CN110988906A

CN110988906A - 一种太赫兹强度关联探测装置

Info

Publication number: CN110988906A
Application number: CN201911157396.XA
Authority: CN
Inventors: 邓伟; 艾雷; 王星
Original assignee: Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electronic&information Co ltd
Current assignee: Hubei Sanjiang Space Xianfeng Electronic&information Co ltd
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2019-11-22
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明公开了一种太赫兹强度关联探测装置，包括太赫兹收发单元、空间调制器和控制单元；太赫兹收发单元用于产生太赫兹信号和本振信号，该太赫兹信号经发射端口输出并聚焦后照射到目标物体后，产生的目标反射光经聚焦后照射在空间调制器上；空间调制器用于根据控制单元发出的调制指令对所述目标发射光进行调制，产生的随机回波信号经准直后通过接收端口进入太赫兹收发单元；太赫兹收发单元将随机回波信号与本振信号进行混频，生成电磁信号；控制单元用于利用压缩感知图像重建算法对电磁信号进行图像重构，实现太赫兹成像；本发明利用空间光调制器来预置参考臂上的光场强度，实现单臂关联成像，从而省去了参考臂对光场的实时测量，简化了成像光路。

Description

一种太赫兹强度关联探测装置

技术领域

本发明属于太赫兹成像技术领域，更具体地，涉及一种太赫兹强度关联探测装置。

背景技术

太赫兹是介于微波和红外线之间的电磁波，被称作是“改变未来世界的十大技术”之一，在物体成像、医疗诊断、射电天文等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景，是世界各国争先抢占的科技制高点。目前通常所用的太赫兹成像为扫描成像、阵列式探测成像，但是扫描成像中的机械扫描会降低采样速率，而阵列式探测成像具有复杂程度高和成本高等缺点。例如微测热辐射计阵列对于太赫兹辐射不是很敏感，所以需要一个高功率的太赫兹源。

关联成像，又称为鬼成像，是近10年发展起来的一种新型的成像技术；与传统的成像方式不同，它实现了物体的非局域成像；所谓非局域成像是指通过一定的手段，使在不包含物体的光路上呈现其像。

目前的太赫兹关联成像装置中一般包含有探测臂和参考臂两条光路，探测臂在探测物体信号的同时需要实时地在参考臂上探测光源光场的强度分布信息，导致成像光路复杂，降低了探测效率。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种太赫兹强度关联探测装置，利用空间光调制器来预置参考臂上的光场强度，实现单臂关联成像，从而省去了参考臂对光场的实时测量，简化了成像光路，并且只采用单像素的探测器就能对物体进行成像。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太赫兹强度关联探测装置，包括太赫兹收发单元、空间调制器和控制单元；

所述太赫兹收发单元用于产生太赫兹信号和本振信号，所述太赫兹信号经发射端口输出并聚焦后照射到目标物体后，产生的目标反射光经聚焦后照射在空间调制器上；

所述空间调制器用于根据控制单元发出的调制指令对所述目标发射光进行调制，产生的随机回波信号经准直后通过接收端口进入太赫兹收发单元；太赫兹收发单元将所述随机回波信号与本振信号进行混频，生成电磁信号；

所述控制单元用于利用压缩感知图像重建算法对所述电磁信号进行图像重构，实现太赫兹成像。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，还包括数据采集单元；

所述数据采集单元的输入端通过SMA接口与太赫兹收发单元相连以采集太赫兹收发单元中生成的电磁信号，并将所述电磁信号转换为随机矩阵后发送至控制单元。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述太赫兹收发单元包括信号发生器、倍频模块、合成信号源、混频器和探测器；

所述倍频模块用于根据合成信号源输出的倍频参数对信号发生器输出的射频信号进行放大，得到预置频段的太赫兹信号和本振信号；

所述混频器用于将所述本振信号与接收端口接收的随机回波信号进行混频，生成电磁信号；

所述探测器用于采集所述电磁信号。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述倍频模块包括第一放大线路和第二放大线路；

所述第一放大线路包括依次相连的四倍频器、波导放大器、三倍频器、功率放大器和二倍频器，用于将信号发生器输出的第一路射频信号进行放大，得到太赫兹信号；

所述第二放大线路包括四倍频器、波导放大器和三倍频器，用于将信号发生器输出的第二路射频信号进行放大，得到本振信号。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述发射端口与目标物体之间设置有第一透镜，所述第一透镜的中心点与发射端口的中轴线重合，用于对发射端口输出的太赫兹信号进行聚焦和准直；

所述目标物体与空间调制器之间设置有第二透镜，所述第二透镜用于将目标反射光进行聚焦和准直；

所述空间调制器与接收端口之间设置有至少一个第三透镜，所述第三透镜用于将空间调制器输出的随机回波信号进行聚焦和准直。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述目标物体与第一透镜、第二透镜的中轴线成45°夹角。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述空间调制器与第二透镜、第三透镜的中轴线成45°夹角。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述发射端口和接收端口为角锥喇叭天线，尺寸为6.5mm*6.5mm*7.5mm。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述空间调制器采用数字微镜。

优选的，上述太赫兹强度关联探测装置，所述第一、第二、第三透镜为高阻硅双凸透镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的一种太赫兹强度关联探测装置，利用上位机和空间光调制器来预置参考臂上的光场强度，对目标反射光进行调制，从而省去了参考臂对光场的实时测量，简化了成像光路，实现单臂关联成像。

(2)本发明提供的一种太赫兹强度关联探测装置，采用正交匹配追踪算法的压缩感知图像重构技术进行图像重构，利用信号的稀疏性，以远低于Nyquist采样率的速率对信号进行自适应的测量编码。解码过程不是编码的简单逆过程，而是在盲源分离中的求逆思想下，利用信号稀疏分解中已有的重构方法在概率意义上实现信号的精确重构或者一定误差下的近似重构，解码所需测量值的数目远低于传统理论下的样本数，极大的减小了成像时间。

附图说明

图1是本发明实施例提供的太赫兹强度关联探测装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的太赫兹收发单元的组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、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详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本实施例提供的一种太赫兹强度关联探测装置的结构示意图，如图1所示，该装置包括太赫兹收发单元、空间调制器和上位机；其中，

太赫兹收发单元用于产生太赫兹信号和本振信号，该太赫兹信号经太赫兹收发单元上的发射端口输出并聚焦后照射到目标物体后，产生的目标反射光经聚焦后照射在空间调制器上；

空间调制器用于根据控制单元发出的调制指令对所述目标发射光进行调制，产生的随机回波信号经准直后通过接收端口进入太赫兹收发单元；太赫兹收发单元将随机回波信号与本振信号进行混频，生成电磁信号；

上位机除了用于产生控制空间调制器的调制指令，还用于利用压缩感知图像重建算法对所述电磁信号进行图像重构，实现太赫兹成像。

本实施例利用上位机和空间光调制器来预置参考臂上的光场强度，对目标反射光进行调制，从而省去了参考臂对光场的实时测量，简化了成像光路，实现单臂关联成像。

如图2所示，本实施例中，太赫兹收发单元包括信号发生器、倍频模块、合成信号源、混频器和探测器；

倍频模块用于根据合成信号源输出的倍频参数对信号发生器输出的射频信号进行放大，得到预置频段的太赫兹信号和本振信号；混频器用于将所述本振信号与接收端口接收的随机回波信号进行混频，生成电磁信号；探测器用于采集所述电磁信号。

倍频模块所需的射频信号通过射频电缆从微波信号发生器输入，倍频模块使用时所需的频率、功率等倍频参数由合成信号源控制，直流驱动通过专用的电源适配器提供。倍频模块依据标准波导段进行分段，通过更换不同频段的倍频模块可完成0.17THz～1THz频段信号的发生和输出；随机回波信号与本振信号在混频器中混频后输出较低频率的电磁波信号；本实施例中的探测器采用外差探测原理，是一种基于电子学的直接探测技术，可以探测到混频器输出的电磁波信号的振幅、频率和相位等信息。

本实施例中，信号发生器为一块信号产生处理板，经过带通滤波产生220～286MHz信号，可输出两路相同的射频信号；倍频模块包括第一放大线路和第二放大线路；

第一放大线路包括四倍频器、波导放大器、三倍频器、功率放大器和二倍频器，用于将信号发生器输出的第一路射频信号进行放大，得到太赫兹信号；信号发生器的第一输出端通过半柔电缆依次与四倍频器、波导放大器、三倍频器、功率放大器和二倍频器相连。

第二放大线路包括四倍频器、波导放大器和三倍频器，用于将信号发生器输出的第二路射频信号进行放大，得到本振信号；信号发生器的第二输出端通过半柔电缆依次与四倍频器、波导放大器、三倍频器相连。

太赫兹收发单元中的发射端口和接收端口均采用角锥喇叭天线的结构，对波导口面馈电进行设计并利用CST电磁仿真软件进行仿真优化，尺寸为6.5mm*6.5mm*7.5mm。

作为本实施例的一个优选示例，上述太赫兹强度关联探测装置还包括数据采集单元；该数据采集单元具有SMA接口和仿真接口；

数据采集单元的输入端通过SMA接口与太赫兹收发单元中的探测器相连，以采集探测器探测到的电磁信号；数据采集单元的输出端通过仿真接口与上位机的USB接口相连，数据采集单元采集到的电磁信号经过中频通道和A/D采样形成随机矩阵后发送至上位机。

参见图1，本实施例提供的太赫兹强度关联探测装置中，发射端口与目标物体之间设置有透镜1，透镜1的中心点与发射端口的中轴线重合，用于对发射端口输出的太赫兹信号进行聚焦和准直；目标物体与空间调制器之间设置有透镜2，透镜2用于将目标反射光进行聚焦和准直；空间调制器与接收端口之间设置有透镜3和透镜4，透镜3、透镜4用于将空间调制器输出的随机回波信号进行聚焦和准直。

发射端口出光口的中轴线平行正对透镜1中心点，接收端口出光口的中轴线平行正对透镜3中心点；目标物体与透镜1中轴线成45°夹角，目标物体与透镜2中轴线成45°夹角；目标物体的中心点在透镜1的中轴线上，同时也在透镜2的中轴线上，透镜1与透镜2的中轴线互相垂直；

本实施例中的空间调制器采用数字微镜实现，数字微镜与透镜2中轴线成45°夹角，数字微镜与透镜4中轴线成45°夹角；数字微镜的中心点在透镜2的中轴线上，同时也在透镜4的中轴线上，透镜2与透镜4的中轴线互相垂直；

数字微镜是一种用二进制脉宽调制的数字光开关，是非常复杂的光开关器件，由基体、半导体存储器件CMOS、反射镜片支架、反射镜片组成，具有一个控制接口，该控制接口用于接收上位机发送的调制指令；

数字微镜为微镜阵列，可产生随机矩阵，成像是靠微镜转动完成的，每一个像素上都有一个可以转动的微镜，本实施例中，每个微镜的尺寸为16×16μm，微镜间隔约1μm，每个微镜都有±10°的偏转角分别对应“开”态和“关”态。平态时，像素微镜水平放置；微镜偏转+10°时(“开”态)，光线几乎全部通过；微镜偏转-10°时(“关”态)，光线偏离，被吸收装置吸收，根据需要控制微镜的开、关状态，从而实现显示。数字微镜由上位机驱动输入的二进制脉宽控制信号，通过控制其反射光进入出射光瞳的时间实现对象素灰度的数字控制。例如，一个长为4位的数据可以表示16级灰度。这16级灰度由象素点处于“开态”的持续时间的长短来实现。将视频的场时间分为15份，灰度0000就是0/15，0001＝1/15……1111＝15/15；而每一位则代表在一帧时间内不同的持续时间，0001＝1/15，0010＝2/15，0100＝4/15，1000＝8/15。通过对每一位1或0的控制来实现灰度控制。依据同样的原理可以实现更高的灰度等级。灰度级别取决于两方面的因素：每帧图像的场时间和镜面转动的响应时间。第一点由所应用的图像的帧频率决定，第二点则由数字微镜的性能决定。

本实施例利用数字微镜来调制目标物体光信号，根据压缩感知关联成像原理，上位机输出的数字微镜控制信号(即调制信号)作为参考臂信号，数字微镜按照调制信号的指令进行开合操作，对输入的目标反射光信号进行调制，产生随机回波信号，该随机回波信号经透镜3、4准直后被太赫兹收发单元中的接收端口接收。

本实施例中，透镜1、透镜2、透镜3、透镜4均为带支架的高阻硅双凸透镜，透镜3的中轴线与透镜4的中轴线平行；透镜1与发射端口之间的距离为透镜1的焦距；透镜2与数字微镜之间的距离为透镜2的焦距；透镜4与数字微镜之间的距离为透镜4的焦距；透镜3与数字微镜之间的距离为透镜3的焦距；本实施例中，透镜1与目标物体之间的距离为5m，透镜2与目标物体之间的距离为5m，透镜3与透镜4之间的距离为5m。

本实施例中，上位机包括主机、显示器以及键盘、鼠标等输入设备，还具有USB接口、以太网接口和串口，上位机通过串口与数字微镜的控制接口相连，输出的控制信号用于控制数字微镜工作。上位机中具有压缩感知图像重构软件，可对数据采集单元发送的数据进行图像处理。

上位机中的压缩感知图像重构软件采用正交匹配追踪算法(OMP)进行信号重构，OMP算法的本质思想可以表述为：以贪婪迭代的方法选择随机矩阵Φ中的列，使得在每次迭代中所选择的列与当前的冗余向量最大程度地相关，从测量向量中减去相关部分并反复迭代，直到迭代次数达到稀疏度K，强制迭代停止；OMP算法对二维稀疏图像进行处理时的步骤如下：

(1)从M×N的观测值Y按列进行OMP重构得到N×N的稀疏信号

二维图像矩阵的迭代列数i＝1；

(2)初始化残差r0＝Y(:,i)，索引集Λ₀＝φ，原子集A₀＝φ，迭代次数t＝1；

(3)找到索引λt，满足：λ_t＝argmax_j＝1,2…N︱(r_t-1,Φ(:,j))；

(4)更新索引集Λt＝Λt-1∪{λt}，更新原子集At＝[At-1,Φ(:,λt)]；

(5)最小二乘法计算新的信号估计：

即

(6)计算残差

(7)更新迭代次数t＝t+1，如果t<K，则返回到第(3)步，否则停止计算输出重构信号

(8)更新矩阵列数i＝i+1，如果i<N，则返回到第(2)步，否则停止计算输出重构出的N×N图像信号

相比于现有的太赫兹成像***，本发明提供的一种太赫兹强度关联探测***，基于正交匹配追踪算法的压缩感知图像重构技术，将数字微镜运用到关联探测成像***中，通过预置的调制信号对目标物体的反射光信号进行调制，省去了压缩感知关联成像中的参考臂光路，简化了成像光路，提高了探测效率；正交匹配追踪算法的压缩感知图像重构技术对信号的采样、压缩编码发生在同一个步骤，利用信号的稀疏性，以远低于Nyquist采样率的速率对信号进行自适应的测量编码。解码过程不是编码的简单逆过程，而是在盲源分离中的求逆思想下，利用信号稀疏分解中已有的重构方法在概率意义上实现信号的精确重构或者一定误差下的近似重构，解码所需测量值的数目远低于传统理论下的样本数，极大的减小了成像时间。仿真实验结果分析中分别进行了目标数值仿真以及复杂目标仿真分析，从结果可以看出，基于压缩感知算法的图像重构方法效果显著，尤其是在采样率较大时，二维图像的重建效果很好，不但可以抑制噪声，而且细节特征显著。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，包括太赫兹收发单元、空间调制器和控制单元；

2.如权利要求1所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，还包括数据采集单元；

所述数据采集单元的输入端与太赫兹收发单元相连以采集太赫兹收发单元中生成的电磁信号，并将所述电磁信号转换为随机矩阵后发送至控制单元。

3.如权利要求1或2所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述太赫兹收发单元包括信号发生器、倍频模块、合成信号源、混频器和探测器；

所述探测器用于采集所述电磁信号。

4.如权利要求3所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述倍频模块包括第一放大线路和第二放大线路；

5.如权利要求1或4所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述发射端口与目标物体之间设置有第一透镜，所述第一透镜用于对发射端口输出的太赫兹信号进行聚焦和准直；

6.如权利要求5所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述目标物体与第一透镜、第二透镜的中轴线成45°夹角。

7.如权利要求6所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述空间调制器与第二透镜、第三透镜的中轴线成45°夹角。

8.如权利要求1或7所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述发射端口和接收端口为角锥喇叭天线，尺寸为6.5mm*6.5mm*7.5mm。

9.如权利要求1或7所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述空间调制器采用数字微镜。

10.如权利要求5所述的太赫兹强度关联探测装置，其特征在于，所述第一、第二、第三透镜为高阻硅双凸透镜。