[发明专利]基于压缩感知的太赫兹辐射强度分布探测方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹波探测技术,具体讲,涉及基于压缩感知的太赫兹辐射强度分布探测方 法和装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)辐射是指频率从0.1THz到10THz，相应 的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。太赫 兹辐射在电磁波谱中所处的特殊位置赋予了其一系列特殊的性质，这使得太赫兹技术可以应 用到生物医学检测、物质特性研究、安检等方向。太赫兹辐射潜在的广阔应用前景促使其辐 射源技术快速发展，太赫兹波段的辐射能量探测技术也逐渐成熟，而相应的对辐射强度分布 的探测手段却还停留在最初的逐点扫描和太赫兹相机两种方法。逐点扫描方法简单易行，只 需二维位移平台、太赫兹辐射功率计或能量计等实验室基础设备就能实现。但其存在着平台 二维移动所导致的成像速度慢的缺点，加之使用该方法需要对每一点的强度进行逐个探测， 这要求太赫兹辐射源的能量和强度分布在较长时间内保持稳定，若要得到较高分辨率图像则 要求探测器具有较高的灵敏度，然而这些要求是现阶段的太赫兹辐射源和探测器所难以达到 的，所以此方法的应用范围受到了一定的限制。太赫兹波段的CCD和CMOS相机则可以实 现实时成像，然而其探测灵敏度较低，这就对辐射源的输出功率提出了较高要求，加之高昂 的价格，这使得它很难被应用到一般的太赫兹波研究当中。

压缩感知是一种充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论，它突破 了传统香农-奈奎斯特采样定理的束缚。该理论表明，当信号具有稀疏性或可压缩性时，通过 采集少量的信号投影值就可实现信号的准确或近似重构。压缩感知理论是以已有的盲源分离 和稀疏分解理论为基础建立的。盲源分离为压缩感知理论提供了在未知源信号的情况下通过 测量编码值实现信号重构的思路；稀疏分解中的具体算法则被应用到压缩感知重构过程。采 用压缩感知理论的太赫兹辐射强度分布探测方法则只需要引入用于光调制的掩模测量矩阵， 更换掩模板过程仅需一维移动，在原信号20％-30％采样率下实现采样，整个采集过程可缩短 至8秒，配合红外热辐射探测器Bolometer可实现pW量级的功率探测，且可通过调整掩模 板掩模孔径尺寸和透镜组合得到不同分辨率的成像结果。该方法具有小型化、易于制作、低 成本、时间短、灵敏度高的优点。

发明内容

为克服现有技术的不足，实现室温下太赫兹辐射强度分布的快速高灵敏度探测，并能够 根据需要对辐射强度分布实现不同分辨率的成像。

为此，本发明采用的技术方案是：基于压缩感知的太赫兹辐射强度分布探测装置，包括 扩束透镜组、掩模板、一维电动位移平台、太赫兹功率计或能量计、聚焦透镜、计算机的装 置，所述的扩束透镜组由焦距分别为50mm的凹透镜和100mm的凸透镜组成，所述凹透镜、 凸透镜对1-3THz范围高透；所述掩模板为金属薄片上按0、1二值组成的矩阵，1对应为镂 空的方孔；掩模板被固定到一维电动位移平台上；聚焦透镜为对1-3THz范围高透的凸透镜； 辐射光束经过扩束透镜组后得到扩束后的光束，一维电动位移平台移动方向与光路所在方向 垂直，因而扩束后的光束垂直通过掩模板，透过掩模板的辐射能量由一焦距为100mm的凸透 镜汇聚到探测器，计算机控制位移平台的移动和数据采集过程，掩模板每移动一步，功率计 或能量计采集对应的能量，并将采集到的信号上传至计算机数据采集卡。

透镜组合实现分辨率的调节，具体包括：采用焦距为50mm的平凹镜和焦距为100mm的 平凸镜组合实现光斑的2倍扩束，实现分辨率为250μm的成像分辨率；或未加透镜组合时 的分辨率为500μm；或光斑较大，采用焦距为150mm的平凹镜和焦距为50mm的平凸镜组 合，则实现1.5mm的成像分辨率。

所述金属掩模板为150mm×30mm×0.1mm的不锈钢片上按0、1二值组成的20×99矩 阵，1对应为镂空大小为0.45mm×0.45mm的方孔，0对应部分不镂空，包含80个20×20 的矩阵，每移动一列光路中形成不同的调制矩阵。

所述位移平台为可由计算机编程控制且定位精度高于0.05mm的一维电动位移平台。

所述探测器为可探测波长范围从10μm到5000μm对应30THz到60GHz的灵敏度达 到pW量级的热辐射测量计bolometer。