CN108535550B - 基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统 - Google Patents

基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，利用物质具有的布鲁斯特角的特性以及布鲁斯特角与物质介电常数之间的关系，通过检测极化太赫兹波检测不同材质平板的布鲁斯特角，来求解出物质介电常数。采用自行设计的信号传输‑会聚‑准直光路系统、自行设计的由双层旋转台组成的样品检测模块、同步控制单元、信号处理单元及图像显示单元，灵活使用了圆极化天线与线极化天线通过反射的方式，在多极化的测量、计算下完成了对目标布鲁斯特角的准确测量，最终通过介电常数与布鲁斯特角的关系公式计算出目标介电常数，对太赫兹成像安检技术的发展和推广有重要意义。

Description

基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统
技术领域
本发明涉及一种测量技术，特别涉及一种基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统。
背景技术
太赫兹(THz)成像技术是THz技术的重要应用方向之一。THz辐射是指频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，由于THz波比红外具有更小的散射消光系数，THz波在传播、散射、反射、吸收和透射等方面与红外和微波存在显著不同的特点。THz波对非极性材料(如硬纸板、塑料、陶瓷、泡沫材料等)具有较好的穿透性，能够探测隐藏的违禁品；THz光子能量小，不会引起生物组织的光致电离，适合于生物医学成像；THz辐射成像的分辨率高，成像对比度和均匀性好，对塑料、陶瓷、泡沫材料、介电材料、毒品、化学和生物制剂等较为敏感，能有效鉴别多种常规手段所无法识别的伪装和隐形等。与常规微波成像相比，THz波具有更高的分辨率，可以实现对更小目标的探测和成像；与红外和可见光相比，THz波对沙尘和烟雾具有更好的穿透能力，便于实现全天候工作。因此，THz波成像可与其他频段的电磁波成像形成互补，在物质鉴别和隐蔽危险品探测等方面显示出良好的应用前景，并为科学研究提供一种新的强有力的方法。
THz波成像需要利用THz波的相位、频率、极化等信息，而目前THz波成像技术主要是依靠频率、相位信息，更多的是不注意极化信息的，这就导致了成像结果忽略了目标很多细节信息。更重要的是，极化对目标的材质属性较为敏感。
THz成像在物质检测方面，目前能够达到的水平只是在同一区域内区分出不同材质目标，但无法确定目标材质确切属性。能够在成像的同时，检测出目标的确定材质是THz成像的发展趋势之一。利用极化信息去反演目标的材质属性则是其中的一大研究方向。
发明内容
本发明是针对THz成像在物质检测方面无法确定目标材质确切属性的问题，提出了一种基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统,经过长期对极化THz波检测技术的研究，利用物质具有的布鲁斯特角的特性以及布鲁斯特角与物质介电常数之间的关系，对物质在THz波段内的介电常数的检测提出了一种新的检测手段，利用极化太赫兹波检测不同材质平板的布鲁斯特角，求解出物质介电常数。
本发明的技术方案为：一种基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，包括：模拟数字电路、带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块、光路系统、样品检测模块、装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块和由上位机实现的同步控制单元、信号处理单元及图像显示单元，模拟数字电路作为信号源与数据存储器的核心，连接太赫兹发射模块与接收模块；带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块向外辐射圆极化太赫兹信号，太赫兹信号通过光路系统进行会聚、准直并传输，圆极化太赫兹波发射照射在样品检测模块中样品架上的样品表面；装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块接收样品反射圆极化太赫兹信号的垂直和水平极化辐射分量信号，并将信号传输至模拟数字电路；同步控制单元控制样品检测模块转动，从而控制接收太赫兹波的入射样品角度；信号处理单元记录模拟数字电路采集到的极化太赫兹信号数据和同步控制单元的太赫兹波入射样品角度数据，信号处理单元将太赫兹信号数据转化为极化信号比值数据，并与入射角一一对应，信号处理单元输出数据传输给图像显示单元，图像显示单元显示入射角-信号比值曲线，比值最大对应角度即为布鲁斯特角θ，通过布鲁斯特角θ与介电常数ε的关系公式，最终求得样品的介电常数ε。
所述样品检测模块为由伺服驱动器控制的双层旋转台，在固定底座上通过模块旋转轴连接模块旋转台，模块旋转台一端放置装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块，在模块旋转台另一端放置样品旋转台，样品旋转台由样品旋转轴和垂直置于样品旋转轴上的平板样品架组成，其中模块旋转轴调整装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块的接收角；样品旋转轴调整圆极化太赫兹信号入射到样品上的角度，入射信号方向不改变的状态下，通过旋转放置样品平板样品架与放置太赫兹信号接收模块调整系统检测的入射角与反射角，并保证太赫兹信号接收模块处在样品的反射路径上。
所述光路系统由三面抛物面镜组成，第一面抛物面镜将圆极化太赫兹波束进行第一次会聚为平行波束；第二面抛物面镜对会聚为平行波束的圆极化太赫兹波进行聚焦；第三面小口径抛物面镜最后再将汇聚后的圆极化太赫兹波束进行准直，保证圆极化太赫兹波平行入射样品表面。
本发明的有益效果在于：本发明基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，采用自行设计的信号传输-会聚-准直光路系统、自行设计的由双层旋转台组成的样品检测模块、同步控制单元、信号处理单元及图像显示单元，灵活使用了圆极化天线与线极化天线通过反射的方式，在多极化的测量、计算下完成了对目标布鲁斯特角的准确测量，最终通过介电常数与布鲁斯特角的关系公式计算出目标介电常数，对太赫兹成像安检技术的发展和推广有重要意义。
附图说明
图1为本发明的系统结构框图；
图2为本发明实施例中双层旋转台示意图；
图3为本发明实施例系统结构示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提出的反射式太赫兹波段布鲁斯特角的测量系统，包括：模拟数字电路10、带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块20、传输-会聚-准直光路系统30、样品检测模块40、装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块50、由上位机实现的同步控制单元60、信号处理单元70及图像显示单元80。
模拟数字电路10作为信号源与数据存储器的核心，连接太赫兹发射模块20与接收模块50，负责控制太赫兹信号的扫频发射与接收；带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块20向外辐射圆极化太赫兹信号，太赫兹信号由光路系统30进行会聚、准直并传输，圆极化太赫兹波最终照射在样品检测模块40中样品架上的样品表面；装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块50通过接收样品反射圆极化太赫兹信号的垂直和水平极化辐射分量信号，并将信号传输至模拟数字电路10；同步控制单元60与样品检测模块40中的双层旋转台相连，控制信号的入射角的改变；信号处理单元70记录模拟数字电路10采集到的极化太赫兹信号数据和同步控制单元60的电机运动数据，根据同步控制单元60提供的入射角数据，信号处理单元70将模拟数字电路10传输过来的太赫兹信号数据转化为极化信号比值数据，并与入射角一一对应，这两类数据传输给图像显示单元80，图像显示单元80将所有数据以入射角-信号比值曲线的形式显示结果。
样品检测模块40本实施例优选为由伺服驱动器控制的双层旋转台。如图2所示(为方便说明其结构，对其进行了分离-组合结构图的绘制)，在固定底座42上通过模块旋转轴44连接模块旋转台，模块旋转台41一端放置装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块50，在模块旋转台41另一端放置样品旋转台，样品旋转台由样品旋转轴43和垂直置于样品旋转轴43上的平板样品架45组成。由于光路模块无法旋转，所以由样品及信号接收模块进行旋转，其中模块旋转轴44，负责调整装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块50的接收角；样品旋转轴43负责调整圆极化太赫兹信号入射到样品上的角度。入射信号方向不改变的状态下，能够通过旋转放置样品平板样品架与放置太赫兹信号接收模块调整系统检测的入射角与反射角，并保证接收模块可处在样品的反射路径上。
所述同步控制单元60包括上位机和伺服驱动器，通过上位机控制程序对所述模拟数字电路10、伺服驱动器进行控制。
图3为本实施例基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统结构示意图，该探测方法具体包括如下步骤：
步骤一、带有圆极化天线的太赫兹辐射源向外辐射圆极化太赫兹信号，由传输光路系统会聚-准直并传输，圆极化太赫兹波照射在所述样品检测模块中的样品表面。
其中传输-会聚-准直光路系统由三面抛物面镜组成，第一面抛物面镜将圆极化太赫兹波束进行第一次会聚为平行波束；第二面抛物面镜对会聚为平行波束的圆极化太赫兹波进行聚焦；第三面小口径抛物面镜最后再将汇聚后的圆极化太赫兹波束进行准直，保证圆极化太赫兹波平行入射样品表面。
步骤二、样品检测模块中的双层旋转台通过伺服驱动器的控制运动，使圆极化太赫兹波的准直波束照射到待测平板表面并反射。
其中，双层旋转台如图2所示，两个旋转轴联动配合调控圆极化太赫兹波的入射角度及接收模块位置，保证信号接收模块处在样品的反射路径上接收太赫兹的反射信号。
步骤三、同步控制单元的伺服驱动器将采集到的入射角/反射角信息传输至上位机。
其中同步控制单元，能够借助伺服驱动器将旋转台信息传输至计算机，计算出入射角/反射角信息。
步骤四、样品反射后的圆极化太赫兹波，通过带有水平和垂直线极化天线的太赫兹接收模块接收反射圆极化信号的水平和垂直极化方向分量信号，并传输至模拟数字电路。
其中，由于线极化天线本身只能够耦合与自身极化方向相同的极化信号的特性，保证接收模块只能够检测到与线极化天线极化方向相同的极化信号。此时，通过波导切换或多路通道的方式，在当前测试角度下，测量得到反射太赫兹信号的水平和垂直分量，并传输至模拟数字电路。
步骤五、同步控制单元通过伺服驱动器控制所述样品检测模块中的双层旋转台，同时通过上位机内控制程序调控，实现与模拟数字电路的同步运作，上位机记录并处理采集到的角度信息和不同极化方向分量信号信息，最终通过所述图像显示单元将处理后的布鲁斯特角测量结果及介电常数以图像形式显示出来。
其中，上位机实现同步控制单元、信号处理单元及图像显示单元功能，通过与太赫兹收发模块配合，同时采集到角度数据及反射圆极化太赫兹波不同极化方向分量的数据，通过信号处理单元对数据进行处理，得到垂直分量/水平分量比值，绘制入射角度-比值曲线图，从数据中能够精确找到比值最大对应角度，并从图像中直观观察到，该角度即为布鲁斯特角θ。通过布鲁斯特角θ与介电常数ε的关系公式ε＝tan2(θ)，最终求得样品的介电常数ε。

Claims (3)

1.一种基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，其特征在于，包括：模拟数字电路、带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块、光路系统、样品检测模块、装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块和由上位机实现的同步控制单元、信号处理单元及图像显示单元，模拟数字电路作为信号源与数据存储器的核心，连接太赫兹信号发射模块与接收模块；带有圆极化天线的太赫兹信号发射模块向外辐射圆极化太赫兹信号，太赫兹信号通过光路系统进行会聚、准直并传输，圆极化太赫兹信号发射照射在样品检测模块中样品架上的样品表面；装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块接收样品反射圆极化太赫兹信号的垂直和水平极化辐射分量信号，并将信号传输至模拟数字电路；同步控制单元控制样品检测模块转动，从而控制接收太赫兹波的入射样品角度；信号处理单元记录模拟数字电路采集到的极化太赫兹信号数据和同步控制单元的太赫兹波入射样品角度数据，信号处理单元将太赫兹信号数据转化为极化信号比值数据，并与入射角一一对应，信号处理单元输出数据传输给图像显示单元，图像显示单元显示入射角-信号比值曲线，比值最大对应角度即为布鲁斯特角θ，通过布鲁斯特角θ与介电常数ε的关系公式，最终求得样品的介电常数ε。
2.根据权利要求1所述基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，其特征在于，所述样品检测模块为由伺服驱动器控制的双层旋转台，在固定底座上通过模块旋转轴连接模块旋转台，模块旋转台一端放置装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块，在模块旋转台另一端放置样品旋转台，样品旋转台由样品旋转轴和垂直置于样品旋转轴上的平板样品架组成，其中模块旋转轴调整装有水平和垂直线极化天线的太赫兹信号接收模块的接收角；样品旋转轴调整圆极化太赫兹信号入射到样品上的角度，入射信号方向不改变的状态下，通过旋转放置样品的平板样品架与放置太赫兹信号接收模块的模块旋转台调整系统检测的入射角与反射角，保证太赫兹信号接收模块处在样品的反射路径上。
3.根据权利要求1所述基于布鲁斯特角测量的太赫兹物质介电常数测量系统，其特征在于，所述光路系统由三面抛物面镜组成，第一面抛物面镜将圆极化太赫兹波束进行第一次会聚为平行波束；第二面抛物面镜对会聚为平行波束的圆极化太赫兹波进行聚焦；第三面小口径抛物面镜最后再将汇聚后的圆极化太赫兹波束进行准直，保证圆极化太赫兹波平行入射样品表面。
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