CN109856695B - 小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，包括太赫兹成像前端、信号处理模块和总控模块。其中，太赫兹成像前端包括了包含曲面微透镜组和折转透镜的太赫兹透镜、以检波天线结构为基本像元的太赫兹阵列芯片，以及读出电路。通过依次采用图像拼接算法、先检测后跟踪算法，以及异常像元检测与插值补偿等算法实现目标跟踪与识别并提升系统鲁棒性。该系统适用于广空域监视和制导等军事国防应用领域。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹成像技术领域，尤其涉及一种小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统。
背景技术
瞬时大视场成像技术对于持久地针对大范围区域执行实时动态监视具有重要应用价值。传统成像系统的瞬时视场通常较小，例如，采用红外焦平面阵列成像前端的AIM-9R响尾蛇导弹，其瞬时视场角为25°；采用微波合成孔径成像技术的土壤湿度主被动卫星(SMAP)，其瞬时视场角仅为4°。由此看出，为了获取广域图像，传统成像系统通常需要借助扫描方式，即需要通过时域资源换取空域资源。因此，传统方法无法满足现代军事对情报的全面性、准确性、快速性要求。
为了解决上述问题，近年来美国等军事强国均投入巨资研制持久性的光学、红外波段广域空基监视系统(WAAS：Wide Area Aerial Surveillance)，以支持行为分析与快速决策从而有效面对新形势、新的任务需求。此类系统具有瞬时大视场覆盖能力，可以支持大范围区域内的动态监测并且支持多个目标的同时跟踪。为了有效借助空天平台优势，广域空基监视系统向着小型化、高度集成的方向发展以满足包括导弹、浮空器、小卫星等在内的多种空天平台的搭载需求，从而执行预警、制导、遥感等任务。例如，美国LogosTechnologies公司研发的Kestrel系统可以实现156°×156°的视场，即在1.5km高度处可以实现182km2的视场覆盖；另外，美国空军正在研制适合小孔径导弹的宽视场导引头以满足对地或反舰应用需求。虽然现有可见光和红外瞬时大视场成像系统已经极大提升了空域监视范围并能满足全天时监视制导需求，但是无法有效应对红外隐身、诱饵等信息对抗问题；而微波波段由于波长约束难以实现小型化瞬时宽视场系统。
现有技术存在的问题：现有太赫兹成像系统必须通过机械扫描的方式获取瞬时大视场，成像速度慢且体积大。
发明内容
亟需发展小体积、大视场、多通道太赫兹阵列探测技术以弥补现有技术手段的频域盲区缺憾，有效提升目标识别与跟踪能力。
太赫兹波是最后一段被集中开发利用的电磁频段，位于微波与红外之间，其频率范围为0.1-10THz，对应的波长范围为3mm～30um。相比于微波系统，太赫兹系统能够获得更高的空间分辨率并且可以实现系统小型化从而满足空天平台搭载需求；相比于红外系统，太赫兹系统能够穿透烟、雾实现目标成像，提升全天侯观测能力。
因此，太赫兹成像技术将能够有效弥补现有成像技术手段的频域和时域盲区缺憾，有效提升目标识别与跟踪能力。
通过发展小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，将弥补现有探测跟踪技术手段中的频域、空域和时域缺憾，有效提升目标探测、识别与跟踪能力以及智能化水平，将在广空域监视和制导等军事国防领域具有十分重要的应用价值和装备潜力，其典型应用包括中高空态势感知与目标跟踪(例如预警和制导)以及复杂环境快/小/多动目标群探测与跟踪(例如空间碎片探测跟踪和无人机蜂群探测跟踪)。
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，有效弥补了现有探测跟踪技术手段中的频域、空域和时域缺憾，有效提升目标探测、识别与跟踪能力以及智能化水平，将在广空域监视和制导等军事国防领域具有十分重要的应用价值和装备潜力。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，包括：太赫兹成像前端、信号处理模块和总控模块；其中，所述太赫兹成像前端将目标的太赫兹信号聚焦并处理得到中频/基带阵列信号，将中频/基带阵列信号处理得到数字信号并将其传输给所述信号处理模块；所述信号处理模块接收数字信号并对其进行矩阵重组得到太赫兹图像序列；利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；根据太赫兹图像序列建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用3σ判断准则进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；所述总控模块显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；并输出稳定电压给所述太赫兹成像前端和信号处理模块供电。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述太赫兹成像前端包括太赫兹透镜、太赫兹阵列芯片和读出电路；其中，所述太赫兹透镜将目标的太赫兹信号聚焦到太赫兹阵列芯片上，所述太赫兹阵列芯片输出中频/基带阵列信号后传递给所述读出电路，所述读出电路将中频/基带阵列信号转变为数字信号后，根据输出时序依次传递给信号处理模块。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述信号处理模块包括图像拼接单元、目标识别与跟踪单元和容错设计与自重构单元；其中，图像拼接单元将数字信号进行矩阵重组，输出太赫兹图像序列；太赫兹图像序列分别输入到目标识别与跟踪单元和容错设计与自重构单元；目标识别与跟踪单元利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；容错设计与自重构单元建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用3σ判断准则进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标最终通过总控模块显示。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述总控模块包括电源模块、控制模块和显示模块；其中，所述显示模块用于显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；所述电源模块分别输出稳定电压给所述太赫兹成像前端和所述信号处理模块供电；所述控制模块控制读出电路中每一路信号的输出时序，中频/基带阵列信号根据输出时序传递给信号处理模块。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述太赫兹透镜包括太赫兹曲面微透镜组、太赫兹曲面微透镜组基底和折转透镜；其中，所述太赫兹曲面微透镜组设置于所述太赫兹曲面微透镜组基底的外表面；所述折转透镜位于所述太赫兹曲面微透镜组基底的内部；所述折转透镜的外表面与所述太赫兹曲面微透镜组基底的内表面相对。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述太赫兹曲面微透镜组包括若干个微透镜；其中，若干个微透镜均匀分布于所述太赫兹曲面微透镜组基底的外表面；每个微透镜由半球和圆柱组成，半球半径与圆柱截面半径相等。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，每个微透镜的材料特征包括：在太赫兹频段的透射率不小于0.8；介电常数不大于5。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述折转透镜包括外曲面和内曲面，外曲面和内曲面均为球面，内曲面的球心和外曲面的球心不重叠。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述太赫兹阵列芯片包括若干个太赫兹像元，每个太赫兹像元按照矩阵等间距排布；每个太赫兹像元包括片上天线、太赫兹探测器件、输出引线以及输出端口；其中，太赫兹探测器件的一端与片上天线连接，另一端接地；输出引线的一端与片上天线连接，另一端与输出端口连接。
上述小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统中，所述输出引线采用蜿蜒线结构，其总长度不小于5λ，其宽度不大于λ/100，其中，λ为太赫兹波的波长。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明有效弥补现有探测跟踪技术手段中的频域、空域和时域缺憾，有效提升目标探测、识别与跟踪能力以及智能化水平，将在广空域监视和制导等军事国防领域具有十分重要的应用价值和装备潜力；其典型应用包括中高空态势感知与目标跟踪(预警和制导)以及复杂环境快/小/多动目标群探测与跟踪(例如空间碎片探测跟踪和无人机蜂群探测跟踪)；
(2)本发明通过采用包含太赫兹曲面微透镜组和折转透镜的太赫兹透镜有效提升瞬时视场，其瞬时视场远大于现有太赫兹系统的视场；
(3)本发明通过采用基于检波天线像元的太赫兹焦平面成像阵列芯片有效提高了系统的集成度并有效减小了系统体积和重量；并且有效提升了系统设计灵活度，适合形成任意规模的二维阵列成像系统；
(4)本发明通过在每个微透镜周围紧密布置六个相邻的微透镜以减小视场盲区；
(5)本发明通过非同心球面形成折转透镜，从而有效将不同微透镜收集的太赫兹波聚焦到太赫兹阵列芯片上的不同子阵面上，减小了重叠区域。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统的框图；
图2(a)是本发明实施例提供的太赫兹成像前端的系统框图；
图2(b)是本发明实施例提供的微透镜结构示意图；
图2(c)是本发明实施例提供的相邻微透镜排布方式示意图；
图3(a)是本发明实施例提供的太赫兹透镜的示意图；
图3(b)是本发明实施例提供的太赫兹透镜工作原理示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的太赫兹阵列芯片的结构示意图；
图4(b)是本发明实施例提供的太赫兹像元的俯视图；
图4(c)是本发明实施例提供的太赫兹像元的剖视图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1给出了小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统的总体架构，包括太赫兹成像前端1、信号处理模块2和总控模块3。
所述太赫兹成像前端1将目标的太赫兹信号聚焦并处理得到中频/基带阵列信号(即中频阵列信号或基带阵列信号)，将中频/基带阵列信号处理得到数字信号并将其传输给所述信号处理模块2；
所述信号处理模块2接收数字信号并对其进行矩阵重组得到太赫兹图像序列；利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；根据太赫兹图像序列建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用“3σ判断准则”进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；
所述总控模块3显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；并输出稳定电压给太赫兹成像前端和信号处理模块供电；控制模块32控制读出电路的工作状态。
如图2(a)所示，太赫兹成像前端1包括太赫兹透镜11、太赫兹阵列芯片12和读出电路13。其中，所述太赫兹透镜11将目标的太赫兹信号聚焦到太赫兹阵列芯片12上，所述太赫兹阵列芯片12输出中频/基带阵列信号后传递给所述读出电路13，所述读出电路13将中频/基带阵列信号转变为数字信号后传递给信号处理模块2。
信号处理模块2包括图像拼接单元21、目标识别与跟踪单元22和容错设计与自重构单元23。图像拼接单元21将数字信号进行矩阵重组，输出太赫兹图像序列；太赫兹图像序列分别输入到目标识别与跟踪单元22和容错设计与自重构单元23；目标识别与跟踪单元22利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；容错设计与自重构单元23建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用“3σ判断准则”进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标最终通过总控模块3显示。
总控模块3包括电源模块31、控制模块32和显示模块33。所述显示模块33用于显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；所述电源模块31分别输出稳定电压给所述太赫兹成像前端1和所述信号处理模块2供电；所述控制模块32控制读出电路的工作状态。
目标的太赫兹信号通过太赫兹透镜11后，聚焦到太赫兹阵列芯片12上，太赫兹阵列芯片12输出中频/基带阵列信号后传递给读出电路13，读出电路13将中频/基带阵列信号转变为数字信号后传递给信号处理模块2的图像拼接单元21。图像拼接单元21将数字信号进行矩阵重组，输出太赫兹图像序列；太赫兹图像序列分别输入到目标识别与跟踪单元22和容错设计与自重构单元23；目标识别与跟踪单元22利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；容错设计与自重构单元23建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用“3σ判断准则”进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标最终通过显示模块33显示。电源模块31分别输出稳定电压给太赫兹成像前端和信号处理模块供电；控制模块32控制读出电路的工作状态。
如图2(a)所示，太赫兹成像前端自上而下依次包括太赫兹透镜11、太赫兹阵列芯片12和读出电路13。如图2(a)、图3(a)和图3(b)所示，太赫兹透镜11从外到内依次包括太赫兹曲面微透镜组111、太赫兹曲面微透镜组基底112、折转透镜113。太赫兹透镜11用于实现瞬时大视场的空间太赫兹辐射信号收集与聚焦，其瞬时视场不小于60°×60°。
如图2(b)所示，太赫兹曲面微透镜组111由M个微透镜组成，沿球面均匀分布。每个微透镜的材料特征如下：A.在太赫兹频段的透射率不小于0.8；B.介电常数不大于5，其典型材料包括聚四氟乙烯材料、石英等。微透镜的基本形状为扩展半球，由半球和圆柱组成；半球半径与圆柱截面半径相等，记为R111；圆柱高度为L111。
如图2(c)所示，每个微透镜相邻的微透镜构成六边形，以减小视场盲区。太赫兹曲面微透镜组基底112的材料对太赫兹波是不透明的，例如铝、铜等金属或者橡胶等。折转透镜113包括外曲面和内曲面，外曲面和内曲面均为球面，但是内曲面和外曲面的球心不重叠，从而有效实现太赫兹波的折射。如图3(a)和图3(b)所示，每一个微透镜负责收集
方向的成像，子视场角为α。若子午面上有P个微透镜，则总视场角为P×α。
图4(a)是本发明实施例提供的太赫兹阵列芯片的结构示意图；图4(b)是本发明实施例提供的太赫兹像元的俯视图；图4(c)是本发明实施例提供的太赫兹像元的剖视图。如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，太赫兹阵列芯片的阵列规模记为M×N。太赫兹阵列芯片上的像元排布为二维排布方式。太赫兹阵列芯片12上的像元采用检波天线结构，其优点包括集成度高，兼具天线和检波器的功能，适合形成二维大规模阵列芯片。太赫兹像元包括片上天线1201、太赫兹探测器件1202、输出引线1203、输出端口1204。片上天线1201用于将太赫兹透镜11聚焦的太赫兹波转变成太赫兹电流。太赫兹探测器件1202用于实现太赫兹波的检波功能，位于片上天线1201的射频馈电端口处。太赫兹探测器件1202的一端与片上天线1201相连，另一端通过垂直金属化过孔与芯片地1212相连。不失一般性地，太赫兹探测器件1202可以采用零偏置太赫兹肖特基二极管。输出引线1203用于引出太赫兹探测器件1202的输出信号，其阻抗相对于太赫兹电流为高阻抗。不是一般性地，输出引线1203可以采用蜿蜒线结构，其总长度不小于5λ(λ为太赫兹波的波长)，其宽度不大于λ/100。芯片衬底1211为低损耗介质(介电常数记为εr)，其厚度不大于{λ/[(1+εr)/2]1/2}/10，从而有效抑制介质表面波，提升像元间的隔离度。
每个微透镜对应于太赫兹阵列芯片12上的m×n个像元，其中m＜M，n＜N，形成子图像。
读出电路13用于读出太赫兹阵列芯片12的输出信号。不失一般性地，读出电路13可以采用FPGA实现，将读出后的信号传递给信号处理模块2。
信号处理模块2按照处理流程依次包括图像拼接单元21、目标识别与跟踪单元22、容错设计与自重构单元23。图像拼接单元21用于将子图像无缝拼接成大视场图像。目标识别与跟踪单元22采用先检测后跟踪算法识别并跟踪目标。容错设计与自重构单元23利用“3σ判断准则”进行通道异常像元检测，然后利用数值插值方法补偿异常像元的输出信号，保证系统的鲁棒性。
本实施例有效弥补现有探测跟踪技术手段中的频域、空域和时域缺憾，有效提升目标探测、识别与跟踪能力以及智能化水平，将在广空域监视和制导等军事国防领域具有十分重要的应用价值和装备潜力；其典型应用包括中高空态势感知与目标跟踪(预警和制导)以及复杂环境快/小/多动目标群探测与跟踪(例如空间碎片探测跟踪和无人机蜂群探测跟踪)；本实施例通过采用包含太赫兹曲面微透镜组和折转透镜的太赫兹透镜有效提升瞬时视场，其瞬时视场远大于现有太赫兹系统的视场；本发明通过采用基于检波天线像元的太赫兹焦平面成像阵列芯片有效提高了系统的集成度并有效减小了系统体积和重量；并且有效提升了系统设计灵活度，适合形成任意规模的二维阵列成像系统；本实施例通过在每个微透镜周围紧密布置六个相邻的微透镜以减小视场盲区；本实施例通过非同心球面形成折转透镜，从而有效将不同微透镜收集的太赫兹波聚焦到太赫兹阵列芯片上的不同子阵面上，减小了重叠区域。
以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于包括：太赫兹成像前端(1)、信号处理模块(2)和总控模块(3)；其中，
所述太赫兹成像前端(1)将目标的太赫兹信号聚焦并处理得到中频/基带阵列信号，将中频/基带阵列信号处理得到数字信号并将其传输给所述信号处理模块(2)；
所述信号处理模块(2)接收数字信号并对其进行矩阵重组得到太赫兹图像序列；利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；根据太赫兹图像序列建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用3σ判断准则进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；
所述总控模块(3)显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；并输出稳定电压给所述太赫兹成像前端(1)和信号处理模块(2)供电；
所述太赫兹成像前端(1)包括太赫兹透镜(11)、太赫兹阵列芯片(12)和读出电路(13)；其中，
所述太赫兹透镜(11)将目标的太赫兹信号聚焦到太赫兹阵列芯片(12)上，所述太赫兹阵列芯片(12)输出中频/基带阵列信号后传递给所述读出电路(13)，所述读出电路(13)将中频/基带阵列信号转变为数字信号后，根据输出时序依次传递给信号处理模块(2)；
所述太赫兹透镜(11)包括太赫兹曲面微透镜组(111)、太赫兹曲面微透镜组基底(112)和折转透镜(113)；其中，
所述太赫兹曲面微透镜组(111)设置于所述太赫兹曲面微透镜组基底(112)的外表面；
所述折转透镜(113)位于所述太赫兹曲面微透镜组基底(112)的内部；所述折转透镜(113)的外表面与所述太赫兹曲面微透镜组基底(112)的内表面相对。
2.根据权利要求1所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述信号处理模块(2)包括图像拼接单元(21)、目标识别与跟踪单元(22)和容错设计与自重构单元(23)；其中，
图像拼接单元(21)将数字信号进行矩阵重组，输出太赫兹图像序列；太赫兹图像序列分别输入到目标识别与跟踪单元(22)和容错设计与自重构单元(23)；目标识别与跟踪单元(22)利用神经网络与卡尔曼滤波器组成的非线性估计器对太赫兹图像序列中的目标进行机动检测和跟踪，输出太赫兹图像序列中的目标运动轨迹坐标；容错设计与自重构单元(23)建立太赫兹图像序列的直方图模型，利用3σ判断准则进行通道异常像元检测，并采用多通道图像边缘检测方法对通道异常像元进行补偿；太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标最终通过总控模块(3)显示。
3.根据权利要求1所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述总控模块(3)包括电源模块(31)、控制模块(32)和显示模块(33)；其中，
所述显示模块(33)用于显示太赫兹图像序列以及目标运动轨迹坐标；所述电源模块(31)分别输出稳定电压给所述太赫兹成像前端(1)和所述信号处理模块(2)供电；所述控制模块(32)控制读出电路中每一路信号的输出时序，中频/基带阵列信号根据输出时序传递给信号处理模块(2)。
4.根据权利要求1所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述太赫兹曲面微透镜组(111)包括若干个微透镜；其中，
若干个微透镜均匀分布于所述太赫兹曲面微透镜组基底(112)的外表面；
每个微透镜由半球和圆柱组成，半球半径与圆柱截面半径相等。
5.根据权利要求4所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：每个微透镜的材料特征包括：在太赫兹频段的透射率不小于0.8；介电常数不大于5。
6.根据权利要求1所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述折转透镜(113)包括外曲面和内曲面，外曲面和内曲面均为球面，内曲面的球心和外曲面的球心不重叠。
7.根据权利要求1所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述太赫兹阵列芯片(12)包括若干个太赫兹像元，每个太赫兹像元按照矩阵等间距排布；
每个太赫兹像元包括片上天线(1201)、太赫兹探测器件(1202)、输出引线(1203)以及输出端口(1204)；其中，太赫兹探测器件(1202)的一端与片上天线(1201)连接，另一端接地；输出引线(1203)的一端与片上天线(1201)连接，另一端与输出端口(1204)连接。
8.根据权利要求7所述的小体积大视场多通道太赫兹阵列探测成像系统，其特征在于：所述输出引线(1203)采用蜿蜒线结构，其总长度不小于5λ，其宽度不大于λ/100，其中，λ为太赫兹波的波长。
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