CN108225554A - 一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置。本发明所述装置至少包括太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、二维平移装置、光学镜片组、数据采集处理和显示模块等五部分。本发明的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置使用标准单像元探测器对比的定标方法，可以对阵列太赫兹探测器实现精确定标，降低量值传递的不确定度，并通过在波路中加入监视探测器，消除波源稳定性对于传递结果的影响，使标定结果更准确。
Description
技术领域
本发明属于测试计量技术领域，涉及一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置。
背景技术
太赫兹(THz,1THz＝1012Hz)辐射泛指波长在30μm～3mm区间，电磁辐射频率在0.1～10THz这个区间，它是位于电磁辐射区域内毫米波与红外光之间的一种波。结合了光子学与电子学这两大学科特色的太赫兹，不仅在物理、化学、生物这几个领域，更在材料、天文、医学等领域中都具有极其重要的应用价值和十分庞大的运用潜能。长期以来，因为太赫兹缺少能够有效生产和检测的方式，因此与传统的微波技术、光学技术相比而言，人们对太赫兹波段电磁辐射性质的认识相对来说要少许多，从而导致太赫兹波段成为了电磁波谱中的空白。因此，限制太赫兹技术的发展和广泛应用的主要原因之一是缺乏有效的测量方法和测量仪器，太赫兹计量仪器量值很难溯源，测量的准确度和有效性较难评估。
响应度参数是描述器件光电转换能力的物理量，也是决定阵列太赫兹探测器性能的一个非常重要的指标。近年来，关于太赫兹探测器的标定在国际上引起了相关的关注，2009年，Steiger及其在PTB的同事对低温辐射计进行了太赫兹辐射测量的可溯源测量，然后将太赫兹辐射测量追溯到了国际单位制(SI)，在国际上首次实现了2.5THz频率处太赫兹辐射度的量值溯源，但是低温辐射计辐射吸收腔在太赫兹波段的腔体吸收率无法准确评估，因此只给出了7.3％的合成不确定度(包括因子k＝1)。2011年，美国标准技术研究院的John Lehman等发现，随着碳纳米管长度的增加，反射率随之降低，利用1.5mm高垂直生长的碳纳米管阵列在0.76THz频率处实现了99％的吸收率。然而在太赫兹波段，他们只给出了0.76THz频率处的测量结果。2013年，中国计量科学研究院邓玉强等人研制了一种混合涂层，在太赫兹宽波段范围内吸收率高，并且易于制备，通过此涂层作为吸收材料制成的标准探测器有利于将太赫兹辐射追溯至SI。
目前太赫兹探测器的计量存在局限性，太赫兹探测器的计量多采用标准光源定标方法，由于其光源自身不确定度较高，且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素。因此，为进一步提高定标精度，提供一种使用标准单像元探测器对比定标方法的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置实属必要。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置，可以对阵列太赫兹探测器实现精确定标，降低量值传递的不确定度。
为达到上述目的，本发明提供一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置。
一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定装置至少包括太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、二维平移装置、光学镜片组、数据采集处理和显示模块等五部分。
所述太赫兹发射模块至少包括单频太赫兹源和驱动电源，将所述单频太赫兹源与所述驱动电源连接，用于将所述单频太赫兹源在所述驱动电源驱动下辐射出单频太赫兹波。
所述太赫兹接收模块至少包括标准单像元探测器、待测阵列探测器和监视探测器，所述标准单像元探测器以中国计量科学研究院自主研制的在太赫兹波段具有宽带的、高吸收率的SiC颗粒混合涂层作为吸收材料而制造，用于作为计量标准实现量值溯源。所述监视探测器分别与所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器进行同时测量，用于消除太赫兹波源稳定性对于传递结果的影响。
所述二维平移装置至少包括精密平移台和多个夹具，所述精密平移台和夹具用于装夹所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器，并通过计算机控制所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器进行切换，使两探测器分别移入波路。
所述光学镜片组至少包括一组抛物面反射镜、一块分光镜和一个矩形光阑。所述抛物面反射镜一块放置于所述单频太赫兹源一侧，用于将发散的太赫兹光转变为平行光。所述抛物面反射镜另一块放置于所述分光镜后，用于将平行的太赫兹光进行汇聚。所述矩形光阑用于通光并使单频太赫兹波形成矩形光斑。
所述数据采集处理和显示模块至少包括测量信号放大电路和示波器，所述测量信号放大电路用于将探测器输出的电压值进行放大，所述示波器分别与所述驱动电源，所述标准单像元探测器、所述待测阵列探测器和所述监视探测器连接，用于对信号进行显示和读取。
可选的，所述精密平移台为精密电控平移台，可用计算机软件对平移台进行位移控制。
可选的，所述抛物面反射镜为一组离轴抛物面反射镜的组合，至少包括两个离轴抛物面反射镜。
可选的，所述示波器为数字示波器，包括至少四个可测通道。
本发明还提供一种采用如上装置对阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法，至少包括以下步骤：
S1：打开所述驱动电源使其输出电压达到稳定值，使其与所述单频太赫兹源连接，辐射出的单频太赫兹波经过所述抛物面反射镜转为平行光后，通过所述分光镜进行分束，一部分波路经过所述抛物面反射镜汇聚后进入所述监视探测器，一部分通过所述矩形光阑照射在所述平移台的接收面上，所述标准单像元探测器和所述阵列待测探测器装夹于所述平移台上，通过计算机控制所述平移台上探测器的切换，可使两探测器分别移入波路。
S2：在一定频率点f处用氦氖激光器标定所述标准单像元探测器，得到标准单像元探测器的响应度RTHz，将所述标准单像元探测器移入波路，对标准单像元探测器和监视探测器经过放大电路后同时进行信号采集，标准单像元探测器进行信号采集时的电信号为U0，此时，监视探测器进行信号采集时的电信号为UM0。
S3：通过直角刀口法得到光斑各个单元的输出电压Uij以及得到各个单元输出电压时监视探测器的电信号UMij，则光斑各单元相应的输入功率Pij为：
通过对各单元的输入功率进行拟合，即可得到所述矩形光斑的功率分布。
S4：将所述待测阵列探测器移入波路，对待测阵列探测器和监视探测器经过放大电路后同时进行信号采集，若所述待测阵列探测器规格为x×y，得到待测探测器的各个像元进行信号采集时的电信号为Uxy，该像元在所述矩形光斑上所对应的功率大小为Pxy。此时，监视探测器进行信号采集时的电信号为UMxy，则待测阵列探测器各个像元的响应度Rxy为：
通过各个像元的响应度，即可求得待测阵列探测器的平均响应度
完成响应度的标定，并进行不确定度评定。
如上所述，由于传统标准光源定标方法自身不确定度较高，且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素等误差，本发明的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置使用标准单像元探测器对比的定标方法，可以对阵列太赫兹探测器实现精确定标，降低量值传递的不确定度。此外，应确定标准单像元探测器位置，确保接收相同位置的束斑并且波路中心在同一水平线。经预热等处理后进行信号采集，测定指定频段信号，采集多次取平均值，以消除测量中的随机误差。然后将待测的阵列探测器移入波路，同样在指定频段上采集信号。影响阵列探测器响应度测试的主要因素包括波源功率稳定性、像元间的干扰、探测器定位以及随机误差和系统噪声等。通过在波路中加入监视探测器，可以消除波源稳定性对于传递结果的影响，使标定结果更准确。
附图说明
图1是本发明的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置标定方法流程图。
图2是本发明的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置的结构与光路示意图。
图3是二维平移装置装夹标准单像元探测器和待测阵列探测器8的示意图。
元件标号说明
1太赫兹发射模块
2抛物面反射镜
3抛物面反射镜
4分光镜
5矩形光阑
6监视探测器
7标准单像元探测器
8待测阵列探测器
9二维平移装置。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
如图1所示，阵列太赫兹探测器响应度参数的标定装置包括太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、二维平移装置、光学镜片组、数据采集处理和显示模块等五部分。参阅图2，太赫兹发射模块1至少包括：驱动电源、单频太赫兹源；打开驱动电源，将驱动电源接入示波器，待驱动电源预热后观察示波器中显示的电压值是否稳定，稳定后将驱动电源连接单频太赫兹源，辐射出频率为f的单频太赫兹光，频率为f的单频太赫兹光进入光学镜片组，光学镜片组至少包括2个以上抛物面反射镜2、3和分光镜4、矩形光阑5；频率为f的单频太赫兹光经过所述抛物面反射镜2转为平行光后，通过所述分光镜4进行分束进入太赫兹接收模块，太赫兹接收模块至少包括监视探测器6、标准单像元探测器7、待测阵列探测器8，在频率点f处用氦氖激光器标定标准单像元探测器7，得到标准探测器的响应度RTHz,；频率为f的单频太赫兹光经过分光镜分束后一部分通过矩形光阑5后进入二维平移装置9，一部分经过所述抛物面反射镜3汇聚后进入所述监视探测器，其中标准单像元探测器7和待测阵列探测器8由二维平移装置9中的夹具夹持，二维平移装置9至少包括电控精密平移台和夹具，通过计算机控制二维平移装置9上探测器的切换，参阅图3。可选的，可将装夹标准单像元探测器7和待测阵列探测器8的夹具固定于平移台的同一竖直线上，两夹具之间的垂直距离为H，标准单像元探测器7与夹具之间的垂直距离为h1，待测阵列探测器8与夹具的垂直距离为h2，通过软件控制电控精密平移台的位移调节标准单像元探测器7移动，并用示波器连接标准单像元探测器7，示波器中显示的电压值达到峰值且稳定时即可认为标准单像元探测器7已移入太赫兹光波路，此时记录下电压值UTHz，通过直角刀口法，得到矩形光斑的能量分布。通过软件控制电控精密平移台上的待测阵列探测器8在竖直方向移动(H+h1-h2)，将待测阵列探测器8移入太赫兹波路，并用示波器依次连接待测阵列探测器8的各个像元，确认示波器中显示的电压值达到稳定时，记录下电压值Uxy。频率为f的单频太赫兹光经过分光镜分束后另一部分进入监视探测器，用示波器连接监视探测器6，调节监视探测器6的角度方向和位移使示波器中显示的电压值达到峰值且稳定，在电控精密平移台调节标准单像元探测器7进入波路时，记录此时监视探测器6的电压值为UMij，通过直角刀口法得到光斑各个单元的输出电压Uij，则光斑各单元相应的输入功率Pij为：
在电控精密平移台调节待测阵列探测器8进入波路时，得到待测探测器的各个像元进行信号采集时的电信号为Uxy，该像元在所述矩形光斑上所对应的功率大小为Pxy。记录此时监视探测器6的电压值为UMxy，影响探测器响应度测试的主要因素包括波源功率稳定性、束斑均匀性等。通过在波路中加入监视探测器，可以消除波源稳定性对于传递结果的影响，使标定结果更准确。
将上述数值代入计算公式
通过各个像元的响应度，即可求得待测阵列探测器的平均响应度
完成响应度的标定，并进行不确定度评定。
如上所述，由于传统标准光源定标方法自身不确定度较高，且在定标过程中易引入一些无法准确测量的不确定度因素等误差，本发明的阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法和装置使用标准单像元探测器对比的定标方法，可以对阵列太赫兹探测器实现精确定标，降低量值传递的不确定度。随着太赫兹技术在测试生物组织、检测药品构成、检验食品安全、预防重大疾病、监测环境质量、安全检查、军事上的探查及天文学等方面表现出了巨大的潜力，本发明具有一定的产业利用价值。
Claims (6)
1.一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定装置，至少包括太赫兹发射模块、太赫兹接收模块、二维平移装置、光学镜片组、数据采集处理和显示模块，其特征在于：
所述太赫兹发射模块至少包括单频太赫兹源和驱动电源，所述单频太赫兹源与所述驱动电源连接，所述单频太赫兹源在所述驱动电源驱动下辐射出单频太赫兹波；
所述太赫兹接收模块至少包括标准单像元探测器、待测阵列探测器和监视探测器，所述标准单像元探测器用于计量标准实现量值溯源；所述监视探测器用于消除太赫兹波源稳定性对于传递结果的影响；
所述二维平移装置至少包括精密平移台和多个夹具，所述精密平移台和夹具用于装夹所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器，并通过计算机控制所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器进行切换，使两探测器分别移入波路；
所述光学镜片组至少包括一组抛物面反射镜、一块分光镜和一个矩形光阑；所述抛物面反射镜一块放置于所述单频太赫兹源一侧，用于将发散的太赫兹光转变为平行光；所述抛物面反射镜另一块放置于所述分光镜后，用于将平行的太赫兹光进行汇聚；所述矩形光阑用于通光并使单频太赫兹波形成矩形光斑；
所述数据采集处理和显示模块至少包括测量信号放大电路和示波器，所述测量信号放大电路用于将探测器输出的电压值进行放大，所述示波器分别与所述驱动电源，所述标准单像元探测器，所述待测阵列探测器和所述监视探测器连接，用于对信号进行显示和读取。
2.根据权利要求1所述的一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定装置，其特征在于：所述监视探测器需分别与所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器同时进行测量。
3.根据权利要求1所述的一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定装置，其特征在于：所述抛物面反射镜为离轴抛物面反射镜。
4.一种阵列太赫兹探测器响应度参数的标定方法，采用如权利要求1所述的装置，其特征在于：至少包括以下步骤
S1：打开所述驱动电源使其输出电压达到稳定值，使其与所述单频太赫兹源连接，辐射出的单频太赫兹波经过所述抛物面反射镜转为平行光后，通过所述分光镜进行分束，部分波路经过所述抛物面反射镜汇聚后进入所述监视探测器，部分波路通过所述矩形光阑入射到所述精密平移台的接收面上，所述标准单像元探测器和所述阵列待测探测器通过夹具装夹于所述精密平移台上，通过计算机控制所述精密平移台上探测器的切换，可使两探测器分别移入波路；
S2：在一定频率点f处用氦氖激光器标定所述标准单像元探测器，得到标准单像元探测器的响应度RTHz，将所述标准单像元探测器移入波路，对标准单像元探测器和监视探测器经过放大电路后同时进行信号采集，标准单像元探测器进行信号采集时的电信号为U0，此时，监视探测器进行信号采集时的电信号为UM0；
S3：通过直角刀口法得到光斑各个单元的输出电压Uij，同时得到各个单元输出电压时监视探测器的电信号UMij，则光斑各单元相应的输入功率Pij为：
通过对各单元的输入功率进行拟合，即可得到所述矩形光斑的功率分布；
S4：将所述待测阵列探测器移入波路，对待测阵列探测器和监视探测器经过放大电路后同时进行信号采集，若所述待测阵列探测器规格为x×y，得到待测探测器的各个像元进行信号采集时的电信号为Uxy，该像元在所述矩形光斑上所对应的功率大小为Pxy；此时，监视探测器进行信号采集时的电信号为UMxy，则待测阵列探测器各个像元的响应度Rxy为：
通过各个像元的响应度，即可求得待测阵列探测器的平均响应度
完成响应度的标定，并进行不确定度评定。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：应确定所述标准单像元探测器和所述待测阵列探测器的位置，确保接收相同位置的光斑并且探测器中心在同一水平线。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：应经预热处理后待输出稳定后再进行信号采集，测得指定探测器额的输出信号，采集多次取平均值，以消除测量中的随机误差。
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