CN110764158A - 基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，包括：高斯波束馈源、反射型频控波束扫描器件、透镜一、透镜二、透镜三、平面反射镜、测量信号接收模块以及数据处理模块，其中，高斯波束馈源出射高斯波束，经过所述透镜一准直扩束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束经过所述透镜二、平面反射镜、透镜三形成了竖直方向的扫描；不同频率的波束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束的出射角度不一样，从而在水平方向上实现了扫描。本发明的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统具有体积小、帧率高、视场大、成像的分辨高的优点。

Description

基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统
技术领域
本发明属于太赫兹技术领域，具体涉及一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统。
背景技术
太赫兹波一般是指频率在0.1～10THz(波长在3mm～30μm)之间的电磁波，由于所处的频段位于微波与红外频谱之间，属于宏观电子学向微观电子学过渡的范围，具有宽频带、穿透性、高分辨、指纹谱的特性。
太赫兹波的光子能量低，对生物组织不会产生光损伤及光致电离效应，在生物医学和无损探测等领域具有重大的应用价值；THz波能够穿透衣物、塑料等非极性材料，可用于安检成像；太赫兹波段的波长短，探测分辨率高，可用于航天和空间遥感等领域。
其中应用于安全检测领域的太赫兹成像技术是各个国家都在积极开展研究的技术，将太赫兹成像系统放到机场安检及重要场所的入口处，可以实现非接触的安全检测，可以透过衣服等遮挡物探测到藏匿在人身上毒品、炸药、枪支、匕首等危险违禁物品。现在已经研制出的太赫兹成像原理样机，如美国PNL实验室在2009年研制的0.345～0.355THz扫描三维成像系统，美国JPL实验室在2011年研制的0.66～0.69THz调频连续波三维成像系统，这些系统都是利用一个或多个反射面的转动来实现二维波束扫描，成像时间长达数秒钟，这在实际应用中是极为耗时的。目前国内外在太赫兹快速成像方面能够实现数秒一副图像，在高帧率成像方面还未见成果出现，也没有高帧率成像方法的研究。
常用的电控波束扫描有相控阵扫描以及频控波束扫描。传统的移相器在太赫兹频段很难实现，通常采用频控波束扫描方式。频控波束扫描是不同的频率对应空间中不同指向的波束，通常采用漏波体制，但是由于需要金属波导，尺寸相对较大；另外一种就是基于人工电磁表面的频控波束扫描器件，平面波入射激励出不同模式的衍射波作为扫描波束，这样扫描的时间将会极大地缩短，因此利用人工电磁表面实现波束扫描是非常有应用前景的，在高帧率成像方面极具潜力。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，包括：高斯波束馈源、反射型频控波束扫描器件、透镜一、透镜二、透镜三、平面反射镜、测量信号接收模块以及数据处理模块；其中，被测对象置于所述透镜三的远离所述平面反射镜的位置，所述高斯波束馈源出射高斯波束，经过所述透镜一准直扩束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，所述反射型频控波束扫描器件衍射出的衍射波束经过所述透镜二到达平面反射镜，经过平面反射镜的旋转，出射波束通过透镜三形成了竖直方向的扫描；不同频率的波束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束的出射角度不一样，从而在水平方向上实现了扫描；波束照射到被测对象上后的反射波沿着原出射光路返回，经过分束器被所述测量信号接收模块接收并传给所述数据处理模块，从而得到被测对象的信息。
优选地，所述高斯波束馈源的E面、H面3dB波束宽度相同。
优选地，所述高斯波束馈源为喇叭天线或馈源天线。
优选地，所述透镜一具有准直扩束的作用；所述透镜二和所述透镜三具有聚焦和扩大视场的作用。
优选地，所述透镜一、透镜二以及透镜三的尺寸为其所在位置处的高斯波束宽度波束宽度的1.2倍。
优选地，所述高斯波束馈源与入射距离通过选择所述透镜一的焦距调节。
优选地，所述透镜二的焦点位于所述反射型频控波束扫描器件的中心线上。
优选地，通过调节所述平面反射镜与所述透镜二、所述透镜三的距离改善所述太赫兹成像系统成像质量的畸变。
从上述技术方案可以看出，本发明的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统具有以下有益效果：
(1)研究了太赫兹高帧率成像方法，设计了基于反射型频扫器件的太赫兹快速成像系统，以较小设备体积实现高帧率、大视场、高分辨成像；
(2)设计的太赫兹快速成像系统可以应用在成像、安检等领域，而且在目标探测与跟踪上具有较大潜力；
(3)开展的太赫兹高帧率成像方法的研究，仅需使用若干透镜和反射镜、频扫器件便可以实现两维快速扫描，器件及器件之间的尺寸根据视场大小和具体成像指标确定，整个设备的高度可以根据实际情况进行降低，整个系统具有优化功能，易于实现系统小体积、成像高帧率；
(4)开展的高帧率成像方法的研究也可以实现高分辨率成像，成像分辨率主要由频扫器件的尺寸和系统高度决定；
(5)设计的太赫兹快速成像系统易于扩展到其他频段。
附图说明
图1A、1B分别为本发明实施例1中基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统在x-y和y-z方向的平面图：
图2为本发明实施例中反射镜旋转等效原理图；
图3为本发明实施例中反射型频控波束扫描器件的一个反射单元结构示意图：
【附图标记说明】
1-高斯波束馈源； 2-透镜一；
3-反射型频控波束扫描器件； 4-透镜二；
5-平面反射镜； 6-透镜三；
7-测量信号接收模块；； 8-子反射单元一；
9-介质基板； 10-子反射单元二；
11-金属地板。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，包括：高斯波束馈源、反射型频控波束扫描器件、透镜一、透镜二、透镜三、平面反射镜、测量信号接收模块以及数据处理模块，其中，高斯波束馈源出射高斯波束，经过所述透镜一准直扩束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束经过所述透镜二、平面反射镜、透镜三形成了竖直方向的扫描；不同频率的波束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束的出射角度不一样，从而在水平方向上实现了扫描。本发明的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统具有体积小、帧率高、视场大、成像的分辨高的优点。
具体地，本发明提供一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，包括：高斯波束馈源、反射型频控波束扫描器件、透镜一、透镜二、透镜三、平面反射镜、测量信号接收模块以及数据处理模块；其中，被测对象置于所述透镜三的远离所述平面反射镜的位置，所述高斯波束馈源出射高斯波束，经过所述透镜一准直扩束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，所述反射型频控波束扫描器件衍射出的衍射波束经过所述透镜二到达平面反射镜，经过平面反射镜的旋转，出射波束通过透镜三形成了竖直方向的扫描；不同频率的波束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束的出射角度不一样，从而在水平方向上实现了扫描；波束照射到被测对象上后的反射波沿着原出射光路返回，经过分束器被所述测量信号接收模块接收并传给所述数据处理模块，从而得到被测对象的信息。
优选地，所述高斯波束馈源的E面、H面3dB波束宽度相同。
优选地，所述高斯波束馈源为喇叭天线或馈源天线。
优选地，所述透镜一具有准直扩束的作用；所述透镜二和所述透镜三具有聚焦和扩大视场的作用。
优选地，所述透镜一、透镜二以及透镜三的尺寸为其所在位置处的高斯波束宽度波束宽度的1.2倍。
优选地，所述高斯波束馈源与入射距离通过选择所述透镜一的焦距调节。
优选地，所述透镜二的焦点位于所述反射型频控波束扫描器件的中心线上。
优选地，通过调节所述平面反射镜与所述透镜二、所述透镜三的距离改善所述太赫兹成像系统成像质量的畸变。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统作进一步的详细说明。：
图1A、1B分别为本发明实施例1中基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统在x-y、y-z方向的平面图。如图1A、1B所示，包括：高斯波束馈源1、反射型频控波束扫描器件3、透镜一2、透镜二4、透镜三6、平面反射镜5、测量信号接收模块7以及数据处理模块；其中，喇叭馈源出射的高斯波束经透镜一2准直聚焦到频率扫描器件3上，频扫器件衍射出随频率变化出射角度也变化的高阶衍射波，该频扫器件中心位于透镜二4的焦点上，其出射波束经过透镜二4到达平面反射镜5，通过平面反射镜5的旋转，将反射波束经过透镜三6形成垂直方向上的扫描，水平方向通过频扫器件实现扫描，进而两个维度实现了视场扫描。
所述反射型频扫器件，能够将入射波衍射出不同角度出射的波束，出射角度由频率决定。反射型频扫器件很容易造成入射波束和衍射波束的重叠，为了避免这种现象，需要选择合适的入射角度θi，同时为了降低系统的尺寸，频扫器件到透镜二的距离即透镜二的焦距不适宜太大。为了得到满足成像质量要求下的最小的系统高度，同时避免入射波束和衍射波束交叉的问题，透镜一与透镜二边缘相互接触，即C点是透镜一和透镜二的边缘。所述反射型频扫器件在一频率范围内，其衍射波束扫描角度从θ1变化到θ2，其尺寸大小决定了透镜二的入射波束束腰。
所述透镜一、透镜二是平凸双曲透镜，透镜三是赋形透镜，透镜的尺寸由波束照射范围决定，为了保证波束光斑质量，透镜尺寸要是波束宽度的1.2倍。透镜三是以成像质量为优化目的的赋形透镜，通过Zemax软件完成设计，具体优化过程不在此涉及。
频扫器件的中心位于透镜二的焦点上，所述透镜二的焦距是由满足成像质量要求的情况下系统最小高度决定的，其受制于频扫器件的衍射扫描特性。具体计算如下：
如图1A、1B所示，以频扫器件AB中心为原点，KC是透镜一，CD是透镜二，馈源S出射波束经过透镜一，以入射角度θi照射到尺寸为d的频扫器件上，频扫波束偏离频扫器件法线的最大角度是θ2，最小角度是θ1，AC连线的辅角是θac，BC连线的辅角θbc，那么
Figure BDA0001746788960000061
进而可以求得A、B点坐标如下所示：
A点坐标
Figure BDA0001746788960000062
B点坐标
Figure BDA0001746788960000063
通过建立AC、BC两条线方程，联立可以求得C点坐标
Figure BDA0001746788960000064
进而可以求得透镜二的焦距
f2＝yc
所述透镜一的焦距是由频扫器件尺寸与透镜一到频扫器件中心的距离决定的，其大小是为了选取合适的馈源束腰及馈源到透镜一的距离。具体计算如下：
根据几何关系，透镜一的尺寸可以由频扫器件尺寸d和入射角θi求得d1＝dcosθi。
进而可以求得K点坐标，如下式
xk＝xc-dcosθisinθac
yk＝yc+dcosθicosθac
根据C、K点坐标可以求得透镜一到频扫器件的距离dout1
Figure BDA0001746788960000065
透镜一聚焦到到频扫器件上的束腰wout1与频扫器件出射的束腰win2大小是相同的。那么透镜一的出射束腰是
wout1＝win2＝d*cos(θi)/(2*1.2)
透镜一出射波束的q参数是
qout1＝dout1-i*kc*wout1 2/2
透镜一的焦距是f1，入射波束q参数是
qin1＝1/(1/qout1-1/f1)＝-din1-i*kc*win1 2/2
通过选择合适的透镜一焦距f1来选取合适的入射波束束腰win1以及馈源到透镜一的距离din1。
所述透镜三的焦距是由成像指标决定的。根据成像距离和范围要求，选取合适的焦距。成像距离u，成像范围水平宽度lx，竖直宽度ly。具体计算如下：
频扫器件衍射波束照射到透镜二的两个端点E、F，对应的坐标是
Figure BDA0001746788960000071
透镜二出射束腰wout2由以下公式求得：
到透镜三的距离u处的物平面上，透镜三的出射束腰与透镜二的聚焦束腰满足以下关系：
Figure BDA0001746788960000073
透镜三在物平面的成像分辨率是
Δx＝0.83*wout3
像距v同样可由相似关系求得
透镜三的焦距f3可以由透镜公式得到
Figure BDA0001746788960000075
所述平面反射镜具有高速摆动、摆动角度大的特点。平面反射镜的摆动角度由视场和反射镜与透镜三之间的距离决定。具体计算过程如下所述：
图2为本发明实施例中反射镜旋转等效原理图，如图2所示，系统成像距离是u，在竖直方向的扫描范围是ly，视场角
反射镜中心O与透镜顶点的距离是v2，反射镜旋转过程中，等效将反射镜入射波束位置即透镜二出射波束聚焦位置放置在以反射镜中心O为圆心，以透镜二出射波束聚焦位置到中心O的距离v1半径的圆弧上，平面反射镜初始位置与透镜三的主光轴夹角是45°，上下旋转摆动相同角度，等效的旋转角θv由下式求得：
θv＝asin(v2*sinθu/v1)+θu
平面旋转反射镜上下摆动的角度即是θv。
以上是对本发明的一种基于反射型频控波束扫描器件的高帧率太赫兹成像方法的描述。
作为一设计实例，我们提出了以下成像要求：
在3m处成像，分辨率2cm，水平成像范围0.6m，竖直成像范围1.5m。
图3为本发明实施例中反射型频控波束扫描器件的一个反射单元结构示意图。如图3所示，包括子反射单元一8、介质基板9、子反射单元二10；以及金属地板11。实施例所使用的反射型频扫器件是周期平面二元工字形结构，工作频率是180～220GHz，能够将入射波束转换成高阶模衍射波束，衍射角度是23.1°～41.4°，尺寸选择15cm*15cm。
高斯波束馈源采用角锥喇叭，其E面、H面方向图的3dB波束宽度相同，馈源等效高斯波束束腰是3.3269mm。
经过计算得到的透镜焦距和反射镜上下摆动角度θv如表1所示：
表1
参数 透镜一 透镜二 透镜三 反射镜摆动角度
数值 250mm 349.3304mm 468.7134mm 19.4466°
高斯波束馈源与透镜一之间距离是250.954mm，透镜一与频扫器件之间的距离是360.7617mm，透镜一圆形口径半径43.0182mm。频扫器件平面尺寸150mm*150mm，透镜二与频扫器件之间的距离是349.3304mm，透镜二的口径尺寸是199.6781mm*88.5773mm。平面反射镜与透镜二之间的距离是749.3304mm，平面反射镜尺寸是212.5261mm*206.5349mm。透镜三与平面反射镜之间的距离是155.5042mm，口径尺寸是264.0640mm*251.9562mm。
在上述实例中，所述反射型频扫器件不仅仅局限于工字形单元的频扫天线，而是包括所有具有反射型频扫特性的天线，不限制频扫天线的衍射模式与单元结构。
在上述实例中，所述透镜一、透镜二不限于实例中的双曲平凸透镜，还可以是其他形式的能够进行准直聚焦的透镜。
在上述实例中，透镜二的焦距是可以进行优化选择的，在降低高度要求的情况下，可以选择较大的焦距，这有助于提高成像分辨率。
在上述实例中，所有透镜的尺寸都是按照最优尺寸计算的，在对体积要求较低的情况下，透镜尺寸还可以增加，以便于完全截获照射波束。
在上述实例中，透镜三是选择的赋形透镜，这是考虑到大视场下反射镜旋转带来的畸变问题以及偏焦偏主轴照射下透镜聚焦不到焦平面上，选择合适的优化后的赋形透镜，可以改善透镜的聚焦特性，在大范围内满足成像分辨率的要求。如果对于视场较小的情况或者成像范围较小的情况，透镜三可以选择普通的双曲透镜等便可以满足成像分辨率要求。
综上所述，本发明的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统具有体积小、帧率高、视场大、成像的分辨高的优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，包括：
高斯波束馈源、反射型频控波束扫描器件、透镜一、透镜二、透镜三、平面反射镜、测量信号接收模块以及数据处理模块；
其中，被测对象置于所述透镜三的远离所述平面反射镜的位置，所述高斯波束馈源出射高斯波束，经过所述透镜一准直扩束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，所述反射型频控波束扫描器件衍射出的衍射波束经过所述透镜二到达平面反射镜，经过平面反射镜的旋转，出射波束通过透镜三形成了竖直方向的扫描；
不同频率的波束照射到所述反射型频控波束扫描器件上，衍射波束的出射角度不一样，从而在水平方向上实现了扫描；
波束照射到被测对象上后的反射波沿着原出射光路返回，经过分束器被所述测量信号接收模块接收并传给所述数据处理模块，从而得到被测对象的信息。
2.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述高斯波束馈源的E面、H面3dB波束宽度相同。
3.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述高斯波束馈源为喇叭天线或馈源天线。
4.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述透镜一具有准直扩束的作用；
所述透镜二和所述透镜三具有聚焦和扩大视场的作用。
5.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述透镜一、透镜二以及透镜三的尺寸为其所在位置处的高斯波束宽度波束宽度的1.2倍。
6.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述高斯波束馈源与入射距离通过选择所述透镜一的焦距调节。
7.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，所述透镜二的焦点位于所述反射型频控波束扫描器件的中心线上。
8.根据权利要求1所述的基于反射型频控波束扫描器件的太赫兹成像系统，其特征在于，通过调节所述平面反射镜与所述透镜二、所述透镜三的距离改善所述太赫兹成像系统成像质量的畸变。
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