太赫兹主动成像系统研究

发布时间：2020-08-08 12:32

【摘要】：近年来,伴随国内外太赫兹(Terahertz,简称:THz)技术的快速发展,THz成像检测技术在无损检测、材料科学、反恐安检、物理、化学、生物医学、航空航天等众多领域均展现了广阔的应用前景。针对THz主动成像技术在无损检测、以及人体安检领域的重大应用前景,我们研究了可靠实用的主动成像系统。对用于THz无损检测的主动成像系统,为充分利用低频THz信号穿透性强但空间分辨率较低,而高频THz信号空间分辨率高但穿透性较弱的特点,我们提出了高低双波段THz无损检测仪的方案,通过图像融合技术实现了高分辨率与强穿透性的充分融合从而提升了 THz无损检测仪的检测能力。针对图像中出现的干涉条纹影响成像质量问题,通过频域滤波实现干涉消除从而优化了成像质量。最终研制的系统由低频110.4 GHz和高频220.8 GHz两个波段的本振源及超外差检测器组成,成像结果显示系统可达到的空间分辨率达3 mm。我们利用该系统对泡沫隔热材料与金属板黏合面粘接质量展开了检测,并检测了不同材质中的预埋缺陷。结果表明,系统能穿透泡沫隔热材料并获得材料与金属板黏合处的二维THz图像,从图像中能清晰地分辨出不同特征的缺陷。该研究结果不仅证明了 THz波成像在质量检测和材料无损检测领域的广泛应用前景,也证明了多波段融合在THz主动成像技术领域的有效性。同时,我们也重点研究了可用于人体安检的双焦点THz像方扫描主动成像系统,在研究过程中我们发现,利用工程光学中场曲及像散的相关理论,在保持经典系统(卡塞格林或格里高利)结构不变的情况下,通过简单的面型参数变换或成像距离的变化即可实现双焦点成像的效果,从而可优化系统内整个视场的成像分辨率。该方法与基于几何光学光线追踪的传统双焦点成像系统实现方法相比,计算过程简单,实现方便,可根据设计人员实际情况调整双焦点大小,唯一美中不足的是不能在面型中增加高次项以进一步优化成像效果,考虑到THz成像系统的工作波长,实际应用时无明显影响。基于上述方法,我们利用THz连续波源及相应检测器,研制了一套最快扫描速度1秒/帧,距离8 m处成像视场覆盖50 cm×100 cm的双焦点反射天线格里高利成像系统。当系统工作频率为220 GHz时,系统全视场范围内的分辨率均优于3 cm(最优点分辨率达到2.5 cm),全视场范围内的表现明显优于初始经典系统(分辨率4.45 cm)。该主动成像系统不仅验证了所述方法的可行性而且在国内首次实现了利用双焦点格里高利系统对人体主躯干的成像。当验证系统工作频率提高到650 GHz时,类比220 GHz时的参数,理论上最优点分辨率应达到0.85 cm,最差点的分辨率应优于1.02 cm,实际测试验证发现,系统全视场范围内的分辨率只优于2.5 cm(最优点分辨率达到1 cm),分析认为可能是由于系统加工及装调精度不够导致分辨率恶化,同时所使用的源与检测器无法通过相位信息提升图像信噪比导致无法通过点扩散函数更精确表示系统分辨率。我们针对不同应用场景所研制的THz主动成像系统均达到了预期目标,证明了 THz主动成像在无损检测、人体安检等方面巨大的应用潜力。在本文的最后我们也针对THz主动成像技术的进一步实用化,提出了一些可能的改进思路及方法。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441;TP391.41
【图文】：

ＴＨｚ源是烟雾等环境下的理想成像光源。需要特别指出的是，由于金属的高电逡逑导率使其在ＴＨｚ频段反射特性极强；另外，水的极性很强，水汽对ＴＨｚ波吸收逡逑明显，是ＴＨｚ在大气传输中衰减的主要因素，图１－２展示了邋ＴＨｚ波在不同大气逡逑条件下的衰减特性。在实际ＴＨｚ波段的设备研制过程中，需要充分考虑这两个逡逑因素并加以合理利用或规避。逡逑＂ＥＥ１逦＼逦Ｉ逦１逡逑．＿？螓邋ｎｔｃｒ邋逦Ｍ逦Ｉ逦Ｉ逡逑…｜逦Ｊ逦Ｘ＂逦］逡逑＇＂ｉｔｏ逦＼邋ｉｒ逡逑Ｉ邋ｉｐｑｕａｃＮ邋（ＣｉＨ／！逡逑图１－２邋ＴＨｚ波在不同大气条件下的衰减特性［１４］逡逑２逡逑

在使用肖特基二极管做频率为１００－１２０邋ＧＨｚ的直接检测时，ＮＥＰ可达到逡逑５ｘｌ（Ｔ１２Ｗ／ＨＺ１／２［４５］。当肖特基二极管作为直接检测工作在０．７５－０．９ＴＨＺ时，电压逡逑响应也可达到２５００邋Ｖ／Ｗ邋［４６］。图１－４展示了常见外差检测器系统简图，其中％为逡逑入射信号，化0为本地振荡信号。逡逑本地信号ＬＯ逡逑’＼Ａ／’邋＼邋八八／＾Ｃ＾邋混频器．逡逑图１＿４外差检测器系统简图逡逑在特定的应用条件下，使用直接检测式检测器还是外差检测式检测器是需要逡逑通过系统论证分析的。一般来讲，相干检测器具有更高的频谱分辨率［４７］？［５０］，逡逑／／Ｖ？１０５－丨０６，但工作在ＴＨｚ波段的相千检测器还需要本振源；而非相干检逡逑测器则可以在更宽的频谱范围内工作，在背景噪声较低的时候它能提供的空间分逡逑６逡逑

在可见光波段，成像主要依靠物体漫反射，而在ＴＨｚ波段，成像主要依靠反逡逑射，此时，光线在被测物上的入射角和被测物体表面的凹凸变化都会对成像结果逡逑造成很大影响。图１－５显示了邋ＴＨｚ成像中物体的入射角度变化以及表面起伏对结逡逑果的影响［１４］。图ａ为系统能完全获取反射后的入射信号时的情况，可以看到被逡逑测物成像的轮廓很清晰；图ｂ为入射信号经反射后完全无法被成像系统接收的情逡逑况，此时虽然有被测物，但实际成像结果却无法检测到被测物。图ｃ为同一被测逡逑物通过旋转特定角度，部分原来成像时看得到和看不到的区域互换了。该实验表逡逑明，同一被测物的ＴＨｚ主动成像结果外形轮廓也可能有较大差别。通过将多个摆逡逑放在不同地点照射角度不同的ＴＨｚ源信号直接照射到被测物表面上是这个问题逡逑９逡逑

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