调制频率f下的输出幅度起伏效应0.1dB），保持幅度高一致性的信号频谱输出，从而更精确获得太赫兹探测器及读出电路的低频响应带宽特性。
一种太赫兹探测器读出电路系统频响测量方法，包含以下步骤：
A、设定太赫兹锁相信号源的合适信号输出频率和功率；
B、设定太赫兹探测器的工作点（工作电压或电流）；
C、设定傅立叶光谱仪的工作模式为快速扫描模式，并控制扫描速率V的大小后，开始扫描傅立叶频谱仪，使之将太赫兹信号形成干涉条纹，并通过控制计算机从高精度数据采集卡读取被太赫兹探测器所接收的干涉条纹信号，利用数据处理程序对干涉条纹进行加平顶窗预处理后，在进行频谱后处理，获取调制信号的频率和幅度；
D、保持太赫兹锁相信号源的输出频率和功率不变，通过不断改变傅立叶光谱仪的扫描速率V，重复步骤C，获取不同扫描速率V下的调制频率f和幅度；
E、根据频谱处理获得的不同调制信号频率和幅度，还原太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽，即可完成太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽测量。
综上所述，本发明提出的傅立叶光谱技术实现太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽测量系统构成简洁，测量方法涉及数据处理易于实现，从应用场合考虑，本发明专利提出的测量方法特别适合应用于太赫兹探测器及读出电路系统与干涉仪集成的傅立叶光谱仪系统。
本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明所作的举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明说明书的内容或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种太赫兹探测器，其特征在于：包含太赫兹锁相信号源、傅立叶光谱仪、太赫兹探测器及读出电路系统、高精度数据采集卡和控制计算机，太赫兹锁相信号源为输入信号源，傅立叶光谱仪与太赫兹锁相信号源连接对太赫兹锁相信号源进行空间干涉，太赫兹探测器及读出电路系统与傅立叶光谱仪连接用于接受干涉条纹并进行初步处理，高精度数据采集卡与太赫兹探测器及读出电路系统连接用于采集干涉条纹数据，控制计算机与高精度数据采集卡连接用于进行干涉条纹数据加窗预处理和频谱处理。
2.按照权利要求1所述的太赫兹探测器，其特征在于：所述太赫兹探测器及读出电路系统包含太赫兹探测器和读出电路，太赫兹探测器接受傅立叶光谱仪输出的干涉条纹，读出电路提供太赫兹探测器偏置电源，对检测信号进行直流放大等初步处理后，输出至高精度数据采集卡进行数据采集。
3.一种权利要求1所述的太赫兹探测器读出电路系统频响测量方法，其特征在于包含以下步骤：
设定太赫兹锁相信号源的合适信号输出频率和功率；
设定太赫兹探测器的工作点；
设定傅立叶光谱仪的工作模式为快速扫描模式，并控制扫描速率V的大小后，开始扫描傅立叶频谱仪，使之将太赫兹信号形成干涉条纹，并通过控制计算机从高精度数据采集卡读取被太赫兹探测器所接收的干涉条纹信号，利用数据处理程序对干涉条纹进行加平顶窗预处理后，在进行频谱后处理，获取调制信号的频率和幅度；
保持太赫兹锁相信号源的输出频率和功率不变，通过不断改变傅立叶光谱仪的扫描速率V，重复步骤C，获取不同扫描速率V下的调制频率f和幅度；
根据频谱处理获得的不同调制信号频率和幅度，还原太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽，即可完成太赫兹探测器及读出电路系统的低频频率响应带宽测量。
4.按照权利要求3所述的太赫兹探测器读出电路系统频响测量方法，其特征在于：所述工作点为工作电压或工作电流。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |