[发明专利]近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法。

背景技术

近年来，随着电子器件的飞速发展，太赫兹探测成为一种重要的应用手段，特别是成像方面，由于其高分辨率在无损探测领域赢得广泛关注。国际上，美国和德国处于研究的领先水平，其中美国喷气推进实验室先后搭建了三套中心频率为0.6THz三维成像系统，带宽分别为8GHz、13GHz和28.8GHz；德国应用科学研究所高频物理和雷达技术实验室最初研制了中心频率为0.2THz，带宽分别为4GHz、8GHz的逆合成孔径三维成像系统，而后2014年在此基础上研制了中心频率0.3THz、带宽44GHz、型号为MIRANDA-300的超高分辨率逆合成孔径成像系统。国内太赫兹成像系统研究也取得了诸多进展，其中成果最显著的是中国工程物理研究院研制的中心频率0.67GHz，带宽28.8GHz的逆合成孔径三维成像系统。从他们设计系统的中心频率和带宽可以看出，大带宽的系统中心频率较高，从而导致成像的平面分辨率和深度分辨率相差较大，甚至数量级不一致。这是因为目前在微波或毫米波频段很难实现大带宽且高信噪比的线性扫频源，目前获得较大带宽的方法是对带宽较窄的直接数字式频率合成器(DDS)多次倍频，如德国应用科学研究所MIRANDA-300系统的倍频倍数为144；或是使用相对带宽大的压控振荡器(VCO)。对窄带的DDS输出频率多次倍频意味着牺牲系统的发射功率、相位噪声、发射信号频率分辨力和稳定性，并增加链路的繁琐性，而VCO与DDS相比信噪比差，非常影响成像质量。同时，他们设计的系统应用环境是远距离和大范围测试，如高空飞机探测，因此多采用双天线(发射天线和接收天线)平行放置并把两天线看作在同一位置上而忽略两天线之间距离造成的深度距离探测误差，也有系统使用光学元件(分光镜)避免这种检测误差，但是需要附加光路，从而增加系统结构的复杂度且损害工程应用性。除此之外，目前设计系统全部采用分立器件拼接而成，增大了系统体积和复杂度。

因此，需要一种低倍频倍数、探测误差小、稳定性好、分辨率高、相位噪声小、系统结构简单、体积小、可进行小缺陷探伤的近距离无损探测的大宽带太赫兹三维成像系统。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统及方法，本发明基于太赫兹理论和微波射频知识，设计简洁硬件电路通过低倍频倍数产生、接收太赫兹大宽带信号，实现平面和深度分辨率同等数量级的三维成像。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种近距离无损探测的超宽带太赫兹三维成像系统，包括扫描驱动平台、发射链路、接收链路、整体相参链路、数据采集和处理模块以及显示模块，其中：

所述扫描驱动平台用于放置并在X、Y二维方向移动被测对象；

所述发射链路产生并发射宽带的太赫兹射频信号至被测对象；

所述接收链路接收从被测对象的各个X、Y二维坐标反射回的回波信号，并产生与射频信号具有固定频率差的本振信号，并与回波信号下变频处理得到测试信号；

所述整体相参链路将射频信号与本振信号下变频处理得到参考信号，将参考信号和测试信号进一步下变频处理得到差频信号；

所述数据采集和处理模块在扫描驱动平台静止于某一坐标后，采集差频信号并存储，然后上传至处理器处理数据，构建三维图像，并将图像交由显示模块显示。

进一步的，所述发射链路、接收链路、整体相参链路与数据采集和处理模块均经信号发生板卡输出的脉冲信号触发后同步工作。

进一步的，所述发射链路包括依次相连的宽带毫米波线性扫频源、第一二倍频器、第一三倍频器、第一定向耦合器和发射天线，所述第一定向耦合器的直通端连接至发射天线。

进一步的，所述接收链路包括依次相连的宽带毫米波线性扫频源、第二三倍频器、第二定向耦合器、第一次谐波混频器和接收天线，所述第一次谐波混频器本振端接收第二定向耦合器直通端的输出信号和射频端接收所述接收天线的回波信号，中频输出端依次连接第一带通滤波器和第一低噪声放大器。

进一步的，所述宽带毫米波线性扫频源集成在一块电路板上，使用电子开关切换实现频段拼接的方法获得大带宽，包括第一直接数字式频率合成器和第二直接数字式频率合成器，所述频率合成器均具有两个输出端，每个输出端依次通过二倍频器、带通滤波器和放大器连接双刀双掷电子开关的不同管脚，以实现不同的输出值。

进一步的，所述发射天线与接收天线为镜像放置，两天线之间的角度根据两天线之间距离和天线的远场距离确定。