CN105973812B - 基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，包括：位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源、基于源延迟线及延迟分束片的准光系统、Nb5N6探测器、电子学系统以及显示模块，所述准光系统包括抛物面镜、源延迟线、延迟分束片以及汇聚镜，所述电子学系统包括信号处理模块、电机控制模块以及扫描成像控制模块。本发明还公开了一种利用上述探测系统的探测方法。本发明实现采用单一太赫兹辐射源，快速的主动太赫兹成像探测。

Description

基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统及方法

技术领域

本发明属于太赫兹成像探测技术领域，具体涉及一种基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统及方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波一般是指频率在0.3T到10THz(波长为30微米到1毫米)范围内的电磁波(电磁波谱参见图1)。该电磁波段介于亚毫米波和远红外之间，横跨传统电子学到光学的变迁区域，太赫兹波的理论研究则处于传统经典理论和量子跃迁理论的过渡区，其性质也因此而表现出不同于其他电磁辐射的特殊性。

自然界中绝大多数物体的热辐射都在太赫兹波段，但是在20世纪80年代中期之前，由于缺乏太赫兹波段的高效率发射源和高灵敏度探测器，这一波段的电磁辐射并没有得到深入研究。超快光电子技术和低尺度半导体技术的出现及应用，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，太赫兹技术得以飞速发展。目前，由于大面阵太赫兹探测器阵列实现难度大，通常采用线列或小面阵通过扫描方式实现大视场成像。

在成像和其他的一些应用领域中已经发现利用太赫兹辐射是非常有用的，因为一些物质在太赫兹谱段是可以实现“透视”的而在可见光领域则不能。这允许我们展开穿透式探测。比如说，穿透衣物探测人体携带的非法隐匿物(如刀，枪，炸药等)或者在医疗行业对皮肤癌的发现。

主动太赫兹成像是成像系统通过接收物体反射的由成像系统发出的太赫兹信号，并把它转换为电信号反映在图片上，根据图片来提取目标特征信息的技术。该技术利用成像系统，通过测定目标和背景反射的太赫兹信号差就可以得到不同的太赫兹成像图片。

由于太赫兹源价格昂贵，且体积较大，在目前的常见太主动太赫兹成像系统中无法实现一套系统采用多个太赫兹源的方案，考虑太赫兹阵列探测器实现难度较大在主动太赫兹成像系统中，通常采用线列或小面阵探测器配单个太赫兹源扫描的方式实现大视场成像。而采取该方案则系统成像速度受二维扫描时间的限制，一般成像速度较慢无法满足快速成像探测的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种基于Nb5N6探测器的主动式太赫兹成像探测系统及方法，以实现采用单一太赫兹辐射源，快速的主动太赫兹成像探测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的第一种技术方案为：

一种基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，包括：位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源、基于源延迟线及延迟分束片的准光系统、Nb5N6探测器、电子学系统以及显示模块，所述准光系统包括抛物面镜、源延迟线、延迟分束片以及汇聚镜，所述电子学系统包括信号处理模块、电机控制模块以及扫描成像控制模块；

所述连续波太赫兹辐射源向所述准光系统辐射信号；

所述准光系统接收所述连续波太赫兹辐射源的辐射信号，通过抛物面镜对接收到的辐射信号准直后利用源延迟线及延迟分束片将准直的辐射信号逐点照射到被测物，利用汇聚镜将被测物反射回的辐射信号汇聚到所述Nb5N6探测器；

所述源延迟线及延迟分束片由电子学系统通过电机及导轨控制实现同步运动；

所述Nb5N6探测器将接收到的辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统；

所述信号处理模块接收所述Nb5N6探测器的输出信号并实现所述输出信号的数字化处理；电机控制模块控制所述源延迟线及延迟分束片同步运动并控制载物台一维运动实现扫描成像；扫描成像控制模块接收所述信号处理模块数字化后的图像数据，并通过信号处理模块为所述连续波太赫兹辐射源提供调制信号，接收所述电机控制模块的位置信号并向所述电机控制模块发出相应控制信号；所述扫描成像控制模块与所述显示模块连接，将成像数据及同步信息传输给显示模块。

作为本发明的优选方案，所述载物台由所述载物台控制模块控制移动，所述源延迟线通过内部步进电机由扫描成像控制模块控制运动，所述延迟分束片由导轨控制运动，所述载物台控制模块、步进电机控制及导轨控制由所述电子学系统中的电机控制模块控制实现太赫兹成像数据的同步采集。

作为本发明的优选方案，所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统包含抛物面镜，源延迟线，延迟分束片，汇聚镜。其中汇聚镜可以采用反射面汇聚镜或者透射式汇聚镜。

作为本发明的优选方案，所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统中的所述源延迟线包含多个普通平面反射镜，滚筒及步进电机。将各个普通平面反射镜以倾斜45度角的方式摆放成45度反射镜并根据系统所需扫描成像分辨率安置于滚筒上，利用中空轴步进电机控制滚筒快速滚动。所述延迟分束片包括太赫兹分束片及导轨，太赫兹分束片的参数由基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源所辐射的太赫兹信号频率决定，将太赫兹分束片安装于导轨上，利用电子学模块中的电机控制模块实现普通分束片在源延迟线滚动一周时移动适当的距离以实现源延迟线及延迟分束片的同步运动

作为本发明的优选方案，所述Nb5N6探测器为热敏型太赫兹探测器。进一步优选的，Nb5N6探测器工作温度为290K，在0.6THz时的电导率达到2.5×104S/m。

作为本发明的优选方案，所述电子学系统包括依次级联的信号处理模块(为基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源提供调制信号，接收并处理太赫兹Nb6N5探测器输出信号)，电机控制模块(控制源延迟线、延迟分束片及载物台的同步工作)，扫描成像控制模块。

本发明采用的第二种技术方案为：一种利用上述基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统的探测方法，包括如下步骤：

步骤一、所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统接收位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源的辐射信号，利用抛物面反射镜将辐射信号准直后，利用源延迟线及延迟分束片实现对被测物的逐点照射，最后利用汇聚镜将被测物反射回的辐射信号汇聚至所述Nb5N6探测器；

步骤二、所述Nb5N6探测器将接收到的由被测物反射回的辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统进行处理；

步骤三、所述电子学系统控制载物台、源延迟线及延迟分束片实现对被测物的同步控制，信号处理模块获取被测物的太赫兹图像信息并将其转化为数字信号传输给显示模块，并通过显示模块显示出来。

步骤四、重复上述步骤一至三的过程，实现新被测物的成像过程。

作为本发明的优选方案，步骤一所述基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源可叠加4KHz方波调制信号，并辐射0.6THz太赫兹信号。所述源延迟线及延迟分束片的准光系统中的抛面镜将辐射信号由发散光束改变为平行光束传输，再通过源延迟线及延迟分束片后由汇聚镜将平行光束汇聚至所述Nb5N6探测器。

作为本发明的优选方案，步骤三所述电子学系统包括依次级联的信号处理模块，同步控制模块(控制源延迟线、延迟分束片及载物台的同步工作)，扫描成像控制模块。所述信号处理模块对基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源施加4K调制信号，利用Nb5N6探测器读出电路将接收到的太赫兹信号转换为电压信号，利用锁相放大滤波模块放大该电压信号，然后由采样模块将电压信号数字化。所述同步控制模块通过载物台控制模块实现载物台的垂直步进式平移以实现对被测物的扫描探测，利用电机、导轨控制模块实现源延迟线及延迟分束片的同步控制。利用扫描成像控制模块控制同步控制模块及信号处理模块，并将成像数据及同步信息传送给显示模块以使得所述显示模块实现对被测物的主动太赫兹成像。

本发明的有益效果在于：

本发明提出的基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统及方法利用热敏型Nb5N6探测器作为探测器，采用自行设计的基于源延迟线及延迟分束片的准光系统，电子学系统和显示模块完成了基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测。

本发明提出的基于源延迟线及延迟分束片的准光系统不仅适用于单源单探测器的主动太赫兹成像系统，同样适用于单源线列或阵列探测器的主动太赫兹成像系统，解决了太赫兹源价格高昂且在实用性系统中无法排布多个源的问题。降低了主动太赫兹成像系统的硬件成本的同时具有很好的技术可移植性。

本发明提出的基于源延迟线及延迟分束片的准光系统不仅解决了单源多探测器的实际使用问题，同时大大提高了主动太赫兹成像系统的成像速度，优选步进电机及控制算法的情况下可以做到主动太赫兹实时成像，实现了主动太赫兹成像技术的实际应用的同时对太赫兹成像技术的发展和推广有重要意义。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是实施例中系统连接示意图；

图3(a)是实施例中源延迟线结构示意图；

图3(b)是实施例中源延迟线展开的结构示意图；

图4是实施例中延迟分束片结构示意图；

图5是实施例中电子学系统原理示意图；

图6是实施例中电子学系统电机、导轨控制模块原理示意图；

图7是实施例中基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测方法原理示意图。

具体实施方式

Nb5N6探测器是利用Nb5N6薄膜材料的热敏效应。Nb5N6薄膜的电导率是随着温度的升高而升高的，由此说明温度越高，Nb5N6薄膜吸收THz信号的能力越强，透射的越少。Nb5N6薄膜在0.6THz常温时的电导率达到2.5×10⁴S/m，是温度为10K时的15倍左右。但在温度超过230K时，透射都比较少，电导率增加不明显。因此，将Nb5N6探测器工作温度设定在230K以上(实际成像系统中采用常温工作的方式)确保Nb5N6薄膜的电阻温度系数足够大以优化探测器性能。

Nb5N6探测器由太赫兹平面天线、二氧化硅空气桥和Nb5N6薄膜微桥组成，平面天线将入射的电磁福射耦合到Nb5N6薄膜微桥上，引起Nb5N6薄膜温度改变，温度变化导致其电阻改变，在给定的偏置电流下，就会产生一变化的电压，这个变化的电压就反映了入射太赫兹信号功率的大小。

由于Nb5N6薄膜材料的特殊性能使得其具备实现单元或者大规模阵列探测器的能力。配合系统中使用源延迟线及延迟分束片实现了系统采用单一太赫兹源，Nb5N6阵列探测器的可行性。

本发明提出了一种利用太赫兹氮化铌探测器进行主动太赫兹成像探测的系统及方法，该系统可以在单一太赫兹源的情况下实现快速的太赫兹波主动成像。利用源延迟线及延迟分束片实现了单一太赫兹源的分时复用，且系统中所使用Nb5N6探测器可以方便实现单源或阵列探测器的方案，使得系统成像速度得到极大提高，从而为太赫兹波主动成像技术的推广和发展应用带来极大好处。

下面结合附图进一步说明本发明的优选实施例和具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。

参阅图1，本发明提出的基于Nb5N6探测器的主动式太赫兹成像探测系统，包括：位于载物台70上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源10、基于源延迟线及延迟分束片的准光系统20(包含抛物面反射镜201、源延迟线202、延迟分束片203、汇聚镜204、吸波材料205)、Nb5N6探测器40、电子学系统50(包含信号处理模块501、电机控制模块502、扫描成像控制模块503)以及显示模块60。

所述位于载物台70上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源10向所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统20辐射信号；所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统20接收所述基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源10的辐射信号，通过抛物面镜201将接收到的辐射信号准直后利用源延迟线202及延迟分束片203将准直的辐射信号逐点照射到被测物30，利用汇聚镜204将被测物反射回的辐射信号汇聚到所述Nb5N6探测器40处；利用吸波材料205将经延迟分束片203折射的杂波吸收以增强系统信噪比。所述Nb5N6探测器40将接收到的太赫兹辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统50处；所述电子学系统包含信号处理模块501、电机控制模块502、扫描成像控制模块503，其中信号处理模块501与所述Nb5N6探测器40及所述基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源10连接，为基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源10提供4K调制信号，并利用信号处理模块501内部的锁相放大滤波模块读取电压信号利用采样模块将电压信号数字化；电机控制模块502与所述载物台及所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统20中的源延迟线202及延迟分束片203相连接，实现对载物台70，源延迟线202及延迟分束片203的同步控制；扫描成像控制模块503与所述信号处理模块501，所述电机控制模块502及所述显示模块60相连接实现同步控制及图像数据上传。所述电子学系统50与所述显示模块60相连，将太赫兹图像信息发送至所述显示模块60显示出来。

其中，所述载物台70本实施例优选为通过载物台控制模块控制移动。

所述Nb5N6探测器优选为工作于0.6THz的热敏型太赫兹探测器。进一步优选的，Nb5N6探测器工作温度为290K，在0.6THz时的电导率达到2.5×10⁴S/m。

图2是实施例中系统连接示意图。

图3(a)是实施例中源延迟线的结构示意图，将平面镜与滚筒形成45度摆放固定形成45度反射镜，利用步进电机带动滚筒转动以实现对太赫兹源信号的分时复用。图3(b)是源延迟线的展开示意图。45度反射镜摆放位置形成一条直线，其摆放密度由系统扫描分辨率决定。

图4是实施例中延迟分束片示意图，根据基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源的辐射信号频率决定普通分束片的参数，将圈型导轨两头分别放置分束片，当导轨转动起来时形成延迟分束片，导轨转速是源延迟线转速的一半，并通过同步控制实现对基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源的辐射信号的分时复用。

图5是实施例中电子学系统原理示意图。电子学系统包括电机控制模块，信号处理模块及扫描成像控制模块。信号处理模块对基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源施加4K调制信号，并利用锁相放大滤波模块放大Nb5N6探测器输出的电压信号，然后由采样模块将电压信号数字化。电机控制模块通过内部载物台控制模块实现载物台的垂直步进式平移以实现对被测物的扫描探测，利用电机、导轨控制模块实现源延迟线及延迟分束片的同步控制。利用扫描成像控制模块控制同步控制模块及信号处理模块，并将成像数据及同步信息传送给显示模块以使得所述显示模块实现对被测物的主动太赫兹成像。

图6是实施例中电子学系统电机、导轨控制模块原理示意图。电机控制模块发送同步控制信号并通过电机驱动器及导轨驱动器控制步进电机及导轨输出信号的同步，通过源延迟线及延迟分束片内部的步进电机及导轨的同步运动实现源延迟线及延迟分束片的同步工作，通过安装在源延迟线滚筒及延迟分束片导轨上的位置传感器传输回的位置信号实现对同步控制的反馈控制。

图7是实施例中基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测方法原理示意图。该探测方法具体包括如下步骤：

步骤一、所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统接收位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源的辐射信号，利用抛物面镜将辐射信号准直后，利用源延迟线及延迟分束片实现对被测区域的逐点照射，最后利用汇聚镜将信号汇聚至所述Nb5N6探测器。

步骤二、所述Nb5N6探测器将接收到的由被测物反射回的太赫兹辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统进行处理；

步骤三、所述电子学系统同步控制载物台、源延迟线及延迟分束片以及内部信号处理模块，获取被测物的太赫兹图像信息，并通过显示模块显示出来。

步骤四、重复上述步骤一到步骤三的过程，实现新的成像。

综上所述，本发明技术的关键点在于：

(1)本发明采用Nb5N6探测器，Nb5N6探测器是利用Nb5N6薄膜材料的热敏效应。将Nb5N6探测器工作温度设定在290K，工作于0.6THz，以保证其电导率达到2.5×104S/m进而可以优化探测器性能。

(2)本发明采用的源延迟线及延迟分束片实现单源在不同时间段的分时复用以简化主动式太赫兹成像系统对源的需求，同时大大优化了系统成像时间的参数，增加了主动式太赫兹成像系统产业化的可行性

(3)本发明采用的源延迟线及延迟分束片也适用于电磁波其他谱段的主动成像系统。

(4)本发明采用的源延迟线及延迟分束片也适用于太赫兹阵列探测器主动成像系统

显然，本领域的技术人员可以对本发明的主动式太赫兹成像探测系统及方法进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形在内。

Claims (5)

1.一种基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，其特征在于包括：位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源、基于源延迟线及延迟分束片的准光系统、Nb5N6探测器、电子学系统以及显示模块，所述准光系统包括抛物面镜、源延迟线、延迟分束片以及汇聚镜，所述电子学系统包括信号处理模块、电机控制模块以及扫描成像控制模块；

所述连续波太赫兹辐射源向所述准光系统辐射信号；

所述准光系统接收所述连续波太赫兹辐射源的辐射信号，通过抛物面镜对接收到的辐射信号准直后利用源延迟线及延迟分束片将准直的辐射信号逐点照射到被测物，利用汇聚镜将被测物反射回的辐射信号汇聚到所述Nb5N6探测器；

所述源延迟线及延迟分束片由电子学系统通过电机及导轨控制实现同步运动；

所述Nb5N6探测器将接收到的辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统；

所述信号处理模块接收所述Nb5N6探测器的输出信号并实现所述输出信号的数字化处理；电机控制模块控制所述源延迟线及延迟分束片同步运动并控制载物台一维运动实现扫描成像；扫描成像控制模块接收所述信号处理模块数字化后的图像数据，并通过信号处理模块为所述连续波太赫兹辐射源提供调制信号，接收所述电机控制模块的位置信号并向所述电机控制模块发出相应控制信号；所述扫描成像控制模块与所述显示模块连接，将成像数据及同步信息传输给显示模块；所述Nb5N6探测器的工作温度为230K到310K，在0.6THz，温度为290K时的电导率达到2.5×10⁴ S/m。

2.根据权利要求1所述的基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，其特征在于：所述Nb5N6探测器为常温热辐射型太赫兹探测器。

3.根据权利要求2所述的基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，其特征在于：所述Nb5N6探测器为单元Nb5N6探测器或阵列Nb5N6探测器。

4.根据权利要求1所述的基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统，其特征在于：所述源延迟线采用步进电机带动滚筒转动，滚筒上按不同位置放置多个45度反射镜转动；所述延迟分束片采用导轨带动普通分束片直线往返运动的方式实现对不同区域的太赫兹信号分束。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的基于Nb5N6探测器的主动太赫兹成像探测系统的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、所述基于源延迟线及延迟分束片的准光系统接收位于载物台上的基于YIG振荡器的连续波太赫兹辐射源的辐射信号，利用抛物面反射镜将辐射信号准直后，利用源延迟线及延迟分束片实现对被测物的逐点照射，最后利用汇聚镜将被测物反射回的辐射信号汇聚至所述Nb5N6探测器；

步骤二、所述Nb5N6探测器将接收到的由被测物反射回的辐射信号转换为电信号并发送至所述电子学系统进行处理；

步骤三、所述电子学系统控制载物台、源延迟线及延迟分束片实现对被测物的同步控制，信号处理模块获取被测物的太赫兹图像信息并将其转化为数字信号传输给显示模块，并通过显示模块显示出来；

步骤四、重复上述步骤一至三的过程，实现新被测物的成像过程。