CN114002160B - 一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统及方法 - Google Patents

Abstract

本公开实施例中提供了一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统及方法，属于太赫兹成像技术领域，所述系统包括：发射链路及喇叭天线，用于辐射出太赫兹高斯波束；分束镜；第一抛物面反射镜，用于将透射通过所述分束镜的太赫兹高斯波束准直为平行光束；第二抛物面反射镜，用于将所述平行光束聚焦于样品；以及接收链路及喇叭天线，用于接收经所述第二抛物面反射镜准直、所述第一抛物面反射镜聚焦以及所述分束镜反射的反射光束。通过本公开的处理方案，提高了对被测样品内部的成像检测能力。

Description

一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统及方法

技术领域

本发明属于太赫兹成像的技术领域，尤其涉及一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统。

背景技术

无损检测是利用物质的声、光、电和磁等特性，在不损害或不影响被检测对象使用性能的前提下，检测被检对象是否存在不均匀性或缺陷，并给出缺陷大小、位置、性质和数量等信息的一种技术。根据不同的探测方式和工作原理，现已发展了约70余种无损检测手段，如超声检测、射线检测、涡流检测、红外检测、渗透检测和激光全息检测等。

超声检测利用超声波在被测材料中传播的声学特性（声速、声衰减等）来直接或间接地反映其材料特性，但是在测试时，探头与测试部位通常需要涂抹耦合剂，因而需要与被测材料发生接触。射线检测利用射线穿透物体时的衰减（吸收、散射）来反映被测物的内部结构信息，但射线的光子能量高，会产生生物电离效应，对人体有害，同时其检测设备一般较为庞大。红外检测基于普朗克辐射定律，不同的缺陷或材料会引起不同的辐射性能差异，因而可以通过热成像完成检测，但易受到检测背景的影响，尤其是被动方式，且随着缺陷深度的增加，检测灵敏度急剧下降，同时其对于内部缺陷的检测定位不够准确。

太赫兹波在频谱上位于微波与红外之间，使得其既不完全遵从低端微波电子学的特点，也不完全遵从高端光子学的特点，处于电子学与光子学的交叉领域，这使得太赫兹波段具有穿透性、安全性、大带宽、高分辨、非接触等多种重要特性，在成像领域逐渐成为热点。相对于红外或光学成像，太赫兹波的穿透性更强，可以对被测物的内部进行有效检测；相对于X射线成像，太赫兹波的安全性不会对被测物与操作人员带来危害，且对软材料可以提供更好的对比度；相对于微波、毫米波成像，太赫兹波由于其更短的波长和更大的带宽，可以获得更好的分辨率；相对于超声波成像，其是完全非接触式检测，并且可实现更高的分辨率。因此，太赫兹成像凭借其独特优势，成为无损检测的一种新型且重要的补充手段。

传统的太赫兹波二维成像技术只能反映样品的表面或整体信息，无法满足内部信息观测的需求，而太赫兹三维成像技术能获取物体内部的结构信息，实现对在可见光波段非透明的电介质材料的无损检测。太赫兹线性调频连续波成像作为太赫兹三维成像技术的一种，因其具有功率大、小型化、成本低、扫描速度快等特点，在无损检测领域得到广泛的应用。同时由于太赫兹器件，如太赫兹高功率辐射源的限制，发射功率较低，不利于较厚样品的内部检测。

因此针对太赫兹三维成像需求以及太赫兹成像系统发射功率较低的问题，本发明提出一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统。

发明内容

有鉴于此，本公开实施例提供一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统及方法，至少部分解决现有技术中存在的问题。

第一方面，提供了一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统，包括：

发射链路及喇叭天线，用于辐射出太赫兹高斯波束；

分束镜；

第一抛物面反射镜，用于将透射通过所述分束镜的太赫兹高斯波束准直为平行光束；

第二抛物面反射镜，用于将所述平行光束聚焦于样品；以及

接收链路及喇叭天线，用于接收经所述第二抛物面反射镜准直、所述第一抛物面反射镜聚焦以及所述分束镜反射的反射光束。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述发射链路及喇叭天线的口面中心、所述分束镜的中心和所述第一抛物面反射镜的口面中心位于一条直线；

所述发射链路及喇叭天线的相位中心和所述第一抛物面反射镜的焦点重合；

所述样品位于所述第二抛物面反射镜的焦平面处；并且

所述接收链路及喇叭天线的相位中心和所述第一抛物面反射镜的焦点重合。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述分束镜呈45°放置。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述发射链路及喇叭天线和/或所述接收链路及喇叭天线为对角喇叭天线或圆锥喇叭天线。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述分束镜为高阻硅材料，其透反能量比为54%:46%。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述第一抛物面反射镜和/或所述第二抛物面反射镜为二次曲面反射镜。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述系统还包括平移台，所述样品被放置于所述平移台。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述系统还包括数据采集卡以及上位机，所述数据采集卡用于采集所述接收链路及喇叭天线接收的信号，所述上位机用于控制所述平移台的移动、所述数据采集卡的数据采集及实时成像显示。

第二方面，提供了一种利用第一方面所述的太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法，所述方法包括：

在所述平移台上不放置样品，以获取背景的回波信号，以用于背景对消；

在所述平移台上放置金属板，得到金属板的回波信号，以用于线性度校准；

在所述平移台上放置被测样品，以得到所述被测样品不同位置的回波信号；以及

基于所述背景的回波信号、所述金属板的回波信号、所述被测样品的回波信号，得到所述被测样品的三维层析成像结果。

根据本公开实施例的一种具体实现方式，所述基于所述背景的回波信号、所述金属板的回波信号、所述被测样品的回波信号，得到所述被测样品的三维层析成像结果，包括：

在所述平移台上不放置样品，记录此时的中频信号

：

在所述平移台上放置金属板，记录此时的中频信号

：

其中n为时间序列，

为调频信号的起始频率，

为辅助目标的回波时 延，

为AD采样频率，K表示调频信号的调频斜率，其等于扫频带宽除以扫频重复周期：

，

和

分别为发射非线性相位项和接收非线性相位项；

在所述平移台上放置被测样品，记录被测样品的中频信号

；

按照下式执行背景对消，其中金属板以及被测样品背景对消后中频信号分别为：

通过希尔伯特变换将金属板背景对消后的实信号转换为复信号

；以及

按照下式执行相位补偿，得到校准后的中频信号

：

本公开实施例中提供的一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统包括：发射链路及喇叭天线，用于辐射出太赫兹高斯波束；分束镜；第一抛物面反射镜，用于将透射通过所述分束镜的太赫兹高斯波束准直为平行光束；第二抛物面反射镜，用于将所述平行光束聚焦于样品；以及接收链路及喇叭天线，用于接收经所述第二抛物面反射镜准直、所述第一抛物面反射镜聚焦以及所述分束镜反射的反射光束。通过本公开的处理方案，提高了对被测样品内部的成像检测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统示意图；

图2为一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统测试流程示意图；

图3为直接对消法示意图。

在图中，1.发射链路及喇叭天线 2.分束镜 3.第一抛物面反射镜 4.接收链路及喇叭天线 5.第二抛物面反射镜 6.待测样品 7.二维平移台 8.数据采集卡 9.上位机。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明的目的是针对目前太赫兹无损检测成像系统三维成像需求以及发射功率较低的问题，提出一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统。针对三维成像需求，利用调频连续波技术配合二维平移台，实现对被测样品的三维层析成像；针对太赫兹成像系统发射功率低的问题，基于太赫兹波的准光理论，利用光学镜片约束太赫兹波在空间的传输，通过合理的系统设计，实现太赫兹波束空间聚焦，从而提升了太赫兹波能量密度，同时用抛物面反射镜代替透镜，可最大程度减少使用透镜带来的功率损耗，有助于提高对被测样品内部的成像检测能力，一定程度上弥补了太赫兹系统发射功率低的问题。

本发明的技术方案如下：

一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统包括：太赫兹收发链路及喇叭天线、分束镜、抛物面反射镜、待测样品、二维平移台、数据采集卡和上位机。

其中太赫兹发射链路及喇叭天线用于辐射太赫兹线性调频连续波信号，分束镜用于发射链路和接收链路的波束分束，抛物面反射镜用于太赫兹波束的准直和聚焦，二维平移台用于控制待测样品的二维移动，数据采集卡用于中频信号的采集，上位机用于控制平移台的移动、数据采集卡的采集及实时成像显示。

喇叭天线以对角喇叭或圆锥喇叭天线最优，可保证天线方向图E面和H面的对称性及较高的辐射效率。

分束镜为高阻硅材料，其透反能量比为54%:46%，在光路中呈45°放置，发射光路利用其透射特性，接收光路利用其反射特性。实际上，对于本发明中的透反射能量都要利用的系统，透反能量比为50%:50%是最优的。

抛物面反射镜为二次曲面反射镜，对光束进行整形，可最大程度减少使用透镜带来的功率损耗，并可矫正像差。

准光系统光路原理为：太赫兹发射链路及喇叭天线辐射出太赫兹高斯波束，经分束镜透射，经抛物面反射镜准直为平行光束后，再经抛物面反射镜聚焦至被测样品表面，携带样品信息的反射光束反射回抛物面反射镜准直为平行光束后，再经抛物面发射镜聚焦，经分束镜反射，被接收链路及喇叭天线接收。

测试流程为包含以下几个步骤：步骤一，平移台上不放置样品，测得背景的回波信号，用以背景对消；步骤二，平移台上放置金属板，得到金属板的回波信号，用以线性度校准；步骤三，平移台上放置被测样品，配合二维扫描，得到被测样品不同位置的回波信号；步骤四，通过背景对消、线性度校准技术，对背景、金属板、被测样品的回波信号进行处理，将不同位置经过算法处理后的信号进行拼接，从而得到被测样品的三维层析成像结果。

接下来，参照附图，具体描述本发明中的太赫兹调频连续波无损检测成像系统及方法。

如图1所示，本发明中的太赫兹调频连续波无损检测成像系统包括：发射链路及喇叭天线1、分束镜2、第一抛物面反射镜3、接收链路及喇叭天线4、第二抛物面反射镜5、被测样品6、二维平移台7、数据采集卡8和上位机9。

实施例中，太赫兹调频连续波无损检测成像系统整体原理为：太赫兹发射链路及喇叭天线1辐射出太赫兹高斯波束，经分束镜2透射，经第一抛物面反射镜3准直为平行光束，经第二抛物面反射镜5聚焦至被测样品6表面，携带样品信息的反射光束反射回第二抛物面反射镜5准直为平行光束，经第一抛物面发射镜3聚焦，经分束镜2反射，被接收链路及喇叭天线4接收，之后通过数据采集卡8采集后便可得到中频回波信号。

需要说明的是，术语“中频回波信号”或“中频信号”为接收链路及喇叭天线4接收到的信号与本振混频后所得到的低频信号。

还需要说明的是，在本发明中，发射链路及喇叭天线1包含发射链路和发射天线，发射链路用于将微波信号上变频至太赫兹频段，发射天线用于将太赫兹信号辐射出去。接收链路及喇叭天线4与发射链路及喇叭天线1类似，在此不再赘述。

另外，在本发明中，元器件相对位置关系为发射链路喇叭天线1的口面中心、分束镜2中心和抛物面反射镜3口面中心位于一条直线，且发射链路喇叭天线1的相位中心和第一抛物面反射镜3焦点重合。分束镜2呈45°放置，样品6位于第二抛物面反射镜5的焦平面处，接收链路喇叭天线4的相位中心和第一抛物面反射镜3焦点重合。

实施例中提供的测试流程如图2所示，所涉及的直接对消法算法流程如图3所示，数据处理过程具体包括以下步骤：

步骤一：平移台上不放置样品，记录此时的中频信号

：

步骤二：平移台上放置金属板，记录此时的中频信号

：

其中n序列，

为调频信号的起始频率，调频信号为发射链路及喇叭天线1发射 的信号，由于该信号是一个宽带信号，所以会存在起始频率以及终止频率，

为辅 助目标的回波时延，在本发明中，辅助目标为金属板，辅助目标的回波时延即为在放置了金 属板的情况下接收到信号与发射信号之间的时间差，

为AD采样频率，即数据采集卡8的 采样频率，K表示调频信号的调频斜率，其等于扫频带宽除以扫频重复周期：

，其中 扫频带宽是发射信号的带宽，扫频重复周期是扫频信号的重复时间，

和

分别为发射非线性相位项和接收非线性相位项，即发射信号的非线性相位 以及接收信号的非线性相位。

步骤三：平移台上放置被测样品，记录被测样品的中频信号

。

步骤四：背景对消，金属板以及被测样品背景对消后中频信号分别为：

通过希尔伯特变换将金属板背景对消后的实信号转换为复信号

。

步骤五：相位补偿，得到校准后的中频信号

：

通过本公开的处理，提高了对被测样品内部的成像检测能力。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法，其特征在于，所述方法包括：

采用太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像，系统包括：

发射链路及喇叭天线，用于辐射出太赫兹高斯波束；

分束镜；

第一抛物面反射镜，用于将透射通过所述分束镜的太赫兹高斯波束准直为平行光束；

第二抛物面反射镜，用于将所述平行光束聚焦于样品；以及

接收链路及喇叭天线，用于接收经所述第二抛物面反射镜准直、所述第一抛物面反射镜聚焦以及所述分束镜反射的反射光束；

所述发射链路及喇叭天线的口面中心、所述分束镜的中心和所述第一抛物面反射镜的口面中心位于一条直线；

所述发射链路及喇叭天线的相位中心和所述第一抛物面反射镜的焦点重合；

所述样品位于所述第二抛物面反射镜的焦平面处；并且

所述接收链路及喇叭天线的相位中心和所述第一抛物面反射镜的焦点重合；

还包括平移台，所述样品被放置于所述平移台；

在所述平移台上不放置样品，以获取背景的回波信号，以用于背景对消；

在所述平移台上放置金属板，得到金属板的回波信号，以用于线性度校准；

在所述平移台上放置被测样品，以得到所述被测样品不同位置的回波信号；以及

基于所述背景的回波信号、所述金属板的回波信号、所述被测样品的回波信号，得到所述被测样品的三维层析成像结果；

所述基于所述背景的回波信号、所述金属板的回波信号、所述被测样品的回波信号，得到所述被测样品的三维层析成像结果，包括：

在所述平移台上不放置样品，记录此时的中频信号

：

在所述平移台上放置金属板，记录此时的中频信号

：

其中

为时间序列，

为调频信号的起始频率，

为辅助目标的回波时延，

为AD采样频率，

表示调频信号的调频斜率，其等于扫频带宽B除以扫频重复周期T：

，

和

分别为发射非线性相位项和接收非线性相位项；

在所述平移台上放置被测样品，记录被测样品的中频信号

；

按照下式执行背景对消，其中金属板以及被测样品背景对消后中频信号分别为：

通过希尔伯特变换将金属板背景对消后的实信号转换为复信号

；以及

按照下式执行相位补偿，得到校准后的中频信号

：

。

2.根据权利要求1所述的太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法，其特征在于，所述分束镜呈45°放置；分束镜为高阻硅材料，其透反能量比为54%:46%。

3.根据权利要求1所述的太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法，其特征在于，所述发射链路及喇叭天线和/或所述接收链路及喇叭天线为对角喇叭天线或圆锥喇叭天线。

4.根据权利要求1所述的太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法 ，其特征在于，所述第一抛物面反射镜和/或所述第二抛物面反射镜为二次曲面反射镜。

5.根据权利要求1所述的太赫兹调频连续波无损检测成像系统进行成像的方法，其特征在于，所述系统还包括数据采集卡以及上位机，所述数据采集卡用于采集所述接收链路及喇叭天线接收的信号，所述上位机用于控制所述平移台的移动、所述数据采集卡的数据采集及实时成像显示。

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