[發明專利]基于編碼孔徑的高靈敏度太赫茲超導光譜成像系統及系統成像方法

有效

• 申請號: 201810593229.9
• 申請日: 2018-06-11
• 公開（公告）號: CN109029727B
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發明（設計）人: 張翼龍;史生才;林鎮輝;繆巍;姚明;高暠
• 申請（專利權）人: 中國科學院紫金山天文臺
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/45;G01J3/02
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 戴朝榮

本發明公開了一種基于編碼孔徑的高靈敏度太赫茲超導光譜成像系統及系統成像方法，該系統利用數字微鏡器件作為編碼孔徑器件和單個基于超導熱電子混頻器的直接檢波器相結合的方法成像，目的在于提供一種能在一個太赫茲單通道接收系統中，實現包含太赫茲二維連續譜圖像數據和太赫茲一維譜線數據的高靈敏度多維光譜成像。本發明的技術方案是：在一個太赫茲單通道接收系統中，利用單個超導HEB直接檢波器和DMD,并結合傅立葉分光頻譜儀的方式，利用編碼孔徑技術，實現太赫茲信號連續譜成像和譜線探測的高靈敏度多維光譜成像。本發明以實現高寬帶連續譜、高頻譜分辨率、高靈敏的太赫茲光譜成像的目的。

技術領域

本發明涉及光譜成像領域，特別是一種太赫茲超導光譜成像系統及系統成像方法，具體的說，是基于編碼孔徑的高靈敏度太赫茲超導光譜成像系統及系統成像方法。

背景技術

在天文學領域，太赫茲波段占有宇宙微波背景輻射后近一半的能量，相當于紫外、可見光和近紅外波段能量的總和，是研究星際介質、星系形成和演化、地外行星大氣、以及宇宙生命起源等現代天文學前沿科學問題的獨特波段。目前太赫茲天文觀測包括連續譜觀測和譜線觀測，對于具有幾十平方角分到上百平方度的覆蓋面積的大面積天體目標的觀測，如能同時開展連續譜強度圖像和譜線圖像觀測，則可建立天體觀測對象的多維光譜圖像模型與結構，可為諸如宇宙星際介質研究以及宇宙學距離上的天體紅移精確測定提供一種獨特的方法。

進行天體觀測對象的連續譜和譜線圖像觀測，可采用直接檢波陣列接收機和傅立葉分光頻譜儀(Fourier Transform Spectrometer,FTS)結合的技術來實現。與超導陣列探測器相比，單個超導直接檢波器結構簡單，成本功耗低，且采用熱噪聲讀出技術將具有讀出電路相對簡單、工作溫區寬、靈敏度高、動態范圍大等優點，如基于超導熱電子混頻器(Hot-Electron Bolometer,HEB)的直接檢波器。超導HEB直接檢波器是目前1THz以上頻段靈敏度最高的探測器件，但如果單純的將單個超導直接檢波器與傅立葉分光頻譜儀結合，利用傳統的掃描方式對大面積天體目標的觀測，與目前國際上利用太赫茲超導陣列探測器與傅立葉分光頻譜儀結合的光譜成像技術相比，往往面臨空間分辨率受天線口徑限制和觀測效率低的問題。

近年來，編碼孔徑(coded aperture)技術的發展十分迅速。編碼孔徑技術僅通過單個接收通道配合編碼掩膜板即可產生不同的電磁波接收模式，這樣接收到的電磁波在特定空間不再是均勻平面波，其幅度和相位受到編碼掩膜板的調制，可形成非均勻、波前非平面等模式的接收波。此時探測得到的電磁波信號是目標輻射強度分布與編碼模式的廣義卷積，通過相應算法即可重構出目標輻射強度分布。孔徑編碼成像作為小孔成像的拓展，應用于天文學中的x射線和γ射線探測中已有半個世紀的歷史，但受限于器件、衍射效應和應用需求在太赫茲探測中還未得到廣泛應用。近幾年內在引入數字微鏡器件(DigitalMicromirror Device,DMD)作為可編程空間編碼器件之后，基于編碼孔徑計算成像等實現手段的各波段的光譜成像技術研究也是日趨火熱。相比較于陣列和掃描式光譜成像的成熟結構和相對固定的技術路線，基于編碼孔徑的光譜成像技術對實現方式并沒有很明確的約束，可以支持非常靈活的設計。

針對前述的基于直接檢波陣列接收機或單個超導直接檢波器和傅立葉分光頻譜儀結合的光譜成像技術的不足，以及編碼孔徑的技術優點，本發明的任務將提供一種新型太赫茲光譜成像方法，以實現高寬帶連續譜、高頻譜分辨率、高靈敏的太赫茲光譜成像。

發明內容

本發明提供了一種基于編碼孔徑的高靈敏度太赫茲超導光譜成像系統及系統成像方法。

為實現上述技術目的，本發明采取的技術方案為：