CN112212984A - 一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，包括：噪声源调制模块、与所述噪声源调制模块信号连接的数据采集模块及与所述数据采集模块信号连接的解调模块；所述噪声源调制模块包括开关及与所述开关信号连接的噪声源与噪声源调制控制电路，所述噪声源调制控制电路用于调制所述噪声源的输出和截止的频率；所述数据采集模块包括与功率探测器及与所述功率探测器信号连接的模数转换器；所述解调模块包括解调电路。根据本发明，功率放大器等器件引入的低频噪声，采用新的调制解调方法和系统结构，实现了一种有效的1/f噪声滤除方法，可以大幅度提高被动成像单元探测的灵敏度，改善获取图像的噪声污染问题，提高图像的分辨率。

Description

一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法
技术领域
本发明涉及调制解调法降低噪声提高探测灵敏度和成像质量的技术领域，特别涉及一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法。
背景技术
太赫兹(THz)成像技术在医学、生物、工业、军事及安全监测等领域都具有非常重要的应用前景。太赫兹辐射(1THz＝1012Hz)是指频率在0.1Hz到10THz(波长在3mm到30μm)之间的电磁波，其波段介于毫米波和红外光之间。由于太赫兹波对于塑料、纸片、纺织品以及皮革等材料的穿透性很强，对生物组织不会造成电离损伤，且与毫米波相比具有更高的成像分辨率。因此现阶段太赫兹成像已经成了X射线成像、超声波成像、毫米波成像等技术的有力补充。
根据黑体辐射原理，温度高于绝对零值的每个对象都将发射带有自身固有信息的特征毫米波，通过仅从物体接收自主的太赫兹波、毫米波辐射，可以非侵入式地识别物体。原则上，太赫兹波(毫米波)被动成像系统中没有人造辐射源源可以照亮目标物体。因此，对于检查员和被检查物体都是绝对安全的，但由于硬件的限制以及成像系统自身的物理特性，使得该成像系统获取的图像中存在着较严重的噪声污染以及一定程度上的失真，这导致了图像分辨率的下降。在存在的噪声中，由前端功率放大器内部引入的低频噪声(1/f噪声)对成像精度的影响较为明显。
发明内容
针对现有技术中存在的不足之处，本发明的目的是提供一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，功率放大器等器件引入的低频噪声(1/f噪声)，采用新的调制解调方法和系统结构，实现了一种有效的1/f噪声滤除方法，可以大幅度提高被动成像单元探测的灵敏度，改善获取图像的噪声污染问题，提高图像的分辨率。为了实现根据本发明的上述目的和其他优点，提供了一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调系统，包括：
噪声源调制模块、与所述噪声源调制模块信号连接的数据采集模块及与所述数据采集模块信号连接的解调模块；
所述噪声源调制模块包括开关及与所述开关信号连接的噪声源与噪声源调制控制电路，所述噪声源调制控制电路用于调制所述噪声源的输出和截止的频率；
所述数据采集模块包括与功率探测器及与所述功率探测器信号连接的模数转换器；
所述解调模块包括解调电路。
优选的，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接RF射频源与噪声源调制控制电路。
优选的，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接电光调制器与噪声源调制控制电路，所述电光调制器信号连接有红外源与RF射频源。
优选的，一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，包括以下步骤：
S1、通过噪声源调制模块中的噪声源调制控制电路控制噪声源产生时有时无的载波信号，实现对待测对象发出辐射信号的调制；
S2、功率探测器将输入信号的强度转化为一电压信号。将步骤1的待测输入信号和载波信号混合后，由于噪声源输出功率够大，功率探测器在检测到噪声时饱和；而在噪声源截止时，输出即为待测对象的THz波段辐射产生的输出真实值以及功率探测器中含有的低频噪声n(t)。功率放大器的输出公式如下：
Figure BDA0002713772670000031
S3、通过解调模块中的解调电路以数字解调的形式实现信号的解调。
优选的，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用射频源(RF源)的输出或其2、3次等高次谐波为噪声源，在RF源的后端加一个可快速通断控制的开关，通过电路控制该电阻开关的通断来实现调制
优选的，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用可实现高功率输出的红外光源，组合电光调制器、RF源，再配套可快速通断控制的开关和控制电路实现调制，该方法小功率RF的射频信号加载到大功率红外上，使输出信号或其2、3次等高次谐波让功率探测器饱和，可作为噪声源。配套控制电路实现噪声源的通断完成调制。
优选的，所述步骤S1还包括：
S11、采用25GHz射频信号调制的红外光源为噪声源，再采用电路控制噪声源周期性输出、截止。噪声源有输出辐射时功率探测器达到饱和状态。假设待测目标辐射信号为s(t)，功率放大器输出信号为f(t)，
Figure BDA0002713772670000032
其中T为周期，
Figure BDA0002713772670000033
n为自然数。周期T由调制控制电路灵活设定，其中n(t)低频噪声。
优选的，所述步骤S3还包括：
S31、进行仿真过程，在后续的仿真过程中f(t)用[s(t)×G(t)+n(t)]+G(t-τ)表示，其中s(t)模拟目标辐射信号，g(t)是双边方波信号，其表达式如(1)所示，G(t)是单边方波信号，其表达式如(2)所示，G(t-τ)是将G(t)平移半个周期的信号。f(t)中加入一个G(t-τ)目的是模拟功率探测器在接受到噪声源辐射时达到饱和状态。
Figure BDA0002713772670000041
Figure BDA0002713772670000042
当nT≤t≤nT+τ时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-r)
＝s(t)×[g(t)+G(t-r)]+n(t)+G(t-r)
＝s(t)+n(t)＝f(t) 成立
当nT+r≤t≤(n+1)T时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)
≥1(饱和)＝f(t) 成立
S32、后续的仿真的过程中s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)表示f(t)是成立的，解调过程如下：
{s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)}×g(t)
＝s(t)×[g2(t)+G(t-τ)×g(t)]+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
＝s(t)+s(t)×g(t)×G(t-τ)+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
s(t)×g(t)×G(t-τ)，n(t)×g(t)，G(t-τ)×g(t)均是高频信号。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：实现了一种有效且价格低廉的低频噪声(1/f噪声)滤除方法，可以大幅度提高被动成像单元探测的灵敏度，改善获取图像的噪声污染问题，提高图像的分辨率。
附图说明
图1为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的系统框图；
图2为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的目标辐射的信号模拟图；
图3为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的模拟低频噪声功率谱密度图；
图4为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的将目标辐射信号与低频噪声混合后的图；
图5为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作状态和断开状态时的输出信号模拟；
图6为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作状态和断开状态时的解调信号，频率为15kHz；
图7为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作状态和断开状态时解调后的信号经过低通滤波后的信号图；
图8为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作和饱和状态时的输出信号；
图9为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作和饱和状态时的解调信号，频率为800KHz图；
图10为根据本发明的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法的功率探测器的工作模式为正常工作和饱和状态时解调后的信号经过低通滤波后的输出信号。
具体实施方式
下面将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。
参照图1，一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，包括：
噪声源调制模块、与所述噪声源调制模块信号连接的数据采集模块及与所述数据采集模块信号连接的解调模块；
所述噪声源调制模块包括开关及与所述开关信号连接的噪声源与噪声源调制控制电路，所述噪声源调制控制电路用于调制所述噪声源的输出和截止的频率；
所述数据采集模块包括与功率探测器及与所述功率探测器信号连接的模数转换器；
所述解调模块包括解调电路，调制模块通过控制电路调制噪声源的输出和截止，实现对功率探测器的调制并且由数据采集模块获取数据后输入后端的解调模块，消除低频噪声、提高太赫兹(或毫米波)被动成像单元的探测灵敏度。
进一步的，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接RF射频源与噪声源调制控制电路。
进一步的，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接电光调制器与噪声源调制控制电路，所述电光调制器信号连接有红外源与RF射频源。
参照图2-10，一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，包括以下步骤：
S1、通过噪声源调制模块中的噪声源调制控制电路控制噪声源产生时有时无的载波信号，实现对待测对象发出辐射信号的调制，噪声源的信号强度要足以让功率探测器饱和状态以达到调制的效果；
S2、功率探测器将输入信号的强度转化为一电压信号。将步骤1的待测输入信号和载波信号混合后，通过调整噪声源的输出功率使功率探测器在检测到噪声时饱和或即将饱和，设置功率探测器即将饱和时的阈值，输出超过阈值即认为是饱和状态；而在噪声源截止时，输出即为待测对象的THz波段辐射产生的输出真实值以及功率探测器中含有的低频噪声n(t)。功率放大器的输出公式如下：
Figure BDA0002713772670000071
S3、通过解调模块中的解调电路以数字解调的形式实现信号的解调。
进一步的，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用射频源(RF源)的输出或其2、3次等高次谐波为噪声源，在RF源的后端加一个可快速通断控制的开关，通过电路控制该电阻开关的通断来实现调制。
进一步的，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用可实现高功率输出的红外光源，组合电光调制器、RF源，再配套可快速通断控制的开关和控制电路实现调制，该方法小功率RF的射频信号加载到大功率红外上，使输出信号或其2、3次等高次谐波让功率探测器饱和，可作为噪声源。配套控制电路实现噪声源的通断完成调制。
进一步的，所述步骤S1还包括：
S11、采用25GHz射频信号调制的红外光源为噪声源，再采用电路控制噪声源周期性输出、截止。噪声源有输出辐射时功率探测器达到饱和状态。假设待测目标辐射信号为s(t)，功率放大器输出信号为f(t)，
Figure BDA0002713772670000072
其中T为周期，
Figure BDA0002713772670000073
n为自然数。周期T由调制控制电路灵活设定，其中n(t)低频噪声，我们令输入为s(t)＝0.15×sin(1×pi×t)+0.1；仿真图如附图2所示；附图3为低频噪声的噪声谱密度图。噪声的截至频率为100kHz，本次仿真采用粉红噪声来模拟低频噪声。附图4为将目标辐射的信号与噪声混合的信号，目标辐射信号完全湮没在噪声中。在让功率探测器工作模式为正常工作和饱和状态之前，实验的方式为功率探测器工作模式为断开状态和正常工作模式，图5为功率探测器工作模式为断开状态和正常工作模式下的输出信号，功率探测器在这种工作模式下，由于功率探测器一直处于一种工作-断开-工作-断开状态，这样调制出来的信号频率有限，因此将低频噪声调制到高频的频率有限，无法有效的去除低频噪声。
进一步的，所述步骤S3还包括：
S31、进行仿真过程，在后续的仿真过程中f(t)用[s(t)×G(t)+n(t)]+G(t-τ)表示，其中s(t)模拟目标辐射信号，g(t)是双边方波信号，其表达式如(1)所示，G(t)是单边方波信号，其表达式如(2)所示，G(t-τ)是将G(t)平移半个周期的信号。f(t)中加入一个G(t-τ)目的是模拟功率探测器在接受到噪声源辐射时达到饱和状态。
Figure BDA0002713772670000081
Figure BDA0002713772670000082
当nT≤t≤nT+τ时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)+n(t)＝f(t) 成立
当nT+τ≤t≤(n+1)T时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)
≥1(饱和)＝f(t) 成立
S32、后续的仿真的过程中s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)表示f(t)是成立的，解调过程如下：
{s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)}×g(t)
＝s(t)×[g2(t)+G(t-τ)×g(t)]+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
＝s(t)+s(t)×g(t)×G(t-τ)+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
s(t)×g(t)×G(t-τ)，n(t)×g(t)，G(t-τ)×g(t)均是高频信号，分析式子可知，n(t)×g(t)将噪声n(t)由低频调制到了高频，利用噪声源大幅度降低了噪声对有用信号的影响，再将解调后的信号进行一次低通滤波即可得到与s(t)形状类似的波形s′(t)。
在Matlab仿真的过程中，将功率探测器的两种工作模式分别做了仿真，并对其结果进行分析；在功率探测器的工作模式为断开状态和正常工作状态时，图6为解调信号-双边方波信号，频率为15kHz，图7为将解调后的信号经过低通滤波后得到信号，可以看到与目标辐射的信号对比，还存在一定的差异。此时计算信号的信噪比为SNR＝-2.5288，说明低频噪声对待测信号还有很大的影响；因此来改变功率探测器的工作模式来提高调制信号的频率。在功率探测器的工作模式为正常工作和饱和状态时，图8为功率探测器的输出信号，这种工作模式下功率探测器调制出的信号频率明显高于功率探测器的工作模式为断开状态和正常工作调制出的信号频率。图9为模拟的解调信号，双边方波信号，其频率为800kHz，图10为解调后的信号经过低通滤波的输出信号，可以看到与目标辐射的信号形状类似，计算此时的信噪比为SNR＝-0.2367；因此，将功率探测器的工作模式为断开状态和正常工作改为正常工作模式和饱和状态后，由仿真结果图形以及信噪比分析可以看出，低频噪声的对目标辐射的信号的影响明显减少，进而就可以提高被动成像单元的灵敏度。
综上，通过提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，既能有效得出所需波形，又可以节约成本，使得其在实际操作中有很大的运用。
这里说明的设备数量和处理规模是用来简化本发明的说明的，对本发明的应用、修改和变化对本领域的技术人员来说是显而易见的。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (8)

1.一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调系统，其特征在于，包括：噪声源调制模块、与所述噪声源调制模块信号连接的数据采集模块及与所述数据采集模块信号连接的解调模块；
所述噪声源调制模块包括开关及与所述开关信号连接的噪声源与噪声源调制控制电路，所述噪声源调制控制电路用于调制所述噪声源的输出和截止的频率；
所述数据采集模块包括与功率探测器及与所述功率探测器信号连接的模数转换器；
所述解调模块包括解调电路。
2.如权利要求1所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调系统，其特征在于，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接RF射频源与噪声源调制控制电路。
3.如权利要求1所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调系统，其特征在于，所述噪声源调制模块包括开关、与所述开关信号连接电光调制器与噪声源调制控制电路，所述电光调制器信号连接有红外源与RF射频源。
4.如权利要求1所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过噪声源调制模块中的噪声源调制控制电路控制噪声源产生时有时无的载波信号，实现对待测对象发出辐射信号的调制；
S2、功率探测器将输入信号的强度转化为一电压信号，将步骤1的待测输入信号和载波信号混合后，由于噪声源输出功率够大，通过调整噪声源的输出功率使功率探测器在检测到噪声时饱和或即将饱和，设置功率探测器即将饱和时的阈值，输出超过阈值即认为是饱和状态；而在噪声源截止时，输出即为待测对象的THz波段辐射产生的输出真实值以及功率探测器中含有的低频噪声n(t)，功率放大器的输出公式如下：
Figure FDA0002713772660000021
T为正整数，
Figure FDA0002713772660000022
S3、通过解调模块中的解调电路以数字解调的形式实现信号的解调。
5.如权利要求4所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，其特征在于，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用射频源(RF源)的输出或其2、3次等高次谐波为噪声源，在RF源的后端加一个可快速通断控制的开关，通过电路控制该电阻开关的通断来实现调制。
6.如权利要求4所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，其特征在于，所述步骤S1的噪声源调制模块方法包括：采用可实现高功率输出的红外光源，组合电光调制器、RF源，再配套可快速通断控制的开关和控制电路实现调制，该方法小功率RF的射频信号加载到大功率红外上，使输出信号或其2、3次等高次谐波让功率探测器饱和，可作为噪声源。配套控制电路实现噪声源的通断完成调制。
7.如权利要求4所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：
S11、采用25GHz射频信号调制的红外光源为噪声源，再采用电路控制噪声源周期性输出、截止，噪声源有输出辐射时功率探测器达到饱和状态，假设待测目标辐射信号为s(t)，功率放大器输出信号为f(t)，
Figure FDA0002713772660000023
其中T为周期，
Figure FDA0002713772660000024
n为自然数，周期T由调制控制电路灵活设定，其中n(t)低频噪声。
8.如权利要求4所述的一种提高太赫兹被动成像单元灵敏度的调制解调方法，其特征在于，所述步骤S3还包括：
S31、进行仿真过程，在后续的仿真过程中f(t)用[s(t)×G(t)+n(t)]+G(t-r)表示，其中s(t)模拟目标辐射信号，g(t) 是双边方波信号，其表达式如(1)所示，G(t)是单边方波信号，其表达式如(2)所示，G(t-r)是将引t)平移半个周期的信号，f(t)中加入一个G(t-r)目的是模拟功率探测器在接受到噪声源辐射时达到饱和状态，
Figure FDA0002713772660000031
n为整数，
Figure FDA0002713772660000032
Figure FDA0002713772660000033
n为整数，
Figure FDA0002713772660000034
当nT≤t≤nT+τ时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)+n(t)＝f(t) 成立
当nT+τ≤t≤(n+1)T时
s(t)×G(t)+n(t)+G(t-τ)
＝s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)≥1(饱和)＝f(t) 成立。
S32、后续的仿真的过程中s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)表示f(t)是成立的，解调过程如下：
{s(t)×[g(t)+G(t-τ)]+n(t)+G(t-τ)}×g(t)
＝s(t)×[g2(t)+G(t-r)×g(t)]+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
＝s(t)+s(t)×g(t)×G(t-τ)+n(t)×g(t)+G(t-τ)×g(t)
s(t)×g(t)×G(t-τ)，n(t)×g(t)，G(t-τ)×g(t)均是高频信号。
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