CN106996918A - 一种基于光子学技术的太赫兹成像*** - Google Patents

一种基于光子学技术的太赫兹成像*** Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光子学技术的太赫兹成像***，包括光频梳产生模块、光混频器模块、扫描模块、移动平台、聚焦模块、太赫兹探测器模块和终端处理模块，其中，光频梳产生模块产生光拍频信号；光混频器模块将光拍频信号转化成太赫兹信号；扫描模块对太赫兹信号进行准直并聚集到待测物体上；移动平台带动待测物体移动，聚焦模块汇聚从待测物品上散射出来的太赫兹信号；太赫兹探测器模块将太赫兹信号转化成电信号；终端处理模块根据电信号得到待测物体的二维图像。本发明采用光频梳产生模块作为光源，能够消除图像中的干涉现象，显著提高成像质量，同时所需光功率只有掺铒光纤放大器源成像***的百分之三十以下，大大降低***成本。

Description

一种基于光子学技术的太赫兹成像***
技术领域
本发明涉及太赫兹成像领域，尤其涉及一种基于光子学技术的太赫兹成像***。
背景技术
太赫兹(以下简称THz，1THz＝1012Hz)波段是指电磁波谱中频率从100 GHz到10THz的电磁波谱区域。由于THz波穿透力好且对人体无害，因而 THz成像在安检、快递包裹检查、医学成像中有着很大的应用前景。
利用基于光子学技术的THz成像***采用光通信常用器件组成，一般包括激光器、调制器、光探测器等，其利用光探测器将激光信号转化为太赫兹信号发射，器件性能稳定且价格便宜，同时由于光纤中信号的损耗极低，***的信号产生端与信号发射端可分离，从而使***更易于小型化，降低了***复杂度。在现有基于光子学技术的太赫兹成像***中，信号产生端一般有两种方案：分别采用双激光器拍频和掺铒光纤放大器作光源。在采用双激光器拍频作光源的方案中，调整两个激光器激射的波长，令其间隔为所需太赫兹频率，但由于仅产生单一频率的太赫兹信号，相当于单色光源，太赫兹波发出后，由于光路中的透镜或镜子及待测物体表面存在反射，会产生干涉效应，导致成像质量变差、不清晰而边界模糊。图1示出了采用双激光器拍频作光源的成像结果，此处待测物体为放置在厚纸盒中的扳手，由于单色光源造成的干涉效应，背景中干涉条纹明显，且待测物体部分边界模糊，难于分辨。而若采用掺铒光纤放大器作光源，则可产生宽谱的非相干光，可显著降低干涉效应的影响，但由于掺铒光纤放大器输出光的带宽很宽，约为4THz，远远超出后端光探测器及太赫兹波探测器的带宽，很多光信号不能转化为太赫兹波发射，而将转化为热，从而造成后端探测器发热并降低性能，特别是当待测物体透过率低，需要较强信号照射时，很容易烧坏探测器，因而增加***成本，且能量利用率低。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种新型的基于光子学技术的太赫兹成像***，其具有较高的能量利用率，成本低，同时成像质量高。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于光子学技术的太赫兹成像***，包括依次设置的光频梳产生模块、光混频器模块、扫描模块、移动平台、聚焦模块、太赫兹探测器模块和终端处理模块，其中，
所述光频梳产生模块设置为产生光拍频信号；
所述光混频器模块设置为将所述光拍频信号转化成太赫兹信号并将所述太赫兹信号发射至所述扫描模块；
所述扫描模块设置为对接收到的所述太赫兹信号进行准直并聚集到待测物体上；
所述移动平台设置为承载所述待测物体并带动所述待测物体移动；
所述聚焦模块设置为将从所述待测物品上散射出来的太赫兹信号汇聚至所述太赫兹探测器模块；
所述太赫兹探测器模块设置为将接收到的太赫兹信号转化成电信号并将所述电信号输出至所述终端处理模块；
所述终端处理模块设置为根据接收到的电信号得到所述待测物体的二维图像。
进一步地，所述光混频器模块由一个光混频器构成，所述太赫兹探测器模块由一个太赫兹探测器构成，所述移动平台为二维移动平台。
进一步地，所述光混频器模块为多个光混频器组成的光混频器阵列，所述太赫兹探测器模块为多个太赫兹探测器组成的太赫兹探测器阵列，所述移动平台为一维移动平台。
进一步地，所述光频梳产生模块包括射频信号源、第一激光器、第二激光器、与所述第一激光器和第二激光器分别连接的光耦合器、以及与所述光耦合器连接的调制模块，其中，所述调制模块由至少一个相位调制器和至少一个强度调制器级联而成，且每个所述相位调制器和强度调制器分别与所述射频信号源相连。
进一步地，所述成像***还包括锁相放大模块，所述锁相放大模块包括连接在所述光频梳产生模块与所述光混频器模块之间的调制器、连接在所述太赫兹探测器模块与所述终端处理模块之间的锁相放大器、以及连接在所述调制器与所述锁相放大器之间的参考信号源。
进一步地，所述成像***还包括连接在所述调制器与所述光混频器模块之间的光放大器。
优选地，所述移动平台与所述终端处理模块相连。
优选地，所述扫描模块和聚焦模块采用抛面镜实现。
优选地，所述光混频器采用光探测器实现。
优选地，所述太赫兹探测器采用肖特基二极管实现。
通过采用如上技术方案，本发明具有以下有益效果：
本发明采用光频梳产生模块作为***所需光源，相较于采用双激光器拍频作为光源的成像***具有频率分量更多的优点，从而在光混频器模块中拍频产生的太赫兹信号频率分量更多，因而能够有效消除图像中的干涉现象，显著提高成像质量；相较于采用掺铒光纤放大器作为光源的成像***，光频梳产生模块拍频产生的太赫兹信号频率范围小，能够控制在后端光混频器模块及太赫兹探测器模块的带宽内，在相同的接收信号强度下，所需光功率只有掺铒光纤放大器作为光源的成像***的百分之三十以下，能量利用率高，不容易损坏器件，降低了***的成本。本发明的新型THz成像***适用于未来安检、快递包裹检查等应用。
附图说明
以下是对本发明中涉及的各示意图的阐述：
图1是现有技术的采用双激光器拍频作为光源的成像结果图；
图2是本发明基于光子学技术的太赫兹成像***的结构框图；
图3A是图1中光频梳产生模块的一个实施例的结构框图；
图3B是图1中光频梳产生模块的另一个实施例的结构框图；
图4是本发明中光频梳产生模块输出的光谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
请参阅图2至图4。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明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。
本发明提供一种基于光子学技术的THz成像***，其采用光频梳产生模块作为***所需光源，有较高的能量利用率，成本低，能够消除图像中的干涉现象，提高成像质量。本发明的新型THz成像***适用于未来安检、快递包裹检查等应用。
以下以90～140GHz波段THz成像***为例，阐述本发明***的结构和工作原理。
本发明的THz成像***如图2所示，用于对待测物体1进行成像，其包括依次设置的光频梳产生模块2、调制器3、光放大器4、光混频器5、第一抛面镜6、第二抛面镜7、二维移动平台8、第三抛面镜9、第四抛面镜10、太赫兹探测器11、锁相放大器12及终端处理模块13，还包括与调制器3和锁相放大器12连接的参考信号源。
在本发明中，采用光频梳产生模块2作为***所需光源以产生光拍频信号。光频梳产生模块2的结构如图3A和3B所示，其包括射频信号源21、第一激光器22、第二激光器23、与第一激光器22和第二激光器23分别连接的光耦合器24、以及与光耦合器24连接的调制模块，其中，调制模块由至少一个相位调制器25和至少一个强度调制器26级联而成(图3A中以一个相位调制器25和一个强度调制器26为例，图3B中以两个相位调制器25和一个强度调制器26为例，实际结构可采用更多调制器级联)，且各相位调制器25 和强度调制器26分别与射频信号源21相连。在本模块中，射频信号源21输出固定频率的正弦波信号，一般为1～10GHz(可不局限于此)。
图1中调制器3一般为强度调制器，其与锁相放大器12联合使用，将参考信号源输出的参考信号同时加载到调制器3和锁相放大器12上，即可实现探测端的锁相放大功能，方便读取信号，参考信号的频率根据实际需要可任意设定，如取50kHz。
光放大器4一般为掺铒光纤放大器或其它类型光放大器，用于控制光拍频信号的功率。
光混频器5一般采用高带宽的光探测器，可将经过光放大器4放大的光拍频信号转化为THz信号并发射出去。
四个抛面镜6、7、9、10为常用的立轴抛面镜，分别设置在一矩形的四个角上，待测物体1置于第二、第三抛面镜7、9的焦点附近，放置于可在二维平面上自由移动的二维移动平台8上。其中，第一、第二抛面镜6、7构成扫描模块，用于对接收到的太赫兹信号进行准直并聚集到待测物体1上，第三、第四抛面镜9、10构成聚焦模块，用于汇聚从待测物体1上散射出来的太赫兹信号至太赫兹探测器11。
THz探测器11一般采用肖特基二极管实现，其采用直接检波方式探测接收到的THz信号并将探测到的THz信号转化成电信号输出至终端处理模块13，也可采用其他类似功能的器件。
终端处理模块13采用计算机实现，其用于根据接收到的电信号得到待测物体1的二维图像。
本发明THz***的工作原理如下：首先将光频梳产生模块2中的两个激光器的波长间隔设置在100GHz左右，然后由光耦合器24将两个激光器发射的激光耦合到一根光纤中，并输入到相位调制器25和强度调制器26中，而后射频信号源21产生8GHz正弦信号也输入到相位调制器25和强度调制器26中，图4为光频梳产生模块2产生的光频梳的光谱图。光频梳产生后，经另外一个调制器3进行调制，调制信号为50kHz的正弦波，用于接收端的锁相放大。调制后的光频梳经放大器进行放大，而后光频梳产生的多个90～140G 的光拍频信号在光探测器中转化为THz信号经天线发射，从而形成多色光源。发射的THz信号经第一、第二抛面镜6、7准直、汇聚后照射到待测物体1的一个点上，再经第三、第四抛面镜9、10汇聚到THz探测器11中转化成中频电信号。中频信号经锁相放大器12进行锁相放大后，由终端处理模块13读出强度，该强度为待测物体二维平面上一个点对应的强度。再通过终端处理模块13控制二维移动平台8移动，接收的信号强度随之变化，即可得到待测物体1的二维图像。
综上，本发明中的新型THz成像***具有以下优点：(1)相较于采用双激光器拍频作为光源的成像***具有频率分量更多的优点，即，本发明在光探测器中拍频产生的太赫兹信号的频率分量更多，相当于多色信号源，因而能够有效消除图像中的干涉现象，显著提高成像质量；(2)相较于采用掺铒光纤放大器作为光源的成像***，光频梳光源拍频产生的太赫兹信号频率范围小，能够控制在光探测器及太赫兹探测器的带宽内，在同样接收信号强度下，所需光功率只有掺铒光纤放大器源成像***的百分之三十以下，能量利用率高，不容易损坏器件，降低了***的成本；(3)具有光子学技术THz ***的优势，器件性能稳定，***的信号产生端与信号发射端可分离，使***更易于小型化，降低***复杂度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
本领域技术人员应该理解，如果将图2中的一个光混频器换成由多个光混频器构成的光混频器阵列，并且将图2中的一个THz探测器换成由多个THz 探测器构成的THz探测器阵列，则可同时获得待测物体平面上的一排或一列点对应的中频信号强度，因而图2中的二维移动平台可以替换为一维移动平台。
本发明中涉及的其他技术属于本领域技术人员熟悉的范畴，在此不再赘述。上述实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案。任何不脱离本发明精神和范围的技术方案均应涵盖在本发明的专利申请范围当中。

Claims (10)

1.一种基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，包括依次设置的光频梳产生模块、光混频器模块、扫描模块、移动平台、聚焦模块、太赫兹探测器模块和终端处理模块，其中，
所述光频梳产生模块设置为产生光拍频信号；
所述光混频器模块设置为将所述光拍频信号转化成太赫兹信号并将所述太赫兹信号发射至所述扫描模块；
所述扫描模块设置为对接收到的所述太赫兹信号进行准直并聚集到待测物体上；
所述移动平台设置为承载所述待测物体并带动所述待测物体移动；
所述聚焦模块设置为将从所述待测物品上散射出来的太赫兹信号汇聚至所述太赫兹探测器模块；
所述太赫兹探测器模块设置为将接收到的太赫兹信号转化成电信号并将所述电信号输出至所述终端处理模块；
所述终端处理模块设置为根据接收到的电信号得到所述待测物体的二维图像。
2.根据权利要求1所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述光混频器模块由一个光混频器构成，所述太赫兹探测器模块由一个太赫兹探测器构成，所述移动平台为二维移动平台。
3.根据权利要求1所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述光混频器模块为多个光混频器组成的光混频器阵列，所述太赫兹探测器模块为多个太赫兹探测器组成的太赫兹探测器阵列，所述移动平台为一维移动平台。
4.根据权利要求1-3中任何一项所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述光频梳产生模块包括射频信号源、第一激光器、第二激光器、与所述第一激光器和第二激光器分别连接的光耦合器、以及与所述光耦合器连接的调制模块，其中，所述调制模块由至少一个相位调制器和至少一个强度调制器级联而成，且每个所述相位调制器和强度调制器分别与所述射频信号源相连。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述成像***还包括锁相放大模块，所述锁相放大模块包括连接在所述光频梳产生模块与所述光混频器模块之间的调制器、连接在所述太赫兹探测器模块与所述终端处理模块之间的锁相放大器、以及连接在所述调制器与所述锁相放大器之间的参考信号源。
6.根据权利要求5所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述成像***还包括连接在所述调制器与所述光混频器模块之间的光放大器。
7.根据权利要求1-3中任何一项所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述移动平台与所述终端处理模块相连。
8.根据权利要求1-3中任何一项所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述扫描模块和聚焦模块采用抛面镜实现。
9.根据权利要求2或3所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述光混频器采用光探测器实现。
10.根据权利要求2或3所述的基于光子学技术的太赫兹成像***，其特征在于，所述太赫兹探测器采用肖特基二极管实现。
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