太赫兹近场成像技术及进展

太赫兹(THz)波具有能量低、穿透性强、频带宽等特点,因而太赫兹成像技术在无损检测、生物医药、安全检测等众多领域得到了广泛应用,在实际应用中如何提高太赫兹成像的分辨力变得越来越重要。由于太赫兹近场成像技术可突破衍射极限,获得分辨力为亚微米甚至是纳米量级的高质量图像,基于近场技术的高分辨THz成像技术相继被提出,并得到了进一步的应用。本文首先阐述了太赫兹近场成像的基本原理;其次总结了近场成像进展及增强方法;最后对太赫兹近场成像的未来进行了展望。     

太赫兹成像雷达系统研究进展*

与微波雷达和光电探测器相比,太赫兹成像雷达具有高分辨率成像、穿透能力好等众多优势,是太赫 兹技术的重要应用方向之一。本文介绍了近年来国内外全固态太赫兹成像雷达系统方面的研究进展,指出太赫兹 成像雷达研究中的部分关键技术,为太赫兹成像雷达系统的应用发展提供参考。     

太赫兹波近场成像综述

太赫兹波成像作为可见光和微波成像等的拓展,在半导体材料表征、生物组织诊断、无损检测和安检等领域表现出许多独特的优点,得到了越来越广泛的关注.传统太赫兹波成像受长波长对应的衍射极限的限制,分辨率较低.而太赫兹波近场成像是目前突破该限制,获得亚微米甚至是纳米量级高分辨图像的研究热点之一.首先介绍了近场机制与成像的基本原理;其次总结了太赫兹波近场成像的几种常用方法及其对应研究进展和当前存在的问题,包括孔径型、针尖型、亚波长太赫兹源型和微纳结构调控型等;最后探讨了该方向的发展趋势.     

太赫兹合成孔径雷达成像运动补偿算法

合成孔径雷达(SAR)成像理论分析和工程经验表明当雷达平台的运动误差幅度达到亚波长量级时,会影响图像的聚焦质量。相对传统微波SAR,太赫兹合成孔径雷达(THz-SAR)工作在波长更短的太赫兹频段,对搭载雷达平台的稳定性要求更苛刻,需要达到微米级的控制和测量精度,目前的平台控制和测量技术还不能满足要求。该文提出一种基于回波数据的THz-SAR成像运动补偿算法,通过惯性测量单元输出的姿态信息完成由运动误差引起的距离徙动的校正,结合天线方向图和粗聚焦图像中特显点的最大幅值估计最优位置并构建理想回波。利用实际回波和理想回波数据提取由平台运动误差引起回波的相位误差并进行补偿,有效地实现了THz-SAR高分辨率成像。采用中心频率0.2 THz的SAR系统进行室外车载实验,对目标进行2维高分辨成像,得到角反射器和金属条的SAR图像。实验结果验证了所提运动补偿算法的正确性和有效性。     

太赫兹近场合成孔径成像与焦平面成像对比

针对近场目标高分辨力成像,基于220~325 GHz频段的近场雷达收发模块,在相同测量条件下,分别采用合成孔径雷达成像以及焦平面成像。对比合成孔径成像算法以及焦平面测量法的优劣,获得详细的测量参数以及成像效果对比,用于太赫兹近场成像分辨力的提高。     

猪肉组织的近场太赫兹成像检测研究

利用搭建的基于光电导微探针的近场太赫兹(Terahertz,THz)系统对新鲜猪肉组织切片进行了成像检测研究,结果发现近场THz成像可以很好地区分猪肉组织中的脂肪组织区域和肌肉组织区域,其成像效果明显优于传统远场THz时域光谱成像系统。研究表明了基于光电导微探针的近场THz成像技术在生物样品检测方面的可行性,展示出该技术在生物医学检测领域具有很好的应用前景。     

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.     

高时空分辨太赫兹扫描隧道显微镜近场成像发展

太赫兹（THz）近场成像是突破光学衍射极限实现太赫兹超分辨成像的重要方法,对研究材料表面的超快动力学过程具有重要的意义。扫描隧道显微镜（STM）是一种能实现原子级分辨的设备,但引入时间尺度,面临诸多困难。早期从STM固有电学方法发展的时间分辨方法的分辨率受限于电信号传输带宽,基于光信号耦合的泵浦探测方法则面临微带线传输带宽和严重的热效应等限制。在此背景下,THz-STM以低热效应、高隧穿效率、高稳定性等独有的优势为实现100 fs量级和0.1 nm级超高时空分辨成像提供了解决方案,成为太赫兹近场超分辨成像的研究热点。介绍时间分辨STM到THz-STM的发展历史,着重介绍THz-STM的基本原理和现状,为了解THz-STM技术在太赫兹近场超分辨成像中的应用和发展提供了思路。     

采用格林函数分解的太赫兹逆合成孔径雷达近场成像算法

针对太赫兹逆合成孔径雷达(ISAR)近场成像的问题,本文提出了采用格林函数分解的ISAR成像算法。文中结合太赫兹雷达超外差接收模式,构建和分析了近场条件下的目标回波模型。通过对回波模型中格林函数的分解,将表征球面波前的格林函数分解为二维平面波的叠加;并在频域完成对回波信号的滤波补偿和二维逆变换后,获得了太赫兹ISAR近场目标的图像。文中通过与二维FFT算法和本文算法进行的数值仿真结果对比,验证了该算法的可行性。最后利用太赫兹雷达转台实测数据对本文算法进行了验证和对比分析,结果表明该算法具有良好的成像性能。      

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。     

太赫兹ISAR成像系统误差校正算法

针对非线性系统误差对太赫兹雷达成像质量的影响,提出一种最小熵系统误差校正算法。在实测的太赫兹逆合成孔径雷达成像实验中,非线性误差会对回波相位产生影响,从而使得脉压后的距离像能量分散,进而降低成像质量。经过对误差形式的理论分析,建立一维距离像的相位误差补偿模型,并基于最小熵的优化准则迭代校正此系统误差。实验结果表明,与基于参考点目标的方法相比,所提方法自适应性更强,且具有更好的校正效果。     

0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验

提出了采用步进频率结合平面扫描的THz雷达近场成像系统设计方案,基于宽带全息成像原理,可以实现三维高分辨率近场成像。采用多通道收发探头阵列缩短机械扫描行程,提高成像速度。给出了基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）和Stolt插值的三维图像重建算法,成像理论分辨率与波长相当。利用THz矢量网络分析仪和辅助设备,搭建了0.215~0.33 THz成像试验装置,完成了对多层金属-泡沫目标三维成像,成像分辨率达到预期水平,验证了系统设计和三维图像重建算法的正确性。     

Spherical wave near-field imaging and radar cross-sectionmeasurement

The paper presents a new inverse synthetic aperture radar (ISAR) algorithm intended for radar cross-section (RCS) imaging and measurement from scattered fields. The method, based on a spherical-wave near-field illumination of the target, overcomes the requirement for an expensive compact range facility to produce a plane wave illumination. The formulation and the implementation of the algorithm are described. Some experimental results obtained in an anechoic chamber are presented to show RCS results similar to the conventional plane wave methods     

基于太赫兹相干层析成像系统色散补偿的研究

为了提高太赫兹相干层析成像系统的纵向分辨率,采用色散补偿方法解决了宽带光源做成像光源带来的色散问题。基于评价函数的迭代补偿算法对降噪滤波后的原始信号进行色散补偿,得到了较为清晰的3维重构图像。结果表明,在迭代补偿算法的计算中,无需预知样品的厚度信息以及色散特性,即可获得高精度的3维重构图像,纵向分辨率高达100μm。该研究在高精度的材料无损探测领域具有较大的研究价值和广泛的应用前景。     

基于高频电磁计算数据的太赫兹雷达高分辨成像研究

为揭示太赫兹频段雷达目标散射特性,基于高频电磁计算数据研究了太赫兹雷达高分辨成像方法.考虑到传统三维雷达成像面临的大数据量问题,提出了一种成像结果类光学图像的高分辨成像方法——方位/俯仰成像方法,通过推导其点扩展函数分析了该方法在高分辨率与散射点识别方面的优势.基于电磁计算数据的仿真与分析表,高频计算方法可以快速准确计算太赫兹频段理想导体目标RCS,高分辨成像结果可以分辨目标亚波长量级的细微结构特征.因此太赫兹雷达成像技术可获取目标更加丰富和精细的信息,为目标识别带来益处.     

无人机载太赫兹合成孔径雷达成像分析与仿真

将太赫兹合成孔径雷达与无人机相结合,详细分析了其技术特点,重点研究了合成孔径雷达多个典型频段平均功率、理论方位向分辨力、最大距离徙动分量、条带宽度与其他关键参数的关系,给出了太赫兹合成孔径雷达的适用条件。针对低空无人机载平台、点阵目标,采用距离多普勒算法进行成像仿真,取得名义空间分辨力为0.3 m×0.3 m的高分辨力图像。     

W波段三维近场安检成像系统

本文介绍了一套基于频率步进体制的W波段三维近场安检成像系统以及相应的成像算法。W波段信号可以穿透普通衣物,对人员携带的藏匿物品进行成像。成像算法通过在频率波数域进行插值处理可以完全补偿近场的波前曲面。文中阐述了频率波数域的插值过程以及实验数据的预处理过程。成像系统通过发射宽带信号得到高分辨距离像,通过提高工作频率得到高分辨方位像,方位向分辨率优于5mm。成像实验结果表明该系统性能优于现有的Ka波段成像系统。     

一种基于CMOS的高集成度太赫兹近场传感器

为了解决太赫兹波段近场传感器分辨率低和成本高的问题,提出了一种高图像分辨率、高集成度的传感器设计方案.该330 GHz传感器基于55 nm互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）工艺仿真实现,由330~336 GHz调谐范围的单端输出环形振荡器、宽带谐振器和功率探测器在单一硅片下集成.仿真结果表明,环形振荡器在偏置电压为2 V时达到峰值输出功率0.9 dBm@330 GHz,即1.23 mW.根据振荡器调谐范围,设计了一个宽带谐振器用于对待测物进行近场感测,通过放置不同介电常数的物体于其顶端表面,再通过探测器读出输出电压,与未放置物体时探测器的输出电压的差值即为该传感器的响应.此单片集成的传感器可以在单片上实现太赫兹照明、探测、传感以及成像功能,在未来太赫兹近场成像领域有较强的应用潜力.