[发明专利]一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测方法及装置

说明书

本发明公开了一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置及方法，TIA前置电流放大器与电流型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，前置增益放大器与TIA前置电流放大器连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连；BPF带通滤波器输入端与前置增益放大器连接；带通增益放大器与BPF带通滤波器连接；MODEM调制解调器分别与带通增益放大器和主控MCU连接；LPF低通滤波器与MODEM调制解调器连接；所述低通增益放大器与LPF低通滤波器连接；AD模数转换器与低通增益放大器连接；主控MCU分别与MODEM调制解调器、AD模数转换器和PC上位机连接。其采集精度和采集范围较现有微弱信号采集装置大幅提升，可实现fA级电流信号采集，采集增益1*10^⁴至1*10^⁹精确可调。

技术领域：

本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域技术领域，具体涉及一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测方法及装置。

背景技术：

太赫兹波是一种穿透能力强、光子能量低的电磁波，其频率在0.1～10THz(1THz＝10¹²Hz)之间，介于微波和红外波之间。太赫兹光谱和成像系统是利用太赫兹波进行光电导采样，广泛应用于物质识别、安全检查、材料与结构的无损探伤、生物组织的活体检查、无线通信等领域。

在采样中，飞秒激光器产生的激光激发光电导天线产生光生载流子，这些载流子在太赫兹脉冲电场的作用下形成电流。通过探测电流的变化即可实现对太赫兹脉冲的测量。受环境辐射和检测设备的内部噪声等影响，探测电流信号非常小，甚至被噪声淹没，属于nA级电流信号。

为提高信号的抗干扰能力，实现精确的检测，我们需要从噪声中提取、恢复并增强被测信号。因此，对此微弱信号的精确检测成为了太赫兹光谱和成像技术领域的关键部分。

带通滤波器是微弱信号检测常用的方法，其压缩检测通道的带宽，使之能覆盖住信号的频谱，噪声的输出将会明显降低，因此是降低噪声、改善信噪比最常用的方法。但是由于其频率稳定性的限制，单纯的用压缩带宽来抑制噪声是有限的。

发明内容：

本发明的目的在于寻求一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测方法及装置。

为了实现上述目的，本发明涉及的一种用于太赫兹光谱和成像系统的fA级微弱信号检测装置，包括TIA前置电流放大器、前置增益放大器、BPF带通滤波器、带通增益放大器、MODEM调制解调器、LPF低通滤波器、低通增益放大器、AD模数转换器、POWER电源模块、主控MCU和PC上位机；所述TIA前置电流放大器1输入端与电流型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于采集并放大探测天线产生的偏置电流信号；所述前置增益放大器输入端与TIA前置电流放大器输出端连接，或与电压型太赫兹光谱和成像系统的探测天线相连，用于对输入信号做进一步放大；所述BPF带通滤波器输入端与前置增益放大器输出端连接，用于滤除高频和低频噪声；所述带通增益放大器输入端与BPF带通滤波器输出端连接，用于对输入信号做进一步放大；所述MODEM调制解调器输入端分别与带通增益放大器输出端和主控MCU连接，用于将主控MCU输入的参考信号与带通增益放大器输入的信号相乘，输出直流信号，所述参考信号与探测天线的输入信号同频；所述LPF低通滤波器输入端与MODEM调制解调器输出端连接，用于滤除交流噪声信号，输出直流有用信号；所述低通增益放大器输入端与LPF低通滤波器输出端连接，用于对信号做进一步放大；所述AD模数转换器输入端与低通增益放大器输出端连接，用于将模拟信号变换为数字信号，并将数字信号输送到主控MCU；所述主控MCU分别与MODEM调制解调器、AD模数转换器和PC上位机连接，用于输出输出与偏置电流信号同频的参考信号，接收AD模数转换器发来的数字信号并上传到PC上位机，所述PC上位机进行数据处理并以时域波形和频域波形的形式呈现太赫兹光谱图。