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

技术特征：
1.一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。3.根据权利要求2所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。4.根据权利要求1所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，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。7.一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，采用如权利要求1所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析装置，其特征在于，包括如下步骤：
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；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；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，再经平面分束镜、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；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；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。8.根据权利要求7所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，其特征在于，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。9.根据权利要求7所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，其特征在于，该分析方法包括宽带调频与精细化调频两种工作方式。10.根据权利要求9所述的一种反射式非金属物质缺陷检测与组分分析方法，其特征在于，所述宽带调频工作方式包括如下步骤：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；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)-(x
e
,y
e
,z
e
,
⊙
e
)，实现金属板自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；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；
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)-(x
e
,y
e
)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)-(x
e
,y
e
)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至z
e
结束；
⊙0移至
⊙1处，z
e
移至z0处，实现金属板在区域(x0,y0)-(x
e
,y
e
)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)-(x
e
,y
e
)内的幅度相位数据采集，以此类推直至遍历至z
e
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；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)-(x
e
,y
e
,z
e
,
⊙
e
)，实现待测样品自动定位至(x0,y0,z0,
⊙0)；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；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；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；所述精细化调频工作方式包括如下步骤：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；步骤10，重复上述步骤1-步骤7；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。

技术总结
本发明公开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，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；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，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，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，以及分束镜、第三多焦点抛物面镜和四维扫描架。本发明所公开的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。环境适应性好等优势。环境适应性好等优势。


技术研发人员：梁晓林 姜万顺
受保护的技术使用者：中电科思仪科技股份有限公司
技术研发日：2022.07.27
技术公布日：2022/11/15