CN111982854B - 基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置及分析测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置及分析测试方法，属于物质太赫兹波谱分析技术领域，频分复用微波信号激励太赫兹收发模块发射太赫兹信号，并接收反射太赫兹波信号发送给计算模块；第一传输控制模块对太赫兹信号进行波束整形；第二传输控制模块对透射太赫兹波信号进行分波定向传输；频分复用本振信号激励太赫兹波探测模块探测透射太赫兹波信号发送给计算模块；计算模块对反射太赫兹波信号和透射太赫兹信号进行计算处理，得到待测物质的太赫兹波谱。本发明提升了太赫兹波谱分辨率，提高了太赫兹信号输出功率，扩大了输出功率范围；实现了透射太赫兹波谱与反射太赫兹波谱的同步采集；实现了全电子学的高分辨率太赫兹波谱分析。
Description
技术领域
本发明涉及物质太赫兹波谱分析技术领域，具体涉及一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置及分析测试方法。
背景技术
自然界中大部分物质在太赫兹频段具有明显响应，如许多生物大分子的振动和转动能级，半导体及超导材料等的声子振动能级都在太赫兹频段；许多大材料分子振动光谱在太赫兹波段存在很多特征吸收峰。基于上述现实，太赫兹波成为发现物质、认知物质的一种电磁媒介。
目前，最常用的物质太赫兹谱分析技术主要是借助太赫兹时域光谱仪与傅里叶变换光谱仪两种，两者均使用激光源作为宽频带光源，且都是利用时间延迟进行时域测量的方式获得光谱的时域波形，而后再利用傅里叶变换获取频域信息。
然而，上述两种物质太赫兹谱分析仪存在诸多缺陷，主要包括：频谱分辨率低(两者均为数GHz)，要获得较高的频谱分辨精度，只能通过加大时域扫描长度，导致仪器存在频谱精度极限，频谱边缘处仪器所需条件极为苛刻且信噪比难以保证；受限于宽谱源，动态范围较小(两者动态范围在20～30dB之间)；太赫兹信号功率较低(通常为μW量级)等。
上述缺陷导致无法充分了解待测物质的结构及组成成分，且待测物质的检测部位、检测环境和个体性状的差异都会影响鉴别结果的稳定性，测试时待测物质样品必须保持严格一致，否则检测结果可能出现较大的偏差；且只能测试物质分子内电子的跃迁信息及特定键合结构的振动能级信息，无法测量物质内部分子间弱相互作用、分子的集体振动转动信息，无法满足物质太赫兹谱精细测试的应用需求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种太赫兹波谱分辨率高、且可输出功率范围广、实现了全电子学的高分辨率太赫兹波谱分析的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置及分析测试方法，以解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一方面，本发明提供一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，包括：
信号源模块，产生频分复用微波信号以及对应的频分复用本振信号；
太赫兹收发模块，被频分复用微波信号激励发射太赫兹信号，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块；
第一传输控制模块，对太赫兹收发模块发射的太赫兹信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换，并传输给待测物质；
第二传输控制模块，对透过待测物质的太赫兹波信号进行分波定向传输至太赫兹波探测模块；
太赫兹波探测模块，被频分复用本振信号激励对接收的太赫兹波信号进行探测后，发送给计算模块；
计算模块，对待测物质反射的太赫兹波信号和待测物质透射的太赫兹信号进行计算处理，得到待测物质的太赫兹波谱。
优选的，所述太赫兹收发模块包括若干路太赫兹收发一体单元，每一路太赫兹收发一体单元包括标准矩形金属波导频段，经多波段拼接频分复用微波信号实现若干路太赫兹波信号的发射，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块。
优选的，所述第一传输控制单元包括整形单元与合束单元；
所述整形单元，将太赫兹收发一体单元发射的若干路太赫兹波信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换；
所述合束单元，用于完成太赫兹波束的相位调控、幅度调控、反射以及透射。
优选的，所述合束单元与所述待测物质间设有第一超宽带透镜，所述第一超宽带透镜用于将入射太赫兹波聚焦于所述待测物质，同时完成所述待测物质反射的太赫兹波信号的传输。
优选的，所述第二传输控制单元包括分束单元和定向传输单元；
所述分束单元，使经待测物质透射的太赫兹波信号按若干路不同频率分波束传输；
所述定向传输单元，用于将若干路不同频率分波束传输的太赫兹波信号定向传输到太赫兹探测模块。
优选的，所述分束单元与所述待测物质间设有第二超宽带透镜，所述第二超宽带透镜用于对经待测物质透射的太赫兹波信号进行整形平行传播。
优选的，所述太赫兹波探测模块包括若干路太赫兹探测器，每个太赫兹探测器具有标准矩形金属波导频段，在频分复用本振信号的激励下，实现若干路经待测物质透射的太赫兹波信号的探测，并发送给计算模块。
优选的，所述整形单元由一对衍射相位板组成；
所述合束单元由极化器、分束镜、反射面组成；
极化器用于太赫兹波束的相位调控与幅度调控；
分束镜用于实现不同太赫兹频段的太赫兹波信号的反射与透射；
反射面用于实现太赫兹波信号传播的传输路径调整控制。
优选的，所述分束单元由一对色散器件组成；
所述定向传输单元由分束镜、反射面、定向透镜组成；
所述定向透镜用于将若干路待测物质透射的太赫兹波信号分别定向传输给对应的太赫兹探测器。
另一方面，本发明还提供一种利用如上所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置进行物质太赫兹波谱分析测试的方法，包括：
步骤S110：***初始化：设置信号源模块的输出信号路数、起始频率、截止频率、信号功率、信号扫描次数、步进间隔；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；
步骤S120：参考信号采集：采集没有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S130：样品信号采集：采集有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S140：待测物质分析：根据得到的参考信号以及样品信号，计算模块通过内置的太赫兹特征谱提取算法，实现待测物质反射太赫兹谱与透射太赫兹谱的提取；
步骤S150：根据待测物质的反射太赫兹谱与透射太赫兹谱，通过调用太赫兹谱数据库，实现待测物质的定性定量分析及类别测试。
本发明有益效果：太赫兹波谱分辨率由数GHz量级提升至Hz量级(最优1Hz)，提升6～9个量级，且在1Hz～1kHz之间可调；太赫兹信号输出功率由10-6W提升至10-3～1W，提升3～4个量级；动态范围由20～30dB提升至30～40dB；实现太赫兹波谱分辨率自主设置，设置范围为1Hz～1kHz；实现待测样品透射太赫兹波谱与反射太赫兹波谱的同步采集；实现了全电子学的高分辨率太赫兹波谱分析。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述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发明的一些实施例，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他的附图。
图1为本发明实施例1所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的原理结构图。
图2为本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的原理结构图。
图3为本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的第一传输控制模块结构图。
图4为本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的第二传输控制模块结构图。
图5为本发明实施例3所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的原理结构图。
具体实施方式
下面详细叙述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。
还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或它们的组。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利的限制。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
为便于理解本发明，下面结合附图以具体实施例对本发明作进一步解释说明，且具体实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本领域技术人员应该理解，附图只是实施例的示意图，附图中的部件并不一定是实施本发明所必须的。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置包括：
信号源模块，产生频分复用微波信号以及对应的频分复用本振信号；微波信号用来激励太赫兹收发模块发射太赫兹波信号，本振信号用来激励太赫兹波探测模块探测透射的太赫兹波信号。
太赫兹收发模块，被频分复用微波信号激励发射太赫兹信号，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块。
所述太赫兹收发模块包括若干路太赫兹收发一体单元，每一路太赫兹收发一体单元包括标准矩形金属波导频段，经多波段拼接频分复用微波信号实现若干路太赫兹波信号的发射，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块。
第一传输控制模块，对太赫兹收发模块发射的太赫兹信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换，并传输给待测物质。
所述第一传输控制单元包括整形单元与合束单元；所述整形单元，将太赫兹收发一体单元发射的若干路太赫兹波信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换；所述合束单元，用于完成太赫兹波束的相位调控、幅度调控、反射以及透射。
所述合束单元与所述待测物质间设有第一超宽带透镜，所述第一超宽带透镜用于将入射太赫兹波聚焦于所述待测物质，同时完成所述待测物质反射的太赫兹波信号的传输。
第二传输控制模块，对透过待测物质的太赫兹波信号进行分波定向传输至太赫兹波探测模块。
所述第二传输控制单元包括分束单元和定向传输单元；所述分束单元，使经待测物质透射的太赫兹波信号按若干路不同频率分波束传输；所述定向传输单元，用于将若干路不同频率分波束传输的太赫兹波信号定向传输到太赫兹探测模块。
所述分束单元与所述待测物质间设有第二超宽带透镜，所述第二超宽带透镜用于对经待测物质透射的太赫兹波信号进行整形平行传播。
太赫兹波探测模块，被频分复用本振信号激励对接收的太赫兹波信号进行探测后，发送给计算模块。
所述太赫兹波探测模块包括若干路太赫兹探测器，每个太赫兹探测器具有标准矩形金属波导频段，在频分复用本振信号的激励下，实现若干路经待测物质透射的太赫兹波信号的探测，并发送给计算模块。
计算模块，对待测物质反射的太赫兹波信号和待测物质透射的太赫兹信号进行计算处理，得到待测物质的太赫兹波谱。
在本发明实施例1中，利用所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置进行物质太赫兹波谱分析测试时，包括如下步骤：
步骤S110：***初始化：设置信号源模块的输出信号路数、起始频率、截止频率、信号功率、信号扫描次数、步进间隔；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；
步骤S120：参考信号采集：采集没有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S130：样品信号采集：采集有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S140：待测物质分析：根据得到的参考信号以及样品信号，计算模块通过内置的太赫兹特征谱提取算法，实现待测物质反射太赫兹谱与透射太赫兹谱的提取；
步骤S150：根据待测物质的反射太赫兹谱与透射太赫兹谱，通过调用太赫兹谱数据库，实现待测物质的定性定量分析及类别测试。
实施例2
针对现有物质太赫兹谱分析仪的缺陷，本发明实施例2提供的一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，为研究基于太赫兹波谱精细提取的物质成分定性定量分析与类别的精确检测识别提供了基础。
图2为本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的原理结构图。
如图2所示，基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置主要包括多功能微波信号源、太赫兹收发单元、传输控制单元1、样品室、传输控制单元2、太赫兹探测单元、多路数据采集单元、服务器、控制器等单元组成。
其中，多功能微波信号源作为信号源模块，能够产生M路频分复用微波信号与M路频分复用本振信号，M路频分复用微波信号作为太赫兹收发单元(太赫兹收发模块)的激励信号；M路频分复用本振信号作为太赫兹探测单元(太赫兹探测模块)的本振信号；各路信号的频率范围、步进间隔、功率、扫频次数等参数可根据需要自由设置。
在实际应用中，多功能微波信号源作为信号源模块产生的M路频分复用微波信号与M路频分复用本振信号，其中，M≥1，本领域技术人员可根据实际需求选择合适的M路。
太赫兹收发单元(太赫兹收发模块)包括M个高度集成的太赫兹收发一体模块(太赫兹收发一体单元)，每个太赫兹收发一体模块具有标准的矩形金属波导频段，经多波段拼接频分复用无缝无重叠覆盖0.05～1.5THz甚至更高频段的全太赫兹波段信号的发射，及待测样品反射太赫兹信号的探测。
其中，太赫兹波发射频率分辨率可根据需要在1Hz～1kHz范围内自由设置，太赫兹收发一体模块能够同时探测待测物质的反射信号的幅度与相位信息，幅度信息可实现待测样品反射特征的定性分析，相位信息可辅助实现待测样品的定量分析。
在实际应用中，每个太赫兹收发一体模块具有的标准矩形金属波导频段，经多波段拼接频分复用的全太赫兹波段信号的发射，可根据实际需求自由选择频段或扩展频段，如，可实现1.5THz频段。
图3为本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的第一传输控制模块结构图。
在本实施例2中，选择M＝7时，太赫兹传输控制单元1结构图如图3所示。传输控制单元1(第一传输控制模块)包括整形单元与合束单元。其中，整形单元由一对工作于不同波段的衍射相位板组成，用于将M个太赫兹收发一体单元产生的太赫兹信号进行波束整形，实现高斯发散波束向无明显衍射行为的结构化太赫兹波束的转换。
其中，太赫兹收发一体单元产生的太赫兹信号频率为无缝无重叠覆盖0.05～1.5THz，甚至更高频段(可根据实际需求自由选择频段或扩展频段)频段内。
合束单元由工作于不同波段的极化器(光栅)、分束镜、反射面组成。极化器(光栅)用于太赫兹波束相位与幅度的调控，实现太赫兹波束的精准调控。分束镜用于实现不同太赫兹频段的反射与透射行为。反射面作为辅助器件实现太赫兹波传播的精准控制。
为了能够实现待测物质的位置调整，以使发射的太赫兹信号能够更精确的聚焦于待测物质的某一固定点，以及使透射的太赫兹信号能够精确的透过待测物质透射到第二超宽带透镜上，以及使反射的太赫兹波信号能够精确的反射到第一超宽带透镜上，在本实施例中，设置了样品室，将第一超宽带透镜、第二超宽带透镜设于样品室中，且第一超宽带透镜以及第二超宽带透镜能够在样品室中进行位置移动，以调整合适的位置。
在第一超宽带透镜以及第二超宽带透镜之间设置放置待测物质的样品台，将待测物质放置在样品台上，透射过待测物质的太赫兹波透射在第二超宽带透镜上，待测物质反射的太赫兹波入射在第一超宽带透镜上。
样品室用于待测物质的太赫兹特征谱的提取。如图2所示，样品室主要由超宽带透镜1(第一超宽带透镜)、二维移动台1、三维样品台、超宽带透镜2(第二超宽带透镜)、二维移动台2等部分组成。
超宽带透镜1用于将入射太赫兹波聚焦于待测物质的某一固定点，同时实现反射太赫兹波的传输控制。二维移动台1用于控制超宽带透镜1的位置，二维移动台1为现有技术设备，如可使用MTS系列移动台；三维样品台用于控制待测物质进行高精度三维转动，三维样品台同样为现有技术设备，如可使用MTS系列移动台；超宽带透镜2用于透射太赫兹波整形进行平行传播；二维移动台2用于控制超宽带透镜2的位置。
利用控制器控制二维移动台1、二维移动台2以及三位样品台调整第一超宽带透镜、待测物质、第二超宽带透镜的位置。
通过二维移动台1、三维样品台以及二维移动台2三者的配合使第一超宽带透镜、待测物质以及第二超宽带透镜能够处于合适的位置，使合束单元出射的太赫兹波精确的依次入射在第一超宽带透镜、待测物质、第二超宽带透镜，以及由第二超宽带透镜射入分束单元。
传输控制单元2(第二传输控制模块)包括分束单元与控制单元(定向传输单元)两部分。在本实施例2中，选择M＝7时，第二传输控制模块结构图如图4所示。
分束单元由一对色散器件组成，用于实现太赫兹波束能够按不同频率分波束传输。控制单元由分束镜、反射面、透镜组成，用于实现空间色散太赫兹波的定向传输到太赫兹探测单元。
太赫兹探测单元包括M个高灵敏度的太赫兹探测器，每个太赫兹探测器具有标准的矩形金属波导频段，在微波信号源提供的本振信号的激励下，可实现0.05～1.5THz甚至更高频段(可根据实际需求自由选择频段或扩展频段)全频段太赫兹信号的高灵敏度探测，太赫兹信号经混频下变频低噪放等处理得到中频信号。太赫兹探测模块可同时得到待测样品的幅度与相位信息。
在本实施例2中，为了实现待测物质反射的太赫兹波信号的采集，在太赫兹波收发一体单元与计算模块之间连接多路数据采集单元，多路数据采集单元包括高速ADC模块、高性能FPGA等硬件设备，实现待测物质反射太赫兹信号的高速采集。
同样的，为了实现待测物质透射的太赫兹波信号的采集，在太赫兹波探测设备与计算模块之间连接多路数据采集单元，实现待测物质透射太赫兹信号的高速采集。
在本实施例2中，计算模块在服务器中执行，服务器内置控制命令与信号处理核心算法，用于待测样品反射信号与透射信号的处理，得到待测样品在0.05～1.5THz频段内任意波段的太赫兹波谱，用于样品定性定量分析、样品类别鉴定等领域。服务器内还存储有太赫兹谱数据库，调用太赫兹谱数据库与通过计算模块获得的待测物质的太赫兹频谱对比，对待测物质进行定性以及定量分析。
在本实施例2中，使用本发明实施例2所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置进行物质太赫兹波谱分析时，包括如下操作步骤：
A.***初始化
(1)设置多功能微波信号源的输出信号路数M、起止频率fl-fh、信号功率pi(i＝1,…,M)、信号扫描次数j、步进间隔等参数n；
(2)设置多通道数据采集单元1反射太赫兹信号采样频率fs1、采集时长t1等参数；
(3)设置多通道数据采集单元2透射太赫兹信号采样频率fs2、采集时长t2等参数；
(4)设置样品室三维样品台xyz三轴的运动速率(vx，vy，vz)；位置(px，py，pz)；
(5)在服务器的统一控制下，自动调整传输控制单元1、样品室、传输控制单元2内的透镜、分束镜、反射面等光学器件至信号精准传输控制状态。
B.参考信号采集
三维样品台处于空置状态，波谱分析仪处于工作状态，分别记录空置状态下反射太赫兹波与透射太赫兹波，记为w1与w2，保存至服务器端。
C.样品信号采集
(1)重复步骤A中的步骤(5)相关处理；
(2)待测样本置于三维样品台上，通过转台控制器将待测样品置于有效区域内；
(3)波谱分析仪处于工作状态，分别记录空置状态下反射太赫兹波与透射太赫兹波，记为s1与s2，保存至服务器端。
D.样品分析
(1)服务器根据得到的参考信号w1、w2以及样品信号s1、s2，根据服务器内置的太赫兹特征谱提取算法，实现待测样品反射太赫兹谱与透射太赫兹谱的提取；
(2)根据待测样品的反射太赫兹谱与透射太赫兹谱，通过调用服务器内置的太赫兹谱数据库，实现待测样品定性定量分析及类别测试。
实施例3
在本发明实施例3中，提供的一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，为研究基于太赫兹波谱精细提取的物质成分定性定量分析与类别的精确检测识别提供了基础。
图5为本发明实施例3所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置的原理结构图。
如图5所示，基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置主要包括多功能微波信号源、太赫兹收发单元、传输控制单元1、样品室、传输控制单元2、太赫兹探测单元、多路数据采集单元、服务器等单元组成。
其中，多功能微波信号源作为信号源模块，产生了7路频分复用微波信号与7路中频信号(频分复用本振信号)，每一路频分复用微波信号作为太赫兹收发单元(太赫兹收发模块)的激励信号；每一路频分复用本振信号作为太赫兹探测单元(太赫兹探测模块)的本振信号；各路信号的频率范围、步进间隔、功率、扫频次数等参数可根据需要自由设置。
相应的，太赫兹收发单元(太赫兹收发模块)包括7个高度集成的太赫兹收发一体单元。如图5所示，在本实施例3中，第一路频分复用微波信号激励的太赫兹波频段1范围为0.11～0.17THz，第二路频分复用微波信号激励的太赫兹波频段2范围为0.17～0.22THz，第三路频分复用微波信号激励的太赫兹波频段3范围为0.22～0.33THz，第四路频分复用微波信号激励的太赫兹频段4范围为0.33～0.5THz，第五路频分复用微波信号激励的太赫兹频段5范围为0.5～0.75THz，第六路频分复用微波信号激励的太赫兹频段6范围为0.75～1.1THz，第七路频分复用微波信号激励的太赫兹频段范围为1.1～1.5THz。
在本实施例3中，传输控制单元1(第一传输控制模块)包括整形单元与合束单元。其中，整形单元包7对工作于不同波段的衍射相位板组成，用于将7个太赫兹收发一体单元产生的不同频段的太赫兹信号进行波束整形，实现高斯发散波束向无明显衍射行为的结构化太赫兹波束的转换。
合束单元由工作于不同波段的极化器(光栅)、分束镜、反射面组成。极化器(光栅)用于太赫兹波束相位与幅度的调控，实现太赫兹波束的精准调控。分束镜用于实现不同太赫兹频段的反射与透射行为。反射面作为辅助器件实现太赫兹波传播的精准控制。
如图5所示，在本实施例3中，第一路太赫兹波信号(频段1)首先经过整形单元中最顶部第一对衍射相位板，再通过对应的合束单元中的第一路极化器，然后再入射右侧的反射面。第二路太赫兹波信号(频段2)经过第二对衍射相位板后进入第二路极化器，然后第二路极化器的右侧依次有两个分束镜，分束镜的右侧为第二路反射面。第三路太赫兹波信号(频段3)依次经过第三对衍射相位板、第三路极化器、反射面。第四路太赫兹波信号(波段4)依次经过第四对衍射相位板、第四路极化器、反射面。第五路太赫兹波信号(波段5)依次经过第五对衍射相位板、第五路极化器，第五路极化器的右侧为一个分束镜，该分束镜的右侧为反射面。第六路太赫兹波信号(波段6)依次经过第六对衍射相位板、第六路极化器，第六路极化器的右侧为两个分束镜，分束镜的右侧为反射面。第七路太赫兹波信号(波段7)依次经过第七对衍射相位板、第七路极化器，第七路极化器的右侧为反射面。
为了能够实现待测物质的位置调整，以使发射的太赫兹信号能够更精确的聚焦于待测物质的某一固定点，以及使透射的太赫兹信号能够精确的透过待测物质透射到第二超宽带透镜上，以及使反射的太赫兹波信号能够精确的反射到第一超宽带透镜上，在本实施例中，设置了样品室，将第一超宽带透镜、第二超宽带透镜设于样品室中，且第一超宽带透镜以及第二超宽带透镜能够在样品室中进行位置移动，以调整合适的位置。
在第一超宽带透镜以及第二超宽带透镜之间设置放置待测物质的三维样品台，通过三维样品台可调整待测物质的三维位置。将待测物质放置在样品台上，透射过待测物质的太赫兹波透射在第二超宽带透镜上，待测物质反射的太赫兹波入射在第一超宽带透镜上。
将第一超宽带透镜和第二超宽带透镜分别置于两个可移动装置上，通过可移动装置调整第一超宽带透镜以及第二超宽带透镜的位置。
传输控制单元2(第二传输控制模块)包括分束单元与控制单元(定向传输单元)两部分。在本实施例3中，如图5所示，分束单元由一对色散器件组成，用于实现太赫兹波束能够按不同频率分波束传输。控制单元由分束镜、反射面、透镜组成，用于实现空间色散太赫兹波的定向传输到太赫兹探测单元。太赫兹探测单元包括7个高灵敏度的太赫兹探测器，每个太赫兹探测器分别探测7个不同波段的太赫兹波信号。
由分束单元出射的太赫兹波信号首先入射到一分束镜上，该分束镜的正上方以及正下方均为反射面。
正上方的反射面的右侧依次为第二路太赫兹波段的两个分束镜，两个分束镜的右侧为第二路的透镜，第二路透镜的上方为第一路透镜，第一路透镜的左侧为反射面。第二路透镜的下方为第三路透镜，第三路透镜的左侧为第三路的反射面。第三路透镜的下方为第四路透镜，第四路透镜的左侧为第四路的反射面。第四路透镜的下方为第无路透镜，第五路透镜的左侧为分束镜，分束镜的左侧为反射面。
正下方的反射面的右侧依次为第六路太赫兹波段的两个分束镜，两个分束镜的右侧为第六路的透镜，第六路的透镜下方为第七路的透镜，第七路的透镜左侧为第七路的反射面。
7路太赫兹波分别经过第一路透镜、第二路透镜、第三路透镜、第四路透镜、第五路透镜、第六路透镜、第七路透镜进入7个太赫兹波探测器。
在本实施例3中，为了实现待测物质反射的太赫兹波信号的采集，在太赫兹波收发一体单元与计算模块之间连接多路数据采集单元，多路数据采集单元包括高速ADC模块、高性能FPGA等硬件设备，实现待测物质反射太赫兹信号的高速采集。
同样的，为了实现待测物质透射的太赫兹波信号的采集，在太赫兹波探测设备与计算模块之间连接多路数据采集单元，实现待测物质透射太赫兹信号的高速采集。
在本实施例3中，计算模块在服务器中执行，服务器内置控制命令与信号处理核心算法，用于待测样品反射信号与透射信号的处理，得到待测样品在0.05～1.5THz频段内任意波段的太赫兹波谱，用于样品定性定量分析、样品类别鉴定等领域。
本实施例3中，服务器内置的核心算法可以为基于太赫兹波的物质无标志检测识别方法。该方法中，包括如下A-C三个步骤：
A.服务器对得到的参考信号进行超分辨率重构，有效抑制高斯噪声的影响，实现对空状态下参考太赫兹信号频谱估计；
B.服务器对得到的多次测试的样本透射太赫兹信号，依次进行太赫兹信号无效点检测、太赫兹信号重构、太赫兹频谱估计、太赫兹频谱优化等处理，得到具有较高信噪比的太赫兹频谱；
C.根据步骤A与步骤B得到的参考信号太赫兹频谱与样本透射太赫兹信号频谱，求得样品吸收谱；在此基础上，通过太赫兹吸收谱局与优化得到具有明显峰值的太赫兹特征谱。
综上所述，本发明实施例所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置及分析测试方法，太赫兹波谱分辨率由数GHz量级提升至Hz量级(最优1Hz)，提升6～9个量级；太赫兹信号输出功率由10-6W提升至10-3～1W，提升3～4个量级；动态范围由20～30dB提升至30～40dB；实现太赫兹波谱分辨率自主设置，设置范围为1Hz～1kHz；实现待测样品透射太赫兹波谱与反射太赫兹波谱的同步采集；填补全电子学的高分辨率太赫兹波谱分析仪的国际空白。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域技术人员在不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，其特征在于，包括：
信号源模块，产生频分复用微波信号以及对应的频分复用本振信号；
太赫兹收发模块，被频分复用微波信号激励发射太赫兹信号，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块；
第一传输控制模块，对太赫兹收发模块发射的太赫兹信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换，并传输给待测物质；
第二传输控制模块，对透过待测物质的太赫兹波信号进行分波定向传输至太赫兹波探测模块；
太赫兹波探测模块，被频分复用本振信号激励对接收的太赫兹波信号进行探测后，发送给计算模块；
计算模块，对待测物质反射的太赫兹波信号和待测物质透射的太赫兹信号进行计算处理，得到待测物质的太赫兹波谱；
所述太赫兹收发模块包括若干路太赫兹收发一体单元，每一路太赫兹收发一体单元包括标准矩形金属波导频段，经多波段拼接频分复用微波信号实现若干路太赫兹波信号的发射，并接收待测物质反射的太赫兹波信号发送给计算模块；
所述第一传输控制模块包括整形单元与合束单元；
所述整形单元，将太赫兹收发一体单元发射的若干路太赫兹波信号进行波束整形，实现高斯发散波束向结构化太赫兹波束的转换；
所述合束单元，用于完成太赫兹波束的相位调控、幅度调控、反射以及透射；
所述合束单元与所述待测物质间设有第一超宽带透镜，所述第一超宽带透镜用于将入射太赫兹波聚焦于所述待测物质，同时完成所述待测物质反射的太赫兹波信号的传输；
所述第二传输控制模块包括分束单元和定向传输单元；
所述分束单元，使经待测物质透射的太赫兹波信号按若干路不同频率分波束传输；
所述定向传输单元，用于将若干路不同频率分波束传输的太赫兹波信号定向传输到太赫兹探测模块；
所述整形单元由一对衍射相位板组成；
所述合束单元由极化器、分束镜、反射面组成；
极化器用于太赫兹波束的相位调控与幅度调控；
分束镜用于实现不同太赫兹频段的太赫兹波信号的反射与透射；
反射面用于实现太赫兹波信号传播的传输路径调整控制；
所述分束单元由一对色散器件组成；
所述定向传输单元由分束镜、反射面、定向透镜组成；
所述定向透镜用于将若干路待测物质透射的太赫兹波信号分别定向传输给对应的太赫兹探测器。
2.根据权利要求1所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，其特征在于：
所述分束单元与所述待测物质间设有第二超宽带透镜，所述第二超宽带透镜用于对经待测物质透射的太赫兹波信号进行整形平行传播。
3.根据权利要求1所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置，其特征在于：
所述太赫兹波探测模块包括若干路太赫兹探测器，每个太赫兹探测器具有标准矩形金属波导频段，在频分复用本振信号的激励下，实现若干路经待测物质透射的太赫兹波信号的探测，并发送给计算模块。
4.一种利用如权利要求1-3任一项所述的基于频分复用的物质太赫兹波谱分析装置进行物质太赫兹波谱分析测试的方法，其特征在于，包括：
步骤S110：***初始化：设置信号源模块的输出信号路数、起始频率、截止频率、信号功率、信号扫描次数、步进间隔；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；设置经待测物质反射的太赫兹波信号的采样频率、采集时长；
步骤S120：参考信号采集：采集没有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S130：样品信号采集：采集有待测物质状态下的反射太赫兹波信号与透射太赫兹波信号，作为参考信号传输至计算模块；
步骤S140：待测物质分析：根据得到的参考信号以及样品信号，计算模块通过内置的太赫兹特征谱提取算法，实现待测物质反射太赫兹谱与透射太赫兹谱的提取；
步骤S150：根据待测物质的反射太赫兹谱与透射太赫兹谱，通过调用太赫兹谱数据库，实现待测物质的定性定量分析及类别测试。
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |