一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，整個系統包括信號采集與控制子系統、射頻子系統、太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統；系統基于太赫茲雷達主動探測技術，太赫茲雷達收發鏈路作為系統的核心采用單發單收的太赫茲倍頻鏈路實現；系統采用寬帶線性調頻信號作為探測波，利用準光技術實現將太赫茲波在成像面上聚焦成光斑，采用二維非勻速機械掃描的工作方式實現光斑在成像面上的快速掃描；目標回波被接收饋源檢測，經過處理可以獲得光斑位置的精確距離。系統利用準光掃描，并利用太赫茲雷達發射寬帶信號測量高精度距離數據，可以獲得待測對象的三維成像，這種成像方法有效避免了回波信號強度對成像角度敏感的問題。
【專利說明】
一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統
技術領域
[0001 ]本發明屬于安全檢測成像技術領域，涉及太赫茲成像技術，特別是一種主動式太 赫茲二維高速掃描成像安檢系統。
【背景技術】
[0002] 近年來，暴力恐怖襲擊等事件時有發生，人們對于反恐安防提出了更高的要求，特 別是在機場，火車站或地鐵口等人流量大的公共場所，如何實現對犯罪分子隨身攜帶的刀 具、槍支、炸藥等武器進行快速自動檢測和識別，是目前公共安全領域面臨的一個難題。
[0003] 現有的檢測手段主要分為成像檢測方法和非成像檢測方法，其中：
[0004] -、成像檢測：主要是利用毫米波和太赫茲波進行成像檢測。這個頻段與X射線相 比，光子能量低，在ImeV量級，遠小于人體皮膚的電離能，不會對人體產生電離損傷。另外， 毫米波和太赫茲波對衣物等非極性物質有很好的穿透性，而對某些物質，如金屬和人體等， 無法穿透的特性，通過檢測目標發射或輻射的電磁波實現衣物下的物體檢測。
[0005] 成像檢測方法分為被動成像方法和主動成像方法。被動成像方法主要通過檢測人 身上攜帶的物體和人體之間的溫度差實現成像，具有結構簡單，成本低，成像速度快等優 勢，但是其不足是信號動態范圍小，穿透性弱，成像效果受外界環境影響較大。主動成像方 法通過對目標發射太赫茲波，通過檢測目標回波實現成像的方法。主動成像方法的信號動 態范圍大，不受外界環境影響，并且可以獲得目標的多種信息進行處理。其不足之處主要 是：
[0006] 1)相干斑較強，成像效果惡化。主動式成像一般利用回波散射強度信號成像，而回 波強度對角度、目標表面粗糙度等因素非常敏感，不利于成像檢測與識別。
[0007] 2)成像檢測速度受限于機械掃描速度，一般通過陣列提高系統成像速度，增加了 系統成本和系統復雜度。
[0008] 二、非成像檢測方法，主要用于國內安檢通道常見的金屬探測器和人工接觸式檢 測。金屬探測器對金屬物品，如匕首和槍支等，具有很好的檢測效果，但是對于非金屬違禁 品，如液體炸彈和生化制品等則無法檢測。人工接觸式檢測是通過工作人員對被檢查人員 進行觸摸完成檢查，是最保險的檢測方式，其缺點在于效率非常低。
[0009] 目前國內限于技術水平，主要采用金屬探測器結合人工接觸式的檢測方法。目前 只有部分產品樣機得到了初步的示范應用。
[0010] 綜上所述，利用現有成熟技術條件下在較低成本下能夠實現對隨身攜帶違禁品的 快速可靠的檢測具有很高的實用價值。
【發明內容】
[0011] 本發明為解決上述技術問題，提出了一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系 統，該系統在成本較低的前提下能夠達到較高的成像速度，并且利用目標距離維信息進行 成像可有效避免回波信號強度對入射角度非常敏感的問題。
[0012] 本發明利用了太赫茲波如下特性：（1)太赫茲波對大部分衣物具有很好的穿透性， 但是無法穿透皮膚和金屬等物品；（2)太赫茲頻段高，波長短，有利于實現高帶寬信號以獲 得目標高精度距離維信息，并且可以用較小孔徑尺寸的光路實現較高的橫向分辨率。
[0013] 如果采用線性調頻信號作為發射信號，則發射信號為
fi M<4
[0015] 其中rect〇) = j u 為中心頻率，TP為脈寬，丫為調頻率，t為系統時間，m為 整數，T為脈沖重復周期;f -.wT為以發射時刻為起點的時間，稱為快時間；tm = mT為是 計量發射脈沖時刻的時間，稱為慢時間。
[0016] 模擬去斜過程中，參考信號與回波在混頻器內作共輒相乘，即作差頻處理，回波變 成單頻信號，且其頻率與回波和參考信號的距離差成正比，因而也叫解線頻調處理，其頻率 值為
。因此，對解線頻調后的信號作傅立葉變換，便可在頻域得到對應的各回波的 sine狀的窄脈沖，脈沖寬度為1/TP，而脈沖位置與R成正比。
[0017]線性調頻信號的距離分辨率為：
[0018] p = c/2B
[0019]其中，c為光速，B為雷達發射波的帶寬。如果雷達發射帶寬大于15GHz，那么系統就 可以分辨厚度大于1厘米的物體。在低頻段，如此高的帶寬是很難達到的，但是當工作頻段 為太赫茲頻段，很容易獲得高帶寬的波形。
[0020] 基于高精度距離維測量成像原理：聚焦的太赫茲波形成一個光斑，照射到待測對 象身上，反射回波被接收后，通過模擬去斜可以獲得與雷達和目標距離成正比的窄脈沖頻 譜。當光斑照射到沒有隱藏物體的部位時，除了一小部分能量被衣物反射回來，大部分能量 穿透衣物，被皮膚反射回來。兩個脈沖頻譜間的距離即為皮膚和衣物之間的距離W。當光斑 照射的位置隱藏有物品時候，除了衣物的反射波外，回波能量主要是隱藏物品的反射波。衣 物和隱藏目標的脈沖間距為W-H，其中H為隱藏物品的厚度。如果系統的距離維精度足夠高， 可以清晰分辨出兩個間距很近脈沖的峰值，那么就可以利用所有掃描位置的距離維數據進 行圖像重構得到三維圖像。
[0021] 基于以上原理，本發明的技術方案如下：
[0022] -種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于:包括信號采集與控 制子系統、射頻子系統、太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統；
[0023] 信號采集與控制子系統，用于回波信號采集與數字信號處理，圖像重構，為用戶提 供軟件交互界面以及系統工作狀態的實時監控；
[0024] 射頻子系統：用于為太赫茲收發信道子系統提供本振驅動信號，將下變頻的太赫 茲波進行放大和濾波后送給信號采集與控制子系統完成模數變換；
[0025] 太赫茲收發信道子系統，由太赫茲發射和太赫茲接收倍頻鏈路構成，太赫茲發射 倍頻鏈通過倍頻的方式將輸入的射頻信號變到太赫茲頻段，太赫茲接收倍頻鏈將接收的太 赫茲回波下變頻至低頻段以進行進一步處理；
[0026]光路與掃描子系統，用于將光路與掃描子系統的寬帶調制太赫茲波在成像平面聚 焦成光斑，通過改變準光系統中鏡面的角度控制光斑在成像平面的位置。
[0027]所述信號采集與控制子系統包括顯控與圖像重構模塊、信號采集和控制FPGA、時 鐘網絡2和模數轉換器ADC;
[0028]顯控與圖像重構模塊是系統和操作者的軟件接口；顯控與圖像重構模塊，用于接 收信號采集和控制FPGA發送來的打包的采集數據，將打包數據處理后的圖像數據顯示于終 端，供用戶使用;作為系統的操作界面和狀態顯示界面，用戶可以通過該模塊了解系統運行 狀態，并且發出操作指令控制系統運行；
[0029]信號采集和控制FPGA，用于接收顯控與圖像重構模塊的命令，執行系統參數配置 工作，并且在工作過程中為射頻子系統和掃描電機控制與驅動模塊提供觸發信號，以確保 子系統之間的時序同步;將工作時采集到的中頻信號和光柵數據打包并上傳到顯控與圖像 重構模塊。
[0030] 時鐘網絡2,用于將射頻子系統的輸入時鐘轉換為信號采集和控制FPGA、ADC需要 的時鐘頻率；
[0031] ADC，用于采集工作過程中由射頻子系統產生的中頻信號，并上傳給信號采集和控 制FPGA〇
[0032] 所述射頻子系統包括參考晶振、時鐘網絡1、控制通信接口、線性調頻源、混頻器、 本振信號生成器、功分器、低噪聲放大器和中頻調理電路；
[0033] 參考晶振用于為時鐘網絡1和時鐘網絡2提供參考時鐘；
[0034] 時鐘網絡1，用于將參考晶振的輸入時鐘頻率轉換為控制通信接口、線性調頻源以 及混頻器工作所需要的頻率；
[0035]控制通信接口是射頻子系統、信號采集與控制子系統的通信接口；控制通信接口， 用于根據信號采集和控制FPGA發送的指令配置線性調頻源的工作參數和控制線性調頻源 的工作狀態，也用于將線性調頻源的參數和狀態上傳給信號采集和控制FPGA模塊。
[0036]線性調頻源，用于產生系統低頻段的線性調頻信號，線性調頻信號被輸入到混頻 器；
[0037]混頻器、本振信號生成器和功分模塊三者相互配合，將低頻段的線性調頻信號變 為符合太赫茲收發信道子系統要求的頻段和帶寬的線性調頻本振信號，并將變換得到的線 性調頻本振信號發送到太赫茲收發信道子系統；
[0038]低噪聲放大器和中頻調理電路，用于將太赫茲收發信道子系統輸出的中頻信號放 大，濾波之后，送給ADC進行采集。
[0039]所述太赫茲收發信道子系統包括太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈和太赫茲 諧波混頻器；
[0040] 太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈用于將射頻子系統送來的線性調頻本振信 號倍頻到太赫茲頻段；
[0041] 太赫茲發射倍頻鏈的輸出信號經過波導輸入至光路與掃描子系統，經過準光網絡 聚焦后作為探測波。
[0042] 太赫茲接收倍頻鏈輸出的線性調頻信號與光路與掃描子系統收到的目標回波在 太赫茲收發信道子系統的太赫茲諧波混頻器內完成模擬去斜，變為中頻信號送至射頻子系 統的低噪聲放大器。
[0043] 所述光路與掃描子系統，包括太赫茲準光網絡、發射饋源、接收饋源、光柵信號接 口以及掃描電機控制與驅動模塊;其中，太赫茲準光網絡包括分光鏡、聚焦鏡、折返鏡和掃 描鏡；
[0044] 發射饋源和接收饋源是太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統的接口；
[0045] 分光鏡具有單向透射的特性，用于隔離發射波和接收回波；
[0046] 聚焦鏡是一個橢球面鏡，用于將太赫茲波聚焦使其在成像平面上形成一個光斑。
[0047] 折返鏡是一個平面鏡，用于改變波束傳播方向。
[0048] 掃描鏡也是一個平面鏡，除了用于改變波束傳播方向外，掃描鏡可以在水平和俯 仰兩個方向上在一定角度范圍內擺動，用來實現光斑在成像平面上的移動。
[0049] 掃描鏡的轉動通過水平和俯仰方向上的兩個電機實現。掃描鏡的轉動角度可通過 圓光柵測量得到。水平軸圓光柵和俯仰軸圓光柵的角度信號通過光柵信號接口進行電平轉 換后分別輸出給信號采集與控制子系統以及掃描電機控制與驅動模塊。送給信號采集與控 制子系統的信號被轉換為光斑當前位置數據，與ADC變換得到的回波數據打包送至顯控與 圖像重構模塊用于圖像處理。掃描電機控制與驅動模塊利用接收到的光柵信號控制電機的 運動狀態，使光斑完成在成像平面上掃描的目的。
[0050] 所述系統中采用的二維掃描方案有以下特點：
[0051] 1)水平方向為非勻速運動，存在重復的加速-勻速-減速的過程。
[0052] 2)俯仰方向為勻速運動。
[0053] 所述系統的工作原理如下：
[0054]操作者通過終端的操作界面完成系統參數配置后，發出系統工作指令，通過顯控 與圖像重構模塊傳送給信號采集和控制FPGA;
[0055] 待檢測對象站立在系統聚焦平面處；
[0056] 操作者發出檢測指令，信號采集和控制FPGA接收到檢測指令，分別給控制通信接 口、掃描電機控制與驅動模塊各一個觸發信號，使其各自開始工作；
[0057] 控制通信接口控制線性調頻源產生指定脈沖寬度和周期的線性調頻信號，產生的 線性調頻信號和時鐘網絡1產生的本振信號混頻，經過本振信號生成器和功分模塊后分別 輸入至太赫茲發射倍頻鏈和太赫茲接收倍頻鏈，通過倍頻生成寬帶太赫茲線性調頻信號； 經過太赫茲發射倍頻鏈生成的太赫茲線性調頻發射信號通過發射饋源發射到準光網絡;準 光網絡將太赫茲線性調頻發射信號聚焦為成像平面上的一個光斑，通過掃描鏡改變光斑在 成像平面的位置，完成光斑在成像平面的逐點掃描;光斑在成像平面的反射回波被準光網 絡接收，傳輸至接收饋源，在太赫茲諧波混頻器內和太赫茲接收倍頻鏈生成的一路寬帶線 性調頻信號混頻，完成去斜，變為低頻窄帶信號;所述低頻窄帶信號經過低噪聲放大器和中 頻調理電路輸入給ADC轉換為數字信號之后，與代表當前光斑位置的光柵信號，同時送給信 號采集和控制FPGA;信號采集和控制FPGA內部，光柵信號被轉換為成像面二維坐標位置，同 采集到的中頻信號打包上傳給顯控與圖像重構模塊;顯控與圖像重構模塊利用打包數據完 成圖像重構在系統操作界面上顯示出成像結果；
[0058] 至此，系統完成一次掃描成像操作。
[0059]本發明的有益效果如下：
[0060] 1)與傳統利用回波強度的成像方法相比，基于高精度距離維信息的三維成像方法 對目標角度和成像表面特性的敏感程度降低，有效降低了相干斑的影響；
[0061] 2)在準光網絡中采用了一種變速二維機械掃描方法使系統在單路收發鏈路的配 置下能夠達到較高的成像速度；
[0062] 3)系統可擴展性強，可以在不改變整體架構的情況下通過增加收發鏈路達到進一 步成像速度的提高的目的。
【附圖說明】
[0063]圖1為傳統的基于高精度距離維測量成像原理示意圖；
[0064]圖2為本發明的整體架構示意圖；
[0065] 圖3為本發明的二維變速掃描軌跡圖。
【具體實施方式】
[0066] 本發明利用了太赫茲波如下特性：（1)太赫茲波對大部分衣物具有很好的穿透性， 但是無法穿透皮膚和金屬等物品；（2)太赫茲頻段高，波長短，有利于實現高帶寬信號以獲 得目標高精度距離維信息，并且可以用較小孔徑尺寸的光路實現較高的橫向分辨率。
[0067] 如果采用線性調頻信號作為發射信號，則發射信號為
[0069] 其中
，fc=為中心頻率，TP為脈寬，y為調頻率，t為系統時間，m為 整數，T為脈沖重復周期;f - 〃斤為以發射時刻為起點的時間，稱為快時間；tm=mT為是計 量發射脈沖時刻的時間，稱為慢時間。
[0070] 模擬去斜過程中，參考信號與回波在混頻器內作共輒相乘，即作差頻處理，回波變 成單頻信號，且其頻率與回波和參考信號的距離差成正比，因而也叫解線頻調處理，其頻率 值為
=因此，對解線頻調后的信號作傅立葉變換，便可在頻域得到對應的各回波的 sine狀的窄脈沖，脈沖寬度為1/TP，而脈沖位置與R成正比。
[0071]線性調頻信號的距離分辨率為：
[0072] p = c/2B
[0073] 其中，c為光速，B為雷達發射波的帶寬。如果雷達發射帶寬大于15GHz，那么系統就 可以分辨厚度大于1厘米的物體。在低頻段，如此高的帶寬是很難達到的，但是當工作頻段 為太赫茲頻段，很容易獲得高帶寬的波形。
[0074]基于高精度距離維測量成像原理，如圖1所示：聚焦的太赫茲波形成一個光斑，照 射到待測對象身上，反射回波被接收后，通過模擬去斜可以獲得與雷達和目標距離成正比 的窄脈沖頻譜。當光斑照射到沒有隱藏物體的部位時，除了一小部分能量被衣物反射回來， 大部分能量穿透衣物，被皮膚反射回來。兩個脈沖頻譜間的距離即為皮膚和衣物之間的距 離W。當光斑照射的位置隱藏有物品時候，除了衣物的反射波外，回波能量主要是隱藏物品 的反射波。衣物和隱藏目標的脈沖間距為W-H，其中H為隱藏物品的厚度。如果系統的距離維 精度足夠高，可以清晰分辨出兩個間距很近脈沖的峰值，那么就可以利用所有掃描位置的 距離維數據進行圖像重構得到三維圖像。
[0075]基于以上原理，如圖2所示，本發明基于單發單收的太赫茲鏈路，采用寬帶線性調 頻信號作為探測波，利用準光技術實現將太赫茲波在成像面上聚焦成光斑，采用二維非勻 速機械掃描的工作方式實現光斑在成像面上的移動。系統接收到的回波經過接收饋源通過 模擬去斜的方式得到低頻窄帶脈沖。脈沖的中心頻率和探測波總的傳輸距離成正比，由此 便可得到目標的距離維信息。
[0076]本發明的技術方案如下：
[0077] -種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，包括信號采集與控制子系統、射 頻子系統、太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統。
[0078] 所述信號采集與控制子系統，用于回波信號采集與數字信號處理，圖像重構，為用 戶提供軟件交互界面以及系統工作狀態的實時監控。
[0079]所述信號采集與控制子系統包括顯控與圖像重構模塊、信號采集和控制FPGA、時 鐘網絡2和模數轉換器ADC;
[0080] 顯控與圖像重構模塊是系統和操作者的軟件接口；顯控與圖像重構模塊，用于接 收信號采集和控制FPGA發送來的打包的采集數據，將打包數據處理后的圖像數據顯示于終 端，供用戶使用;作為系統的操作界面和狀態顯示界面，用戶可以通過該模塊了解系統運行 狀態，并且發出操作指令控制系統運行；
[0081] 信號采集和控制FPGA，用于接收顯控與圖像重構模塊的命令，執行系統參數配置 工作，并且在工作過程中為射頻子系統和掃描電機控制與驅動模塊提供觸發信號，以確保 子系統之間的時序同步;將工作時采集到的中頻信號和光柵數據打包并上傳到顯控與圖像 重構模塊。
[0082]時鐘網絡2,用于將射頻子系統的輸入時鐘轉換為信號采集和控制FPGA、ADC需要 的時鐘頻率；
[0083] ADC，用于采集工作過程中由射頻子系統產生的中頻信號，并上傳給信號采集和控 制FPGA〇
[0084] 所述射頻子系統，用于為太赫茲收發信道子系統提供本振驅動信號，將下變頻的 太赫茲波進行放大和濾波后送給信號采集與控制子系統完成模數變換；
[0085] 所述射頻子系統包括參考晶振、時鐘網絡1、控制通信接口、線性調頻源、混頻器、 本振信號生成器、功分器、低噪聲放大器和中頻調理電路；
[0086] 參考晶振用于為時鐘網絡1和時鐘網絡2提供參考時鐘；
[0087] 時鐘網絡1，用于將參考晶振的輸入時鐘頻率轉換為控制通信接口、線性調頻源以 及混頻器工作所需要的頻率；
[0088] 控制通信接口是射頻子系統、信號采集與控制子系統的通信接口；控制通信接口， 用于根據信號采集和控制FPGA發送的指令配置線性調頻源的工作參數和控制線性調頻源 的工作狀態，也用于將線性調頻源的參數和狀態上傳給信號采集和控制FPGA模塊。
[0089] 線性調頻源，用于產生系統低頻段的線性調頻信號，線性調頻信號被輸入到混頻 器；
[0090] 混頻器、本振信號生成器和功分模塊三者相互配合，將低頻段的線性調頻信號變 為符合太赫茲收發信道子系統要求的頻段和帶寬的線性調頻本振信號，并將變換得到的線 性調頻本振信號發送到太赫茲收發信道子系統；
[0091] 低噪聲放大器和中頻調理電路，用于將太赫茲收發信道子系統的太赫茲諧波混頻 器輸出的中頻信號放大，濾波之后，送給ADC進行采集。
[0092] 所述太赫茲收發信道子系統，由太赫茲發射和太赫茲接收倍頻鏈路構成，太赫茲 發射倍頻鏈通過倍頻的方式將輸入的射頻信號變到太赫茲頻段，太赫茲接收倍頻鏈將接收 的太赫茲回波下變頻至低頻段以進行進一步處理；
[0093]所述太赫茲收發信道子系統包括太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈和太赫茲 諧波混頻器；
[0094]太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈用于將射頻子系統送來的線性調頻本振信 號倍頻到太赫茲頻段；
[0095]太赫茲發射倍頻鏈的輸出信號經過波導輸入至光路與掃描子系統的發射饋源，經 過準光網絡聚焦后作為探測波。
[0096]太赫茲接收倍頻鏈輸出的線性調頻信號與光路與掃描子系統的接收饋源收到的 目標回波在太赫茲收發信道子系統的太赫茲諧波混頻器內完成模擬去斜，變為一中頻信號 送至射頻子系統的低噪聲放大器。
[0097] 所述光路與掃描子系統，用于將光路與掃描子系統的寬帶調制太赫茲波在成像平 面聚焦成光斑，通過改變準光系統中鏡面的角度控制光斑在成像平面的位置。發射的太赫 茲波經過目標反射后經過準光網絡后傳送至光路與掃描子系統的接收饋源，然后經過波導 傳輸給太赫茲收發信道子系統的太赫茲接收倍頻鏈完成下變頻。
[0098] 所述光路與掃描子系統，包括太赫茲準光網絡、發射饋源、接收饋源、光柵信號接 口以及掃描電機控制與驅動模塊;其中，太赫茲準光網絡包括分光鏡、聚焦鏡、折返鏡和掃 描鏡；
[0099]發射饋源和接收饋源是太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統的接口；
[0100] 分光鏡具有單向透射的特性，用于隔離發射波和接收回波；
[0101] 聚焦鏡是一個橢球面鏡，用于將太赫茲波聚焦使其在成像平面上形成一個光斑。
[0102] 折返鏡是一個平面鏡，用于改變波束傳播方向。
[0103] 掃描鏡也是一個平面鏡，除了用于改變波束傳播方向外，掃描鏡可以在水平和俯 仰兩個方向上在一定角度范圍內擺動，用來實現光斑在成像平面上的移動。
[0104] 掃描鏡的轉動通過水平和俯仰方向上的兩個電機實現。掃描鏡的轉動角度可通過 圓光柵測量得到。水平軸圓光柵和俯仰軸圓光柵的角度信號通過光柵信號接口進行電平轉 換后分別輸出給信號采集與控制子系統以及掃描電機控制與驅動模塊。送給信號采集與控 制子系統的信號被轉換為光斑當前位置數據，與ADC變換得到的回波數據打包送至顯控與 圖像重構模塊用于圖像處理。掃描電機控制與驅動模塊利用接收到的光柵信號控制電機的 運動狀態，使光斑完成在成像平面上掃描的目的。
[0105] 所述系統的掃描軌跡如圖3所示，圖中圓點表示以一定周期發射的寬帶線性調頻 太赫茲波經過聚焦在成像平面上形成的光斑。從圖中可以看到，系統中采用的二維掃描方 案有以下特點：
[0106] 3)水平方向為非勻速運動，存在重復的加速-勻速-減速的過程。
[0107] 4)俯仰方向為勻速運動。
[0108] 所述系統的工作原理如下：
[0109] 操作者通過終端的操作界面完成系統參數配置后，發出系統工作指令，通過顯控 與圖像重構模塊傳送給信號采集和控制FPGA;
[0110] 待檢測對象站立在系統聚焦平面處；
[0111]操作者發出檢測指令，信號采集和控制FPGA接收到檢測指令，分別給控制通信接 口、掃描電機控制與驅動模塊各一個觸發信號，使其各自開始工作；
[0112]控制通信接口控制線性調頻源產生指定脈沖寬度和周期的線性調頻信號，產生的 線性調頻信號和時鐘網絡1產生的本振信號混頻，經過本振信號生成器和功分模塊后分別 輸入至太赫茲發射倍頻鏈和太赫茲接收倍頻鏈，通過倍頻生成寬帶太赫茲線性調頻信號； 經過太赫茲發射倍頻鏈生成的太赫茲線性調頻發射信號通過發射饋源發射到準光網絡;準 光網絡將太赫茲線性調頻發射信號聚焦為成像平面上的一個光斑，通過掃描鏡改變光斑在 成像平面的位置，完成光斑在成像平面的逐點掃描;光斑在成像平面的反射回波被準光網 絡接收，傳輸至接收饋源，在太赫茲諧波混頻器內和太赫茲接收倍頻鏈生成的一路寬帶線 性調頻信號混頻，完成去斜，變為低頻窄帶信號;所述低頻窄帶信號經過低噪聲放大器和中 頻調理電路輸入給ADC轉換為數字信號之后，與代表當前光斑位置的光柵信號，同時送給信 號采集和控制FPGA;信號采集和控制FPGA內部，光柵信號被轉換為成像面二維坐標位置，同 采集到的中頻信號打包上傳給顯控與圖像重構模塊;顯控與圖像重構模塊利用打包數據完 成圖像重構在系統操作界面上顯示出成像結果；
[0113]至此，系統完成一次掃描成像操作。
【主權項】
1. 一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于:包括信號采集與控制 子系統、射頻子系統、太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統； 信號采集與控制子系統，用于回波信號采集與數字信號處理、圖像重構、為用戶提供軟 件交互界面以及系統工作狀態的實時監控； 射頻子系統，用于為太赫茲收發信道子系統提供本振驅動信號，將下變頻的太赫茲波 進行放大和濾波后送給信號采集與控制子系統完成模數變換； 太赫茲收發信道子系統，由太赫茲發射和太赫茲接收倍頻鏈路構成，太赫茲發射倍頻 鏈通過倍頻的方式將輸入的射頻信號變到太赫茲頻段，太赫茲接收倍頻鏈將接收的太赫茲 回波下變頻至低頻段以進行進一步處理； 光路與掃描子系統，用于將光路與掃描子系統的寬帶調制太赫茲波在成像平面聚焦成 光斑，通過改變準光系統中鏡面的角度控制光斑在成像平面的位置。2. 根據權利要求1所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于： 所述信號采集與控制子系統包括顯控與圖像重構模塊、信號采集和控制FPGA、時鐘網絡2和 模數轉換器ADC; 顯控與圖像重構模塊是系統和操作者的軟件接口，用于接收信號采集和控制FPGA發送 來的打包的采集數據，將打包數據處理后的圖像數據顯示于終端，還用于發出操作指令控 制系統運行； 信號采集和控制FPGA，用于接收顯控與圖像重構模塊的命令，執行系統參數配置工作， 并且在工作過程中為射頻子系統和掃描電機控制與驅動模塊提供觸發信號;將工作時采集 到的中頻信號和光柵數據打包并上傳到顯控與圖像重構模塊； 時鐘網絡2,用于將射頻子系統的輸入時鐘轉換為信號采集和控制FPGA、ADC需要的時 鐘頻率； ADC，用于采集工作過程中由射頻子系統產生的中頻信號，并上傳給信號采集和控制 FPGA03. 根據權利要求2所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在 于:所述射頻子系統包括參考晶振、時鐘網絡1、控制通信接口、線性調頻源、混頻器、本振信 號生成器、功分器、低噪聲放大器和中頻調理電路； 參考晶振用于為時鐘網絡1和時鐘網絡2提供參考時鐘； 時鐘網絡1，用于將參考晶振的輸入時鐘頻率轉換為控制通信接口、線性調頻源以及混 頻器工作所需要的頻率； 控制通信接口是射頻子系統、信號采集與控制子系統的通信接口；控制通信接口，用于 根據信號采集和控制FPGA發送的指令配置線性調頻源的工作參數和控制線性調頻源的工 作狀態，也用于將線性調頻源的參數和狀態上傳給信號采集和控制FPGA模塊； 線性調頻源，用于產生系統低頻段的線性調頻信號，線性調頻信號被輸入到混頻器； 混頻器、本振信號生成器和功分模塊三者相互配合，用于將低頻段的線性調頻信號變 為符合太赫茲收發信道子系統要求的頻段和帶寬的線性調頻本振信號，并將變換得到的線 性調頻本振信號發送到太赫茲收發信道子系統； 低噪聲放大器和中頻調理電路，用于將太赫茲收發信道子系統輸出的中頻信號放大， 濾波之后，送給ADC進行采集。4. 根據權利要求3所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于： 所述太赫茲收發信道子系統包括太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈和太赫茲諧波混頻 器； 太赫茲發射倍頻鏈、太赫茲接收倍頻鏈用于將射頻子系統送來的線性調頻本振信號倍 頻到太赫茲頻段； 太赫茲發射倍頻鏈的輸出信號經過波導輸入至光路與掃描子系統； 太赫茲接收倍頻鏈輸出的線性調頻信號與光路與掃描子系統收到的目標回波在太赫 茲收發信道子系統的太赫茲諧波混頻器內完成模擬去斜，變為中頻信號送至射頻子系統的 低噪聲放大器。5. 根據權利要求4所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于： 所述光路與掃描子系統包括太赫茲準光網絡、發射饋源、接收饋源、光柵信號接口以及掃描 電機控制與驅動模塊;其中，太赫茲準光網絡包括分光鏡、聚焦鏡、折返鏡和掃描鏡； 發射饋源和接收饋源是太赫茲收發信道子系統、光路與掃描子系統的接口； 分光鏡具有單向透射的特性，用于隔離發射波和接收回波； 聚焦鏡，用于將太赫茲波聚焦使其在成像平面上形成一個光斑； 折返鏡，用于改變波束傳播方向； 掃描鏡，用于改變波束傳播方向；所述掃描鏡，可在水平和俯仰兩個方向上在一定角度 范圍內擺動，用來實現光斑在成像平面上的移動。6. 根據權利要求5所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在于： 所述掃描鏡的轉動通過水平和俯仰方向上的兩個電機實現;掃描鏡的轉動角度通過圓光柵 測量得到，水平軸圓光柵和俯仰軸圓光柵的角度信號通過光柵信號接口進行電平轉換后分 別輸出給信號采集與控制子系統以及掃描電機控制與驅動模塊;送給信號采集與控制子系 統的信號被轉換為光斑當前位置數據，與ADC變換得到的回波數據打包送至顯控與圖像重 構模塊用于圖像處理;掃描電機控制與驅動模塊利用接收到的光柵信號控制電機的運動狀 態，使光斑完成在成像平面上掃描。7. 根據權利要求5或6所述的一種主動式太赫茲二維高速掃描成像安檢系統，其特征在 于工作原理如下： 操作者通過終端的操作界面完成系統參數配置后，發出系統工作指令，通過顯控與圖 像重構模塊傳送給信號采集和控制FPGA; 待檢測對象站立在系統聚焦平面處； 操作者發出檢測指令，信號采集和控制FPGA接收到檢測指令，分別給控制通信接口、掃 描電機控制與驅動模塊各一個觸發信號，使其各自開始工作； 控制通信接口控制線性調頻源產生指定脈沖寬度和周期的線性調頻信號，產生的線性 調頻信號和時鐘網絡1產生的本振信號混頻，經過本振信號生成器和功分模塊后分別輸入 至太赫茲發射倍頻鏈和太赫茲接收倍頻鏈，通過倍頻生成寬帶太赫茲線性調頻信號;經過 太赫茲發射倍頻鏈生成的太赫茲線性調頻發射信號通過發射饋源發射到準光網絡;準光網 絡將太赫茲線性調頻發射信號聚焦為成像平面上的一個光斑，通過掃描鏡改變光斑在成像 平面的位置，完成光斑在成像平面的逐點掃描;光斑在成像平面的反射回波被準光網絡接 收，傳輸至接收饋源，在太赫茲諧波混頻器內和太赫茲接收倍頻鏈生成的一路寬帶線性調 頻信號混頻，完成去斜，變為中頻信號;所述中頻信號經過低噪聲放大器和中頻調理電路輸 入給ADC轉換為數字信號之后，與代表當前光斑位置的光柵信號，同時送給信號采集和控制 FPGA;信號采集和控制FPGA內部，光柵信號被轉換為成像面二維坐標位置，同采集到的中頻 信號打包上傳給顯控與圖像重構模塊;顯控與圖像重構模塊利用打包數據完成圖像重構在 系統操作界面上顯示出成像結果； 至此，完成一次掃描成像操作。
【文檔編號】G01S13/89GK105891900SQ201610395394
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年6月3日
【發明人】成彬彬, 安健飛, 鄧賢進, 何月, 江舸, 陸彬, 林海川, 劉杰, 陳鵬, 蔣均, 趙宇嬌, 繆麗, 田遙嶺, 曾耿華, 李彪
【申請人】中國工程物理研究院電子工程研究所