CN109633774A - 340GHz被动超导太赫兹人体安检系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，涉及人体安检仪技术领域。所述系统在现有安检系统的基础上引入时分复用的概念，通过时分复用来减少超导量子干涉器的个数，使每一个SQUID器件同时可以支持读出8个跃迁边缘传感器的电流。通过引入GaN HEMT调制器作为太赫兹的开关器件，实现对TES器件的响应进行开关控制；可以降低SQUID器件的使用个数，因此降低系统成本。
Description
技术领域
本发明涉及人体安检仪技术领域，尤其涉及一种340GHz被动超导太赫兹人体安检系统。
背景技术
太赫兹波是指频率在 100GHz-10THz范围内的电磁波，与毫米波的高端、亚毫米波及远红外有所交叠，处于宏观电子学向微观光子学的过度领域。。太赫兹波在电磁波频谱中占有很特殊的位置。太赫兹是一种新的、有很多独特优点的辐射源；太赫兹技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的机遇。太赫兹波天然具有对非金属和非极性物质的穿透性，非常适用于探测人体，探测人体皮肤及衣服中间所隐藏的各种危险品。同时太赫兹波具有人体安全性，这是因为太赫兹波的光子能量非常小，对人体细胞不会造成电离性伤害，对人体是安全的。相比低频的微波毫米波频段，太赫兹波波长更短，兹具有高分辨率特性。许多物质在太赫兹波段具有指纹谱特性，类似于人的指纹，可应用于物质无损识别和探测。在太赫兹众多应用中，目前与人类生活息息相关的就是太赫兹安检技术。太赫兹人体安检技术是利用太赫兹波对日常衣物材料（棉、麻、化纤等）特殊的穿透性，填补了人体安检领域的空白，是对当前人体安检手段的重要补充。
目前常用的安全检测手段为金属探测门和X光机，金属探测们无法有效探测除金属外的违禁品，典型的危险品探不出（陶瓷刀具、粉末炸药、液体炸药、汽油柴油煤油），探得出的不是危险品（手机、钢镚、钥匙、金属化妆用具），X光由于其光子能量太大，可对人体细胞造成电离性伤害，人体危害性极大。目前欧美已禁用。因此太赫兹安检有很大的潜在市场价值。
目前太赫兹波的安检系统主要分为两大类，一类是被动式安检系统，一类是主动式安检系统。被动式安检特点：一是非接触，不用搜身，尊重被检人员个人隐私；二是检测效率高，速度快、无停留，被检人员在指定的安检通道内正常行走通过即能完成安检，大大提高安检效率；三是安全无辐射，类似普通照相机、监控摄像头，不产生电磁、电离辐射，对人体无害。其缺点是分辨率不高，信噪比不高。主动式安检系统是通过主动发射一定剂量的毫米波/太赫兹波（可接收范围剂量内），对人体进行成像，较被动式安检仪来讲，信噪比更高。虽有一定的辐射剂量，但由于毫米波/太赫兹光子能量小，不会对人体细胞造成电离性伤害。目前常用的主被系统，多是基于室温微电子器件进行工作，大多存在图像不清晰，采集速率不够高，不能实时成像，需要3到5秒才能成像。
目前被动式的太赫兹安检系统以其无辐射较容易被普通民众所接受，因此该类型的被动式安检系统得到了长足的发展。目前较成熟的被动式太赫兹安检系统安检距离在0.5m到25m距离。能够实现25m探测距离的安检系统采用低温超导量子器件作为核心器件来实现对人体隐匿物品的远程探测。
目前超导体的太赫兹安检系统中，采用水平阵列的跃迁边界传感（TES）器件和作为TES读出电路的超导量子干涉器（SQUID）作为核心的超导器件，来实现对人体太赫兹信号的探测。目前采用的水平阵列一般为64个和128个，即需要64个或者128个TES和SQUID器件，这两种器件中，SQUID器件比TES器件的制作工艺复杂，成本更高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何提供一种可以降低SQUID器件的使用个数、降低系统成本的340GHz被动超导太赫兹人体安检系统。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，其特征在于：包括人体安检仪本体，所述人体安检仪本体包括若干个低噪声放大器，每个低噪声放大器经一个GaN HEMT调制器与一个跃迁边缘传感器的信号输入端连接，每八个跃迁边缘传感器的信号输出端与一个超导量子干涉器的信号输入端连接，所述低噪声放大器的工作频率为110GHz，超导量子干涉器的输出端与控制计算机的信号输入端连接，通过喇叭天线和低噪声放大器接收人体太赫兹辐射，并对其进行放大，然后依次控制每个超导量子干涉器对应的八个GaN HEMT调制器导通，实现对跃迁边缘传感器的响应进行开关控制， 超导量子干涉器依次接收到跃迁边缘传感器传送的信息，并对接收的信息进行处理后将跃迁边缘传感器采集的电流信号读出并放大，产生可以进行电学处理的电压信号，电压信号经过数据采集后送入控制计算机，在控制计算机的显示屏上形成人体的太赫兹图像。
进一步的技术方案在于：所述人体安检仪本体还包括机架，所述机架上设置有脉冲制冷器、控制计算机、主反射镜和副反射镜，所述主反射镜与所述副反射镜相对设置，所述主反射镜和副反射镜用于汇聚人体产生的太赫兹波。
进一步的技术方案在于：所述低噪声放大器为放大倍数大于16的低噪声放大器。
进一步的技术方案在于：所述跃迁边缘传感器设置有128个，所述超导量子干涉器设置有16个。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述系统在现有安检系统的基础上引入时分复用的概念，通过时分复用来减少超导量子干涉器（SQUID器件）的个数，使每一个SQUID器件同时可以支持读出八个跃迁边缘传感器（TES器件）的电流。通过引入GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）调制器作为太赫兹的开关器件，实现对TES器件的响应进行开关控制；可以降低SQUID器件的使用个数，因此降低系统成本。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施例所述太赫兹人体安检系统的原理框图；
图2是本发明实施例所述太赫兹人体安检系统中低噪声放大器、跃迁边缘传感器以及超导量子干涉器部分的原理框图；
其中：1、低噪声放大器；2、GaN HEMT调制器；3、跃迁边缘传感器；4、超导量子干涉器；5、控制计算机；6、喇叭天线；7、机架；8、脉冲制冷器；9、主反射镜；10、副反射镜。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
基于超导器件的太赫兹安检系统可实现最远25米的探测距离，该安检系统采用被动式成像，即只接收人体辐射的太赫兹信号进行探测成像。系统工作中心频率为340GHz，工作带宽为140GHz，接收人体太赫兹辐射的工作器件为TES器件，即跃迁边缘传感器，通过SQUID即超导量子干涉器将TES的电流信号读出并放大（其中TES器件和SQUID器件工作在液氦温度下），产生可以进行电学处理的电压信号，电压信号经过数据采集后送入电脑终端显示器，在电脑显示终端即形成了人体的太赫兹图像。
如图1-图2所示，本发明实施例公开了一种340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，包括人体安检仪本体，所述安检仪本体可以为现有技术中的太赫兹人体安检仪。本发明的发明点在于：所述人体安检仪本体包括若干个低噪声放大器1，每个低噪声放大器1经一个GaN HEMT调制器2与一个跃迁边缘传感器3的信号输入端连接，每八个跃迁边缘传感器3的信号输出端与一个超导量子干涉器4的信号输入端连接，所述低噪声放大器1的工作频率为110GHz，超导量子干涉器4的输出端与控制计算机5的信号输入端连接，通过喇叭天线6和低噪声放大器1接收人体太赫兹辐射，并对其进行放大，然后依次控制每个超导量子干涉器4对应的八个GaN HEMT调制器2导通，实现对跃迁边缘传感器3的响应进行开关控制， 超导量子干涉器4依次接收到跃迁边缘传感器3传送的信息，并对接收的信息进行处理后将跃迁边缘传感器3采集的电流信号读出并放大，产生可以进行电学处理的电压信号，电压信号经过数据采集后送入控制计算机5，在控制计算机5的显示屏上形成人体的太赫兹图像。
进一步的，如图1所示，所述人体安检仪本体还包括机架7，所述机架7上设置有脉冲制冷器8、控制计算机5、主反射镜9和副反射镜10，所述主反射镜9与所述副反射镜10相对设置，所述主反射镜9和副反射镜10用于汇聚人体产生的太赫兹波。优选的，所述低噪声放大器1为放大倍数大于16的低噪声放大器。优选的，所述跃迁边缘传感器3设置有128个，所述超导量子干涉器设置有16个。
工作原理：人体发射出的电磁波通过低噪声放大器后，将仅剩下太赫兹波段的能量，太赫兹波随后进入GaN HEMT开关调制器，GaN HEMT开关调制器基于GaN HEMT中的二维电子气来实现对太赫兹波的开关调控，开关速度可达到GHz，可对进入的太赫兹波进行开关。本实施例中系统工作中心频率为340GHz，带宽为140GHz，因此在GaN HEMT调制开关器中，集合270-410GHz全波导带宽内的背对背波导微带过度结构，可进一步滤掉杂波，太赫兹波照射到TES器件上，引起TES上电阻发生变化，电阻的变化引起电流的变化，电流的变化被SQUID所读出。通过电子开关调节依次调节GaN HEMT调制放大器的开关状态，使同一时间只有一个TES器件的电流被SQUID所读出，这样就达到了时分复用，从而使得系统可以降低对SQUID器件的使用个数。
Claims (4)
1.一种340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，其特征在于：包括人体安检仪本体，所述人体安检仪本体包括若干个低噪声放大器（1），每个低噪声放大器（1）经一个GaN HEMT调制器（2）与一个跃迁边缘传感器（3）的信号输入端连接，每八个跃迁边缘传感器（3）的信号输出端与一个超导量子干涉器（4）的信号输入端连接，所述低噪声放大器（1）的工作频率为110GHz，超导量子干涉器（4）的输出端与控制计算机（5）的信号输入端连接，通过喇叭天线（6）和低噪声放大器（1）接收人体太赫兹辐射，并对其进行放大，然后依次控制每个超导量子干涉器（4）对应的八个GaN HEMT调制器（2）导通，实现对跃迁边缘传感器（3）的响应进行开关控制， 超导量子干涉器（4）依次接收到跃迁边缘传感器（3）传送的信息，并对接收的信息进行处理后将跃迁边缘传感器（3）采集的电流信号读出并放大，产生可以进行电学处理的电压信号，电压信号经过数据采集后送入控制计算机（5），在控制计算机（5）的显示屏上形成人体的太赫兹图像。
2.如权利要求1所述的340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述人体安检仪本体还包括机架（7），所述机架（7）上设置有脉冲制冷器（8）、控制计算机（5）、主反射镜（9）和副反射镜（10），所述主反射镜（9）与所述副反射镜（10）相对设置，所述主反射镜（9）和副反射镜（10）用于汇聚人体产生的太赫兹波。
3.如权利要求1所述的340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述低噪声放大器（1）为放大倍数大于16的低噪声放大器。
4.如权利要求1所述的340GHz被动超导太赫兹人体安检系统，其特征在于：所述跃迁边缘传感器（3）设置有128个，所述超导量子干涉器设置有16个。
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