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一种 电子学太赫兹 层析成像仪及测试方法

阅读：722发布：2020-05-08

专利汇可以提供一种电子学太赫兹层析成像仪及测试方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明属于太赫兹成像技术领域，涉及太赫兹层析成像设备及测试方法。一种电子学太赫兹层析成像仪，包括：微波激励源、太赫兹倍频发射源、光束传输单元、太赫兹探测器、采样单元、转台单元和主控计算机；所述光束传输单元包括依次设置在光路上的准直透镜和衍射相位板；所述准直透镜用于将呈高斯分布的太赫兹波转换为平行波束；所述衍射相位板用于将平行波束转化为无明显衍射效应的结构化太赫兹波束。本发明的有益效果是：匀化太赫兹波可满足待测物质大视场、高分辨率及实时成像；太赫兹探测器可进一步简化系统复杂度，且可满足待测物质实时数据采集的应用需求。，下面是一种电子学太赫兹层析成像仪及测试方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种电子学太赫兹层析成像仪，包括：微波激励源、太赫兹倍频发射源、光束传输单元、太赫兹探测器、采样单元、转台单元和主控计算机；其特征在于：所述光束传输单元包括依次设置在光路上的准直透镜和衍射相位板；所述准直透镜用于将呈高斯分布的太赫兹波转换为平行波束；所述衍射相位板用于将平行波束转化为无明显衍射效应的结构化太赫兹波束。
2.根据权利要求1所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的准直透镜前方光路上设有收敛透镜，所述的收敛透镜用于会聚超宽带太赫兹辐射信号。
3.根据权利要求2所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的收敛透镜与所述太赫兹倍频发射源的距离在20 110mm之间，对应的收敛频段为0.1～1.1THz。
~
4.根据权利要求3所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的收敛透镜由64个串联的平行波导组成，平行波导厚80μm，间隔0.5mm，透镜最大直径40mm，波导工作于TE1模式。
5.根据权利要求1所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的衍射相位板包括第一衍射相位板和第二衍射相位板；所述第一衍射相位板将平行波束转换成具有陡峭边缘的呈匀化超洛伦兹函数分布的太赫兹波；所述的第二衍射相位板通过相位补偿实现太赫兹波的远距离无扩束传播。
6.根据权利要求2所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的收敛透镜、准直透镜、和衍射相位板通过可调高度支架安装在自动控制导轨上，所述自动控制导轨与主控计算机连接。
7.根据权利要求1所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述的转台单元包括角度转台、二维转台；所述二维转台与太赫兹探测器连接，控制太赫兹探测器做二维移动；
所述角度转台用于放置待测目标，控制待测目标按一定角速度在0°～360°范围内旋转。
8.根据权利要求1-7任一项所述的电子学太赫兹层析成像仪，其特征在于，所述太赫兹探测器为太赫兹辐射计阵列。
9.一种太赫兹层析成像测试方法，该方法包括以下步骤：
（1）设置太赫兹发射源参数；（2）自动调整透镜及衍射相位板的位置及高度；
（3）待测物质置于角度转台置物架上，通过转台控制器设置角度转台的初始值、步进间隔及转动角速度，将待测物质置于某一特定位置处；同时设置二维转台的扫描范围、步进间隔、扫描速度及归零速度等信息；
（4）对置于特定角度的待测物质，在主控计算机的统一控制下，太赫兹探测器得到待测物质的二维信息，经采集单元储存至计算机中；
（5）在角度转台的控制下，待测物质转至另一角度，重复步骤3，得到待测物质的二维信息；
（6）重复步骤4～5，直至完成待测物质在0°～360°范围内旋转结束，由此可得到待测物质的二维图片集，基于主控计算机内部储存的三维重构算法，实现待测物质三维图像重构，并可分析待测物质的断层信息。

说明书全文

一种电子学太赫兹 层析成像仪及测试方法

技术领域

[0001] 本发明属于太赫兹成像技术领域，涉及太赫兹层析成像设备及测试方法。

背景技术

[0002] 太赫兹层析成像技术类似于基于X射线的层析成像。通过利用太赫兹波的特性，例如对电介质的穿透性，并使用层析重构算法，可以实现对物体内部结构的二维和三维成像。

[0003] 与X射线层析成像技术不同的是，太赫兹层析成像技术具有穿透能力强、安全性高等特性，可实现物质组织结构无损三维成像。传统太赫兹层析技术均是基于高斯波束实现物质组织结构的三维成像。然而，由于高斯波束分布的不均匀性及在传播过程中存在的强衍射效应，导致太赫兹CT存在系统复杂、实时性差等问题，无法满足物质组织结构高分辨率成像的应用需求。

[0004] 中国发明专利申请2016105651440公开一种三维太赫兹层析成像系统及扫描和图像重建方法，三维太赫兹层析成像系统包括太赫兹发射源、斩波器、旋转平移样品台、光束传输单元、太赫兹探测器以及锁相放大器；成像方法包含获取投影数据的扫描方法和图像重建方法，在使用该成像系统对样品进行扫描的过程中，只需记录每个探测点的单频透射光强，不仅成像时间相对减少，而且功率较大，可以对较厚物体的进行成像；根据投影数据进行图像重建的过程中，首先由每个角度下的投影数据得到该角度下的样品的吸收率分布，将其与太赫兹光束光强分布去卷积，获得实际样品吸收率分布。上述成像系统及扫描和图像重建方法，将高斯波束汇集成一个点，扫描过程只需记录每个探测点的单频透射光强。此种方式，一个点一个点的成像，成像速度非常慢。

[0005] 中国发明专利申请201910717191 .6公开一种全电子太赫兹层析成像装置及其控制方法，该装置包括：双路微波信号源，用于生成1路射频微波信号和1路本振微波信号；多通道扩频模块，用于分别将1路射频微波信号和1路本振微波信号扩展成N路射频微波信号和N路本振微波信号，并产生1路参考中频信号；多发多收太赫兹环形阵列，用于分别将N路射频微波信号和N路本振微波信号进行倍频和放大，产生N路太赫兹发射信号和N路太赫兹本振信号，将N路太赫兹本振信号与N路被测样品的散射信号进行混频，得到N路测试中频信号；多通道同步采集单元，用于采集N路测试中频信号和1路参考中频信号；主控计算机采集被测样品散射数据并处理，通过对比源算法实现被测样品的高分辨成像。该成像装置将信号分成参考信号和测试信号，对信号进行混频、调制等，结构复杂，无法实现快速成像。

发明内容

[0006] 为了克服传统基于高斯波束太赫兹层析成像技术的缺陷及不足，本发明提供一种基于结构化太赫兹波束的层析成像装置及测试方法，该装置采用单发多收的太赫兹信号发射及采集模式，可实现待测物质大视场、实时高分辨三维成像。

[0007] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种电子学太赫兹层析成像仪，包括：微波激励源、太赫兹倍频发射源、光束传输单元、太赫兹探测器、采样单元、转台单元和主控计算机；所述的光束传输单元包括依次设置在光路上的准直透镜和衍射相位板；所述的收敛透镜用于将太赫兹信号会聚成点频太赫兹波；所述准直透镜用于对会聚后的呈高斯分布的太赫兹波转换为平行波束；所述衍射相位板用于将平行波束转化为无明显衍射效应的结构化太赫兹波束。

[0008] 进一步地，所述的准直透镜前方光路上设有收敛透镜，所述的收敛透镜用于会聚超宽带太赫兹辐射信号。

[0009] 进一步地，所述的收敛透镜与所述太赫兹倍频发射源的距离在20 110mm之间，对~应的收敛频段为0.1～1.1THz。

[0010] 进一步地，所述的收敛透镜由64个串联的平行波导组成，平行波导厚80μm，间隔0.5mm，透镜最大直径40mm，波导工作于TE1模式。

[0011] 进一步地，所述的衍射相位板包括第一衍射相位板和第二衍射相位板；所述第一衍相位板将平行波束转换成具有陡峭边缘的呈匀化超洛伦兹函数分布的太赫兹波；所述的第二衍射相位板通过相位补偿实现太赫兹波的远距离无扩束传播。

[0012] 进一步的，所述的收敛透镜、准直透镜、和衍射相位板通过可调高度支架安装在自动控制导轨上，所述自动控制导轨与主控计算机连接，在主控计算机的控制下，可自动调整透镜及衍射相位板的位置及高度。

[0013] 本发明还提供了一种全新体制的太赫兹层析成像测试方法，该方法包括以下步骤：（1）设置太赫兹发射源参数；
（2）自动调整透镜及衍射相位板的位置及高度；
（3）待测物质置于角度转台置物架上，通过转台控制器设置角度转台的初始值、步进间隔及转动角速度，将待测物质置于某一特定位置处；同时设置二维转台的扫描范围、步进间隔、扫描速度及归零速度等信息；
（4）对置于特定角度的待测物质，在主控计算机的统一控制下，太赫兹探测器得到待测物质的二维信息，经采集单元储存至计算机中；
（5）在角度转台的控制下，待测物质转至另一角度，重复步骤3，得到待测物质的二维信息；
（6）重复步骤4～5，直至完成待测物质在0°～360°范围内旋转结束，由此可得到待测物质的二维图片集，基于主控计算机内部储存的三维重构算法，实现待测物质三维图像重构，并可分析待测物质的断层信息。

[0014] 本发明的电子学太赫兹层析成像仪及测试方法，与现有技术相比，有益效果在于：(1)本发明提供的电子学太赫兹层析成像仪及测试方法，通过将点频太赫兹连续波转化为无明显衍射极限的结构化太赫兹波束对待测物质进行大视场、均匀照明；通过利用高灵敏度太赫兹辐射计阵列（灵敏度达到0.2-0.3K）对待测物质进行实时扫描，扫描过程只需同时记录所有探测点的透射太赫兹波的电压信息，无需混频下变频太赫兹接收方式所需的参考信号，极大地简化系统复杂度，系统实用性更强；可解决现有基于高斯太赫兹波束（太赫兹脉冲或调频连续波等）层析成像系统扫描时间长、成像速度慢等问题。且系统中采用的太赫兹倍频源可实现大功率太赫兹信号辐射（0.1 1.1THz频段，最大功率达到1W），可满足~
较厚待测物质层析成像对信号功率的需求；
(2)超宽带太赫兹收敛透镜只需通过调整位置即可满足0.1 1.1THz全频段太赫兹信号~
的高性能收敛，无需针对不同频段设计不同的透镜；
(3)衍射相位板对（第一衍射相位板与第二衍射相位板）可实现超宽带太赫兹信号的波束整形，将高斯波束转化为无明显衍射效应的结构化太赫兹波束，如可完全覆盖0.75~
1.1THz；
(4)待测物质三维层析成像，无需繁琐的四维（x-y-z-ɵ，x表示水平向，y表示垂直向，z表示距离向，ɵ表示角度）扫描台，仅需一维扫描台（ɵ）进一步简化系统复杂度，降低成像时间；
(5)利用点频太赫兹波即可实现超宽带太赫兹脉冲信号的成像分辨率，然而却仅需极端的成像时间。
附图说明

[0015] 图1是本发明实施例提供的电子学太赫兹层析成像仪的结构连接图；图2是超宽带收敛透镜结构示意图；
图3是呈高斯分布的高斯波束；
图4是拟合得到的理想高斯分布；
图5是经衍射相位板匀化的太赫兹波；
图6是匀化区域；
图7是太赫兹辐射计阵列示意图。

具体实施方式

[0016] 为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

[0017] 本实施例提供的电子学太赫兹层析成像仪，结构如图1所示，主要包括：主控计算机1、微波激励源2、太赫兹倍频源3、收敛透镜4、准直透镜5、第一衍射相位板6、第二衍射相位板7、太赫兹辐射计阵列11、多通道差分实时采样单元12。

[0018] 其中，微波激励源2产生特定形式的微波信号，用于激励太赫兹倍频源3；太赫兹倍频源3在微波信号的激励下产生太赫兹辐射信号。

[0019] 收敛透镜4、准直透镜5、第一衍射相位板6、第二衍射相位板7依次设置在光路上，并分别通过可调高度支架15安装在自动控制导轨14上。自动控制导轨14及可调高度支架15在主控计算机1的控制下可自动调整透镜及衍射相位板的位置及高度，实现一体化控制。

[0020] 收敛透镜4用于会聚太赫兹倍频源3产生的太赫兹信号，实现太赫兹信号的高效转换。本实施例提供的收敛透镜4是具有凹几何结构的基于人工超材料的超宽带透镜。如图2所示，超宽带透镜是由64个串联平行波导组成，平行波导厚80μm，间隔0.5mm，透镜最大直径40mm，波导工作于TE1模式，超材料的有效折射率n，满足0≤n≤1且与频率有关，0对应截至频率0.1THz，1对应截止频率1.1THz。收敛透镜4与太赫兹倍频源3的距离在20 110mm范围~
内，随着距离的变大，收敛频率也变大，0.1THz在距离为20mm处收敛，1.1THz在距离为110mm处收敛，频率变化不大收敛位置不变。因此，可以通过调整收敛透镜4的位置来调整其收敛频率，实现0.1 1.1THz全频段太赫兹信号的高性能收敛。
~

[0021] 准直透镜5的作用是将经过收敛透镜4会聚的、呈高斯分布的太赫兹波转换为平行波束。

[0022] 第一衍射相位板6将平行太赫兹波转换成具有陡峭边缘的呈匀化超洛伦兹函数分布的太赫兹波，初步实现匀化太赫兹辐射。基本原理是：第一衍射相位板6的入射面是经过准直的呈高斯分布的太赫兹波（水平及垂直方向均呈高斯分布），如图3所示。通过加权最小二乘拟合算法，得到理想高斯分布太赫兹波束，即太赫兹波在0 1000mm范围内，高斯波束的~均值近似在一条中轴线上，如图4所示。第一衍射相位板6入设面对应的入射高斯太赫兹波束的相位分布可通过相位恢复算法得到；第一衍射相位板6输出的边缘陡峭近似矩形的太赫兹波如图5所示。假设入射高斯波束的相位分布为P1，输出太赫兹波的相位分布为P2，第一衍射相位板6的作用就是对P1进行相位补偿，得到期望的如P2一样的相位分布的波形，在已知P2为矩形波相位分布的情况下，第一衍射相位板6表面利用厚度的不均匀性对高斯波束进行相位补偿，得到图5所示的平顶波束。

[0023] 通常第一衍射相位板6的相位补偿能力有限，导致产生的太赫兹波存在较强的震荡且存在扩束传播现象。因此，第二衍射相位板7通过纠正第一衍射相位板6得到的太赫兹波具有的非均匀相位分布，实现太赫兹波的远距离无扩束传播，所需的相位补偿值在第二衍射相位板7上反应在厚度值的不连续变化，最终形成的圆形照明区域直径大于200mm，最大可达米量级；平整度优于0.8，无扩束传播距离大于1000mm，如图6所示。

[0024] 角度转台9用于放置待测物质8，通过转台控制器13设置角度转台9的初始值、步进间隔及转动角速度，将待测物质8置于某一特定位置处接收扫描。

[0025] 太赫兹辐射计阵列11安装在二维转台10上，在转台控制器13的控制下，二维转台10控制太赫兹辐射计阵列11作二维移动，采集待测物质透射的太赫兹信号。如图4所示，太赫兹辐射计阵列11由36通道辐射计组成，以差分形式输出太赫兹信号。

[0026] 多通道差分实时采样单元12采集太赫兹辐射计阵列11输出的太赫兹信号，并完成信号的A/D转换。

[0027] 转台控制器13与角度转台9和二维转台10连接，用于实现角度转台9及二维转台10的参数设置，包括角度转台的初始值、步进间隔及转动角速度、二维转台的扫描范围、步进间隔、扫描速度及归零速度等参数信息。在主控计算机1的控制下，实现角度转台在0°～360°范围内、二维转台在二维方向上，按照设置的参数移动。

[0028] 本发明还提供了另一个实施例，该实施例是一种太赫兹层析成像测试方法，该方法包括以下步骤：（1）通过主控计算机设置微波激励源的射频信号频率及功率等信息；
（2）控制太赫兹倍频源产生需求的太赫兹信号；
（3）自动调整透镜及衍射相位板的位置及高度；
（4）待测物质置于角度转台置物架上，通过转台控制器设置角度转台的初始值、步进间隔及转动角速度，将待测物质置于某一特定位置处；同时设置二维转台的扫描范围、步进间隔、扫描速度及归零速度等信息；
（5）对置于特定角度的待测物质，在主控计算机的控制下，太赫兹辐射计阵列得到待测物质的二维太赫兹信号信息，经采集单元转换后储存至主控计算机中；
（6）在角度转台的控制下，待测物质转至另一角度，重复步骤4，得到待测物质的二维信息；
（7）重复步骤5～6，直至完成待测物质在0°～360°范围内旋转结束，由此可得到待测物质的二维图片集，基于主控计算机内部写入的三维重构算法，实现待测物质三维图像重构，并可分析待测物质的断层信息。

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