CN102288299A - 基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***及方法 - Google Patents

基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***及方法，利用光电导型太赫兹量子阱探测器作为探测器，采用自行设计的辐射信号去噪调制方法，同步控制模块和信号传输-汇聚光路，完成了基于THzQWP的被动式热成像探测。在热辐射信号的采集端，利用可调式孔径光阑和斩波器对热辐射信号进行调制，调制频率由斩波器设定。THzQWP的信号检测电路端采用光电导模式，THzQWP通过离轴抛面镜组汇聚光路接收辐射信号并提取THz信号，通过加上稳定偏压，经跨阻放大器将THzQWP光电流转换成电压，通过低噪声放大器放大，由锁相放大器读数据。读出的信号再由同步控制模块记录并处理，最终获得热图像信息。

Description

基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***及方法
技术领域
本发明涉及一种利用太赫兹(THz)量子阱探测器(QWP，Quantum Well Photodetector)进行被动热成像探测的***及方法。属于半导体光电器件应用技术领域。
背景技术
被动式热成像是热像探测仪通过接收物体的热辐射并把它转换为电信号反映在热图上，根据热图来提取目标特征信息的技术。该技术利用探测仪，通过测定目标和背景之间的热辐射射线差就可以得到不同的热辐射图像，即热图。目标的热图反映的是目标表面温度的分布图像。物体热辐射能量的大小和物体表面温度有关，热辐射的这个特点使人们可以利用它来对物体进行无接触温度测量和热状态分析，从而为医疗诊断、工业生产、节约能源、保护环境等方面提供一个重要的检测手段和诊断工具。
目前，被动热成像主要集中于红外波段，并且成像技术较为成熟，但是由于杂乱背景信号的限制，其探测的精度和准确度还是不高，在某些特殊环境(大雾，粉尘等)下红外波段的热成像甚至无法实现。太赫兹(THz)辐射是指频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，由于THz波比红外具有更小的散射消光系数，同时，红外波段对于塑料，纸张等材料的穿透率几乎为零，而THz波却具有一定的透过率，因此非常适合成像应用。如果将THz波用于被动热成像技术中就可以使热成像技术广泛应用于消防安全和隐藏物体安检等领域，具有很高的实际利用价值。太赫兹成像的巨大潜力驱使着各国的研究人员对其进行深入而广泛的研究，但目前对THz波被动热成像技术的研究还处于探索阶段，对太赫兹图像信息的分析和处理技术也有待进一步实用化。
太赫兹量子阱探测器(THzQWP，THz Quantum Well Photodetector)是一种重要的窄带探测器，与其他宽带探测器相比具有很好的光谱分辨能力和很快的响应速度，在高灵敏度和高分辨率探测尤其是在焦平面阵列制备方面具有独特的优势。目前，基于GaAs/AlGaAs材料体系的量子阱探测器主要有光电导型和光伏型两种，已报道的THz波段的量子阱探测器多属于光电导型。
本发明的发明人经过长期对THz波热成像技术以及各种太赫兹探测器的研究，提出了一种利用太赫兹量子阱探测器进行被动热成像探测的***及方法，从而可实现THz波被动热成像技术的实际应用，有利于该技术的推广和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种基于太赫兹量子阱探测器(THzQWP)的被动式热成像探测***及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，包括：
位于载物台上的辐射源、去噪调制模块、传输汇聚光路***、太赫兹量子阱探测器、信号处理模块、同步控制模块以及显示模块；
所述位于载物台上的辐射源向所述去噪调制模块辐射信号；
所述去噪调制模块接收所述辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至所述传输汇聚光路***；
所述传输汇聚光路***将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至所述太赫兹量子阱探测器；
所述太赫兹量子阱探测器将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块；
所述同步控制模块分别与所述载物台、去噪调制模块、信号处理模块相连，同步控制所述载物台、去噪调制模块以及信号处理模块，获取辐射源的热图像信息；
所述同步控制模块与所述显示模块相连，将辐射源的热图像信息发送至所述显示模块显示出来。
作为本发明的优选方案，所述载物台为由步进式电机控制的二维平移台。
作为本发明的优选方案，所述去噪调制模块包括可调式孔径光阑和与之配合的斩波器。
作为本发明的优选方案，所述传输汇聚光路***包括第一离轴抛面镜和与之配合的第二离轴抛面镜。
作为本发明的优选方案，所述太赫兹量子阱探测器为光电导型太赫兹量子阱探测器。进一步优选地，THzQWP工作温度为3.4K，在3.2THz处的峰值响应率为0.5A/W。
作为本发明的优选方案，所述信号处理模块包括依次连接的跨阻放大器、低噪声放大器及锁相放大器，并由电源提供稳定偏压。
一种利用上述基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，包括如下步骤：
步骤一、所述去噪调制模块接收位于载物台上的辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至所述传输汇聚光路***；
步骤二、所述传输汇聚光路***将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至所述太赫兹量子阱探测器；
步骤三、所述太赫兹量子阱探测器将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块进行处理；
步骤四、所述同步控制模块同步控制所述载物台、去噪调制模块以及信号处理模块，读取并记录所述信号处理模块处理后的信号，最终获取辐射源的热图像信息，并通过显示模块显示出来。
作为本发明的优选方案，步骤一、所述去噪调制模块包括可调式孔径光阑和与之配合的斩波器，通过调节可调式孔径光阑与辐射源的相对距离以及该光阑的通光孔径大小，使辐射信号构成扇束照射模式，从而实现去噪，并采用斩波器进行频率调制。
进一步优选地，采用斩波器可将调制频率设定为25Hz、100Hz或200Hz。
进一步优选地，采用所述去噪调制模块进行去噪调制的信噪比应大于等于32。
作为本发明的优选方案，步骤二中，所述传输汇聚光路***采用第一离轴抛面镜将辐射信号由发散光束改变为平行光束传输，再采用第二离轴抛面镜将平行光束汇聚至所述太赫兹量子阱探测器。
作为本发明的优选方案，步骤三中，所述太赫兹量子阱探测器将太赫兹波转换为光电流；所述信号处理模块通过施加稳定偏压，经过跨阻放大器将所述光电流转换为电压信号，并通过低噪声放大器放大该电压信号，然后由锁相放大器读取电压信号数据。
作为本发明的优选方案，步骤四中，所述同步控制模块使所述载物台步进式平移以实现对辐射源的透射扫描，同步调整去噪调制模块，并同步读取及记录所述信号处理模块处理后的信号，通过采集THz波的透射强度，从而获取辐射源的热图像信息。
本发明的有益效果在于：
本发明提出的基于太赫兹量子阱探测器(THzQWP)的被动式热成像探测***及方法，利用光电导型太赫兹(THz)量子阱探测器(Quantum Well Photodetector，QWP)作为探测器，采用自行设计的辐射信号去噪调制方法，同步控制模块和信号传输-汇聚光路，完成了基于THzQWP的被动式热成像探测。在热辐射信号的采集端，利用可调式孔径光阑和斩波器对热辐射信号进行调制，调制频率由斩波器设定。THzQWP的信号检测电路端采用光电导模式，THzQWP通过离轴抛面镜组汇聚光路接收辐射信号并提取THz信号，通过加上稳定偏压，经跨阻放大器将THzQWP光电流转换成电压，通过低噪声放大器放大，由锁相放大器读数据。读出的信号再由同步控制模块记录并处理，最终获得热图像信息。
本发明基于THzQWP的被动式热成像探测***及方法实现了THz波被动热成像技术的实际应用，对THz成像技术的发展和推广有重要意义。
附图说明
为进一步说明本发明的内容，以下结合示意图对本发明做进一步的描述，其中：
图1为本发明的***结构示意图；
图2为实施例中热辐射的去噪调制模块示意图；
图3为是实施例中THzQWP被动式热成像探测方法原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的优选实施例和具体实施步骤，为了示出的方便附图并未按照比例绘制。
参阅图1，本发明提出的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，包括：位于载物台10上的辐射源、去噪调制模块20、传输汇聚光路***30、太赫兹量子阱探测器40、信号处理模块50、同步控制模块60以及显示模块70。
所述位于载物台10上的辐射源向所述去噪调制模块20辐射信号；所述去噪调制模块20接收所述辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至所述传输汇聚光路***30；所述传输汇聚光路***30将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至所述太赫兹量子阱探测器40；所述太赫兹量子阱探测器40将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块50；所述同步控制模块60分别与所述载物台10、去噪调制模块20、信号处理模块50相连，同步控制所述载物台10、去噪调制模块20以及信号处理模块50，获取辐射源的热图像信息；所述同步控制模块60与所述显示模块70相连，将辐射源的热图像信息发送至所述显示模块70显示出来。
其中，所述载物台10本实施例优选为由步进式电机控制的二维平移台。所述去噪调制模块20包括可调式孔径光阑和与之配合的斩波器。所述传输汇聚光路***30包括第一离轴抛面镜PM1和与之配合的第二离轴抛面镜PM2。如图2所示。对背景辐射信号的去噪主要通过调节可调式孔径光阑与被测物(被测物置于第一离轴抛面镜PM1焦点处)的相对距离以及该光阑通光孔径大小，使其构成扇束照射模式，降低环境噪声影响，调制频率主要由斩波器设定。
所述太赫兹量子阱探测器40优选为光电导型太赫兹量子阱探测器。进一步优选地，THzQWP工作温度为3.4K，在3.2THz处的峰值响应率为0.5A/W。所述信号处理模块50可以包括依次连接的跨阻放大器、低噪声放大器及锁相放大器，并由电源提供稳定偏压。
图3为本实施例中THzQWP被动式热成像探测方法的原理示意图，该探测方法具体包括如下步骤：
步骤一、去噪调制模块接收位于载物台上的辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至传输汇聚光路***。
其中，去噪调制模块，如图2所示，通过调节可调式孔径光阑与辐射源的相对距离以及该光阑的通光孔径大小，进行限束，使辐射信号构成扇束照射模式，从而实现去噪，并采用斩波器进行频率调制。调制频率分别设置为25Hz，100Hz，200Hz均能进行热成像。通过不同信噪比下成像效果对比，确定THzQWP被动式热成像的临界信噪比为32，在不低于该信噪比的情况下所得的图像能够具有较好的分辨率，约为1.5mm。成像模式采用透射扫描模式。
步骤二、传输汇聚光路***将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至太赫兹量子阱探测器。
其中，所述传输汇聚光路***采用第一离轴抛面镜PM1将调制之后的辐射信号收集，由发散光束改变为平行光束传输，再采用第二离轴抛面镜PM2将平行光束汇聚至THzQWP。调制频率为25Hz，传输距离为2m。
步骤三、太赫兹量子阱探测器将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至信号处理模块进行处理。
其中，太赫兹量子阱探测器将太赫兹波转换为光电流。信号处理模块通过施加稳定偏压，经过跨阻放大器将所述光电流转换为电压信号，并通过低噪声放大器放大该电压信号，然后由锁相放大器读取电压信号数据。本实施例中THzQWP信号检测电路采用1节干电池供电，供电电压为1.67V。提供给Bias-Volt端的偏置电压约为-25mV。THzQWP工作温度为3.4K，在3.2THz处的峰值响应率为0.5A/W，探测率可达1011cm·Hz1/2/W。
步骤四、同步控制模块同步控制所述载物台、去噪调制模块以及信号处理模块，读取并记录所述信号处理模块处理后的信号，最终获取辐射源的热图像信息，并通过显示模块显示出来。
其中，所述同步控制模块使所述载物台步进式平移以实现对辐射源的透射扫描，同步调整去噪调制模块，并同步读取及记录所述信号处理模块处理后的信号，通过采集THz波信息，从而获取辐射源的热图像信息。本实施例中，将待测物体放置在二维平移台上，采用透射扫描模式，所采集的数据为THz波的透射强度，利用同步控制程序对步进式电机和测试数据的锁相放大器进行同步控制。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (13)

1.一种基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于，包括：位于载物台上的辐射源、去噪调制模块、传输汇聚光路***、太赫兹量子阱探测器、信号处理模块、同步控制模块以及显示模块；
所述位于载物台上的辐射源向所述去噪调制模块辐射信号；
所述去噪调制模块接收所述辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至所述传输汇聚光路***；
所述传输汇聚光路***将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至所述太赫兹量子阱探测器；
所述太赫兹量子阱探测器将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块；
所述同步控制模块分别与所述载物台、去噪调制模块、信号处理模块相连，同步控制所述载物台、去噪调制模块以及信号处理模块，获取辐射源的热图像信息；
所述同步控制模块与所述显示模块相连，将辐射源的热图像信息发送至所述显示模块显示出来。
2.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于：所述去噪调制模块包括可调式孔径光阑和与之配合的斩波器。
3.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于：所述传输汇聚光路***包括第一离轴抛面镜和与之配合的第二离轴抛面镜。
4.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器为光电导型太赫兹量子阱探测器。
5.根据权利要求1或4所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于：所述太赫兹量子阱探测器的工作温度为3.4K，在3.2THz处的峰值响应率为0.5A/W。
6.根据权利要求1所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***，其特征在于：所述信号处理模块包括依次连接的跨阻放大器、低噪声放大器及锁相放大器，并由电源提供稳定偏压。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一、所述去噪调制模块接收位于载物台上的辐射源的辐射信号，并将接收到的辐射信号去噪、调制，然后发送至所述传输汇聚光路***；
步骤二、所述传输汇聚光路***将去噪调制后的辐射信号传输并汇聚，然后发送至所述太赫兹量子阱探测器；
步骤三、所述太赫兹量子阱探测器将接收到的辐射信号中的太赫兹波转换为电信号并发送至所述信号处理模块进行处理；
步骤四、所述同步控制模块同步控制所述载物台、去噪调制模块以及信号处理模块，读取并记录所述信号处理模块处理后的信号，最终获取辐射源的热图像信息，并通过显示模块显示出来。
8.根据权利要求7所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：步骤一、所述去噪调制模块包括可调式孔径光阑和与之配合的斩波器，通过调节可调式孔径光阑与辐射源的相对距离以及该光阑的通光孔径大小，使辐射信号构成扇束照射模式，从而实现去噪，并采用斩波器进行频率调制。
9.根据权利要求8所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：采用斩波器可将调制频率设定为25Hz、100Hz或200Hz。
10.根据权利要求8所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：采用所述去噪调制模块进行去噪调制的信噪比应大于等于32。
11.根据权利要求7所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：步骤二中，所述传输汇聚光路***采用第一离轴抛面镜将辐射信号由发散光束改变为平行光束传输，再采用第二离轴抛面镜将平行光束汇聚至所述太赫兹量子阱探测器。
12.根据权利要求7所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：步骤三中，所述太赫兹量子阱探测器将太赫兹波转换为光电流；所述信号处理模块通过施加稳定偏压，经过跨阻放大器将所述光电流转换为电压信号，并通过低噪声放大器放大该电压信号，然后由锁相放大器读取电压信号数据。
13.根据权利要求7所述的基于太赫兹量子阱探测器的被动式热成像探测***的探测方法，其特征在于：步骤四中，所述同步控制模块使所述载物台步进式平移以实现对辐射源的透射扫描，同步调整去噪调制模块，并同步读取及记录所述信号处理模块处理后的信号，通过采集THz波的透射强度，从而获取辐射源的热图像信息。
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