一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置及方法与流程

1.本发明涉及物质缺陷检测与组分分析领域，特别涉及一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置及方法。


背景技术：

2.太赫兹电磁波具有指纹特性、低能安全性、强穿透性等优势，被认为是实现非金属物质缺陷检测与组分分析的首选技术。然而，目前基于太赫兹波的物质缺陷检测与组分分析多是基于太赫兹时域光谱(tds)技术，受制于信号产生机理，tds信号功率较低、动态范围小、环境适应性差等缺陷，无法满足实际应用需求。通常采用的电子学的太赫兹成像与组分分析技术，受制于标准波导频段带宽限制，成像分辨率无法得到保证，同样无法满足应用需求。


技术实现要素：

3.为解决上述技术问题，本发明提供了一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置及方法，能够实现待测样品微米量级分辨率的三维层析成像与赫兹分辨率量级组分分析，同时具备大动态、环境适应性好等优势。
4.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
5.一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，包括依次连接的线性调频源模块、固态开关矩阵、低噪放模块组、太赫兹信号收发装置、中频信号采集模块和上位机；所述太赫兹信号收发装置包括第一分离式太赫兹信号收发一体链路组、第二分离式太赫兹信号收发一体链路组，设置于第一分离式太赫兹信号收发一体链路组后的第一太赫兹天线对、第一透明非偏振分束镜、第一多焦点抛物面镜，设置于第二分离式太赫兹信号收发一体链路组后的第二太赫兹天线对、第二透明非偏振分束镜、第二多焦点抛物面镜，设置于第一多焦点抛物面镜和第二多焦点抛物面镜后的分束镜、第三多焦点抛物面镜、以及用于实现待测样品转动的四维扫描架；所述第一透明非偏振分束镜的一侧设置第一可视激光发射器，所述第二透明非偏振分束镜的一侧设置第二可视激光发射器。
6.上述方案中，所述线性调频源模块包括两个输出端口，均输出频率范围为10mhz～26ghz的线性调频太赫兹信号一与线性调频太赫兹信号二，两端口输出的信号同频同相，分别作为射频信号和本振信号。
7.上述方案中，所述固态开关矩阵包括两个输入接口、m个输出接口，其中m＝2
×
n，n为正整数；所述线性调频源模块的两个输出端口分别与固态开关矩阵的两个输入接口相连，m个输出接口之间的开关切换速度为ns量级，以实现m个通道间的快速切换。
8.上述方案中，所述第一分离式太赫兹信号收发一体链路组包括4个分离式太赫兹信号收发一体链路，频段分别为0.10thz～0.14thz、0.14thz～0.26thz、1.40thz～2.60thz、2.60thz～4.0thz，所述第二分离式太赫兹信号收发一体链路组包括4个分离式太赫兹信号收发一体链路，频段分别为0.26thz～0.40thz、0.40thz～0.60thz、0.60thz～
0.90thz、0.90thz～1.40thz，两个链路组均采用高频在中间，低频位于两端的排列方式。
9.上述方案中，所述分离式太赫兹信号收发一体链路包括射频信号输入链路与本振信号输入链路，所述射频信号输入链路采用倍频放大相组合的信号输出形式，包括依次连接的倍频器一、放大器一、倍频器二、放大器二、倍频器三、功分器一与放大器三，经过系列倍频、放大将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中；所述功分器一的作用是将太赫兹信号分出一路输入本振信号输入链路中的d次谐波混频器一；所述本振信号输入链路采用倍频放大混频相组合的信号输出形式，包括依次连接的倍频器四、放大器四、倍频器五、放大器五、倍频器六、放大器六、功分器二与d次谐波混频器一，经过系列倍频、放大将特定频段的太赫兹信号输入至d次谐波混频器一，经混频输出参考信号；功分器二的作用是将太赫兹信号分出一路输入d次谐波混频器二，样品反射的太赫兹信号同时进入d次谐波混频器二，由此产生的信号经低噪放大器得到测试信号。
10.上述方案中，所述第一太赫兹天线对和第二太赫兹天线对均包括一个发射天线与一个接收天线，所述发射天线和接收天线采用的是太赫兹波纹喇叭天线。
11.一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，采用如上所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，包括如下步骤：
12.步骤一，线性调频源模块输出两路线性调频微波信号，分别作为射频信号和本振信号，输入固态开关矩阵，实现通道切换，然后进入低噪放模块组，进行信号放大和滤除直流分量；
13.步骤二，处理后的微波信号分别进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组和第二分离式太赫兹信号收发一体链路组；
14.进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组的射频信号经系列倍频、放大后将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中，经第一太赫兹天线对、第一透明非偏振分束镜、第一多焦点抛物面镜后，再经分束镜、第三多焦点抛物面镜聚焦至待测样品表面，与待测样品相互作用，包含待测样品信息的太赫兹信号原路返回进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组；进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组的本振信号经系列倍频、放大后与部分射频信号混频后输出参考信号，包含待测样品信息的太赫兹信号与部分本振信号混频后得到测试信号；
15.进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组的射频信号经系列倍频、放大后将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中，经第二太赫兹天线对、第二透明非偏振分束镜、第二多焦点抛物面镜后，再经分束镜、第三多焦点抛物面镜聚焦至待测样品表面，与待测样品相互作用，包含待测样品信息的太赫兹信号原路返回进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组；进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组的本振信号经系列倍频、放大后与部分射频信号混频后输出参考信号，包含待测样品信息的太赫兹信号与部分本振信号混频后得到测试信号；
16.步骤三，第一分离式太赫兹信号收发一体链路组和第二分离式太赫兹信号收发一体链路组得到的参考信号和测试信号均由中频信号采集模块进行采集并上传至上位机，由上位机中内置的信号处理算法实现待测样品的缺陷检测与组分分析。
17.进一步的技术方案中，步骤二中，第一可视激光发射器发射的第一可视激光经过第一透明非偏振分束镜为第一分离式太赫兹信号收发一体链路组中的链路进行激光指引，
以实现太赫兹信号能够精确辐射至待测样品表面，并按照原路返回；第二可视激光发射器发射的第二可视激光经过第二透明非偏振分束镜为第二分离式太赫兹信号收发一体链路组中的链路进行激光指引，以实现太赫兹信号能够精确辐射至待测样品表面，并按照原路返回。
18.上述方案中，分析方法包括宽带调频与精细化调频两种工作方式。
19.进一步的技术方案中，所述宽带调频工作方式包括如下步骤：
20.步骤1，参数设置：包括线性调频太赫兹信号步进带宽、信号功率、扫描速度、测试区域、转动角度间隔及速度；
21.步骤2，将金属板放置于四维扫描架上，设置金属板测试区域(x0,y0,z0,
⊙0)-(xe,ye,ze,
⊙e)，实现金属板自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；
22.步骤3，线性调频源模块输出线性调频太赫兹信号，经过固态开关矩阵、低噪放模块组、太赫兹信号收发装置聚焦至金属板表面，与金属板相互作用，包含金属板信息的太赫兹信号原路返回，由中频信号采集模块进行采集并上传至上位机；
23.步骤4，在软件的控制下，首先在z0与
⊙0不变的情况下，实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集；然后保持
⊙0不变，将z0移动至z1处，再次实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至ze结束；
⊙0移至
⊙1处，ze移至z0处，实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集；然后保持
⊙1不变，将z0移动至z1处，再次实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至ze结束；重复上述操作，直至完成
⊙0至
⊙e的全部幅度相位数据采集；
24.步骤5，将金属板取下，将待测样品放置于四维扫描架上，设置待测样品测试区域(x0,y0,z0,
⊙0)-(xe,ye,ze,
⊙e)，实现待测样品自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；
25.步骤6，线性调频源模块输出线性调频太赫兹信号，经过固态开关矩阵、低噪放模块组、太赫兹信号收发装置聚焦至待测样品表面，与待测样品相互作用，包含待测样品信息的太赫兹信号原路返回，由中频信号采集模块进行采集并上传至上位机；
26.步骤7，在软件的控制下，重复步骤4的操作，完成待测样品的全部幅度相位数据采集；
27.步骤8，基于得到的金属板反射太赫兹信号的幅度相位数据与待测样品反射太赫兹信号的幅度相位数据，基于上位机中内置的信号处理算法实现待测样品的三维层析成像与组分的粗略分析，所述信号处理算法包括三维层析成像算法、缺陷检测算法、组分粗估计分析算法；
28.所述精细化调频工作方式包括如下步骤：
29.步骤9，在宽带调频工作模式下，基于得到的数据，判断待测样品是否存在特征峰，如果不存在特征峰，不再继续执行；如果存在特征峰，继续执行后续操作；
30.步骤10，重复上述步骤1-步骤7；
31.步骤11，基于得到的金属板反射太赫兹信号的幅度相位数据与待测样品反射太赫兹信号的幅度相位数据，基于工控机中内置组分精细分析算法实现待测样品组分的精细化分析。
32.通过上述技术方案，本发明提供的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置及方法具有如下有益效果：
33.(1)相较于收发分离的测试系统，本发明采用分离式太赫兹信号收发一体链路，在确保大动态的前提下，有效的降低系统复杂度；
34.(2)本发明在实现待测样品三维层析成像的同时，还能实现待测样品组分的粗估计与精细化估计，更有利于待测样品缺陷检测及分类；
35.(3)本发明利用有限的光学器件实现大规模波导频段拼接，更易于系统集成，具有更好的环境适应性；
36.(4)本发明有助于实现远场环境下待测样品图谱的高效融和。
附图说明
37.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
38.图1为本发明实施例所公开的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置模块组成示意图；
39.图2为本发明实施例所公开的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置具体结构组成示意图；
40.图3为第一分离式太赫兹信号收发一体链路组示意图；
41.图4为第二分离式太赫兹信号收发一体链路组示意图；
42.图5为分离式太赫兹信号收发一体链路组成示意图。
43.图中，1、线性调频源模块；2、固态开关矩阵；3、低噪放模块组；4、中频信号采集模块；5、上位机；6、第一分离式太赫兹信号收发一体链路组；7、第二分离式太赫兹信号收发一体链路组；8、第一太赫兹天线对；9、第一透明非偏振分束镜；10、第一多焦点抛物面镜；11、第二太赫兹天线对；12、第二透明非偏振分束镜；13、第二多焦点抛物面镜；14、分束镜；15、第三多焦点抛物面镜；16、四维扫描架；17、待测样品；18、第一可视激光发射器；19、第二可视激光发射器。
具体实施方式
44.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
45.本发明提供了一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，如图1和图2所示，包括依次连接的线性调频源模块1、固态开关矩阵2、低噪放模块组3、太赫兹信号收发装置、中频信号采集模块4和上位机5。
46.线性调频源模块1包括两个输出端口，均输出频率范围为10mhz～26ghz的线性调频微波信号一与线性调频微波信号二，两端口输出的信号同频同相，分别作为射频信号和本振信号。
47.固态开关矩阵2包括两个输入接口、m个输出接口，其中m＝2
×
n，n为正整数，一般为拼接时采用的分离式太赫兹信号收发一体链路的数量。m个输出接口之间的开关切换速度为ns量级，以实现m个通道间的快速切换。线性调频源模块1的射频信号输出端口与固态开关矩阵2的射频信号输入端口相连，线性调频源模块1的本振信号输出端口与固态开关矩阵2的本振信号输入端口相连；本实施例中，分离式太赫兹信号收发一体链路共有8个，因
此，固态开关矩阵有16个输出接口，包括8个射频信号输出端口和8个本振信号输出端口，分别与8个分离式太赫兹信号收发一体链路一一对应。当某个分离式太赫兹信号收发一体链路工作时，固态开关矩阵2切换到与其对应的输出接口，线性调频源模块1输出与该链路频段对应频率的线性调频微波信号。
48.低噪放模块组3的作用是实现m个线性调频太赫兹信号放大，同时滤除直流分量。
49.如图2所示，太赫兹信号收发装置包括第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6、第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7，设置于第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6后的第一太赫兹天线对8、第一透明非偏振分束镜9、第一多焦点抛物面镜10，设置于第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7后的第二太赫兹天线对11、第二透明非偏振分束镜12、第二多焦点抛物面镜13，设置于第一多焦点抛物面镜10和第二多焦点抛物面镜13后的分束镜14、第三多焦点抛物面镜15、以及用于实现待测样品17转动的四维扫描架16；第一透明非偏振分束镜9的一侧设置第一可视激光发射器18，第二透明非偏振分束镜12的一侧设置第二可视激光发射器19。
50.为了实现微米量级分辨率三维结构成像，本发明实施例中采用0.10thz～0.14thz、0.14thz～0.26thz、0.26thz～0.40thz、0.40thz～0.60thz、0.60thz～0.90thz、0.90thz～1.40thz、1.40thz～2.60thz、2.60thz～4.0thz共计8个频段。
51.如图3所示，第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6包括4个分离式太赫兹信号收发一体链路，频段分别为0.10thz～0.14thz、0.14thz～0.26thz、1.40thz～2.60thz、2.60thz～4.0thz，如图4所示，第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7包括4个分离式太赫兹信号收发一体链路，频段分别为0.26thz～0.40thz、0.40thz～0.60thz、0.60thz～0.90thz、0.90thz～1.40thz，两个链路组均采用高频在中间，低频位于两端的排列方式。
52.如图5所示，分离式太赫兹信号收发一体链路包括射频信号输入链路与本振信号输入链路，射频信号输入链路采用倍频放大相组合的信号输出形式，包括依次连接的倍频器一、放大器一、倍频器二、放大器二、倍频器三、功分器一与放大器三，经过系列倍频、放大将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中；功分器一的作用是将太赫兹信号分出一路输入本振信号输入链路中的d次谐波混频器一；本振信号输入链路采用倍频放大混频相组合的信号输出形式，包括依次连接的倍频器四、放大器四、倍频器五、放大器五、倍频器六、放大器六、功分器二与d次谐波混频器一，经过系列倍频、放大将特定频段的太赫兹信号输入至d次谐波混频器一，经混频输出参考信号；功分器二的作用是将太赫兹信号分出一路输入d次谐波混频器二，样品反射的太赫兹信号同时进入d次谐波混频器二，由此产生的信号经低噪放大器得到测试信号。
53.第一太赫兹天线对8和第二太赫兹天线对11均包括一个发射天线与一个接收天线，本发明中为了降低传输损耗，发射天线和接收天线采用的是标准的太赫兹波纹喇叭天线。
54.第一可视激光发射器18发射的第一可视激光经过第一透明非偏振分束镜9为第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6中的链路进行激光指引，以实现太赫兹信号能够精确辐射至待测样品17表面，并按照原路返回；第二可视激光发射器19发射的第二可视激光经过第二透明非偏振分束镜12为第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7中的链路进行激光指引，以实现太赫兹信号能够精确辐射至待测样品17表面，并按照原路返回。
55.第一多焦点抛物面镜10的作用是根据第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6中四个频段链路的输入位置，实现四个频段太赫兹信号准直。
56.第二多焦点抛物面镜13的作用是根据第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7中四个频段链路的输入位置，实现四个频段太赫兹信号准直。
57.第三多焦点抛物面镜15的作用是实现8个频段太赫兹信号同时聚焦至待测样品17的同一位置处。
58.分束镜14的作用是实现8个频段太赫兹信号均能够辐射至第三多焦点抛物面镜15，本发明实施例中要求分束镜14厚度≤0.4mm。
59.四维扫描架16的作用是实现待测样品17在x-y-z
‑⊙
四个方位的转动，
⊙
表示转动角度。
60.中频信号采集模块4的作用是实现8路测试信号与8路参考信号的高速采集，并将采集后的数据输送至上位机5。
61.上位机5的作用是内置软件实现整个系统中所用硬件的程控及硬件间通信；同时内置成像与组分分析算法，利用离散后的中频信号实现待测样品17的三维层析成像与组分分析。
62.本发明提供了一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，采用如上的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，工作原理包括如下步骤：
63.步骤一，线性调频源模块1输出两路线性调频微波信号，分别作为射频信号和本振信号，输入固态开关矩阵2，然后进入低噪放模块组3，进行信号放大和滤除直流分量；
64.步骤二，处理后的微波信号分别进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6和第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7；
65.进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6的射频信号经系列倍频、放大后将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中，经第一太赫兹天线对8、第一透明非偏振分束镜9、第一多焦点抛物面镜10后，再经分束镜14、第三多焦点抛物面镜15聚焦至待测样品17表面，与待测样品17相互作用，包含待测样品17信息的太赫兹信号原路返回进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6；进入第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6的本振信号经系列倍频、放大后与部分射频信号混频后输出参考信号，包含待测样品17信息的太赫兹信号与部分本振信号混频后得到测试信号；
66.进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7的射频信号经系列倍频、放大后将特定频段的太赫兹信号辐射至自由空间中，经第二太赫兹天线对11、第二透明非偏振分束镜12、第二多焦点抛物面镜13后，再经分束镜14、第三多焦点抛物面镜15聚焦至待测样品17表面，与待测样品17相互作用，包含待测样品17信息的太赫兹信号原路返回进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7；进入第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7的本振信号经系列倍频、放大后与部分射频信号混频后输出参考信号，包含待测样品17信息的太赫兹信号与部分本振信号混频后得到测试信号；
67.步骤三，第一分离式太赫兹信号收发一体链路组6和第二分离式太赫兹信号收发一体链路组7得到的参考信号和测试信号均由中频信号采集模块4进行采集并上传至上位机5，由上位机5中内置的信号处理算法实现待测样品17的缺陷检测与组分分析。
68.上述分析方法在具体应用时包括宽带调频与精细化调频两种工作方式。其中，宽
带调频工作方式可实现两种功能：一是实现待测样品17高分辨率三维层析成像，进而实现待测样品17内部与表面缺陷检测；二是实现待测样品17组分的粗略分析。精细化调频工作方式在宽带调频工作方式的基础上实现待测样品17组分的精细分析。
69.宽带调频工作方式包括如下步骤：
70.步骤1，参数设置：包括线性调频太赫兹信号步进带宽(宽带调频工作模式下一般要求步进带宽≥1ghz)、信号功率、扫描速度、测试区域、转动角度间隔及速度；
71.步骤2，将金属板放置于四维扫描架16上，设置金属板测试区域(x0,y0,z0,
⊙0)-(xe,ye,ze,
⊙e)，实现金属板自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；
72.步骤3，线性调频源模块1输出线性调频太赫兹信号，经过固态开关矩阵2、低噪放模块组3、太赫兹信号收发装置聚焦至金属板表面，与金属板相互作用，包含金属板信息的太赫兹信号原路返回，由中频信号采集模块4进行采集并上传至上位机5；
73.步骤4，在软件的控制下，首先在z0与
⊙0不变的情况下，实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集；然后保持
⊙0不变，将z0移动至z1处，再次实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至ze结束；
⊙0移至
⊙1处，ze移至z0处，实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集；然后保持
⊙1不变，将z0移动至z1处，再次实现金属板在区域(x0,y0)-(xe,ye)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至ze结束；重复上述操作，直至完成
⊙0至
⊙e的全部幅度相位数据采集；
74.步骤5，将金属板取下，将待测样品17放置于四维扫描架16上，设置待测样品17测试区域(x0,y0,z0,
⊙0)-(xe,ye,ze,
⊙e)，实现待测样品17自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；
75.步骤6，线性调频源模块1输出线性调频太赫兹信号，经过固态开关矩阵2、低噪放模块组3、太赫兹信号收发装置聚焦至待测样品17表面，与待测样品17相互作用，包含待测样品17信息的太赫兹信号原路返回，由中频信号采集模块4进行采集并上传至上位机5；
76.步骤7，在软件的控制下，重复步骤4的操作，完成待测样品17的全部幅度相位数据采集；
77.步骤8，基于得到的金属板反射太赫兹信号的幅度相位数据与待测样品17反射太赫兹信号的幅度相位数据，基于上位机5中内置的信号处理算法实现待测样品17的三维层析成像与组分的粗略分析，信号处理算法包括三维层析成像算法、缺陷检测算法、组分粗估计分析算法。
78.精细化调频工作方式包括如下步骤：
79.步骤9，在宽带调频工作模式下，基于得到的数据，判断待测样品17是否存在特征峰，如果不存在特征峰，不再继续执行；如果存在特征峰，继续执行后续操作；
80.步骤10，重复上述步骤1-步骤7；其中，参数设置时，精细化调频工作方式一般要求步进带宽1khz，以特征峰对应的频率信息为中心频率，2ghz带宽内；
81.步骤11，基于得到的金属板反射太赫兹信号的幅度相位数据与待测样品17反射太赫兹信号的幅度相位数据，基于工控机中内置组分精细分析算法实现待测样品17组分的精细化分析。
82.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。