[發(fā)明專(zhuān)利]外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710408477.7
• 申請(qǐng)日: 2017-06-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN106990413B
• 公開(kāi)（公告）日: 2023-04-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 常天英;張曉璇;崔洪亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S17/894
• 分類(lèi)號(hào): G01S17/894
• 代理公司: 濟(jì)南圣達(dá)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 37221
• 代理人: 張勇

1.一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：包括X-Y二維掃描平臺(tái)、太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊、太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊、收發(fā)共用透鏡天線、信號(hào)全相參模塊、數(shù)據(jù)采集和處理模塊、圖像處理模塊和圖像顯示單元，其中：

所述X-Y二維掃描平臺(tái)固定被測(cè)對(duì)象，并沿X軸和Y軸逐點(diǎn)移動(dòng)被測(cè)對(duì)象；

所述太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊產(chǎn)生射頻信號(hào)發(fā)送給被測(cè)對(duì)象；

所述太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊探測(cè)從被測(cè)對(duì)象反射回的回波信號(hào)，并產(chǎn)生本振信號(hào)與回波信號(hào)下變頻處理得到測(cè)試信號(hào)；

所述收發(fā)共用透鏡天線向被測(cè)對(duì)象發(fā)射聚焦的射頻信號(hào)并接收反射回的回波信號(hào)；

所述信號(hào)全相參模塊將射頻信號(hào)與本振信號(hào)下變頻處理得到參考信號(hào)，然后將參考信號(hào)和測(cè)試信號(hào)進(jìn)一步下變頻處理得到差頻信號(hào)；

所述數(shù)據(jù)采集和處理模塊在X-Y二維掃描平臺(tái)于一點(diǎn)停住且穩(wěn)定后，采集差頻信號(hào)并存儲(chǔ)，然后上傳至處理器處理數(shù)據(jù)；

所述圖像處理模塊根據(jù)所有采集并處理的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維圖像，并利用圖像處理技術(shù)使更清晰；

所述圖像顯示單元顯示被測(cè)對(duì)象清晰可靠的三維成像圖；

所述太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊、太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊與數(shù)據(jù)采集和處理模塊均經(jīng)信號(hào)發(fā)生器輸出的脈沖信號(hào)同步硬件外部觸發(fā)后開(kāi)始工作；

所述信號(hào)全相參模塊使得太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊和太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊實(shí)現(xiàn)相干。

2.如權(quán)利要求1所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊包括第一信號(hào)源、K波段線性掃頻源、功分器、第一混頻器、第一功率放大器、二倍頻器、第一三倍頻器、第一定向耦合器和第二定向耦合器，所述第一信號(hào)源連接第一混頻器的本振端，所述K波段線性掃頻源經(jīng)過(guò)功分器連接第一混頻器的中頻端，第一混頻器的射頻輸出端依次連接有第一功率放大器、二倍頻器、第一三倍頻器、第一定向耦合器和第二定向耦合器。

3.如權(quán)利要求2所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊包括第二信號(hào)源、所述K波段線性掃頻源、功分器、第二混頻器、第二功率放大器、第二三倍頻器、第三定向耦合器、第一次諧波混頻器、第一帶通濾波器和第一低噪聲放大器，所述第二信號(hào)源連接第二混頻器的本振端，所述K波段線性掃頻源經(jīng)過(guò)功分器連接第二混頻器的中頻端，第二混頻器的射頻輸出端依次連接有第二功率放大器、第二三倍頻器和第三定向耦合器，所述第一次諧波混頻器本振端接收第三定向耦合器的輸出信號(hào)和射頻端接收所述第二定向耦合器的輸出信號(hào)，中頻輸出端依次連接第一帶通濾波器和第一低噪聲放大器。

4.如權(quán)利要求2或3所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述第一信號(hào)源和第二信號(hào)源均為點(diǎn)頻信號(hào)源。

5.如權(quán)利要求3所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述信號(hào)全相參模塊包括第二次諧波混頻器、第二帶通濾波器、第二低噪聲放大器和第三混頻器，所述第三定向耦合器與第一定向耦合器的輸出信號(hào)分別進(jìn)入第二次諧波混頻器的本振端和射頻端，第二次諧波混頻器中頻輸出端依次連接第二帶通濾波器、第二低噪聲放大器和第三混頻器，所述第三混頻器射頻端和本振端分別接收第二低噪聲放大器的輸出信號(hào)和第一低噪聲放大器的輸出信號(hào)，并進(jìn)行混頻，下變頻處理后中頻端輸出差頻信號(hào)。

6.如權(quán)利要求1所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述數(shù)據(jù)采集和處理模塊包括USB數(shù)據(jù)采集卡和處理器，USB數(shù)據(jù)采集卡采集差頻信號(hào)，處理器根據(jù)X-Y二維掃描平臺(tái)移動(dòng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)二維重排，再將數(shù)據(jù)進(jìn)行快速傅立葉變化，其中頻率表征被測(cè)對(duì)象深度方向的位置信息，幅值表征被測(cè)對(duì)象的反射信號(hào)強(qiáng)度。

7.如權(quán)利要求1所述的一種外差式全相參太赫茲三維高分辨率成像的系統(tǒng)，其特征是：所述圖像處理模塊根據(jù)采集并處理后數(shù)據(jù)構(gòu)建被測(cè)對(duì)象三維圖像，然后通過(guò)圖像融合、增強(qiáng)、變換和濾波算法使圖像更加清晰，所述圖像顯示單元顯示最終清晰可靠的三維成像圖。

8.基于權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)的工作方法，其特征是：包括以下步驟：

(1)被測(cè)對(duì)象置于X-Y二維掃描平臺(tái)上，沿X和Y方向移動(dòng)，每移動(dòng)至一點(diǎn)后停止；

(2)待X-Y二維掃描平臺(tái)停止且穩(wěn)定后，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號(hào)同時(shí)觸發(fā)太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊、太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊和數(shù)據(jù)采集和處理模塊開(kāi)始工作；

(3)太赫茲線性調(diào)頻波發(fā)射模塊生成發(fā)射信號(hào)，通過(guò)收發(fā)共用透鏡天線掃描被測(cè)對(duì)象，收發(fā)共用透鏡天線接收被測(cè)對(duì)象反射回的回波信號(hào)，太赫茲線性調(diào)頻波接收模塊產(chǎn)生本振信號(hào)與回波信號(hào)下變頻處理得到測(cè)試信號(hào)；

(4)信號(hào)全相參模塊首先將發(fā)射信號(hào)和本振信號(hào)混頻得到參考信號(hào)，再將參考信號(hào)與測(cè)試信號(hào)混頻得到差頻信號(hào)；

(5)數(shù)據(jù)采集和處理模塊對(duì)差頻信號(hào)進(jìn)行采集和存儲(chǔ)，然后X-Y二維掃描平臺(tái)移至下一位置，以此類(lèi)推，從而實(shí)現(xiàn)N個(gè)點(diǎn)的掃描，最終實(shí)現(xiàn)面的掃描，存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)經(jīng)處理器進(jìn)行二維數(shù)據(jù)重排、快速傅里葉變換、加窗濾波等多種處理；

(6)圖像處理模塊根據(jù)處理后的數(shù)據(jù)構(gòu)建三維圖像，并利用圖像增強(qiáng)、復(fù)原、分割、特征分析等圖像處理技術(shù)使更清晰；

(7)圖像顯示單元顯示生成的被測(cè)對(duì)象清晰可靠的三維成像圖。