CN113568000B - 一种基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于克莱默‑克朗尼格关系的太赫兹成像系统，包括发送链路、自由空间光路、接收链路，发送链路发射的太赫兹信号经自由空间光路投射到被测产品后，被接收链路接收以成像；其中，发送链路采用基于电子学的太赫兹波发生源或基于光学的太赫兹波发生源，发射太赫兹信号；接收链路包括依次连接的太赫兹接收器、电放大器、采集模块以及K‑K成像信息处理模块，经太赫兹接收器接收并下变频太赫兹信号，经电放大器放大后，被采集模块采集到输入至K‑K成像信息处理模块，K‑K成像信息处理模块利用K‑K关系从太赫兹信号的幅度信息中恢复出相位信息，依据相位信息进行被测产品的成像。简化接收链路，配置更加灵活，能够成本。
Description
技术领域
本发明属于成像领域，具体涉及一种基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统。
背景技术
近年来，人们不断对电磁波谱进行探索，在电子学领域和光学领域均取得了不小的进步。但是由于技术条件的限制，在微波和红外之间，还有一段频谱资源，即太赫兹频段(它的频率在100GHz～10THz之间)，一直处于未被充分利用的状态，所以也被称为太赫兹带隙(THz Gap)。太赫兹波具有一些独特的特性，对比目前各类应用于检测的电磁波来看，太赫兹辐射的光子能量低，仅有几毫电子伏特(meV)，所以待检测物质不容易被破坏。再比如，太赫兹波的辐射是非电离的，它在通过非极性介质材料时具有很好的穿透性并沿直线传播。另外，不同的物质对太赫兹信号表现出明显不同的THz特征谱。基于这些特性，太赫兹波在光谱学、非接触式和非破坏性二维成像等领域具有广阔的应用前景。
经文献检索发现，来自韩国的Hajun Song等人于2017年在Optic Express期刊上发表论文“Continuous-wave THz vector imaging system utilizing two-tone signalgeneration and self-mixing detection”。该文献提出了基于连续波的双音信号生成和平方律外差检测的THz矢量成像系统。该方法采用双边带抑制载波(DSB-SC)偏置的电光调制器和单行载流子光电二极管(UTC-PD)光电混合器产生双音信号，然后采用肖特基势垒二极管(SBD)探测器通过自混频检测两路THz信号并分析检测参量。该系统不需要在发射器和探测器之间共享参考信号来测量相位响应。该方法还可以避免外差检测中自激激光器的相位噪声问题。然而系统的接收端较为复杂。由于载波抑制调制方式的原因，需要射频本振，需要变频；由于锁相放大器的带宽限制，需要下变频以及低通滤波。这些混频和低通滤波的操作使接收端变得臃肿。
又经文献检索发现，来自德国的Tobias Harter等人于2020年在NaturePhotonics期刊上发表论文“Generalized Kramers–Kronig(K-K)receiver for coherentterahertz communications”。在该文献中，作者根据克莱默-克朗尼格关系，利用一个肖特基势垒二极管(SBD)，从光电流中数字重建复信号包络的幅度和相位。利用16QAM的调制技术，在300GHz载波频率将115Gbit/s的数据传输速率成功进行了110米距离的传输实验。然而该系统发送端有多个激光器，容易引入更多的相位噪声。只报告了克莱默-克朗尼格关系在太赫兹通信的应用。
发明内容
鉴于上述，本发明的目的是提供一种基于克莱默-克朗尼格关系(简称K-K关系)的太赫兹成像系统，利用K-K关系的原理，可以简化成像系统的接收链路，配置更加灵活，能够降低太赫兹成像系统的成本。
为实现上述发明目的，实施例提供的一种基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，包括发送链路、自由空间光路、接收链路，所述发送链路发射的太赫兹信号经自由空间光路投射到被测产品后，被接收链路接收以成像；
其中，所述发送链路采用基于电子学的太赫兹波发生源或基于光学的太赫兹波发生源，发射太赫兹信号；
所述接收链路包括依次连接的太赫兹接收器、电放大器、采集模块以及K-K成像信息处理模块，经太赫兹接收器接收并下变频太赫兹信号，经电放大器放大后，被采集模块采集到输入至K-K成像信息处理模块，K-K成像信息处理模块利用K-K关系从太赫兹信号的幅度信息中恢复出相位信息，依据相位信息进行被测产品的成像。
在一个实施例中，所述基于电子学的太赫兹辐射源包括：基于真空电子技术的太赫兹辐射源、太赫兹量子级联激光器、太赫兹自由电子激光器等。
在一个实施例中，所述基于光学的太赫兹波发生源包括：基于超快激光技术的太赫兹辐射源、基于光学拍频技术的太赫兹辐射源等。
在一个实施例中，所述自由空间光路包括光阑、太赫兹透镜、离轴抛物面镜等；
其中，所述光阑用于调节校准自由光路；
所述太赫兹透镜用于对太赫兹信号进行准直和聚焦，以减小自由空间传播损耗；
所述离轴抛物面镜用于控制自由空间中的太赫兹信号，作为反射元件，可以消除透射光学元件的位相延迟和吸收损耗。
在一个实施例中，所述太赫兹接收器包括：次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管、量子阱光电探测器等。
在一个实施例中，所述发送链路采用基于光学拍频技术的太赫兹辐射源，所述太赫兹接收器采用肖特基势垒二极管。
在一个实施例中，所述发送链路采用单行载流子光电探测器，拍频后产生的太赫兹信号，所述太赫兹接收器采用肖特基势垒二极管。
在一个实施例中，所述利用K-K关系从太赫兹信号的幅度信息中恢复出相位信息包括：
设m(t)为实际信号，且满足最小相位条件，若对其取对数，则有
式(1)中实部ln[|m(t)|]即为接收端接收到信号的幅值，虚部即为实际信号的相位，t代表时间，由于实际信号满足最小相位条件，利用K-K关系的结论，有
式(2)和(3)中，mR(t)和mI(t)分别表示实际信号的实部和虚部，即可以通过接收到的幅值利用式(3)求得实际信号的相位，t表示时间自变量，dτ表示积分中时间的无穷小量，H表示希尔伯特变换。相位中保存了样品信息，通过相位信息可以实现被测产品的成像。
上述实施例提供的技术方案，具有的有益效果至少包括：
将K-K关系与传统的太赫兹成像系统相结合，接收端链路只需要使用一个二极管，结合数据处理，就能够利用相位进行成像，简化了接收端的链路；能够减少了所需的混频、滤波等操作和处理，系统结构灵活；不需要在低频段处理，提高了信号承载信息的能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1是一实施例提供的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统的结构示意图；
图2是另一实施例提供的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
图1是一实施例提供的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统的结构示意图；如图1所示，实施例提供的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，包括发送链路、自由空间光路、接收链路，所述发送链路发射的太赫兹信号经自由空间光路投射到被测产品后，被接收链路接收以成像。
实施例中，发送链路可以使用不同的太赫兹波发生源，包括基于电子学和光学两种源。其中，基于电子学的太赫兹辐射源可以是基于真空电子技术的太赫兹辐射源、太赫兹量子级联激光器和太赫兹自由电子激光器等；基于光学的太赫兹辐射源可以为基于超快激光技术的太赫兹辐射源和基于光学拍频技术的太赫兹辐射源等。
如图2所示，以光学拍频的太赫兹辐射源为例来进行原理的说明，发射链路依次相连的可调谐激光器1、偏振控制器1、射频源、光调制器、光滤波器、光放大器、可调谐激光器2、耦合器、偏振控制器2、起偏器、衰减器和太赫兹发射器，还包括与光调制器连接的射频源，输入耦合器的可调谐激光器2，这样组成的太赫兹辐射源能够通过光学拍频发射太赫兹信号。
实施例中，自由空间光路包括光阑、太赫兹透镜和离轴抛物面镜等相应光学元件以及样品；其中，光阑用于调节校准自由光路；太赫兹透镜用于对太赫兹信号进行准直和聚焦，以减小自由空间传播损耗；离轴抛物面镜用于控制自由空间中的太赫兹信号，作为反射元件，可以消除透射光学元件的位相延迟和吸收损耗。
太赫兹发射器采用较为常用的单行载流子光电探测器，拍频后产生的太赫兹信号经过发射天线发射到自由空间，通过离轴抛物面镜聚焦到样品上，再由离轴抛物面镜汇聚到接收端的天线。
实施例中，接收链路包括依次相连的太赫兹接收器、电放大器、采集模块和K-K成像信息处理模块。太赫兹接收器采用较为常用的肖特基势垒二极管，例如Virginia Diodes公司的WR3.4ZBD型，其频率响应范围为220-330GHz。接收到的信号在接收器处进行下变频处理，将中/低频的信号模数转换后进行数据处理，利用K-K关系，通过幅度信息恢复出相位信息。设m(t)为实际信号，且满足最小相位条件，若对其取对数，则有：
式(1)中实部ln[|m(t)|]即为接收端接收到信号的幅值，虚部即为实际信号的相位，t代表时间，由于实际信号满足最小相位条件，利用K-K关系的结论，有
式(2)和(3)中，mR(t)和mI(t)分别表示实际信号的实部和虚部，即可以通过接收到的幅值利用式(3)求得实际信号的相位，t表示时间自变量，dτ表示积分中时间的无穷小量，H表示希尔伯特变换。相位中保存了样品信息，通过相位信息可以实现被测产品的成像。
上述基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，将K-K关系与传统的太赫兹成像系统相结合，接收端链路只需要使用一个二极管，结合数据处理，就能够利用相位进行成像，简化了接收端的链路；能够减少了所需的混频、滤波等操作和处理，系统结构灵活；不需要在低频段处理，提高了信号承载信息的能力。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，其特征在于，包括发送链路、自由空间光路、接收链路，所述发送链路发射的太赫兹信号经自由空间光路投射到被测产品后，被接收链路接收以成像；
其中，所述发送链路采用基于电子学的太赫兹波发生源或基于光学的太赫兹波发生源，发射太赫兹信号，其中，基于电子学的太赫兹辐射源包括太赫兹量子级联激光器、太赫兹自由电子激光器；基于光学的太赫兹波发生源包括基于超快激光技术的太赫兹辐射源、基于光学拍频技术的太赫兹辐射源；
所述接收链路包括依次连接的太赫兹接收器、电放大器、采集模块以及K-K成像信息处理模块，经太赫兹接收器接收并下变频太赫兹信号，经电放大器放大后，被采集模块采集到输入至K-K成像信息处理模块，K-K成像信息处理模块利用K-K关系从太赫兹信号的幅度信息中恢复出相位信息，依据相位信息进行被测产品的成像；
其中，太赫兹接收器包括次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管、量子阱光电探测器；
利用K-K关系从太赫兹信号的幅度信息中恢复出相位信息包括：
设m(t)为实际信号，且满足最小相位条件，若对其取对数，则有
式(1)中实部ln[|m(t)|]即为接收端接收到信号的幅值，虚部即为实际信号的相位，t代表时间，由于实际信号满足最小相位条件，利用K-K关系的结论，有
式(2)和(3)中，mR(t)和mI(t)分别表示实际信号的实部和虚部，即可以通过接收到的幅值利用式(3)求得实际信号的相位，t表示时间自变量，dτ表示积分中时间的无穷小量，H表示希尔伯特变换。
2.如权利要求1所述的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，其特征在于，所述自由空间光路包括光阑、太赫兹透镜、离轴抛物面镜；
其中，所述光阑用于调节校准自由光路；
所述太赫兹透镜用于对太赫兹信号进行准直和聚焦；
所述离轴抛物面镜用于控制自由空间中的太赫兹信号。
3.如权利要求1所述的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，其特征在于，所述发送链路采用基于光学拍频技术的太赫兹辐射源，所述太赫兹接收器采用肖特基势垒二极管。
4.如权利要求1所述的基于克莱默-克朗尼格关系的太赫兹成像系统，其特征在于，所述发送链路采用单行载流子光电探测器，拍频后产生的太赫兹信号，所述太赫兹接收器采用肖特基势垒二极管。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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