CN110411977B - 一种全电子太赫兹层析成像装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种全电子太赫兹层析成像装置及其控制方法，该装置包括：双路微波信号源，用于生成1路射频微波信号和1路本振微波信号；多通道扩频模块，用于分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；多发多收太赫兹环形阵列，用于分别将N路射频微波信号和N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号和N路太赫兹本振信号，将N路太赫兹本振信号与N路被测样品的散射信号进行混频，得到N路测试中频信号；多通道同步采集单元，用于采集N路测试中频信号和1路参考中频信号；主控计算机采集被测样品散射数据并处理，通过对比源算法实现被测样品的高分辨成像。
Description
技术领域
本公开涉及太赫兹成像技术领域，具体涉及一种全电子太赫兹层析成像装置及其控制方法。
背景技术
太赫兹波位于微波和红外线之间，具有无电离辐射、高分辨率、对人体无害、穿透性强等物理特性。通过太赫兹成像可以获得物质空间密度分布的图像，因此太赫兹成像特别适合于可见光看不见、X射线对比度不够材料内部结构测量和缺陷成像应用。相对于超声波，太赫兹波在被测样品中衰减小，穿透深，波长短，能够获取高分辨率的成像效果，可以直观地展现内部缺陷；相对于X射线，它不会由于电离而破坏被检测的样品，具有成像速度快、实时性强、无辐射等优点。正是由于太赫兹成像技术所具备的独特优势，全球很多国家都开展了太赫兹成像技术的相关研究。
对于太赫兹成像，发明人在研发过程中发现，目前常用的方法是将太赫兹收发模块或被测样品安装在机械运动装置上进行扫描，这种方式结构简单，但测试效率低，另外由于只利用了被测样品的反射或透射信息，理论上只能获得半个波长的理论分辨率。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种全电子太赫兹层析成像装置及其控制方法，该装置采用多发多收的太赫兹信号发生和接收形式，可实现被测样品散射信息的快速采集；另外，由于采用收发间隔布置的环形阵列，获得的被测样品散射数据同时包含反射和透射信息，进而通过对比源算法实现被测样品的高分辨成像，成像分辨率优于半个波长。
本公开一方面提供的一种全电子太赫兹层析成像装置的技术方案是：
一种全电子太赫兹层析成像装置，该装置包括：
双路微波信号源，用于生成1路射频微波信号和1路本振微波信号，并分别输出至多通道扩频模块；
多通道扩频模块，用于分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；
多发多收太赫兹环形阵列，用于分别将N路射频微波信号和N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号和N路太赫兹本振信号，接收N路被测样品的散射信号，将N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品的散射信号进行混频，得到N路测试中频信号；
多通道同步采集单元，用于同步采集多发多收太赫兹环形阵列产生的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号；
主控计算机，用于控制双路微波信号源、多通道扩频模块和多通道同步采集单元，获取多通道同步采集单元采集的N路测试中频信号和1路参考中频信号并对其进行处理，采用对比源算法得到被测样品的高分辨图像。
本公开另一方面提供的一种全电子太赫兹层析成像装置的控制方法的技术方案是：
一种全电子太赫兹层析成像装置的控制方法，该方法包括以下步骤：
设置双路微波信号源的射频和本振信号频率；
控制多通道扩频模块的电子开关切换到相应的发射通道；
触发双路微波信号源产生设定频率的1路射频微波信号和1路本振微波信号；同时，触发多通道同步采集单元采集多发多收太赫兹环形阵列产生的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号；
重复上述步骤，直至各个发射通道完成数据采集。
通过上述技术方案，本公开的有益效果是：
(1)本公开在多通道扩频模块中设置参考道道，以便获得准确的相位信息；
(2)本公开在多发多收太赫兹环形阵列中将发射通道和接收通道置于同一层，以便目标层析成像模型有效；
(3)本公开采用电子开关快速切换和多通道同步采集，大幅度改善了测试效率；
(4)本公开构建围绕被测样品的环形阵列，可以获得被测样品更丰富的散射信息，包含反射和透射信息，有利于成像算法获得更高的成像分辨率。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本公开的不当限定。
图1是实施例一全电子太赫兹层析成像装置的结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本公开使用的所有技术和科学术语具有与本公开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。
实施例一
本实施例提供了一种全电子太赫兹层析成像装置，该装置采用多发多收的太赫兹信号发生和接收形式，可实现被测样品散射信息的快速采集；另外，由于采用收发间隔布置的环形阵列，获得的被测样品散射数据同时包含反射和透射信息，进而通过对比源算法实现被测样品的高分辨成像，成像分辨率优于半个波长。
请参阅附图1，该装置包括双路微波信号源1、多通道扩频模块2、多发多收太赫兹环形阵列3、多通道同步采集单元4和主控计算机5。
所述双路微波信号源1，用于生成1路射频微波信号和1路本振微波信号，并分别输出至多通道扩频模块。
所述多通道扩频模块2，用于分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号。
所述多发多收太赫兹环形阵列3，用于将N路射频微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹发射信号，将N路本振微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹本振信号，接收N路被测样品的散射信号，将产生的N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品散射信号进行混频，得到N路测试中频信号，并对N路测试中频信号进行放大。
所述多通道同步采集单元4，用于同步采集多发多收太赫兹环形阵列放大后的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号，并传输至主控计算机。
所述主控计算机5，用于控制全电子太赫兹层析成像装置中的双路微波信号源、多通道扩频模块和多通道同步采集单元，以及获取多通道同步采集单元采集的N路测试中频信号和1路参考中频信号，并进行处理，采用对比源算法实现被测样品的高分辨成像，成像分辨率优于半个波长。
在本实施例中，所述双路微波信号源产生信号的方法包括：
采用矢量网络分析仪等通用测试仪器，产生点频或步进频连续波微波信号；
或者，采用直接模拟频率合成技术，产生调频连续波微波信号；
或者，采用直接数字频率合成技术，产生调频连续波微波信号。
在本实施例中，所述多通道扩频模块包括1选N电子开关、1分N功分器、太赫兹参考通道和时序控制板；其中：
所述1选N电子开关，用于实现N路射频微波信号的快速切换；
所述1分N功分器，用于同时提供N路本振微波信号；
所述太赫兹参考通道，用于产生1路参考中频信号；
所述时序控制板，连接1选N电子开关，用于控制1选N电子开关的切换。
在本实施例中，所述多发多收太赫兹环形阵列包括N路太赫兹发射通道、N路太赫兹接收通道和太赫兹收发天线，其中：
所述N路太赫兹发射通道，用于将N路射频微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹发射信号。
所述N路太赫兹接收通道，用于将N路本振微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹本振信号，接收N路被测样品的散射信号，包含反射和透射信息，并将N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品散射信号经谐波混频器混频，得到N路测试中频信号。
所述太赫兹收发天线，分别设置在N路太赫兹发射通道和N路太赫兹接收通道上，用于发射和接收太赫兹信号。
在本实施例中，所述N路太赫兹发射通道和N路太赫兹接收通道沿圆周方向交叉排列布置在同一层上，形成环形阵列，以便目标层析成像模型有效。
在本实施例中，所述多通道同步采集单元包括多通道高速率AD采样卡和FPGA实时处理板，其中：
所述多通道高速率AD采样卡，用于采集多发多收太赫兹环形阵列产生的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号。
所述FPGA实时处理板，用于对采集到的中频信号进行预处理，包括数字变频、滤波和抽取。
本实施例提供的一种全电子太赫兹层析成像装置，通过电子开关快速切换和多通道同步采集，实现了对目标的快速数据采集；通过采用环形阵列的布阵方式，实现被测样品散射信息的获取，该散射信息不仅包括反射信息还包括透射信息，通过处理被测样品散射信息，可以实现被测样品的高分辨成像。
实施例二
本实施例提供一种全电子太赫兹层析成像装置的控制方法，该方法是基于实施例一所述的全电子太赫兹层析成像装置实现的。该方法包括以下步骤：
S101，主控计算机5发送频率设置指令至双路微波信号源，将双路微波信号源的射频和本振信号按照频率设置指令进行对应的设置。
S102，频率设置成功后，主控计算机5发送电子开关切换指令至多通道扩频模块，使1选N电子开关打到第n个发射通道(n＝0,1,…,N)。
S103，电子开关切换完成后，主控计算机5同时给双路微波信号源和多通道同步采集单元发送触发信号，双路微波信号源产生设定频率的1路射频微波信号和1路本振微波信号，多通道扩频模块分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；多发多收太赫兹环形阵列3将N路射频微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹发射信号，将N路本振微波信号经倍频和放大后产生N路太赫兹本振信号，接收N路被测样品的散射信号，将产生的N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品散射信号进行混频，得到N路测试中频信号，并对N路测试中频信号进行放大；同时，多通道同步采集单元开始采集多发多收太赫兹环形阵列放大后的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号。
S104，多通道同步采集单元完成第n个发射通道对应的被测样品散射数据采集后，重复步骤102～步骤103，直到多通道同步采集单元完成各个发射通道对应的被测样品散射数据采集；
S105，主控计算机可以继续发送频率设置指令，重复步骤101～步骤104，直到测量完成，采用现有的对比源算法实现被测样品的高分辨成像。
从以上的描述中，可以看出，上述的实施例实现了如下技术效果：
(1)在多通道扩频模块中设置参考道道，以便获得准确的相位信息；
(2)在多发多收太赫兹环形阵列中将发射通道和接收通道置于同一层，以便目标层析成像模型有效；
(3)采用电子开关快速切换和多通道同步采集，大幅度改善了测试效率；
(4)构建围绕被测样品的环形阵列，可以获得被测样品更丰富的散射信息，包含反射和透射信息，有利于成像算法获得更高的成像分辨率。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。
Claims (8)
1.一种全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，包括：
双路微波信号源，用于生成1路射频微波信号和1路本振微波信号，并分别输出至多通道扩频模块；
多通道扩频模块，用于分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；
多发多收太赫兹环形阵列，用于分别将N路射频微波信号和N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号和N路太赫兹本振信号，将N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品的散射信号进行混频，得到N路测试中频信号；
多通道同步采集单元，用于同步采集多发多收太赫兹环形阵列产生的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号;
还包括主控计算机，所述主控计算机，用于控制双路微波信号源、多通道扩频模块和多通道同步采集单元，获取多通道同步采集单元采集的N路测试中频信号和1路参考中频信号并对其进行处理，采用对比源算法得到被测样品的高分辨图像。
2.根据权利要求1所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述双路微波信号源产生信号的方法包括：
采用测试仪器，产生点频或步进频连续波微波信号；
或者，采用直接模拟频率合成技术，产生调频连续波微波信号；
或者，采用直接数字频率合成技术，产生调频连续波微波信号。
3.根据权利要求1所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述多通道扩频模块包括：
1选N电子开关，用于实现N路射频微波信号的快速切换；
1分N功分器，用于同时提供N路本振微波信号；
太赫兹参考通道，用于产生1路参考中频信号；
时序控制板，用于控制1选N电子开关的切换。
4.根据权利要求1所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述多发多收太赫兹环形阵列包括：
N路太赫兹发射通道，用于将N路射频微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号；
N路太赫兹接收通道，用于将N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹本振信号，接收N路被测样品的散射信号，并将N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品散射信号进行混频，得到N路测试中频信号，并对其进行放大。
5.根据权利要求4所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述N路太赫兹发射通道和N路太赫兹接收通道还分别连接有用于发射和接收太赫兹信号的太赫兹收发天线。
6.根据权利要求4所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述N路太赫兹发射通道和N路太赫兹接收通道沿圆周方向交叉布置在同一层上。
7.根据权利要求1所述的全电子太赫兹层析成像装置，其特征是，所述多通道同步采集单元包括：
多通道高速率AD采样卡，用于采集多发多收太赫兹环形阵列产生的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号；
FPGA实时处理板，用于对采集到的中频信号进行预处理，包括数字变频、滤波和抽取。
8.一种如权利要求1至7中任一项所述的全电子太赫兹层析成像装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：
S101，主控计算机发送频率设置指令至双路微波信号源，将双路微波信号源的射频和本振信号按照频率设置指令进行对应的设置；
S102，频率设置成功后，主控计算机发送电子开关切换指令至多通道扩频模块，控制多通道扩频模块的电子开关切换到相应的发射通道；
S103，电子开关切换完成后，主控计算机同时给双路微波信号源和多通道同步采集单元发送触发信号，触发双路微波信号源产生设定频率的1路射频微波信号和1路本振微波信号；多通道扩频模块分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；多发多收太赫兹环形阵列分别将N路射频微波信号和N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号和N路太赫兹本振信号，将N路太赫兹本振信号与接收到的N路被测样品的散射信号进行混频，得到N路测试中频信号，并对N路测试中频信号进行放大；同时，触发多通道同步采集单元采集多发多收太赫兹环形阵列放大后的N路测试中频信号和多通道扩频模块产生的1路参考中频信号；
S104，多通道同步采集单元完成所述相应的发射通道对应的被测样品散射数据采集后，重复步骤S102-步骤S103，直到多通道同步采集单元完成各个发射通道对应的被测样品散射数据采集；
S105，主控计算机继续发送频率设置指令，重复步骤S101-步骤S104，直到测量完成，采用现有的对比源算法实现被测样品的高分辨成像。
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2019
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