CN113281298B - 基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置与方法。该装置包括：微波激励源、太赫兹收发模块、镜面组合模块、纳米探针、振荡信号源、锁相放大器和上位机；微波激励源，用于产生输入太赫兹收发模块的输入信号，以及输入锁相放大器的混频信号；太赫兹收发模块，用于连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；镜面组合模块，用于将太赫兹收发模块辐射的太赫兹波束在纳米探针针尖处紧耦合，并将纳米探针局域增强且被调制的消逝信号反射回太赫兹收发模块；振荡信号源，用于产生控制纳米探针的第一信号，以及输入锁相放大器的第二信号。
Description
技术领域
本发明属于太赫兹测试技术领域，尤其涉及一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置与方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
基于材料微纳缺陷检测的应用需要，作为一种新兴的能够突破衍射极限的微纳缺陷检测分析仪，散射式太赫兹显微成像仪分辨能力只跟系统中微探针尺寸相关，并不受到入射光波长的约束，是目前前景最好的微纳缺陷检测分析仪。然而，目前大部分散射式太赫兹显微成像仪多是基于光学源，受制于测试机理，光学源性能受环境影响较大、太赫兹信号能量较弱、信噪比较差、难以满足测试需求。
中国发明专利申请201810970798.0公开了一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，不难发现此发明仅仅是利用太赫兹点频连续波实现近场显微成像，并不具备多波段太赫兹信号融合功能，无法获得更多的材料物理化学信息，并且消逝场局域增强特性受制于纳米探针长度与波长关系，通常为1/2波长整数倍长度的大长径比纳米探针，对长波长的太赫兹波，如0.1THz频段太赫兹波(波长为3mm)，为了得到较强的局域增强效果，纳米探针长度应为1.5mm左右，长径比过大，加工难度极大，难以控制，总体而言单频点成像质量较差，微纳缺陷检测精度较差。
发明内容
为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置与方法，其可以实现材料微纳缺陷的检测识别。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一个方面提供一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：微波激励源、太赫兹收发模块、镜面组合模块、纳米探针、振荡信号源、锁相放大器和上位机；其中，
微波激励源，用于产生输入太赫兹收发模块的输入信号，以及输入锁相放大器的混频信号；
太赫兹收发模块，用于连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；
镜面组合模块，用于将太赫兹收发模块辐射的太赫兹波束在纳米探针针尖处紧耦合，并将纳米探针局域增强且被调制的消逝信号反射回太赫兹收发模块；
振荡信号源，用于产生控制纳米探针的第一信号，以及输入锁相放大器的第二信号；
锁相放大器，用于将微波激励源产生的混频信号和振荡信号源产生的第二信号锁相放大与高阶解调后，得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
上位机，用于接收待测样品消逝信号的幅度与相位信息，并分析得出用于检测待测样品缺陷的太赫兹超分辨率近场图像。
进一步的，还包括压电体，用于接收所述第一信号，控制纳米探针以一定的频率与幅度做周期性振动。
进一步的，还包括三维纳米控制台，用于放置待测样品，并控制待测样本与纳米探针间的距离，同时做纳米级移动。
进一步的，还包括数据采集模块，用于采集待测样品消逝信号的幅度与相位信息，并将待测样品消逝信号的幅度与相位信息传输至上位机。
进一步的，所述微波激励源包括频率参考单元、第一激励源、第二激励源、第一功率分配器、第二功率分配器、第一放大器、第二放大器、第一混频器、第二混频器、第一倍频器和电子开关；其中，
频率参考单元，用于为第一激励源和第二激励源提供频率参考；
第一激励源，用于输出第一射频信号；
第二激励源，用于输出第二射频信号；
第一功率分配器，用于将第一射频信号分为两路，一路经第一放大器放大后输出，经电子开关与太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中倍频链路的激励信号，另一路作为第一混频器的第一输入信号；
第二功率分配器，用于将第二射频信号分为两路，一路经第二放大器放大后输出，经电子开关与太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中混频链路的本振信号，另一路作为第一混频器的第二输入信号；
第一混频器，用于将第一输入信号与第二输入信号进行差值运算，输出射频信号，经第一倍频器倍频后输入第二混频器；
第二混频器，用于接收第一倍频器输出的倍频信号和太赫兹收发模块输出的谐波信号，并进行混频处理，将输出的混频信号输入锁相放大器。
进一步的，所述太赫兹收发模块包括第二倍频器、第三倍频器、定向耦合器、第四倍频器和谐波倍频器；其中，
第二倍频器、第三倍频器、定向耦合器、谐波混频器依次相连，第二倍频器和第三倍频器用于产生第一激励信号对应的第一超宽带太赫兹信号；
定向耦合器用于为倍频链路产生超宽带太赫兹信号与待测样品散射的携带样品信息的太赫兹信号提供传输通道；
第四倍频器与谐波混频器相连，第四倍频器用于将第二激励信号倍频为谐波混频器的本振信号；
谐波混频器，用于将输出的谐波信号输入第二混频器。
进一步的，所述镜面组合模块包括短焦透镜组、长焦透镜组、反射镜组和抛物面镜；其中，
短焦透镜组，用于压缩呈高斯分布的超宽带太赫兹波束的束腰尺寸，实现太赫兹波束的聚焦；
长焦透镜组，用于将聚焦后的高斯波束转换为准平行波束；
反射镜组与抛物面镜，用于将经过整形后的超宽带太赫兹信号在纳米探针的针尖处紧耦合。
进一步的，还包括超宽带太赫兹天线，用于将太赫兹收发模块中倍频链路产生的超宽带太赫兹信号辐射至自由空间中。
本发明的第二个方面提供一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用上述如第一个方面所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：
控制待测样本与探针间的距离，并使三维控制台做纳米级移动；
太赫兹收发模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
本发明的第三个方面提供一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用上述如第一个方面所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：
获取待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)采用全电子学固态太赫兹收发一体模块，系统集成度更高，系统更稳定，可有效简化系统复杂度，极大地提高了消逝信号远场探测效率；
(2)全电子学的超宽带太赫兹信号功率更高，经过多次混频下变频、锁相放大等措施，散射太赫兹信号信噪比更高，更利于消逝信号幅度相位的一体化提取；
(3)基于全固态电子学超宽带太赫兹收发一体模块，可实现纳米量级超分辨率成像，获得待测样品更丰富的物理化学信息，更利于待测样品结构成像；
(4)基于全固态电子学超宽带太赫兹收发一体模块，可利用较小长径比的纳米探针，通过多频点图像的信息融合，得到更高质量的图像，进而实现材料微纳缺陷的检测分析。
(5)具有高集成度、结构简单、质量稳定可靠等优势，能够实现非金属材料多频点太赫兹图像的信息融合，进而实现微纳缺陷检测分析。
本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置结构示意图；
图2是本发明微波激励源的结构示意图；
图3是本发明太赫兹收发模块结构示意图；
图4是本发明微波激励源与太赫兹收发模块结构示意图
图5是本发明实施例中0.11THz～1.1THz材料微纳缺陷检测装置示意图；
图6是本发明实施例中0.75THz～1.1THz太赫兹收发模块示意图；
图7是本发明实施例中0.75THz～1.1THz太赫兹辐射信号曲线图；
图8是本发明实施例中太赫兹高斯波束；
图9是本发明实施例中太赫兹平行波束示意图；
图10是本发明实施例中近场耦合示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明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发明的示例性实施方式。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。
太赫兹波是指频率范围为0.1THz～10THz，波长范围为0.03mm～3mm，介于无线电波和光波之间的电磁辐射，具有携带信息丰富，亚皮秒量级脉宽、高时空相干性、低光子能量、穿透性强、使用安全性高、定向性好、大带宽等特性，这使得太赫兹波在各个学科领域内都有着巨大的应用和开发潜力。
太赫兹波的特殊性，使很多化学和生物样品的特殊性质都会在太赫兹波的照射下体现出来，主要包括：(1)很多物质的化学键键能或者转动频率在太赫兹波段内有明显的共振增强或共振吸收效应，可以通过记录这些物质在太赫兹波段的指纹谱，从而建立起独特而又准确的数据库进行物质的识别，在物质识别方面具有不可替代性；(2)在太赫兹波的照射下，很多形貌外表很难区分或者其他光谱频段技术难于鉴别的物质可以呈现出特异性比较强的识别特征，在物质结构成像方面具有不可替代性；(3)生物大分子的骨架振动、转动等能级刚好位于太赫兹波段内，生物大分子的太赫兹响应谱包含了其他波段无法识别的与生物大分子功能直接相关的构象信息，在生物探测领域具有不可替代性；(4)太赫兹波光子能量低，对分子无损，且生物大分子太赫兹谱的指纹特性使其特异性强，可避免非特异性干扰，在生物大分子检测领域具有不可替代性；(5)太赫兹波对水敏感，可以从新的成像角度探寻病理生理过程。水是生命的基质，在生命体系中起着关键的作用，并且太赫兹波对生物组织中的水非常敏感，可以利用该特点分析生物分子与水的相互作用，在生物医学、生命科学等领域具有不可替代性。大量实验证明，太赫兹波独特的特征识别度是红外光谱仪等所不具备的。
目前绝大部分的基于太赫兹波的材料缺陷检测系统多是基于时域光谱技术的远场检测系统，受瑞利衍射极限的约束，系统最佳分辨率不优于二分之一个波长，即太赫兹波段内的远场系统只能获得大量分子的群体响应，其理论最佳分辨率只能到百十微米级。基于材料微纳缺陷检测的应用需要，作为一种新兴的能够突破衍射极限的微纳缺陷检测分析仪，散射式太赫兹显微成像仪分辨能力只跟系统中微探针尺寸相关，并不受到入射光波长的约束，是目前前景最好的微纳缺陷检测分析仪。然而，目前大部分散射式太赫兹显微成像仪多是基于光学源，受制于测试机理，光学源性能受环境影响较大、太赫兹信号能量较弱、信噪比较差、难以满足测试需求。
为了解决上述问题，本发明提供了下面几种实施方式：
实施例一
本实施例提供了一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：微波激励源、太赫兹收发模块、镜面组合模块、纳米探针、振荡信号源、锁相放大器和上位机；其中，
微波激励源，用于产生输入太赫兹收发模块的输入信号，以及输入锁相放大器的混频信号；
太赫兹收发模块，用于连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；
镜面组合模块，用于将太赫兹收发模块辐射的太赫兹波束在纳米探针针尖处紧耦合，并将纳米探针局域增强且被调制的消逝信号反射回太赫兹收发模块；
振荡信号源，用于产生控制纳米探针的第一信号，以及输入锁相放大器的第二信号；
锁相放大器，用于将微波激励源产生的混频信号和振荡信号源产生的第二信号锁相放大与高阶解调后，得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
上位机，用于接收待测样品消逝信号的幅度与相位信息，并分析得出用于检测待测样品缺陷的太赫兹超分辨率近场图像。
如图1所示，该装置主要包括扫频微波激励源、太赫兹一体化收发模块组、短焦透镜组、长焦透镜组、反射镜组、抛物面镜组、金纳米探针、压电体、三维纳米控制台、振荡源、高阶解调锁相放大器、高速数据采集模块、上位机、待测样品等几部分。
扫频微波激励源如图2所示，包括频率参考单元、激励源1、激励源2、功率分配器1、功率分配器2、放大器1、放大器2、混频器1、混频器2、Z倍频器、时分复用电子开关等几部分：
频率参考单元的作用是为激励源1与激励源2提供频率参考，起到稳相的作用；
激励源1可输出具有不同带宽、频率为GHz、频率分辨率为[1/(M×N)]Hz的射频信号1；
激励源2可输出具有不同带宽、频率为GHz、频率分辨率为[1/(H×Q)]Hz的射频信号2；
功率分配器1将宽带射频信号1分为两路，一路经放大器1放大后输出，经电子开关，与不同频段太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中倍频链路的激励信号；另一路作为混频器1的输入信号；
功率分配器2将宽带射频信号2分为两路，一路经放大器2放大后输出，经电子开关，与不同频段的太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中混频链路的本振信号；另一路作为混频器1的输入信号；
混频器1将两路射频信号进行差值运算，输出频率为△f的射频信号，经Z倍频器倍频后输入混频器2中。
太赫兹收发模块如图3所示，包括N倍频器、M倍频器、定向耦合器、H倍频器与Q次谐波混频器等几部分：
激励信号1依次经过N倍频器与M倍频器产生频率分辨率为1Hz超宽带太赫兹信号；
激励信号2经过H倍频器产生Q次谐波混频器的本振信号，其中Q可选1,2,4,6以此满足不同标准波导频段太赫兹混频探测的需求；
太赫兹收发模块中的N倍频器、M倍频器、H倍频器并不是特指单一的倍频芯片，而是指由2倍频器、3倍频器、4倍频器、放大器、隔离器等组成的倍频器链路，需要说明的是，上述倍频器的倍数仅是实现本实施例的一种实施方式，不应该理解为对本发明的限定。
对于不同标准波导频段的太赫兹信号，太赫兹收发一体模块倍频链路M×N值不同，产生频率分辨率为1Hz超宽带太赫兹信号；太赫兹收发一体模块混频链路H×Q值不同；
定向耦合器的作用是为倍频链路产生的超宽带太赫兹信号与待测样品散射的携带样品信息的太赫兹信号提供传输通道，定量耦合器具有较高的隔离度，可有效隔离发射信号与散射太赫兹信号之间的干扰。
对于某一标准波导带宽的太赫兹信号，设起始频率为fL Hz，截止频率为fH Hz，则有：宽带射频信号1的起始频率记为f1L＝fL/(M×N)Hz，截止频率f1H＝fH/(M×N)Hz，带宽为ω1＝(fH-fL)/(M×N)Hz；宽带射频信号2的起始频率记为f2L＝(fL+ψ)/(H×Q)Hz，截止频率f2H＝(fH+ψ)/(H×Q)Hz，带宽为ω1＝(fH-fL)/(H×Q)Hz，其中ψ表示设定的频移；宽带射频信号1与宽带射频信号2在某一固定时刻的频率差值为定值，即△f＝|f1L-f2L|＝|f1H-f2H|；△f×Z＝ψ。
为了简化不同标准波导太赫兹频段设计要求，本发明中要求：Z＝M×N＝H×Q；
扫频微波激励源与太赫兹收发模块的链路结构，如图3所示。
超宽带太赫兹天线的作用是将太赫兹收发模块中倍频链路产生的超宽带太赫兹信号辐射至自由空间中；对于散射式太赫兹显微成像而言，消逝波的产生与入射波的极化方式关系密切，为了获得明显的近场增强效应，需要精确调整入射波入射角度与探针的位置关系，本发明中拟采用基于矩形波导的分路合路式圆极化器产生圆极化波束代替线极化波束，有效减少极化方式对近场增强效应的影响。
短焦透镜的作用是压缩呈高斯分布的超宽带太赫兹波束的束腰尺寸，在较短的距离范围内，实现太赫兹波束的紧聚焦；
长焦透镜的作用是将聚焦后的高斯波束转换为准平行波束；
通过短焦透镜与长焦透镜相结合的方式实现整形后的超宽带太赫兹波束能够以平行波的形式进行远距离传播，而不会发生明显的扩束行为，便于实现不同频段太赫兹波束整形光路的拼接。
反射镜与抛物面镜的作用是实现经过整形后的超宽带太赫兹信号在纳米曲率半径探针针尖处的紧耦合；
在太赫兹波的作用下，在探针针尖附近区域形成太赫兹消逝场，纳米曲率半径的探针实现太赫兹消逝场的局域增强；
探针在压电体的控制下进行固定频率与幅度的振动，频率与幅度有振荡源控制，消逝场与待测样本相互作用的有效信息被调制；经过调制与局域增强的消逝信号在探针针尖处实现强散射，便于进行远场探测；
振荡源的作用是输出两路信号，一路为振动频率Ω与幅度A的信号，作用于压电体，用于控制探针以一定的频率与幅度做周期性振动；另一路为振动频率JΩ(J>1)与幅度A的信号，与时分复用激励源产生的零中频信号2，经锁相放大得到近场太赫兹信号的幅度与相位信息，经高速数据采集模块，采集放大后传输至上位机，基于上位机集成的核心算法实现非金属材料微纳缺陷的检测分析。
实施例二
本实施例提供了一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用上述如实施例一所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：
控制待测样本与探针间的距离，并使三维控制台做纳米级移动；
太赫兹收发模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
具体的，基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，采用如图5所示的装置结构。图5表示采用6个标准波导模块包括0.11THz～0.17THz、0.17THz～0.22THz、0.22THz～0.325THz、0.325THz～0.5THz、0.5THz～0.75THz、0.75THz～1.1THz，工作频率覆盖0.11THz～1.1THz的基于多波段太赫兹信号融合的材料微纳缺陷检测装置，主要包括扫频微波激励源、太赫兹一体化收发模块组、短焦透镜组、长焦透镜组、反射镜组、抛物面镜组、金纳米探针、压电体、三维纳米控制台、振荡源、高阶解调锁相放大器、高速数据采集模块、上位机、待测样品等几部分。
扫频微波激励源，包括频率参考单元、激励源1、激励源2、功分器1、功分器2、放大器1、放大器2、混频器1、混频器2、Z倍频器、时分复用电子开关等几部分：
频率参考单元作用是为激励源1与激励源2提供频率参考，起稳相作用；
为了无缝覆盖0.11THz～1.1THz频段，激励源1可输出9GHz～21GHz频段内任意带宽、频率分辨率为[1/(M×N)]Hz的射频信号1；激励源2可输出9GHz～21GHz频段内任意带宽、频率分辨率为[1/(H×Q)]Hz的射频信号2；如对于0.75THz～1.1THz标准波导频段，Z＝M×N＝H×Q＝72，激励源1产生10.42GHz～15.28GHz频段的射频信号，激励源2产生(10.42-ψ)GHz～(15.28-ψ)GHz频段的射频信号；对于0.5THz～0.75THz标准波导频段，Z＝M×N＝H×Q＝56，激励源1产生9.26GHz～13.89GHz频段的射频信号，激励源2产生(9.26-ψ)GHz～(13.89-ψ)GHz频段的射频信号，其中ψ表示频率偏移量；
功分器1按照1:1等分方式将射频信号1分为两路，一路经放大器1放大后输出，经电子开关，与不同频段太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中倍频链路的激励信号；另一路作为混频器1的输入信号；
功分器2按照1:1等分方式将射频信号2分为两路，一路经放大器2放大后输出，经电子开关，与不同频段的太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中混频链路的本振信号；另一路作为混频器1的输入信号；
混频器1将射频信号1与射频信号2进行差值运算，输出频率为△f的射频信号，经Z倍频器倍频后输入混频器2中。
太赫兹收发模块，包括N倍频器、M倍频器、定向耦合器、H倍频器与Q次谐波混频器等几部分，以0.75THz～1.1THz标准波导频段为例，Z＝M×N＝H×Q＝72，其中N＝2×3×3＝18，M＝4，H＝2×2×3＝12，Q＝6，太赫兹收发模块如图6所示。激励信号1依次经过2×3×3倍频器与4倍频器产生频率分辨率为1Hz超宽带太赫兹信号；激励信号2经过2×2×3倍频器产生6次谐波混频器的本振信号；
对于不同频段的标准太赫兹波导，太赫兹收发一体模块倍频链路M×N值不同，产生频率分辨率为1Hz超宽带太赫兹信号；太赫兹收发一体模块混频链路H×Q值不同；对于0.325THz～0.5THz频段可选组合有Z＝M×N＝H×Q＝36；对于0.75THz～1.1THz频段可选组合有Z＝M×N＝H×Q＝72；
定向耦合器的作用是为倍频链路产生的超宽带太赫兹信号与待测样品散射的携带样品信息的太赫兹信号提供传输通道，定量耦合器具有较高的隔离度，可有效隔离发射信号与散射太赫兹信号之间的干扰。辐射的0.75THz～1.1THz频段太赫兹信号如图7所示。
对于0.75THz～1.1THz标准波导太赫兹频段，起始频率fL＝0.75THz，截止频率fH＝1.1THz，则有，对于宽带射频信号1：起始频率约为f1L＝fL/(M×N)＝10.416GHz，截止频率约为f1H＝fH/(M×N)＝15.277GHz，带宽约为ω1＝(fH-fL)/(M×N)＝4.861GHz；对于宽带射频信号2，设ψ＝100MHz，则有起始频率约为f2L＝(fL-ψ)/(H×Q)＝10.415GHz，截止频率约为f2H＝(fH-ψ)/(H×Q)＝15.276GHz，带宽为ω1＝(fH-fL)/(H×Q)＝4.86GHz，其中ψ表示设定的频移；宽带射频信号1与宽带射频信号2在某一固定时刻的频率差值为定值，即△f＝|f1L-f2L|＝|f1H-f2H|＝1.389MHz；△f×Z＝ψ＝100MHz。
超宽带太赫兹天线的作用是将太赫兹收发模块中倍频链路产生的超宽带太赫兹信号辐射至自由空间中；对于散射式太赫兹显微成像而言，消逝波的产生与入射波的极化方式关系密切，为了获得明显的近场增强效应，需要精确调整入射波入射角度与探针的位置关系，本发明中拟采用基于矩形波导的分路合路式圆极化器产生圆极化波束代替线极化波束，有效减少极化方式对近场增强效应的影响。
短焦透镜的作用是压缩呈高斯分布的超宽带太赫兹波束的束腰尺寸，在较短的距离范围内，实现太赫兹波束的紧聚焦，太赫兹高斯波束如图8所示；
长焦透镜的作用是将聚焦后的高斯波束转换为准平行波束；
通过短焦透镜与长焦透镜相结合的方式实现整形后的超宽带太赫兹波束能够以平行波的形式进行远距离传播，而不会发生明显的扩束行为，便于实现不同频段太赫兹波束整形光路的拼接，平行波束如图9所示。
反射镜与抛物面镜的作用是实现经过整形后的超宽带太赫兹信号在纳米探针针尖处的紧耦合；
在太赫兹波的作用下，在探针针尖附近区域形成太赫兹消逝场，纳米探针实现太赫兹消逝场的局域增强；
探针在压电体的控制下进行固定频率与幅度的振动，频率与幅度有振荡源控制，消逝场与待测样本相互作用的有效信息被调制；经过调制与局域增强的消逝信号在探针针尖处实现强散射，便于进行远场探测；
振荡源的作用是输出两路信号，一路为振动频率Ω＝1MHz与幅度A＝3nm信号，作用于压电体，用于控制探针以一定的频率与幅度做周期性振动；另一路为振动频率3Ω与幅度A信号，与时分复用激励源产生的零中频信号2，经锁相放大得到近场太赫兹信号的幅度与相位信息，经高速数据采集模块，采集放大后传输至计算机，基于计算机集成的核心算法实现材料微纳缺陷的检测分析。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法包括以下步骤：
(1)系统初始化：在测试软件中设置电子开关切换时间间隔△t、扫频带宽W、扫频间隔β、探针振动频率Ω、振动幅度A、采样频率fs等系统核心参数；
(2)将待测样品置于三维控制台上，精确控制样本与探针间的距离至nm级，同时做nm级移动；在压电体的控制下，纳米探针做固定频率与幅度的周期性振动；
(3)太赫兹收发一体模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
(4)对于特定频率，三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
(5)对于特定频率，根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，利用主控计算机中内置的太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
(6)分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹图像，可得到W/β幅太赫兹图像，考虑到纳米探针长径比、行噪声、随机噪声等因素的影响通常会导致成像质量较差，利用主控计算机中内置的基于多信息源的信息融合算法，基于得到的W/β幅太赫兹近场图像，得到待测样品的高质量图像；
(7)基于得到的高质量的太赫兹超分辨率近场图像，利用主控计算机中内置的微纳缺陷检测算法实现待测样品缺陷检测。
作为基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法的一种实施方式，具体为：
(1)系统初始化：在测试软件中设置电子开关切换时间间隔△t、扫频带宽W＝110GHz～170GHz、扫频间隔β＝1MHz、探针振动频率Ω＝1MHz、振动幅度A＝3nm、采样频率fs＝500kHz等系统核心参数；
(2)将待测样品置于三维控制台上，精确控制样本与探针间的距离至3nm，同时做2nm二维移动；在压电体的控制下，纳米探针做固定频率与幅度的周期性振动；200μm长，50nm曲率半径的探针实现太赫兹消逝场的局域增强效果，如图10所示；
(3)太赫兹收发一体模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
(4)对于特定频率，三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
(5)对于特定频率，根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，利用主控计算机中内置的太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
(6)分别得到60GHz扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场谱与太赫兹近场图像，可得到60个太赫兹近场谱与60幅图像，考虑到纳米探针长径比、行噪声、随机噪声等因素的影响通常会导致成像质量较差，利用主控计算机中内置的基于多信息源的信息融合算法，基于得到的60幅太赫兹近场图像，得到待测样品的高质量图像；
(7)基于得到的高质量的太赫兹超分辨率近场图像实现多频点太赫兹近场图的有机融合，得到待测样品更多的物理化学信息，实现待测样品微纳缺陷的检测分析等功能。
实施例三
本实施例提供了一种基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法。
基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用上述如实施例一所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，包括：
获取待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，包括：微波激励源、太赫兹收发模块、镜面组合模块、纳米探针、振荡信号源、锁相放大器、上位机和三维纳米控制台；其中，
微波激励源，用于产生输入太赫兹收发模块的输入信号，以及输入锁相放大器的混频信号；
太赫兹收发模块，用于连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；
镜面组合模块，用于将太赫兹收发模块辐射的太赫兹波束在纳米探针针尖处紧耦合，并将纳米探针局域增强且被调制的消逝信号反射回太赫兹收发模块；
振荡信号源，用于产生控制纳米探针的第一信号，以及输入锁相放大器的第二信号；
锁相放大器，用于将微波激励源产生的混频信号和振荡信号源产生的第二信号锁相放大与高阶解调后，得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
上位机，用于接收待测样品消逝信号的幅度与相位信息，并分析得出用于检测待测样品缺陷的太赫兹超分辨率近场图像；
三维纳米控制台，用于放置待测样品，并控制待测样品与纳米探针间的距离，同时做纳米级移动；
在检测待测样品缺陷的太赫兹超分辨率近场图像时：
控制待测样品与纳米探针间的距离，并使三维控制台做纳米级移动；
太赫兹收发模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
对于特定频率，根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像。
2.根据权利要求1所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，还包括压电体，用于接收所述第一信号，控制纳米探针以一定的频率与幅度做周期性振动。
3.根据权利要求1所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，还包括数据采集模块，用于采集待测样品消逝信号的幅度与相位信息，并将待测样品消逝信号的幅度与相位信息传输至上位机。
4.根据权利要求1所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，所述微波激励源包括频率参考单元、第一激励源、第二激励源、第一功率分配器、第二功率分配器、第一放大器、第二放大器、第一混频器、第二混频器、第一倍频器和电子开关；其中，
频率参考单元，用于为第一激励源和第二激励源提供频率参考；
第一激励源，用于输出第一射频信号；
第二激励源，用于输出第二射频信号；
第一功率分配器，用于将第一射频信号分为两路，一路经第一放大器放大后输出，经电子开关与太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中倍频链路的激励信号，另一路作为第一混频器的第一输入信号；
第二功率分配器，用于将第二射频信号分为两路，一路经第二放大器放大后输出，经电子开关与太赫兹收发模块相连，作为太赫兹收发模块中混频链路的本振信号，另一路作为第一混频器的第二输入信号；
第一混频器，用于将第一输入信号与第二输入信号进行差值运算，输出射频信号，经第一倍频器倍频后输入第二混频器；
第二混频器，用于接收第一倍频器输出的倍频信号和太赫兹收发模块输出的谐波信号，并进行混频处理，将输出的混频信号输入锁相放大器。
5.根据权利要求4所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，所述太赫兹收发模块包括第二倍频器、第三倍频器、定向耦合器、第四倍频器和谐波倍频器；其中，
第二倍频器、第三倍频器、定向耦合器、谐波混频器依次相连，第二倍频器和第三倍频器用于产生第一激励信号对应的第一超宽带太赫兹信号；
定向耦合器用于为倍频链路产生超宽带太赫兹信号与待测样品散射的携带样品信息的太赫兹信号提供传输通道；
第四倍频器与谐波混频器相连，第四倍频器用于将第二激励信号倍频为谐波混频器的本振信号；
谐波混频器，用于将输出的谐波信号输入第二混频器。
6.根据权利要求1所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，所述镜面组合模块包括短焦透镜组、长焦透镜组、反射镜组和抛物面镜；其中，
短焦透镜组，用于压缩呈高斯分布的超宽带太赫兹波束的束腰尺寸，实现太赫兹波束的聚焦；
长焦透镜组，用于将聚焦后的高斯波束转换为准平行波束；
反射镜组与抛物面镜，用于将经过整形后的超宽带太赫兹信号在纳米探针的针尖处紧耦合。
7.根据权利要求1所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，还包括超宽带太赫兹天线，用于将太赫兹收发模块中倍频链路产生的超宽带太赫兹信号辐射至自由空间中。
8.基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用权利要求1-7任一项所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，包括：
控制待测样品与探针间的距离，并使三维控制台做纳米级移动；
太赫兹收发模块连续辐射太赫兹波并接收由纳米探针局域增强且被调制的消逝信号；经过锁相放大与高阶解调得到待测样品某一位置处消逝信号的幅度与相位信息；
三维扫描控制台控制纳米探针遍历待测样品，得到待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
对于特定频率，根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
9.基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测方法，采用权利要求1-7任一项所述的基于多频点信息融合的太赫兹材料微纳缺陷检测装置，其特征在于，包括：
获取待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵；
对于特定频率，根据待测样品消逝信号的幅度矩阵与相位矩阵，采用太赫兹近场成像算法，得到待测样品在此频率下的太赫兹近场图像；
分别得到扫频带宽内特定间隔下所有频率下待测样品的太赫兹近场图像，采用基于多信息源的信息融合算法，基于得到的太赫兹近场图像，得到待测样品的太赫兹超分辨率近场图像；
基于得到的太赫兹超分辨率近场图像，采用微纳缺陷检测算法实现待测样品的缺陷检测。
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