CN106990413A - 外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像系统及方法，系统包括收发共用透镜天线、太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块、X‑Y二维扫描平台、信号全相参模块、数据采集和处理模块、图像处理模块和图像显示单元。本发明具有频率在太赫兹频段，整体系统外差全相参设计，采用单天线，系统结构简单、体积小，平面、深度成像分辨率高、均是毫米量级，系统频率、功率稳定性好等优势。

Description

外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统及方法

技术领域

本发明涉及一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统及方法。

背景技术

美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory)、西北太平洋国家实验室(Pacific Northwest National Laboratory)、德国应用科学研究所(FGAN-ResearchInstitute)、中国工程物理研究院、中国科学院电磁辐射与探测技术实验室、首都师范大学物理系的太赫兹波谱和成像实验室均投入研究了太赫兹三维成像系统并取得了很大进展。但他们设计的太赫兹三维成像采用双天线(一个天线发射信号、一个天线接收信号)，除电子器件外，还需要光学元件，比如分光镜等，搭建光路系统，因此，系统结构复杂，成本较高，集成困难，不适合工程实际应用；而且，由于仅仅将点频源和线性扫频源等信号源实现外差式相参，其他有源器件(如功率放大器、倍频器)均未实现相参，从而系统稳定性缺乏足够保障。除此之外，系统的带宽中心频率比较低，深度分辨率较差，且与平面分辨率差距很大，如中国工程物理研究院设计的中心频率为140GHz，带宽为5GHz的三维成像系统，带宽中心比频率比仅为3.57％，平面分辨率为1.4mm，深度分辨率为30mm。

因此，需要一种系统结构简单，采用单天线，且不附加光路系统的纯电子器件结构、带宽中心频率比大、稳定性好、分辨率高的外差式全相参太赫兹三维成像系统。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统及方法，本发明基于太赫兹科学、线性调频测距原理和超外差技术，设计硬件电路产生、接收太赫兹超宽带发射信号并保障整体电路元件相参，实现对被测对象高分辨率、清晰可靠的三维成像。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，包括X-Y二维扫描平台、太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块、收发共用透镜天线、信号全相参模块、数据采集和处理模块、图像处理模块和图像显示单元，其中：

所述X-Y二维扫描平台固定被测对象，并沿X轴和Y轴逐点移动被测对象；

所述太赫兹线性调频波发射模块产生射频信号发送给被测对象；

所述太赫兹线性调频波接收模块探测从被测对象反射回的回波信号，并产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

所述收发共用透镜天线向被测对象发射聚焦的射频信号并接收反射回的回波信号；

所述信号全相参模块将射频信号与本振信号下变频处理得到参考信号，然后将参考信号和测试信号进一步下变频处理得到差频信号；

所述数据采集和处理模块在X-Y二维扫描平台于一点停住且稳定后，采集差频信号并存储，然后上传至处理器处理数据；

所述图像处理模块根据所有处理后的数据构建三维图像，并利用图像处理技术使更清晰；

所述图像显示单元显示被测对象清晰可靠的三维成像图。

进一步的，所述太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块与数据采集和处理模块均经信号发生器输出的脉冲信号同步硬件外部触发后开始工作。

进一步的，所述太赫兹线性调频波发射模块包括第一信号源、K波段线性扫频源、功分器、第一混频器、第一功率放大器、二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一信号源连接第一混频器的本振端，所述K波段线性扫频源经过功分器连接第一混频器的中频端，第一混频器的射频输出端依次连接有第一功率放大器、二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和第二定向耦合器。

进一步的，所述太赫兹线性调频波接收模块包括第二信号源、所述K波段线性扫频源、功分器、第二混频器、第二功率放大器、第二三倍频器、第三定向耦合器、第一次谐波混频器、第一带通滤波器和第一低噪声放大器，所述第二信号源连接第二混频器的本振端，所述K波段线性扫频源经过功分器连接第二混频器的中频端，第二混频器的射频输出端依次连接有第二功率放大器、第二三倍频器和第三定向耦合器，所述第一次谐波混频器本振端接收第三定向耦合器的输出信号和射频端接收所述第二定向耦合器的输出信号，中频输出端依次连接第一带通滤波器和第一低噪声放大器。

进一步的，所述第一信号源和第二信号源均为点频信号源。

进一步的，所述信号全相参模块使得太赫兹线性调频波发射模块和太赫兹线性调频波接收模块实现相干。

进一步的，所述信号全相参模块包括第二次谐波混频器、第二带通滤波器、第二低噪声放大器和第三混频器，所述第三定向耦合器与第一定向耦合器的输出信号分别进入第二次谐波混频器的本振端和射频端，第二次谐波混频器中频输出端依次连接第二带通滤波器、第二低噪声放大器和第三混频器。

进一步的，所述第三混频器射频端和本振端分别接收第二低噪声放大器的输出信号和第一低噪声放大器的输出信号，并进行混频，下变频处理后中频端输出差频信号。

进一步的，所述数据采集和处理模块包括USB数据采集卡和处理器，USB数据采集卡采集差频信号并存储，处理器根据X-Y二维扫描平台移动方式进行数据二维重排，再进行快速傅立叶变化等处理，其中频率表征被测对象深度方向的位置信息，幅值表征被测对象的反射信号强度。

进一步的，图像处理模块根据处理后的数据构建被测对象三维图像，然后通过图像融合、增强、复原、变换和特征分析等算法使图像更加清晰，图象显示单元显示最终清晰可靠的三维成像图。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)被测对象置于X-Y二维扫描平台上，沿X和Y方向移动，每移动至一点后停止；

(2)待X-Y二维扫描平台停止且稳定后，信号发生器产生脉冲信号同时触发太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块和数据采集和处理模块开始工作；

(3)太赫兹线性调频波发射模块生成发射信号，通过收发共用透镜天线扫描被测对象，收发共用透镜天线接收被测对象反射回的回波信号，太赫兹线性调频波接收模块产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

(4)信号全相参模块首先将发射信号和本振信号混频得到参考信号，再将参考信号与测试信号混频得到差频信号；

(5)数据采集和处理模块对差频信号进行采集和存储，然后X-Y二维扫描平台移至下一位置，以此类推，从而实现N个点的扫描，最终实现面的扫描，存储的数据经处理器进行二维数据重排、快速傅里叶变换、加窗滤波等多种处理；

(6)图像处理模块根据数据构建三维图像，并利用图像增强、复原、分割和特征分析等图像处理技术使更清晰。

(7)图像显示单元显示生成的被测对象清晰可靠的三维成像图。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)结构简单，易集成：本发明采用的信号源、功率放大器、倍频器和定向耦合器等电子器件体积小，并单天线收发，使电路结构简单、易集成。

(2)成本较低，且适合工程应用：本发明仅利用电子器件，不需要昂贵的光学器件(如激光器)，大大降低了系统的成本，同时也更方便搬移和用于实际的工程环境。

(3)成像分辨率高：本发明采用多次倍频方式获得171.6～219.6GHz的频率，带宽高达48GHz，平面分辨率能达到3.12mm，深度分辨率能达到3.125mm。

(4)稳定性好：本发明采用太赫兹线性调频波发射模块和接收模块全相参的设计，使所有的有源器件、无源器件的频移和温漂等问题都得到了有效抑制，而目前世界上其他研究单位设计的系统仅仅将信号源相参，因此本发明设计的系统稳定性具有独特优势。

(5)信噪比高：系统采用主动式太赫兹成像，回波信号信噪比远远高于被动式太赫兹成像系统接收信号的信噪比，进而获得更高的成像质量。

(6)用途广泛：利用外差式全相参太赫兹三维成像系统具有高分辨率成像及结构简单等优点，可以用于各类材料(如玻璃、陶瓷、木材等)无损探伤、违禁品检测和遥感探测等多个领域。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是本发明的系统组成框图；

图2是本发明的硬件外触发方式示意图；

图3是本发明的发射模块、接收模块和信号全相参模块的电路图；

图4是本发明的结构示意图；

图5是本发明的成像过程的流程图。

其中，101、太赫兹线性调频波发射模块，102、收发共用透镜天线，103、太赫兹线性调频波接收模块，104、信号全相参模块，105、数据采集和处理模块，106、图像处理模块，107、图像显示单元，108、被测对象，109、X-Y二维扫描平台；

201、处理器，202、信号发生器，203、USB数据采集卡；

301第一信号源，302、第一混频器，303、第一功率放大器，304、二倍频器，305、第一三倍频器，306、第一定向耦合器，307、第二定向耦合器，308、K波段线性扫频源，309、功分器，310、第二信号源；

311、第二混频器，312、第二功率放大器，313、第二三倍频器，314、第三定向耦合器，315、第一次谐波混频器，316、第一带通滤波器，317、第一低噪声放大器，318、第二次谐波混频器，319、第二带通滤波器，320、第二低噪声放大器，321、第三混频器；

401、被测对象缺陷，402、电路系统。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在太赫兹三维成像采用双天线(一个天线发射信号、一个天线接收信号)，除电子器件外，还需要光学元件，系统结构复杂、成本较高、集成困难、不适合工程实际应用且有源器件(如功率放大器、倍频器)均未实现相参、带宽中心频率比较低、深度分辨率较差且与平面分辨率差距很大的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种以太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块、信号全相参模块为核心的结构简单、稳定性好、分辨率高的太赫兹三维成像系统。

本申请的一种典型的实施方式中，太赫兹三维成像系统主要分为太赫兹时域光谱成像和太赫兹连续波成像。太赫兹时域光谱成像的基本原理是：分别获得自由空间和样品的太赫兹脉冲时域波形，时域波形中包含了强度和相位信息，经过适当的处理和分析得到样品的太赫兹三维图像。太赫兹连续波三维成像的基本原理是：基于线性调频测距原理，获得被测对象在深度方向的分辨率，采集信号的幅值表征强度。太赫兹时域光谱成像和连续波成像的最大区别是发射功率，时域光谱系统的发射功率为纳瓦数量级，而连续波成像系统的发射功率在毫瓦或瓦数量级；除此之外，时域光谱系统全都采用光学器件构成，结构十分复杂且不适合工程应用，而连续波成像系统依靠电子器件搭建，结构简单易集成。

如图1所示，本发明包括有：

X-Y二维扫描平台109，用于固定并在X、Y方向移动被测对象108；

太赫兹线性调频波发射模块101，用于产生通过收发共用透镜天线102发射给被测对象108的射频信号；

太赫兹线性调频波接收模块103，用于探测通过收发共用透镜天线102接收从被测对象108反射回的太赫兹线性调频回波信号，然后将产生的本振信号与回波信号进行下变频处理得到测试信号；

收发共用透镜天线102，用于向被测对象108发射太赫兹线性调频发射信号并接收从被测对象108反射回来的太赫兹线性调频回波信号，且将太赫兹线性调频波发射模块101发射的太赫兹线性调频波会聚至被测对象108；

信号全相参模块104，用于将太赫兹线性调频波发射模块101提供的射频信号与太赫兹线性调频波接收模块103提供的本振信号下变频得到参考信号，然后将参考信号和太赫兹线性调频波接收模块103提供的测试信号下变频得到差频信号；

数据采集和处理模块105，用于在X-Y二维扫描平台109于一点停住且稳定后，采集从信号全相参模块104输出的差频信号并存储，然后上传至处理器201处理数据；

图像处理模块106，用于根据数据采集和处理模块105采集并处理的数据构建三维图像，并利用图像处理技术使更清晰；

图像显示单元107，用于显示由图像处理模块106生成的被测对象108清晰可靠的三维成像图。

如图2所示，太赫兹线性调频波发射模块101、太赫兹线性调频波接收模块103和数据采集和处理模块105均采用硬件外触发的方式；X-Y二维扫描平台109通过沿X轴和Y轴方向移动放置在上面的被测对象108，从而实现系统逐点扫描被测对象108，X-Y二维扫描平台109移动至一点后立刻给数据采集和处理模块105中处理器201回送信号，然后处理器201发送指令给信号发生器202命其输出脉冲信号给太赫兹线性调频波发射模块101、太赫兹线性调频波接收模块103中K波段线性扫频源308的触发输入端口及数据采集和处理模块105中USB数据采集卡203的外触发输入端口，此时K波段线性扫频源308输出K波段的线性调频信号，USB数据采集卡203开始采集信号全相参模块104输出的差频信号，然后数据采集和处理模块105发送指令给X-Y二维扫描平台109让其继续移动至第二个点，以此类推，从而实现N个点的扫描，最终实现面的扫描。

如图3所示，太赫兹线性调频波发射模块101包括第一信号源301、K波段线性扫频源308、功分器309、第一混频器302、第一功率放大器303、二倍频器304、第一三倍频器305、第一定向耦合器306和第二定向耦合器307，太赫兹线性调频波发射模块101用于产生通过收发共用透镜天线102发射给被测对象108的太赫兹线性调频射频信号。

具体来说，第一信号源301是工作频率为10.1GHz的点频信号源，可以表示为：

其中，A₁表示为初始幅值，f₁为频率10.1GHz，t为时间，为第一信号源301的初始相位值，将信号输出至第一混频器302的本振端；

K波段线性扫频源308是工作频率为18.5～26.5GHz的扫频源，可以表示为：

其中，A₃表示为初始幅值，f₃为频率18.5～26.5GHz，为K波段线性扫频源308的初始相位值，经功分器309将信号输出至第一混频器302的中频端；

第一混频器302将第一信号源301和K波段线性扫频源308信号进行混频，上变频得到频率为28.6～36.6GHz的信号并通过射频端输出至第一功率放大器303；

第一功率放大器303对频率为28.6～36.6GHz的信号功率进行放大以达到二倍频器304的安全功率输入范围；

二倍频器304将频率为28.6～36.6GHz信号的频率二倍频达到57.2～73.2GHz，并输出至第一三倍频器305输入端；

第一三倍频器305将频率为57.2～73.2GHz信号的频率三倍频为171.6～219.6GHz，并输出至第一定向耦合器306的输入端；

第一定向耦合器306将频率为171.6～219.6GHz的信号通过直通端输出至第二定向耦合器307的直通端，通过耦合端输出至第二次谐波混频器318的射频端；

第二定向耦合器307的输入端连接至收发共用透镜天线102，最终经收发共用透镜天线102将太赫兹线性调频波发送至被测对象108，收发共用透镜天线102发射的射频信号为：

其中，A₁′是射频信号的幅值，是射频信号的相位。

进一步地如图3所示，太赫兹线性调频波接收模块103包括第二信号源310、K波段线性扫频源308、功分器309、第一混频器311、第二功率放大器312、第二三倍频器313、第三定向耦合器314、第二定向耦合器307、第一次谐波混频器315、第一带通滤波器316和第一低噪声放大器317，太赫兹线性调频波接收模块103用于接收从被测对象108反射回的太赫兹线性调频回波信号。

具体来说，第二信号源310是工作频率为10GHz的点频信号源，可以表示为：

其中，A₂表示为初始幅值，f₂为频率10GHz，为第二信号源310的初始相位值，将信号输出至第二混频器311的本振端；

K波段线性扫频源308经功分器309将工作频率为18.5～26.5GHz的信号输出至第二混频器311的中频端；

第二混频器311将第二信号源310和K波段线性扫频源308产生的频率为10GHz和18.5～26.5GHz信号进行混频，上变频得到频率为28.5～36.5GHz的信号并通过射频端输出至第二功率放大器312；

第二功率放大器312对频率为28.5～36.5GHz信号的功率进行放大以达到第二三倍频器313输入端的安全功率输入范围；

第二三倍频器313将频率为28.5～36.5GHz信号的频率三倍频达到85.5～109.5GHz，并将其输出至第三定向耦合器314的输入端；

第三定向耦合器314的直通端将85.5～109.5GHz的信号输出至第一次谐波混频器315的本振端；

第二定向耦合器307通过输入端接收由收发共用透镜天线102获取的太赫兹线性调频回波信号：

其中，A₁″是回波信号的幅值，Δf是根据线性调频测距原理、因被测对象108或被测对象缺陷401相对收发共用透镜天线102距离产生的差频信号，是回波信号的相位，然后经耦合端输出至第一次谐波混频器315的射频端；

第一次谐波混频器315首先本振端将85.5～109.5GHz的信号二倍频得到频率为171～219GHz的信号，然后与射频端的回波信号混频，下变频得到测试中频信号，并将测试信号输出至第一带通滤波器316；

第一带通滤波器316中心频率是600MHz，带宽为8MHz，将第一次谐波混频器315的测试中频信号中596～604MHz以外的杂波滤除，第一带通滤波器316的输出端连接至第一低噪声放大器317；

第一低噪声放大器317将第一带通滤波器316输出信号的噪声降低并功率放大以提高596～604MHz内测试中频信号的输出功率得到测试信号，第一低噪声放大器317输出测试信号至第三混频器321的射频端，测试信号可表示为：

其中，A_m是测试信号的幅值，f₀是第一信号源301与第二信号源310之间的频率差的6倍，是测试信号的相位。

进一步地如图3所示，信号全相参模块104包括第三定向耦合器314、第一定向耦合器306、第二次谐波混频器318、第二带通滤波器319、第二低噪声放大器320和第三混频器321，用于将太赫兹线性调频接收模块103产生的本振信号分别与射频信号和回波信号下变频处理得到参考信号和测试信号，然后将参考信号和测试信号下变频得到差频信号。

具体地说，第三定向耦合器314的耦合端将工作频率为85.5～109.5GHz的信号输出至第二次谐波混频器318的本振端；

第一定向耦合器306的耦合端将工作频率为171.6～219.6GHz的信号输出至第二次谐波混频器318的射频端；

第二次谐波混频器318首先本振端将85.5～109.5GHz的信号二倍频得到频率为171～219GHz的信号，然后与射频端的171.6～219.6GHz的信号混频，下变频得到频率为600MHz的参考中频信号，并输出至第二带通滤波器319；

第二带通滤波器319中心频率是600MHz，带宽为8MHz，将第二次谐波混频器318的参考中频信号中596～604MHz以外的杂波滤除，第二带通滤波器319的输出端连接至第二低噪声放大器320；

第二低噪声放大器320将第二带通滤波器319输出信号的噪声降低并功率放大以提高596～604MHz内参考中频信号的输出功率，第二低噪声放大器320输出参考信号至第三混频器321的本振端，参考信号可表示为：

其中，A_r是参考信号的幅值，是参考信号的相位。

第三混频器321将本振端的参考信号与射频端的测试信号混频，得到下变频的差频信号，差频信号可表示为：

其中，A_Δ是差频信号的幅值，是差频信号的相位，并将其输出至数据采集和处理模块105。

如图4所示，太赫兹线性调频波发射模块101、太赫兹线性调频波接收模块103和信号全相参模块104构成了电路系统402，电路系统402通过收发共用透镜天线102向放置在X-Y二维扫描平台109上的被测对象108发射和接收线性调频的太赫兹电磁波，被测对象缺陷401会引起线性调频的太赫兹波的相位和幅值产生变化。

如图5所示，利用上述外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统及方法对被测对象的成像过程包括以下步骤：

X-Y二维扫描平台109沿X轴、Y轴方向移动固定在上面的被测对象108，每移动至一点后停止；

太赫兹线性调频波发射模块101受信号发生器202的脉冲信号触发后生成射频信号；

收发共用透镜天线102将射频信号发射给被测对象108，然后接收被测对象108反射回的回波信号并传输给太赫兹线性调频接收模块103；太赫兹线性调频波接收模块102受信号发生器202的脉冲信号触发后接收回波信号，然后对回波信号进行下变频处理得到测试信号并发送给信号全相参模块104；

信号全相参模块104对太赫兹线性调频波发射模块101的射频信号和太赫兹线性调频波接收模块103的本振信号混频得到参考信号，然后与测试信号混频得到差频信号；

数据采集和处理模块105对来自信号全相参模块104的差频信号进行采集与存储，然后X-Y二维扫描平台109移至下一位置，以此类推，从而实现N个点的扫描，最终实现面的扫描，存储的数据经处理器201进行二维数据重排、快速傅里叶变换、加窗滤波等多种处理；

图像处理模块106，用于根据数据采集和处理模块105采集并处理的数据构建三维图像，并利用图像增强、复原、分割和特征分析等图像处理技术使更清晰；

图像显示单元107，用于显示由图像处理模块106生成的被测对象108清晰可靠的三维成像图。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：包括X-Y二维扫描平台、太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块、收发共用透镜天线、信号全相参模块、数据采集和处理模块、图像处理模块和图像显示单元，其中：

所述X-Y二维扫描平台固定被测对象，并沿X轴和Y轴逐点移动被测对象；

所述太赫兹线性调频波发射模块产生射频信号发送给被测对象；

所述太赫兹线性调频波接收模块探测从被测对象反射回的回波信号，并产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

所述收发共用透镜天线向被测对象发射聚焦的射频信号并接收反射回的回波信号；

所述信号全相参模块将射频信号与本振信号下变频处理得到参考信号，然后将参考信号和测试信号进一步下变频处理得到差频信号；

所述数据采集和处理模块在X-Y二维扫描平台于一点停住且稳定后，采集差频信号并存储，然后上传至处理器处理数据；

所述图像处理模块根据所有采集并处理的数据构建三维图像，并利用图像处理技术使更清晰；

所述图像显示单元显示被测对象清晰可靠的三维成像图。

2.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块与数据采集和处理模块均经信号发生器输出的脉冲信号同步硬件外部触发后开始工作。

3.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述太赫兹线性调频波发射模块包括第一信号源、K波段线性扫频源、功分器、第一混频器、第一功率放大器、二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一信号源连接第一混频器的本振端，所述K波段线性扫频源经过功分器连接第一混频器的中频端，第一混频器的射频输出端依次连接有第一功率放大器、二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和第二定向耦合器。

4.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述太赫兹线性调频波接收模块包括第二信号源、所述K波段线性扫频源、功分器、第二混频器、第二功率放大器、第二三倍频器、第三定向耦合器、第一次谐波混频器、第一带通滤波器和第一低噪声放大器，所述第二信号源连接第二混频器的本振端，所述K波段线性扫频源经过功分器连接第二混频器的中频端，第二混频器的射频输出端依次连接有第二功率放大器、第二三倍频器和第三定向耦合器，所述第一次谐波混频器本振端接收第三定向耦合器的输出信号和射频端接收所述第二定向耦合器的输出信号，中频输出端依次连接第一带通滤波器和第一低噪声放大器。

5.如权利要求3或4所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述第一信号源和第二信号源均为点频信号源。

6.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述信号全相参模块使得太赫兹线性调频波发射模块和太赫兹线性调频波接收模块实现相干。

7.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述信号全相参模块包括第二次谐波混频器、第二带通滤波器、第二低噪声放大器和第三混频器，所述第三定向耦合器与第一定向耦合器的输出信号分别进入第二次谐波混频器的本振端和射频端，第二次谐波混频器中频输出端依次连接第二带通滤波器、第二低噪声放大器和第三混频器。所述第三混频器射频端和本振端分别接收第二低噪声放大器的输出信号和第一低噪声放大器的输出信号，并进行混频，下变频处理后中频端输出差频信号。

8.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述数据采集和处理模块包括USB数据采集卡和处理器，USB数据采集卡采集差频信号，处理器根据X-Y二维扫描平台移动方式进行数据二维重排，再将数据进行快速傅立叶变化，其中频率表征被测对象深度方向的位置信息，幅值表征被测对象的反射信号强度。

9.如权利要求1所述的一种外差式全相参太赫兹三维高分辨率成像的系统，其特征是：所述图像处理模块根据采集并处理后数据构建被测对象三维图像，然后通过图像融合、增强、变换和滤波等算法使图像更加清晰，所述图象显示单元显示最终清晰可靠的三维成像图。

10.基于权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：包括以下步骤：

(1)被测对象置于X-Y二维扫描平台上，沿X和Y方向移动，每移动至一点后停止；

(2)待X-Y二维扫描平台停止且稳定后，信号发生器产生脉冲信号同时触发太赫兹线性调频波发射模块、太赫兹线性调频波接收模块和数据采集和处理模块开始工作；

(3)太赫兹线性调频波发射模块生成发射信号，通过收发共用透镜天线扫描被测对象，收发共用透镜天线接收被测对象反射回的回波信号，太赫兹线性调频波接收模块产生本振信号与回波信号下变频处理得到测试信号；

(4)信号全相参模块首先将发射信号和本振信号混频得到参考信号，再将参考信号与测试信号混频得到差频信号；

(5)数据采集和处理模块对差频信号进行采集和存储，然后X-Y二维扫描平台移至下一位置，以此类推，从而实现N个点的扫描，最终实现面的扫描，存储的数据经处理器进行二维数据重排、快速傅里叶变换、加窗滤波等多种处理；

(6)图像处理模块根据处理后的数据构建三维图像，并利用图像增强、复原、分割、特征分析等图像处理技术使更清晰；

(7)图像显示单元显示生成的被测对象清晰可靠的三维成像图。