太赫兹二维成像技术研究进展

太赫兹成像技术在人体安检、无损探伤、质量监控、生物医学、半导体特性表征等许多领域展现出广泛的应用前景。本文综述了各类太赫兹二维成像技术,包括太赫兹扫描成像、太赫兹单像素成像、电光调制太赫兹成像、太赫兹相机直接成像等技术,综述各类成像技术的研究背景,分析了具体的成像方法和成像结果,总结了不同太赫兹成像技术的优缺点并对今后太赫兹成像技术的发展趋势做出展望。     

一种被动式焦平面太赫兹成像系统设计及仿真

为解决现有传统人体安检的弊端,采用太赫兹波成像系统设计方法,设计了一种远距离高分辨的被动式焦平面太赫兹成像系统.系统由太赫兹探测器、准光系统、扫描结构组成,工作频率为110 GHz,物距为6 m,视场大小为2.0 m×0.8 m,分辨力为2.5 cm.在GRASP软件上仿真并通过实验验证,该系统可以实现乘客在无接触、不...     

太赫兹被动成像系统性能研究

太赫兹被动成像技术具有很多独特的优势,已经成为安全检查领域的重要研究方向。为了进一步提高太赫兹被动成像系统的成像性能和实用性,研究了实验室自研的一套基于光机扫描的太赫兹被动成像系统的性能。通过探索不同系统参数和实验条件,包括成像距离、成像速度以及探测器状态,对背景噪声以及分辨率等图像性能的影响,获得了系统优化的性能参数,同时探究了该系统探测人体隐藏物品的能力,说明该系统可以有效地对人体进行安全检查。实验结果表明:该太赫兹被动成像系统的成像距离在机器前面1.5~2.5 m的范围内,即在大约1 m的景深内,能够显示清晰的太赫兹图像;该系统的成像速度为每帧1~2 s;探测器工作电平和增益对图像清晰度和系统噪声有较大的影响,存在一个优化的探测器工作状态,在该条件下可以获得清晰的太赫兹图像。在各项参数优化的条件下,该太赫兹成像系统可以达到的目标分辨率为1.5~2 cm,能够清晰地探测隐藏在人体衣服之下的金属物品和对太赫兹波有较强吸收的物质。     

太赫兹线阵快速扫描成像

采用0.3THz辐射源和线阵探测器,搭建了太赫兹线阵扫描成像系统。该成像系统完成100mm×100mm区域的测量仅需1min,成像分辨率可达1.5mm,可以准确识别聚乙烯样品和水管中预埋的缺陷,高精度定位隐藏在信封内的剪刀和小刀。研究结果表明,该成像技术可以快速检测隐蔽物,在无损探伤和安全检查领域具有一定的实用价值。     

太赫兹(THz)成像的进展概况

评述了太赫兹射线成像的进展情况.太赫兹(THz)辐射介于微波和红外之间.与微波、X射线、核磁共振(NMR)成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息.太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测.因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破.     

太赫兹共焦扫描显微成像研究进展

随着太赫兹(THz)技术的发展,许多改善成像质量和拓展成像维度的方法不断应用到THz成像领域,其中有许多是借鉴了在其他波段已发展成熟的技术手段,这些技术与THz成像的结合,已成为当前研究的一个热点领域,THz共焦扫描显微成像技术即是其中之一。在介绍共焦扫描显微成像原理的基础上,阐述并分析比较了国内外THz共焦扫描显微成像技术的发展状况,这些研究展示了THz共焦扫描显微成像技术广阔的应用及发展前景。     

太赫兹成像系统的分析与控制

太赫兹波能穿透许多物质,相对于可见光和X射线,其具有非常强的互补特征;它的光子能量极低,且没有X射线的电离性质,因此太赫兹成像技术的应用前景非常广阔。在太赫兹成像系统中,系统参数的合理选择,软件部分的合适控制,对系统的成像结果有着至关重要的作用。从调试过程中得到的图像来看,不合适的处理如斩波器、锁相放大器参数选择不当等,将会导致两行之间错位、信噪比不高,以至于图像失真,甚至无法辨认。对出现这种错位现象的原因进行了研究,在硬件参数选择和软件两个层次,对导致该现象的系统偏差进行控制、补偿和消除,最后给出成像结果。扫描成像结果表明,搭建了稳定合适的光路,选择了适当的仪器参数,在软件上控制了偏差,通过实验和测试,系统达到了较好的成像效果。     

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求,设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管,探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号,该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术,并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

低损耗太赫兹波导及其成像应用

高性能的太赫兹功能器件在太赫兹波的产生、传输及探测上都有着重要意义.报道了一种Kagome型低损耗太赫兹波导及其成像应用.首先根据反谐振波导理论设计了0. 1 THz处低损耗的太赫兹波导,其理论损耗低至0. 012 cm~(-1).然后使用3D打印技术制备波导实物,实验测得其损耗为0. 015 3 cm-1,波导末端光束发散角为6±0. 5°.最后基于该波导搭建了可重构太赫兹成像装置,分别实现了对隐藏刀片、矿石的反射和透射成像,在地下远距离勘探领域具有潜在的应用前景.     

基于自制太赫兹检测器的快速成像系统

利用直径为30cm卡塞格伦反射镜搭建了一套反射式太赫兹(THz)主动成像装置,并成功运用0.22THz的辐射源在室温下进行成像。分别使用自行制备的Nb5N6微测热辐射计THz常温检测器和商用VDI检测器进行成像并对结果进行了分析。成像的物体是5根并排排列的铜棒,铜棒直径为1.4cm,间距为5cm。改变参考频率,扫描速度,将成像时间从15s减少到7.5s。成像的范围约为20cm×6.5cm。两种检测器的成像分辨率达到1.41cm。     

光驱动宽频带可调谐太赫兹吸波器设计

设计了一种基于光敏材料硅(Si)的宽频带极化不敏感的光驱动可调谐太赫兹超材料吸波器(metamaterial ab-sorber,简称MMA).该可调谐太赫兹MMA基本单元结构由嵌入光敏硅的紧凑开缝环谐振器结构、中间介质隔离层与金属底板构成.硅的电导率随着入射光的强度而发生改变,从而使太赫兹MMA工作频率和吸波性能得到有效的调节.数值计算结果表明:当硅电导率在1. 0×10~3S/m到5. 0×10~5S/m范围内动态调节时,该MMA吸波特性在0. 442 THz到0. 852 THz范围内动态调节.另外,其相对调节带宽达到63. 37%,吸收率调制深度达到60. 22%.进一步的数值计算结果表明我们所设计的MMA具备极化不敏感和宽入射角的特性.     

双谱段Offner光谱成像仪设计

相比基于平面或凹面光栅的光谱成像仪,采用凸面光栅作为分光元件的Offner光谱成像仪具有数值孔径大、无谱线弯曲、色畸变小、结构紧凑和加工装调简单等诸多优点,在各个领域获得越来越多的应用。为了满足深空探测任务对载荷高度集成化、宽光谱响应范围、轻小型化等多方面严格要求,采用Offner结构设计了一种双谱段光谱成像仪,并巧妙地利用光栅分区分光,使系统在宽谱段内具有优良的像质,且体积小、结构简单,满足了设计要求。光学系统所有反射曲面均为球面,公差较松,有利于加工和装调。对凸面光栅进行了设计,并分析了其衍射效率,该设计可以有效扩大整个系统的动态范围。     

基于肖特基二极管的太赫兹准光探测器设计方法与成像性能研究

设计了一款太赫兹准光探测器, 该探测器主要由砷化镓肖特基二极管芯片以及高阻硅透镜组成.为了减小所设计芯片的欧姆损耗, 将天线图案生长在了半绝缘砷化镓层上.在335～350GHz频率范围内, 准光探测器的实测电压响应率为1360～1650V/W, 双边带变频损耗为10.6～12.5dB.对应估算的等效噪声功率为1.65～2pW/Hz1/2.基于所设计的准光探测器进行了成像实验, 该实验分别在直接检波和外差探测两种模式间进行, 成像结果表明所设计的太赫兹准光探测器能够满足太赫兹成像方面应用.     

太赫兹双频缝隙贴片天线的设计

提出了一种工作在太赫兹频段的双频缝隙贴片天线。在天线辐射贴片上加载“C”、“E”型辐射缝隙,改变天线表面电流的路径来实现双频特性。通过HFSS 15.0仿真软件对天线模型进行仿真,天线可以同时在300 GHz(291～306 GHz)和640 GHz(632～656 GHz)的频段下工作,最大增益达到了7.38 dB和10.50 dB。该双频天线结构简单,各项性能指标稳定,对于工作在太赫兹频段上的通信系统和无线传输系统具有一定的应用价值。     

太赫兹宽频带准全向平板超材料吸波体的设计

在太赫兹波段设计了一种宽频带准全向的平板超材料吸波体.仿真结果表明,该吸波体在4.36～4.91THz之间具有极化不敏感和宽入射角的强吸收.提取的等效阻抗实部表明,可以通过调节超材料的电磁响应造成吸波体一侧与自由空间近似阻抗匹配、另一侧与自由空间阻抗不匹配,从而在吸收频带内同时实现反射率和传输率最小、吸收率最大.仿真的...     

基于加载线型的平面太赫兹移相器设计

移相器是相控阵系统中的重要组成器件,随着频率的增加,金属的趋肤深度及波导表面粗糙度对器件的影响不可忽略,会使移相器的损耗增加。对此,提出一种基于加载线型的平面太赫兹移相器。将2个枝节并联在微带线上,在并联枝节上加载开关二极管,调节两段枝节的电长度得到所需的移相量;控制开关的导通和断开,实现不同的移相角度。仿真结果表明,在192~210 GHz频带范围内,导通和断开的反射系数都小于-10 dB,插入损耗小于0.5 dB,移相误差小于5°,其中在5 GHz带宽范围内,移相误差小于1°。提出的平面型移相器,加工容易,成本低,便于系统集成化,在太赫兹相控阵系统中具有广泛的应用前景。     

一种工作于太赫兹频段的石墨烯天线

为克服金属材料在太赫兹频段的工艺不足,利用石墨烯在该频段的特性,设计了一款工作于1.0 THz的石墨烯贴片天线。根据随机相位近似(RPA)的石墨烯表面电导率模型,研究了面电导率与频率(太赫兹波段)以及化学势的变化关系,确定了石墨烯材料的物理参数。该天线结构由石墨烯贴片,聚酰亚胺衬底和地板组成。利用HFSS软件优化,其尺寸仅为220 μm×140 μm×9 μm。石墨烯贴片天线工作频段为0.98~1.02 THz,-10 dB相对阻抗带宽为4.0 %,最大辐射方向上的增益达7.32 dB。此外,该天线具有尺寸小,轻便,机械性能稳定,结构简单且易集成的特点。     

极光成像仪滤光片高精度温度控制系统设计

针对广角极光成像仪滤光片组件的温度控制需求,设计了一种高精度温度控制系统。使用铂电阻作为测温传感器,测温电路可以达到0.05℃的温度采集精度;使用DSP作为主控制器,实现了滤光片温度的全数字控制;使用恒流源电路作为加热片的驱动控制电路,实现了加热功率的高精度、低噪声控制;建立了滤光片组件温度控制系统的数学模型,结合实际系统的阶跃响应曲线辨识得到系统模型参数,设计了系统的控制器,进行了仿真,给出了控制器的性能曲线;通过滤光片组件温度控制系统实验对控制器参数进行了整定,得到了优化的控制器参数。最后,给出了系统的实际温度控制结果,表明系统能够实现滤光片的高精度温度控制。     

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。     

太赫兹表面等离激元的研发与应用

表面等离激元的研究推动了超分辨成像、高灵敏传感、片上集成系统等应用的发展。将其应用在太赫兹这一高穿透性、高带宽波段时必然会带来更多迷人的功能。由于太赫兹波段频率较低,表面等离激元具有许多不同于可见光的现象。通过控制金属表面微纳结构或半导体材料与太赫兹波之间的相互作用,人们实现了对太赫兹波表面波的控制。本文综述了太赫兹波段表面等离激元的基本原理和研究历程,介绍了近年来在此波段开展的热门研究成果,如波前整型、片上波导、可调谐器件等,最后总结了这一领域的发展瓶颈并展望了未来主要发展方向,希望能够进一步推动太赫兹波段表面等离激元应用的发展。