CN111247420A

CN111247420A - 先进的太赫兹系统及方法

Info

Publication number: CN111247420A
Application number: CN201880068670.3A
Authority: CN
Inventors: 吴阳; 梁贤秀
Original assignee: National University of Singapore
Current assignee: National University of Singapore
Priority date: 2017-08-25
Filing date: 2018-08-21
Publication date: 2020-06-05
Also published as: US20200249156A1; WO2019040002A1

Abstract

一种太赫兹数据采集和分析系统，太赫兹数据采集和分析系统的使用，以及太赫兹数据采集和分析方法。太赫兹数据采集和分析方法包括对样品执行太赫兹光谱学测量；基于该太赫兹光谱学测量采集样本数据；以及在样本数据和参考数据之间进行比较，用于识别样本。

Description

先进的太赫兹系统及方法

技术领域

本发明广泛涉及先进的太赫兹系统及方法，尤其涉及用于样本识别、成像及结构/层厚度研究的光谱学设备及设备。

背景技术

在整个说明书中的现有技术的任何提和/或讨论不应被认为是以任何方式承认该现有技术在本领域中是公知的或形成了公知常识的一部分。

太赫兹技术通常利用0.1太赫兹至10太赫兹的频带，其波长范围在3mm至0.03mm之间。在过去几十年里在材料、组件和系统中作了大量研究之后，已经建立了太赫兹技术的坚实基础。太赫兹系统的性能在太赫兹系统的成本实质性下降的同时保持提升。在应用方面，已经证实了广泛的材料，例如炸药、肿瘤、药品和毒品，在太赫兹范围具有光谱指纹，这使得太赫兹技术在这些材料的检测中具有独特的能力。另外，太赫兹波能够穿透多种材料，例如布、干木材、塑料和纸，这使得太赫兹波能够“透视”这些材料并识别隐藏物体。

本发明的实施例寻求提供用于样本识别、成像和结构/层厚度研究的太赫兹光谱装置及方法，其旨在寻求开发太赫兹技术的独特功能。

发明内容

根据本申请的第一个方面，提供了一种太赫兹数据采集和分析系统，包括：

太赫兹光谱仪，所述太赫兹光谱仪被配置为对样本执行太赫兹光谱测量；

数据采集单元，所述数据采集单元被配置为基于所述太赫兹光谱测量采集样本数据；以及

处理单元，所述处理单元被配置为用于在所述样本数据与参考数据之间进行比较，用于识别所述样本。

根据本发明的第二个方面，提供了上述第一个方面的系统在一个组的一个或多个组成部分之中的使用，该组包括：安全监控；疾病诊断，其包括活组织检查和代谢物的分析，以及滑动分析；皮肤诊断，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应于人体曲率，用于精确分析；眼部检查，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应于角膜曲率，用于更精确地分析；口腔护理，其中，可将太赫兹相位阵列天线应用于快速口腔检查，例如，用于牙根管医疗前的龋齿深度的检查；涂层分析；有毒气体/空气污染检测；产品质检；美容和医疗；以及文物修复。

根据本发明的第三个方面，提供了一种太赫兹数据采集和分析方法，包括：

对样本进行太赫兹光谱测量；

基于所述太赫兹光谱测量采集样本数据；以及

在所述样本数据与参考数据之间进行比较，用于识别所述样本。

附图的简要说明

对于本领域技术人员来说，仅通过举例并结合附图，本发明的实施例将会从下述书面说明中被更好地理解并且是显而易见的。在附图中：

图1(A)是说明根据示例性实施例的太赫兹系统可以由一个或多个墙上插座(例如80至220电压的墙上插座)进行供电的示意图。

图1(B)是说明根据示例性实施例的太赫兹系统可以由一个或多个电池座单元或直流电源进行供电的示意图。

图2是根据示例性实施例说明太赫兹系统的示意框图。

图3是根据示例性实施例说明太赫兹系统的示意框图。

图4是根据示例性实施例说明太赫兹系统的示意框图。

图5是根据示例性实施例说明系统和方法的示意框图。

图6是根据示例性实施例的系统和方法的示意框图。

图7是根据示例性实施例说明系统和方法的示意框图。

图8(A)是根据示例性实施例说明一个基本类型中的太赫兹光束路径的配置的示意图。

图8(B)是根据示例性实施例示出一个基本类型中的太赫兹光束路径的配置的示意图。

图8(C)是根据示例性实施例示出一个基本类型中的太赫兹光束路径的配置的示意图。

图8(D)是根据示例性实施例说明一个基本类型中的太赫兹光束路径的配置的示意图。

图9(A)是根据示例性实施例说明太赫兹系统的示意图。

图9(B)根据示例性实施例说明发射器和检测器在各自阵列中的布置的示意图。

图10(A)是根据示例性实施例说明在近场方案中配置的超薄膜型太赫兹发射器的示意图。

图10(B)是根据示例性实施例，通过移动样本来实现说明样本测绘的示意图。

图10(C)是根据示例性实施例，通过扫描激光束来实现说明样本测绘的示意图。

图11是通过控制(1)激光束的激发，(2)太赫兹发射器或(3)已发射的太赫兹光束得到(a)具有受控偏振方向的线性偏振脉冲太赫兹光束，(b)圆形或椭圆形偏振脉冲太赫兹光束，和/或(c)具有受控的相位和振幅的脉冲太赫兹光束的方式来说明脉冲太赫兹波的调制的示意图。

图12是根据示例性实施例说明柔性基底上的太赫兹像素(发射器/检测器)阵列的示意图。

图13是根据示例性实施例说明数据分析方法和系统的示意框图。

图14(A)和(B)是根据示例性实施例说明安装在行李运输带下方的太赫兹探头的示意图。

图15是根据示例性实施例说明安装在行李传送带下方和上方的，不具有或具有机械臂的太赫兹探头的示意图。

图16(A)是根据示例性实施例说明被安装用于鞋子扫描的太赫兹探头的示意图。

图16(B)是根据示例性实施例说明被安装在入口的门框中的太赫兹探头的示意图。

图17是根据示例性实施例说明太赫兹光谱仪的示意图。

图18示出了根据示例性实施例说明太赫兹数据采集和分析系统1800的示意图。

图19示出了根据示例性实施例说明数据采集和分析方法的流程图1900。

具体实施方式

根据本文中描述的示例性实施例的高级太赫兹光谱仪有利地表现出了高性能和非常小的形状因素。而且，根据本发明的实施例，可优选通过利用太赫兹发射极和接收机阵列和/或近场扫描方法和/或柔性发射器来极大地增强检测效率，空间分辨率和灵敏度。为了进一步提高材料识别的准确性，在优选的示例性实施例中提出了实时数据获取和分析，数据库和机器学习过程。关于太赫兹应用，根据在安全监视和医疗方面的示例性实施例，在几种方法和实施中利用太赫兹光谱仪。然而，还可将本发明的实施例应用于应被本领域技术人员所理解的其它领域。

太赫兹频率是电磁波谱的频带，具有从大约或恰好0.1太赫兹到10太赫兹的范围，其对应于大约或恰好3mm到0.03mm之间的波长。相比于相邻波长，例如在过去的一个世纪期间被集中研究并被广泛应用于我们的日常生活中的微波和红外波，太赫兹技术的发展已经相对滞后。然而，已经证实的是，广泛的化学品，例如毒品和炸药，在太赫兹光谱范围内具有固有的吸收峰(类似于指纹)，这使得这些太赫兹波在安全监视相关应用中具有独特功能。另外，一些肿瘤和药品也具有独特的指纹，这些指纹也可以被太赫兹波所检测，明确太赫兹技术在医疗中的潜力作为另一个非限制性的例子。

图1(a)和(b)分别示出了根据示例性实施例的两个示例性太赫兹系统100，110。图1(A)示出了太赫兹系统100可以由一个或多个墙上插头102，比如具有80-220伏电压的墙上插头进行供电，而图1(B)示出了太赫兹系统110可以由一个或多个电池座单元112进行供电。注意的是，在不同实施例中，太赫兹系统可以由一个或多个墙壁插头102和一个或多个电池座单元112的组合进行供电。

根据图2所示的示例性实施例的太赫兹系统200具有激光装置202，激光装置202例如具有飞秒或皮秒脉冲，并且激光束204被分成两个光束204a，204b。两个光学延迟级206a，206b用于光学延迟控制，并且延迟产生器206a，206b中的其中一个通常用于大延迟范围，另一个延迟产生器则被选择用于高速扫描。最后，光束208a将被发送到太赫兹发射设备210，而另一个光束208b将被发送到太赫兹检测设备212。通过数据采集及处理装置214关联及采集来自检测设备212的时间延迟和电信号。对于在太赫兹系统200中使用的示例性数据采集技术的更详细描述，参考“具有90分贝峰值动态范围的红外太赫兹时域光谱仪”，红外线杂志，毫米波和太赫兹波，第35卷，第10期，第823页至第832页(2014年)，其内容通过交叉引用的方式被整合到本文中。

根据图3所示的示例性实施例的系统300类似于系统200，然而，系统300仅具有一个光延迟线302，这种类型的系统300被具体构造为用于高速或大扫描范围。对于使用太赫兹系统300的示例性数据获取技术的更详细描述，参考“基于铁磁/非磁性异质结构的高性能太赫兹发射器”，新材料，第29卷，第4期，第1603031页(2017年)，其内容通过交叉引用的方式被整合到本文中。

根据图4所示的示例性实施例的系统400使用两个脉冲激光器402a，402b，并且激光器402a，402b的重复率稍有不同。由于来自两个激光器402a，402b的脉冲之间的相对时间间隙的线性变化，因此可以实现太赫兹信号采样，这相当于上述的光延迟级的功能，但太赫兹信号采样具有更快的速度。两个激光器402a，402b的同步可以通过主动调谐从激光器402b相对于主激光器402a的重复率，或者被动地检测来自两个激光器402a，402b的激光脉冲的重叠定时并估计采样时间步来实现。同步单元404的信息和来自检测装置406的太赫兹信号被传送至数据采集和处理单元408，对于在太赫兹系统400中使用的示例性数据采集技术的更详细描述，参考“基于电子控制光学采样的高速太赫兹时域光谱学”，光学快报，第35卷，第22期，第3715至第3717页(2010年)，其内容通过交叉引用的方式被整合到本文中。

在根据上述示例性实施例的系统中，脉冲激光束可以通过光纤进行传输或在自由空间中进行传输。例如可以通过(a)光导天线，(b)电光学晶体，其包括但不限于碲化锌、二乙胺基三氟化硫、磷化镓、硒化镓和铌酸锂(包括它们在波导中的形态)，以及(c)磁性薄膜及其异质结构(例如，薄膜例如可以位于刚性基底或柔性基底上)中的一个或多个来实现所得到的脉冲太赫兹发射。可以通过例如(a)光电导天线，(b)电光学晶体，包括但不限于碲化锌、二乙胺基三氟化硫、磷化镓、硒化镓和铌酸锂，以及(c)磁性薄膜及其异质结构(薄膜可以例如位于刚性基材或柔性基材上)中的一个或多个来实现太赫兹检测。在太赫兹检测装置中，太赫兹信号例如可以被转换成(a)光电流或电压，或(b)能够被光电信号转换装置随后检测的探头激光束的偏振变化或强度变化。

可以根据几种不同的方法进行示例性实施例中的数据采集，图5-7示出了示例。在图5中，在根据示例性实施例的方法500中，脉冲太赫兹波502被太赫兹检测设备506转换为电信号504，级位置信息508和数据被数据获取单元510所获取并处理，用于相敏信号的处理。对于在示例性实施例中使用的示例性数据获取技术的更详细描述，参考“具有90分贝峰值动态范围的红外太赫兹时域光谱仪”，红外线杂志，毫米波和太赫兹波，第35卷，第10期，第823页至第832页(2014年)，其内容通过交叉引用的方式被整合到本文中。

在图6中，在示例性实施例中使用的另一个方法600中，调制单元602在特定频率上对脉冲太赫兹波进行调制，从而产生已调的太赫兹波604，并且已调的太赫兹波604被太赫兹检测装置610所检测。通过参照参考频率612和级位置信息614将与太赫兹波相关的电信号608发送至数据采集装置610，用于相敏信号处理。对于在示例性实施例中使用的示例性数据获取技术的更详细的描述，参考“基于铁磁/非磁性异质结构的高性能太赫兹发射器”，新材料，第29卷，第4期，第1603031页(2017年)，其内容通过交叉引用的方式被整合到本文中。

在图7中，在示例性实施例中使用的另一个方法700中，信号同步单元706通过提供数据采集定时信号使数据采集设备702与脉冲太赫兹波704进行同步，并且，在有效时间窗口处只需要来自检测装置712的电信号710中的数据，用来增强信噪比。对于在示例性实施例中使用的示例性数据采集技术，参考“增强通过级联产生的太赫兹波”，光学，应力光学系数，第26卷，第A101至A106页(2009年)，其内容通过交叉引用被整合到本文中。

用于在上述示例性实施例中使用的方法中获取的脉冲太赫兹信号数据将与时间延迟的信息相关。可以通过使用快速傅里叶变换获得频率域中的太赫兹数据。根据示例性实施例，可以优选对数据进行平均以增强信噪比。

在示例性实施例中，可以将太赫兹光束路径配置到不同的基本类型或模式中。在图8(A)至(D)中示出了示例模式，也即，图8(A)中的传输模式，图8(B)中的反射模式(成角度入射)，图8(C)中的反射模式(垂直于样本)以及图8(D)中的衰减全反射模式。所有这些示例模式都有利地兼容自由空间发射器和检测器，光纤耦合发射器及检测器，或自由空间和光纤耦合发射器和检测器的组合。

图13示出了根据本发明的示例性实施例的数据分析方法和系统1308：太赫兹光谱仪1300测试标准材料1302并积累用于数据库1304的数据；当测量感兴趣的材料时，将来自感兴趣的材料的结果与数据库1304中的已有数据进行比较。通过这种方式，系统1308能够识别感兴趣的材料。根据示例性实施例，太赫兹光谱仪1300能够优选利用增加的测量数据，通过机器学习来丰富数据库1304，这将有助于识别新材料及提供感兴趣的材料309的更准确信息。

优选地，将数据库1304预先载入系统1308中，用于分析目的。数据库1304可以包含一列材料的太赫兹谱，这列材料包括但不限于爆炸物、药品、毒品、电池等。数据库1304可以包含一列材料的折射率，这列材料包括但不限于半导体、聚合物、碳、塑料等。根据示例性实施例，可以将所测量的数据更新到云端(作为共享数据中心的非限制性示例)，以扩大数据库并支持系统的所有相关设备。

在示例性实施例中，数据由具有操作系统或独立设备比如现场可编程门阵列模块的计算设备来处理，计算设备(a)获取已知样品的太赫兹光谱，将已知样本的太赫兹光谱添加到数据库1304之中，(b)通过将所采集的太赫兹光谱与数据库中的光谱进行比较来识别样品，(c)通过分析多反射峰位置来获得具有已知厚度的样品的材料折射率，(d)通过分析多反射峰位置和材料折射率来计算样品的厚度，以及(e)计算样品的电导率。

对于上述的在图8(A)至(D)中示出的模式，根据这些示例性实施例，可以有利地将光纤耦合发射器和检测器装配到手持式探头中。在图9(A)中示出了示例性配置900。此外，可以按照其各自的阵列910，912(如图9(B)所示)将发射器和检测器布置在刚性或柔性基底914，916上，对于太赫兹发射器和检测器阵列910，912，多点检查可以有利地帮助提高测量速度及准确性。

根据这些示例性实施例，对于非结构化的超薄薄膜型太赫兹发射器，可以在近场方案中配置发射器。如图10(A)所示，直接将一个(或多个)发射器1000连接到样本1002，并且本地激发的太赫兹波1004将有利地使用单个检测器实现高分辨率太赫兹成像。在不同的实施例中，可以使用多个检测器。可以通过移动样品1002和/或扫描激光束1012(如图10(B)和图10(C)所示)来实现样品测绘。为了提高不同样本的适应性，可以针对弯曲的样本1005(见图(10C))将太赫兹发射器(见图10(B))制作在刚性基底1014上，或者将太赫兹发射器1003制作在柔性基底1016上。

在上述的根据示例性实施例的系统中，如图11所示，可以通过控制(1)激发激光束1102，(2)太赫兹发射器1104或(3)已射出的太赫兹光束1106来调制脉冲太赫兹波，从而得到(a)具有受控偏振方向的线性偏振脉冲太赫兹光束，(b)圆形或椭圆形偏振脉冲太赫兹光束，和/或(c)具有受控的相位和振幅的脉冲太赫兹光束。可以将已调太赫兹光束1106配置成不同模式(i)传输(ii)成角度/垂直于样本反射(iii)衰减反射(见图8及以上的对应描述)和(iv)太赫兹光束阵列(见图9(b)及以上的对应描述)。

在图12中示出了根据示例性实施例的柔性基底1201上的太赫兹像素(发射器/检测器)阵列1200的示例，如果需要，可以相应地弯曲太赫兹像素阵列1200。当每个像素的相位和幅值都被很好地控制时，可以优选地将该设备形成为根据示例性实施例的相位阵列天线。即，对于太赫兹发射器和检测器阵列1200，根据示例性实施例，该系统可以通过对每个“太赫兹像素”(例如太赫兹像素1202)实施相位控制来起到用于快速成像的相位阵列天线以及先进的频谱检查的作用。可以将已调/未调制的太赫兹光束布置在可以弯曲成任何形状的这种柔性基底1201上。

根据示例性实施例的应用场景示例

根据示例性实施例的高级太赫兹系统的一个重要应用是机场和公交站中的安全监视。

对于任何物品或材料，无论该物品或材料是否属于比如炸药、药品等可疑物品，根据示例性实施例，可以使用太赫兹系统来测试样品。对于一般安全检查，可以使乘客停下来用于安全检查。安全防护人员可以将乘客引导到安全检查点，根据示例性实施例，该安全检查点包括用于远程危险物检查的太赫兹系统。根据示例性实施例，还可以使用手持探头(对比图9(A)和(B))来接近和/或扫描乘客的衣服或身体。

作为另一示例，在图14(A)和(B)中，太赫兹探头1400被安装在传送带1402的下方。将会对每件行李，比如通过太赫兹探头1400的行李1404，1406进行检查。可以安装这种太赫兹探头1400阵列，用于多点筛查。根据示例性实施例的太赫兹探头或多个太赫兹探头所获取的数据将使得例如危险品识别成为可能。

根据示例性实施例，可以将具有或不具有机械臂1501的一个或多个太赫兹探头1500集成到现有的X射线扫描仪1502中，如图15所示，该X射线扫描仪1502位于传送带1504下方或位于行李比如行李1506上方。在执行X射线筛查的同时进行太赫兹检查。在不同的实施例中，也可在微波扫描仪中应用类似的太赫兹集成。

存在着例如毒品和爆炸物等危险物可以被隐藏在鞋内的高风险。如图16(A)所示，可以安装根据示例性实施例的太赫兹探头例如太赫兹探头1600来扫描人1602正在穿着的鞋子。

如图16(B)所示，根据示例性实施例，太赫兹探头，例如太赫兹探头1610可以安装在入口1612的门框中(如图16(B)所示)。当乘客例如乘客1614行走通过金属检测门1612时，将会通过大距离(例如，长达1米)快速扫描，或者收集与来自乘客的与扩散粉末混合的空气到气体池中并执行短距离(0.01至0.05米)跟踪检测来对这些乘客进行实时检查。如有任何光谱与数据库中的“危险光谱”相匹配，则会触发警报。根据示例性实施例的太赫兹系统的快速速度有利于避免乘客停止或减慢速度。

在上述参考图14至16描述的实施例中，例如可以以参考上述图9(A)所描述的探头900的形式提供各种太赫兹探头。

现如今，例如说，水瓶需要在机场中被处理掉，但是没有在火车站和公交站中对水瓶进行很好的控制。使用根据示例性实施例的太赫兹技术，能够优选地在不打开塑料瓶和橡胶瓶的情况下识别危险液体。

除了在上述安全监视示例应用中描述的非限制性示例之外，根据示例性实施例，先进的太赫兹系统还可被应用于疾病诊断，包括活组织检查和代谢物的分析，及滑动分析。在皮肤诊断中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应人体曲率，用于精确分析。在眼部检查中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以匹配角膜曲率，用于更准确的分析。在口腔护理中，可以将太赫兹相位阵列天线应用于快速口腔检查，例如用于牙根管医疗前的龋齿深度的检查。

此外，根据示例性实施例的太赫兹系统和方法可以被应用于例如：

·涂层分析

·有毒气体/空气污染检测

·产品质检

·美容和医疗

·文物的修复

附图17中示出了根据示例性实施例的示例性太赫兹光谱仪1700，该实施例中的主设备主体1700包括例如参考图2-4描述的一组组件，用于分析被容纳于主设备主体1702中的样本室(未示出)中的样本。可以将手持式探头1704连接至纤维和电子接口1706，1708，用于便携扫描。根据示例性实施例，智能设备，比如平板，例如1710，手提电脑，工业屏幕可适用于用户界面的实现。应注意的是，在该实施例中，主设备主体1702包括发射器/检测器，使得主设备主体1702可以用作不具有便携式探头的独立设备。在不同的实施例中，主设备主体可以不包括发射器/检测器，使得这个实施例中的主设备主体可以具体地与便携式探头一起使用。

图18示出了根据示例性实施例说明太赫兹数据采集和分析系统1800的示意图，其包括配置为用于对样本进行太赫兹光谱测量的太赫兹光谱仪1802；配置为用于基于太赫兹光谱测量采集样本数据的数据采集单元1804；以及配置为用于在样本数据与参考数据之间进行比较，用于识别样本的处理单元。

该处理单元1806可以被配置为根据样本识别通过使用样本数据执行机器学习来丰富参考数据。

该系统可以包括用于参考数据的数据库1800。该数据库1800还可包含一列材料的折射率。

参考数据可以存储在系统1800外部的共享数据中心，比如云数据库1810中。

一方面，该处理单元1806可以包括具有操作系统和/或独立设备的计算设备，比如现场可编程门阵列模块。

该处理单元1806还可被进一步地配置为确定样本的折射率。该处理单元180可以被配置为分析具有已知厚度的样本的多反射峰位置，并计算样本的折射率，其可以包括执行机器学习。

该处理单元1806可被配置为测量样本的厚度。该处理单元1806可以被配置为分析具有已知折射率的样本的多反射峰位置，并提取样本的厚度。该处理单元1806可以被配置为基于样本的透射或反射的测量来计算样本的光导率。

该太赫兹光谱仪1802可以包括发射器阵列和/或检测器阵列。多个发射器和多个检测器可以是相同或不同的。该发射器阵列可以安装在基底上。检测器阵列可以安装在不同基底或相同基底上。该基底或这些基底可以是柔性的。这些基底中的至少一个可被配置为用于支承和/或适合于样本。

该系统1800可以被构造为便携装置。

太赫兹光谱仪1800可以被配置为经由自由空间接口和/或波导接口，比如光纤接口接收用于太赫兹信号的激发的激光束。

该系统1800可以被整合到现有的监视装置或医疗装置，比如X射线扫描装置或金属检测器之中。

该系统1800可以包括用于至少确定太赫兹光谱仪1802相对于样本的位置的机器臂。

在一个实施例中，参考图18描述了根据前述权利要求中任一项所述的系统1800在一个组的一个或多个组成部分中的使用，该组包括：疾病诊断，其包括活组织检查和代谢物的分析，以及滑动分析；皮肤诊断，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应人体曲率，用于精确分析；眼部检查，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以匹配角膜曲率，用于更精确地分析；口腔护理，其中，可以将太赫兹相位阵列天线应用于快速口腔检查，例如，用于牙根管医疗前的龋齿深度的检查；涂层分析；有毒气体/空气污染检测；产品质检；美容和治疗；以及文物的修复。

图19示出了根据示例性实施例说明太赫兹数据采集和分析方法的流程图1900。在步骤1902中，对样本执行太赫兹光谱测量。在步骤1904中，获取基于太赫兹光谱测量的样本数据。在步骤1906中，在样本数据与参考数据之间进行比较，用于识别样本。

该方法可以包括根据样本识别通过使用样本数据执行机器学习来丰富参考数据。

该方法可以包括使用用于参考数据的数据库。该数据库可包含一列材料的折射率。

参考数据可以存储在系统外部的共享数据中心，比如云数据库中。

该方法可以包括确定样本的折射率。该方法可以包括分析具有已知厚度的样本的多反射峰位置，并计算样本的折射率，其可以包括执行机器学习。

该方法可以包括测量样品的厚度。该方法可以包括分析具有已知折射率的样品的多反射峰位置，并提取样品的厚度。该方法可以包括基于样品的透射或反射的测量来计算样品的光导率。

该方法可以包括通过样本的近场成像来执行太赫兹光谱测量。

太赫兹光谱测量可以包括使用发射器阵列和/或检测器阵列。多个发射器和多个检测器可以是相同或不同的。发射器阵列可以安装在基底上。检测器阵列可以安装在不同基底或相同基底上。该基底或这些基底可以是柔性的。该方法可以包括对用于支承或适应于样本的这些基底中的至少一个进行配置。

通过使用便携装置执行该方法。

该太赫兹光谱测量可以包括经由自由空间接口和/或波导接口，比如光纤接口接收用于太赫兹信号的激发的激光束。

该方法可以被整合到现有的监视方法或医疗方法，比如X射线扫描方法或金属检测器之中。

该方法可以包括使用确定相对于样本的位置的机械臂。

如今，公共安全是在世界中遭到日益挑战的问题。X射线扫描，离子质谱学，微波扫描，金属检测器等被广泛用于安全监视。然而，危险物的检测仍然高度依赖于犬类，这对于训练和维护而言是非常昂贵的，并涉及许多不确定性。这里，可以提供根据示例性实施例的具有独特性质的太赫兹光谱仪的范围；(a)可以将太赫兹发射器和检测器布置成阵列，并且使其与近场探测和灵活配置相兼容；(b)可以调制用于复杂测量的已发射的太赫兹波，包括相位阵列天线；和(c)先进的数据分析可以极大地增强太赫兹光谱仪的功能。在应用方面，在上文中已经描述了对机场、地铁站、公交站、商场等的安全监测，然而，例如可以将本发明的实施例扩展到涂层分析、有毒气体/空气污染检测、产品质检、美容及治疗、以及文物的修复之中。

根据示例性实施例，还可将太赫兹光谱仪应用于用于对涂漆、涂层、突出的管子/管道等进行厚度测量及分析的生产线中。例如，根据示例性实施例的阵列/灵活配置可以提高生产率和检测精度。

根据示例性实施例，还可将太赫兹光谱仪应用于肿瘤转移、活组织检查、角膜、皮肤等的分析之中。

检测灵敏度是所有类型的光谱仪的主要问题之一。根据不同的实施例，已经识别具有各自特性的宽范围的太赫兹发射器。因此，可以优选利用高信噪比来覆盖全光谱范围。对于低频范围(0.1-2太赫兹)，在示例性实施例中优选使用碲化锌、砷化镓、砷化铟、锑化铟晶体、磁膜堆叠和光电导天线。对于中频范围(1-5太赫兹)，在示例性实施例中优选使用铌酸锂波导和磁膜堆叠。对于高频范围(4太赫兹或更高频率)，在示例性实施例中优选使用空气等离子体、有机晶体和磁膜堆叠。

在实际的材料识别中，所测参数可能是非常模糊和/或不清楚的。在示例性实施例中，可以采用数据在线处理和机器学习来增强准确性。在一个实施例中，在嵌入式系统中执行数据在线处理。一旦获取到时域数据，系统将在短时间内(短到微秒)获得频域信息。同时，将该光谱与数据库进行比较，用于材料识别的目的。

在本文中公开的各种功能或过程可以根据它们的行为、寄存器传输、逻辑组件、晶体管、布局的几何图形和/或其他特性被描述为体现在各种计算机可读介质中的数据和/或指令。可以体现这种格式化数据和/或指令的计算机可读介质包括但不限于各种形式(例如，光，磁或半导体存储介质)的非易失性存储介质以及可用于通过无线、光或有线信令介质或其任意组合来传送这种格式化数据和/或指令的载波。通过载波传送这种格式化数据和/或指令的示例包括但不限于通过一个或多个数据传送协议(例如超文本传输协议、文件传输协议、简单邮件传输协议等)，通过因特网和/或其它计算机网络进行传输(上传、下载、电子邮件等)。当通过一个或多个计算机可读介质在计算机系统中接收到所述系统下的组件和/或过程的数据和/或基于指令的表达式时，可以通过计算机系统内的处理实体(例如，一个或多个处理器)并结合一个或多个其它计算机程序的执行来处理所述系统下的组件和/或过程的数据和/或基于指令的表达式。

本文中所描述的系统和方法的一些方面可以被实现为被编程到多种电路的任何一个之中的功能，包括可编程逻辑器件，比如现场可编程门阵列、可编程阵列逻辑器件、电可编程逻辑和存储器和基于标准电池的器件、以及专用集成电路。用于实现系统的各个方面的其它一些可能性包括：具有存储器(例如电可擦可编程只读存储器)，嵌入式微处理器，固件，软件等的微控制器。并且，系统的各个方面可以被体现在具有基于软件的电路仿真，离散逻辑(顺序和组合)，定制设备，模糊(神经)逻辑，量子设备及上述各个设备类型的任何组合的微处理器中。当然，可以在例如类似于互补金属氧化物半导体场效应管的金属氧化物半导体场效应管技术，类似于发射极耦合逻辑的双极技术，聚合物技术(例如，硅共轭聚合物和金属共轭聚合物金属结构)，混合模拟和数字等各种组件类型中提供底层设备技术。

所说明的系统和方法的实施例的以上描述并不旨在穷举或者将各种系统和方法限制到所公开的精确形式。虽然在本文中描述了用于说明性目的的各种系统组成和方法的具体实施例和示例，本领域技术人员可以理解，可以在各个系统、组成和方法的范围内作出各种等同修改。可以将本文提供的系统和方法的教导应用于其它的处理系统和方法，而不仅应用于上述的各种系统和方法。

可以对上述各个实施例的元件及实施进行组合以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对这些系统和方法做出这些和其它变化。

通常，在下面的权利要求中所使用的术语不应当被解释为将各个系统和方法限制于在说明书和权利要求中公开的各个具体实施例之中，而应当被解释为包括在权利要求下运行的所有处理系统。因此，这些系统和方法并不受本申请公开内容的限制，而是通过权利要求来完全确定这些系统和方法的范围。

除非在上下文中清楚地要求，否则在整个说明书和权利要求中，“包括”、“包含”等词语都要以与独占或穷举含义相反的包含含义进行解释；也即，按照“包括但不限于”的含义来进行解释。使用单个或复数个数的词语也分别包括复数个或单个数字。另外，“在本文中”、“在下面”、“上方”、“下方”以及具有类似含义的词语指的是作为整体的本申请而不是本申请的任何特定部分。当根据两个或更多个物品的列表使用单词“或”时，这个单词涵盖该单词的所有以下解释：列表中的任一个物品，列表中的所有物品以及列表中的物品的任意组合。

Claims

1.一种太赫兹数据采集和分析系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述处理单元被配置为用于根据样本识别，使用所述样本数据执行机器学习来丰富所述参考数据。

3.根据权利要求1或2所述的系统，包括用于参考数据的数据库。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述数据库还包含一列材料的折射率。

5.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述参考数据存储在所述系统外部的共享数据中心，例如云数据库中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述处理单元包括具有操作系统和/或独立设备的计算设备，比如现场可编程门阵列模块。

7.根据前述权利要求中任一项所述的系统，所述处理单元还被配置为确定所述样本的折射率。

8.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述处理器被配置为分析具有已知厚度的所述样本的多反射峰位置，并计算所述样本的折射率，其可以包括执行机器学习。

9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述处理单元被配置为测量所述样本的厚度。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述处理单元被配置为分析具有已知折射率的所述样品的多反射峰位置，并提取所述样品的厚度。

11.根据权利要求9或10所述的系统，其中，所述处理单元被配置为基于所述样本的透射或反射的测量来计算所述样本的光导率。

12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述太赫兹光谱仪被配置为用于所述样本的近场成像。

13.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述太赫兹光谱仪包括发射器阵列和/或检测器阵列。

14.根据权利要求13所述的系统，其中，多个发射器和多个检测器是相同或不同的。

15.根据权利要求13或14所述的系统，其中，所述发射器阵列安装在基底之上。

16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述检测器阵列安装在不同基底或相同基底之上。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述基底是柔性的。

18.根据权利要求15至16中任一项所述的系统，其中，所述基底中的至少一个被配置为用于支承和/或适应于所述样本。

19.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统被构造为便携装置。

20.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述太赫兹光谱仪被配置为经由自由空间接口和/或波导接口，比如光纤接口接收用于所述太赫兹信号的激发的激光束。

21.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统被包括在现有的监视设备或医疗装置，比如X射线扫描装置或金属探测器之中。

22.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其中，所述系统包括用于至少确定所述太赫兹光谱仪相对于所述样本的位置的机械臂。

23.前述权利要求中任一项所述的系统在一个组的一个或多个组成部分中的使用，所述组包括：安全监控；疾病诊断，其包括活组织检查和代谢物的分析，以及滑动分析；皮肤诊断，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应于人体曲率，用于精确分析；眼部检查，其中，可以弯曲柔性太赫兹发射器和/或检测器以适应于角膜曲率，用于更精确地分析；口腔护理，其中，可将太赫兹相位阵列天线应用于快速口腔检查，例如用于牙根管医疗前的龋齿深度的检查；涂层分析；有毒气体/空气污染检测；产品质检；美容及治疗；以及文物修复。

24.一种太赫兹数据采集和分析方法，包括：

对样本执行太赫兹光谱测量；

基于所述太赫兹光谱测量采集样本数据；以及

25.根据权利要求24所述的方法，包括根据样本识别使用所述样本数据丰富所述参考数据。

26.根据权利要求24或25所述的方法，包括使用用于所述参考数据的数据库。

27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述数据库包含一列材料的折射率。

28.根据权利要求24至27中任一项所述的方法，其中，所述参考数据存储在系统外部的共享数据中心，例如云数据库中。

29.权利要求24至28中任一项所述的方法，包括确定所述样本的折射率。

30.根据权利要求29所述的方法，包括分析具有已知厚度的所述样本的多反射峰位置，以及计算所述样本的折射率，其可包括执行机器学习。

31.根据权利要求24至30中任一项所述的方法，包括测量所述样品的厚度。

32.根据权利要求31所述的方法，包括用已知的折射率分析所述样品的多反射峰位置，并提取所述样品的厚度。

33.根据权利要求31或32所述的方法，包括基于所述样本的透射或反射的测量来计算所述样本的光导率。

34.根据权利要求24至33中任一项所述的方法，包括通过所述样本的近场成像执行所述太赫兹光谱测量。

35.根据权利要求24至34中任一项所述的方法，其中，所述太赫兹光谱测量包括使用发射器阵列和/或检测器阵列。

36.根据权利要求35所述的方法，其中多个发射器和多个检测器是相同或不同的。

37.根据权利要求35或36所述的方法，其中，所述发射器阵列安装在基底之上。

38.根据权利要求37所述的方法，其中，所述检测器阵列安装在不同基底或相同基底之上。

39.根据权利要求38所述的方法，其中，所述基底是柔性的。

40.根据权利要求37至39中任一项所述的方法，包括：配置用于支承和/或适应于所述样本的基底的至少一个。

41.根据权利要求24至40中任一项所述的方法，使用便携装置执行所述方法。

42.根据权利要求24至41中任一项所述的方法，其中，太赫兹光谱测量包括经由自由空间接口和/或波导接口，比如光纤接口接收用于所述太赫兹信号的激发的激光束。

43.根据权利要求24至42中任一项所述的方法，其中，所述方法被整合于现有的监视或医疗方法，比如X射线扫描方法或金属检测器之中。

44.根据权利要求24至43中任一项所述的方法，包括使用机械臂来确定相对于所述样本的位置。