一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置及方法与流程

1.本发明涉及散射式太赫兹成像与成分分析领域，特别涉及一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置及方法。


背景技术：

2.太赫兹波具备指纹特性、低能安全性、强穿透性等优势，可用作非金属物质三维成像与组成成分分析。通常所讲的基于太赫兹时域光谱仪的物质结构成像与成分分析系统，通常存在如下缺陷：一是受制于衍射极限，系统最佳分辨率不优于二分之一个波长；二是受制于ghz至数十ghz的频率分辨率，无法实现物质成分精细化分析；三是受制于测试机理，峰峰值动态仅为60db-70db，无法实现大动态测试。
3.基于各方需要，作为一种新兴的成像与成分分析技术，散射式太赫兹显微成像仪备受关注。然而，目前大部分散射式太赫兹显微成像仪多是基于光学源，受制于测试机理，光学源性能受环境影响较大、太赫兹信号能量较弱、信噪比较差、难以满足测试需求。中国发明专利申请201810970798.0公开一种基于射频电子学方法的散射式太赫兹近场显微镜，此发明仅仅是利用太赫兹点频连续波实现近场显微二维成像，并不具备物质成分分析能力。中国发明专利申请202110546788.6公开一种全电子学的太赫兹近场图谱综合测试装置与方法，此发明采用收发一体模式，动态范围仅为30db-40db，具备太赫兹近场二维成像与太赫兹谱检测能力，但是并不具备物质成分分析能力，无法满足应用需求。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置及方法，突破衍射极限，实现纳米级成像；同时具备近场太赫兹散射谱分析能力，可实现物质成分分析，并能实现全频段优于100db的大动态测试。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，包括依次进行信号连接的双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块、2路低噪声放大与混频模块、低噪声放大模块、iq混频放大模块、数据采集模块和工控机，所述双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块通过开关矩阵分别连接太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块，所述太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块之间设置信号传输调节装置、纳米探针、压电体、2端口激励源和用于实现待测样品移动的三维扫描架，所述纳米探针位于待测样品上方，所述压电体控制纳米探针做周期性振动，所述2端口激励源分别连接纳米探针和iq混频放大模块。
7.上述方案中，所述双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块包括频率参考单元，所述频率参考单元分别连接精细扫频微波源一、精细扫频微波源二、精细扫频微波源三，所述精细扫频微波源一连接放大器一，所述精细扫频微波源二连接放大器二，所述精细扫频微波源三通过功分器连接放大器三和放大器四，所述放大器三和放大器四分别连接混
频器一和混频器二；所述放大器一连接开关矩阵的射频信号输入端，所述放大器二连接开关矩阵的本振信号输入端，所述混频器一连接开关矩阵的参考信号输出端以及2路低噪声放大与混频模块，所述混频器二连接开关矩阵的参考信号输出端以及2路低噪声放大与混频模块。
8.上述方案中，太赫兹信号倍频发射模块包括m个太赫兹信号倍频发射链路，所述太赫兹信号混频探测模块包括m个太赫兹信号混频探测器，m个太赫兹信号倍频发射链路和m个太赫兹信号混频探测器呈圆周布置于五自由度精密调整架一上。
9.进一步的技术方案中，所述太赫兹信号倍频发射链路包括1条倍频链路和1条混频链路，所述倍频链路包括依次连接的a倍频器、放大器五、b倍频器、放大器六、c倍频器和单定向耦合器，实现太赫兹信号发射至自由空间；所述混频链路包括依次连接的g倍频器、放大器七、f倍频器、放大器八、e倍频器、放大器九和d次谐波混频器，实现参考信号输出；所述单定向耦合器通过隔离器连接d次谐波混频器；所述太赫兹信号混频探测器的链路组成与太赫兹信号倍频发射链路中的混频链路相同。
10.更进一步的技术方案中，所述a倍频器、b倍频器、c倍频器、g倍频器、f倍频器与e倍频器的倍频次数为2、3或4，d次谐波混频器的谐波次数为1、2、4或6，且满足：a
×b×
c＝g
×f×e×
d。
11.上述方案中，所述信号传输调节装置包括依次设置的第一太赫兹透镜天线、第一透明非偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、抛物面镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第二透明非偏振分束镜和第二太赫兹透镜天线，所述第一太赫兹透镜天线设置于太赫兹信号倍频发射模块上，所述第二太赫兹透镜天线设置于太赫兹信号混频探测模块上，所述抛物面镜位于待测样品周围；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；所述第一透明非偏振分束镜、第一反射镜和第二反射镜位于五自由度精密调整架二上，所述第五反射镜、第六反射镜和第二透明非偏振分束镜位于五自由度精密调整架三上，所述抛物面镜位于三维精密控制架上。
12.一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，采用如上所述的大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，包括如下过程：
13.步骤一，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块输出射频信号和本振信号，经开关矩阵输送至太赫兹信号倍频发射模块，其中本振信号还经开关矩阵输送至太赫兹信号混频探测模块；
14.步骤二，本振信号在太赫兹信号倍频发射模块中经倍频、放大、混频后输出参考信号，经开关矩阵后返回双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块；射频信号在太赫兹信号倍频发射模块中经倍频、放大后输出太赫兹信号，经信号传输调节装置，到达待测样品，在纳米探针的作用下与待测样品相互作用，包含待测样品信息的太赫兹信号经信号传输调节装置，到达太赫兹信号混频探测模块，与输入该模块的本振信号混频后得到测试信号，测试信号经开关矩阵后返回双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块；
15.步骤三，测试信号和参考信号在双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中经混频处理后得到中频信号一和中频信号二，并输送至2路低噪声放大与混频模块；
16.步骤四，中频信号一和中频信号二在2路低噪声放大与混频模块中经放大混频处
理后得到包含样品信息的中频信号三，该中频信号三经低噪声放大模块实现信号放大，后输入至iq混频放大模块；
17.步骤五，2端口激励源输出微波信号作为iq混频放大模块的输入参考信号，中频信号三在iq混频放大模块中实现与输入参考信号的iq混频处理，分别得到幅度与相位信息，最后经数据采集模块采集后输送至工控机。
18.上述方案中，该分析方法包括点频工作模式和扫频工作模式两种，所述点频工作模式用于实现物质成像，扫频工作模式用于进行成分分析。
19.进一步的技术方案中，所述点频工作模式包括如下步骤：
20.步骤1，将待测样品放置于三维扫描架上，实现样品的自动定位，得到待测样品测试区域内的起始位置信息(x0,y0)；
21.步骤2，参数设置：包括太赫兹信号频率f0、信号功率、成像范围、像素点数、扫描速度、纳米探针振动频率与振动幅度；
22.步骤3，压电体控制纳米探针做设定频率与幅度的正弦振动；
23.步骤4，在样品起始位置(x0,y0)处，太赫兹信号倍频发射模块产生设定频率为f0的太赫兹信号，依次经过第一太赫兹透镜天线、第一透明非偏振分束镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、抛物面镜至待测样品表面，在纳米探针的作用下与待测样品相互作用，包含待测样品细节信息的太赫兹信号经抛物面镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第二透明非偏振分束镜和第二太赫兹透镜天线至太赫兹信号混频探测模块，得到测试信号；
24.步骤5，测试信号与参考信号经过解调得到待测样品在(x0,y0)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；
25.步骤6，在三维扫描架的控制下，纳米探针移至待测样品(x1,y1)位置处，重复步骤4-步骤5可得到待测样品在(x1,y1)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；依次类推直至遍历整个样品，最终得到待测样品在(xn,yn)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；
26.步骤7，由此得到待测样品的幅度矩阵与相位矩阵，基于工控机中内置的成像算法，实现待测样品在太赫兹信号为f0频率下的图像α0；
27.步骤8，重新设定太赫兹信号频率f1、信号功率；
28.步骤9，重复步骤3-步骤7，实现待测样品在太赫兹信号为f1频率下的图像α1；
29.步骤10，依次类推，直至得到设定的所有频点的图像集
30.步骤11，基于工控机中内置的多图像融合算法，最终得到一幅二维或三维形貌图像。
31.进一步的技术方案中，所述扫频工作模式包括如下步骤：
32.1)将待测样品放置于三维扫描架上，实现待测样品的自动定位，得到待测样品测试区域内的中心位置(xc,yc)；
33.2)参数设置：包括太赫兹信号起始频率f1、终止频率f2、频率分辨率、信号功率、扫描速度、探针振动频率与振动幅度；
34.3)压电体控制纳米探针做设定频率与幅度的正弦振动；
35.4)在样品(xc,yc)位置处，太赫兹信号倍频发射模块按照特定频率分辨率产生频率为f
1-f2的太赫兹信号，依次经过第一太赫兹透镜天线、第一透明非偏振分束镜、第一反射
镜、第二反射镜、第三反射镜、抛物面镜至待测样品表面，在纳米探针的作用下与待测样品相互作用，包含待测样品细节信息的太赫兹信号经抛物面镜、第四反射镜、第五反射镜、第六反射镜、第二透明非偏振分束镜和第二太赫兹透镜天线至太赫兹信号混频探测模块，得到测试信号；
36.5)测试信号与参考信号经过解调得到待测样品在(xc,yc)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；
37.6)基于工控机中内置的物质成分分析算法，最终实现待测样品的组成成分信息。
38.通过上述技术方案，本发明提供的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置及方法具有如下有益效果：
39.(1)本发明采用全电子学固态倍频与混频探测的收发分离的散射式太赫兹近场信号解调，可实现全频段优于100db的大动态测试；
40.(2)本发明采用全电子学固态倍频与混频探测的收发分离的太赫兹信号发生与探测，可实现hz量级分辨率的散射太赫兹近场谱测试，更有利于物质成分的精细化分析；
41.(3)本发明采用超薄的透明非偏振分束镜可有效抑制信号的多径干扰，更有利于散射太赫兹近场信号的高信噪比解调；
42.(4)本发明能够突破衍射极限，实现纳米级成像，为太赫兹成像与物质成分分析提供一种新的测试思路。
附图说明
43.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。
44.图1为本发明实施例所公开的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置的模块连接示意图；
45.图2为双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块示意图；
46.图3为太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块分布示意图；
47.图4为太赫兹信号倍频发射链路示意图；
48.图5为太赫兹信号混频探测模块示意图；
49.图6为4
×
m通道开关矩阵接口示意图；
50.图7为4
×
m通道开关矩阵与其余模块连接示意图；
51.图8为信号传输调节装置示意图；
52.图9为金硅界面成像图；
53.图10为金硅界面的散射太赫兹近场谱线。
54.图中，1、第一太赫兹透镜天线；2、第一透明非偏振分束镜；3、第一反射镜；4、第二反射镜；5、第三反射镜；6、抛物面镜；7、第四反射镜；8、第五反射镜；9、第六反射镜；10、第二透明非偏振分束镜；11、第二太赫兹透镜天线；12、太赫兹信号倍频发射链路；13、太赫兹信号混频探测器；14、第一可视激光发射器；15、第二可视激光发射器；16、五自由度精密调整架二；17、五自由度精密调整架三；18、三维精密控制架；19、纳米探针；20、压电体；21、三维扫描架；22、待测样品；23、五自由度精密调整架一。
具体实施方式
55.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。
56.本发明提供了一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，如图1和图7所示，包括依次进行信号连接的双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块、2路低噪声放大与混频模块、低噪声放大模块、iq混频放大模块、数据采集模块和工控机。双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块通过开关矩阵分别连接太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块，太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块之间设置信号传输调节装置、纳米探针19、压电体20、2端口激励源和用于实现待测样品22移动的三维扫描架21，纳米探针19位于待测样品22上方，压电体20控制纳米探针19做周期性振动，2端口激励源分别连接纳米探针19和iq混频放大模块。
57.一、双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块
58.如图2所示，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块包括频率参考单元，频率参考单元分别连接精细扫频微波源一、精细扫频微波源二、精细扫频微波源三，精细扫频微波源一连接放大器一，精细扫频微波源二连接放大器二，精细扫频微波源三通过功分器连接放大器三和放大器四，放大器三和放大器四分别连接混频器一和混频器二；放大器一连接开关矩阵的射频信号输入端，放大器二连接开关矩阵的本振信号输入端，混频器一连接开关矩阵的参考信号输出端以及2路低噪声放大与混频模块，混频器二连接开关矩阵的参考信号输出端以及2路低噪声放大与混频模块。
59.频率参考单元的作用是实现精细扫频微波源一、精细扫频微波源二与精细扫频微波源三同频同相，确保三个信号源能够产生同频同相的射频信号。
60.精细扫频微波源一、精细扫频微波源二与精细扫频微波源三的作用是同时产生频率覆盖10mhz-26.5ghz的线性调频微波信号，频率分辨率优于1hz。
61.功分器的作用是将精细扫频微波源三产生的微波信号分成2路微波信号。
62.放大器一的作用是将精细扫频微波源一产生的微波信号放大输出，作为开关矩阵中射频信号的输入端。
63.放大器二的作用是将精细扫频微波源二产生的微波信号放大输出，作为开关矩阵中本振信号的输入端。
64.放大器三与放大器四的作用是将功分器生成的两路微波信号进行放大输出，分别作为混频器一与混频器二的参考信号输入端。
65.混频器一的作用是将太赫兹信号混频探测模块输出的测试信号与放大器三输入的参考信号进行混频处理，得到中频信号一。
66.混频器二的作用是将太赫兹信号倍频发射模块输出的参考信号与放大器四输入的参考信号进行混频处理，得到中频信号二。
67.二、太赫兹信号倍频发射模块和太赫兹信号混频探测模块
68.太赫兹信号倍频发射模块包括m个太赫兹信号倍频发射链路12，太赫兹信号混频探测模块包括m个太赫兹信号混频探测器13，如图3所示，m个太赫兹信号倍频发射链路12和m个太赫兹信号混频探测器13呈圆周布置于五自由度精密调整架一23上。
69.五自由度精密调整架一23的作用是控制太赫兹信号倍频发射模块与太赫兹信号
混频探测模块进行x-y-z-俯仰-旋转五个方向的精密调节。
70.为了实现50ghz～3000ghz全频段覆盖，太赫兹信号倍频发射模块可选的组合形式包括：一种组合为50ghz～75ghz、75ghz～110ghz、110ghz～170ghz、170ghz～220ghz220ghz～330ghz、330ghz～500ghz、500ghz～750ghz、750ghz～1100ghz、1100ghz～1700ghz、1700ghz～2200ghz、2200ghz～3000ghz共计11个频段，此时m＝11；另一种组合为50ghz～60ghz、60ghz～90ghz、90ghz～140ghz、140ghz～260ghz 260ghz～400ghz、400ghz～600ghz、600ghz～900ghz、900ghz～1400ghz、1400ghz～2600ghz、2600ghz～3000ghz共计10个频段，此时m＝10。太赫兹信号混频探测模块可选的组合形式与太赫兹信号倍频发射模块一致。
71.如图4所示，太赫兹信号倍频发射链路12包括1条倍频链路和1条混频链路。
72.倍频链路包括依次连接的a倍频器、放大器五、b倍频器、放大器六、c倍频器和单定向耦合器，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块产生的射频信号输入a倍频器，经系列倍频放大后，输出太赫兹信号至自由空间。
73.混频链路包括依次连接的g倍频器、放大器七、f倍频器、放大器八、e倍频器、放大器九和d次谐波混频器，单定向耦合器通过隔离器连接d次谐波混频器，确保太赫兹信号仅能由倍频链路流向混频链路，反之无效。
74.双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块产生的本振信号输入g倍频器，经系列倍频放大后，与倍频链路输入的太赫兹信号混频后，输出参考信号。
75.其中，a倍频器、b倍频器、c倍频器、g倍频器、f倍频器与e倍频器的倍频次数为2、3或4，d次谐波混频器的谐波次数为1、2、4或6，且满足：a
×b×
c＝g
×f×e×
d。
76.以750ghz～1100ghz频段为例，a＝3、b＝4、c＝6、g＝2、f＝3、e＝3、d＝4。需要说明的是，上述倍频器的次数仅是实现本实施例的一种实施方式，不应该理解为对本发明的限定。
77.太赫兹信号混频探测器13的链路组成与太赫兹信号倍频发射链路12中的混频链路相同，如图5所示，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块产生的本振信号输入太赫兹信号混频探测器13的g倍频器，包含待测样品信息的太赫兹信号输入太赫兹信号混频探测器13的d次谐波混频器，本振信号经系列倍频放大后，与输入的太赫兹信号混频后输出测试信号。太赫兹信号混频探测器13的作用是实现散射太赫兹信号的高灵敏度探测。
78.三、开关矩阵
79.本发明实施例中的开关矩阵为4
×
m通道开关矩阵，接口如图6所示，包括射频端口、本振端口、测试端口和参考端口。其中，射频端口包括一个输入端口0与m个输出端口；本振端口包括一个输入端口0与2m个输出端口；测试端口包括一个输入端口0与m个输出端口；参考端口包括一个输入端口0与m个输出端口。其中，m的值取决于所选用的频段。
80.以某一单个频段为例，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块、太赫兹信号倍频发射模块、太赫兹信号混频探测模块与4
×
m通道开关矩阵间的接口示意图，如图7所示。双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中放大器一输出的射频信号连接开关矩阵的射频端口的输入端，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中放大器二输出的本振信号连接开关矩阵的本振端口的输入端，太赫兹信号倍频发射模块中d次谐波混频器输出的参考信号连接开关矩阵的参考端口的输入端，太赫兹信号混频探测模块中d次谐波
混频器输出的测试信号连接开关矩阵的测试端口的输入端；开关矩阵的射频端口的5号输出端连接太赫兹信号倍频发射模块中的a倍频器，开关矩阵的本振端口的5号输出端连接太赫兹信号倍频发射模块中的g倍频器，开关矩阵的本振端口的4号输出端连接太赫兹信号混频探测模块中g倍频器，开关矩阵的测试端口的5号输出端连接双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中的混频器一，开关矩阵的参考端口的5号输出端连接双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中的混频器二。
81.四、信号传输调节装置
82.如图8所示，信号传输调节装置包括依次设置的第一太赫兹透镜天线1、第一透明非偏振分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、抛物面镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9、第二透明非偏振分束镜10和第二太赫兹透镜天线11，第一太赫兹透镜天线1设置于太赫兹信号倍频发射链路12上，第二太赫兹透镜天线11设置于太赫兹信号混频探测器13上，抛物面镜6位于待测样品22周围；第一透明非偏振分束镜2的一侧设置第一可视激光发射器14，第二透明非偏振分束镜10的一侧设置第二可视激光发射器15；第一透明非偏振分束镜2、第一反射镜3和第二反射镜4位于五自由度精密调整架二16上，第五反射镜8、第六反射镜9和第二透明非偏振分束镜10位于五自由度精密调整架三17上，抛物面镜6位于三维精密控制架18上。
83.第一太赫兹透镜天线1的作用是实现太赫兹信号以平行波束输出至自由空间中进行远距离传输，第二太赫兹透镜天线11的作用是实现包含待测样品22信息的太赫兹信号以平行波束输入至太赫兹信号混频探测器13。
84.第一可视激光发射器14发射第一可视激光，第一可视激光的作用是为太赫兹信号的传播路径进行指引，确保太赫兹信号倍频发生链路发射的太赫兹信号能够正确达到纳米探针19针尖处；第二可视激光发射器15发射第二可视激光，第二可视激光的作用是确保纳米探针19散射的太赫兹信号能够被太赫兹信号混频探测器13探测到。
85.第一透明非偏振分束镜2和第二透明非偏振分束镜10(ito)的作用一是确保太赫兹信号能够高效率透射传输，二是确保可视激光可与太赫兹信号同路传输，ito厚度为c/(2b)，c＝3
×
108m/s，b为各个频段的带宽，由此可知对不同频段要求ito厚度不同。
86.五自由度精密调整架二16作用是根据软件选择的工作频段，自动实现第一透明非偏振分束镜2、第一反射镜3和第二反射镜4在x-y-z-俯仰-旋转五个方向的自动精密调整，以确保工作频段太赫兹信号与可是激光能够同路工作；五自由度精密调整架三17的作用是根据软件选择的工作频段，自动实现第五反射镜8、第六反射镜9和第二透明非偏振分束镜10在x-y-z-俯仰-旋转五个方向的自动精密调整，以确保工作频段太赫兹信号与可是激光能够同路工作。
87.第一反射镜3至第六反射镜9的作用是实现太赫兹信号与可视激光的强反射。
88.抛物面镜6的作用是实现m个频段的太赫兹信号均能够聚焦至纳米探针19针尖处。
89.纳米探针19的作用是实现太赫兹信号与待测样品22间实现相互作用，耦合同时实现强散射。
90.压电体20的作用是精密控制纳米探针19做固定频率固定幅度的周期性振动。
91.三维精密控制架18的作用是实现抛物面镜6的自动定位，以实现m个频段的太赫兹信号均能够聚焦至纳米探针19针尖处。
92.三维扫描架21的作用是实现待测样品22做纳米级精度的三维移动。
93.五、其余信号处理模块
94.2端口激励源的作用包括两方面：一是输出固定频率固定周期的正弦波信号，作为纳米探针19的激励信号；二是输出与纳米探针19激励信号同频同相的微波信号作为iq混频放大模块的输入参考信号。
95.2路低噪声放大与混频模块的作用是实现中频信号一与中频信号二放大后进行混频处理得到包含样品细节信息的中频信号三。
96.低噪声放大模块的作用是实现包含样品细节信息的中频信号三的放大。
97.iq混频放大模块的作用是实现包含样品细节信息的中频信号三与iq混频放大模块的输入参考信号的iq混频处理，分别得到幅度与相位信息。
98.高速数据采集模块的作用是实现幅度相位的数字化采集。
99.工控机内置整个测试软件，利用得到的幅度相位信息可实现物质成像与成分分析。
100.本发明提供了一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，上述装置的工作原理包括如下过程：
101.步骤一，双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块输出射频信号和本振信号，经开关矩阵输送至太赫兹信号倍频发射模块，其中本振信号还经开关矩阵输送至太赫兹信号混频探测模块；
102.步骤二，本振信号在太赫兹信号倍频发射模块中经倍频、放大、混频后输出参考信号，经开关矩阵后返回双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块；射频信号在太赫兹信号倍频发射模块中经倍频、放大后输出太赫兹信号，经信号传输调节装置，到达待测样品22，在纳米探针19的作用下与待测样品22相互作用，包含待测样品22信息的太赫兹信号经信号传输调节装置，到达太赫兹信号混频探测模块，与输入该模块的本振信号混频后得到测试信号，测试信号经开关矩阵后返回双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块；
103.步骤三，测试信号和参考信号在双端口扫频激励信号发生与中频信号探测模块中经混频处理后得到中频信号一和中频信号二，并输送至2路低噪声放大与混频模块；
104.步骤四，中频信号一和中频信号二在2路低噪声放大与混频模块中经放大混频处理后得到包含样品信息的中频信号三，该中频信号三经低噪声放大模块实现信号放大，后输入至iq混频放大模块；
105.步骤五，2端口激励源输出微波信号作为iq混频放大模块的输入参考信号，中频信号三在iq混频放大模块中实现与输入参考信号的iq混频处理，分别得到幅度与相位信息，最后经数据采集模块采集后输送至工控机。
106.具体分析方法包括点频工作模式和扫频工作模式两种，点频工作模式用于实现物质成像，扫频工作模式用于进行成分分析。
107.点频工作模式包括如下步骤：
108.步骤1，将待测样品22放置于三维扫描架21上，实现样品的自动定位，得到待测样品22测试区域内的起始位置信息(x0,y0)；
109.步骤2，参数设置：包括太赫兹信号频率f0、信号功率、成像范围(1μm
×
1μm～100μm
×
100μm)、像素点数(128
×
128～4096
×
4096)、扫描速度(0.1hz～2hz)、纳米探针19振动频
率与振动幅度；
110.步骤3，压电体20控制纳米探针19做设定频率与幅度的正弦振动；
111.步骤4，在样品起始位置(x0,y0)处，太赫兹信号倍频发射模块产生设定频率为f0的太赫兹信号，依次经过第一太赫兹透镜天线1、第一透明非偏振分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、抛物面镜6至待测样品22表面，在纳米探针19的作用下与待测样品22相互作用，包含待测样品22细节信息的太赫兹信号经抛物面镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9、第二透明非偏振分束镜10和第二太赫兹透镜天线11至太赫兹信号混频探测模块，得到测试信号；
112.步骤5，测试信号与参考信号经过解调得到待测样品22在(x0,y0)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；
113.步骤6，在三维扫描架21的控制下，纳米探针19移至待测样品22(x1,y1)位置处，重复步骤4-步骤5可得到待测样品22在(x1,y1)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；依次类推直至遍历整个样品，最终得到待测样品22在(xn,yn)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；
114.步骤7，由此得到待测样品22的幅度矩阵与相位矩阵，基于工控机中内置的成像算法，实现待测样品22在太赫兹信号为f0频率下的图像α0；
115.步骤8，重新设定太赫兹信号频率f1、信号功率；
116.步骤9，重复步骤3-步骤7，实现待测样品22在太赫兹信号为f1频率下的图像α1；
117.步骤10，依次类推，直至得到设定的所有频点的图像集
118.步骤11，基于工控机中内置的多图像融合算法，最终得到一幅二维或三维形貌图像，如图9所示的金硅界面图像。
119.扫频工作模式包括如下步骤：
120.1)将待测样品22放置于三维扫描架21上，实现待测样品22的自动定位，得到待测样品22测试区域内的中心位置(xc,yc)；
121.2)参数设置：包括太赫兹信号起始频率f1、终止频率f2、频率分辨率(≥100hz)、信号功率、扫描速度(0.1hz～2hz)、探针振动频率与振动幅度(振动幅度一般为探针谐振幅度
×
0.8，并选择此时幅度对应的频率为振动频率)；
122.3)压电体20控制纳米探针19做设定频率与幅度的正弦振动；
123.4)在样品(xc,yc)位置处，太赫兹信号倍频发射模块按照特定频率分辨率产生频率为f
1-f2的太赫兹信号，依次经过第一太赫兹透镜天线1、第一透明非偏振分束镜2、第一反射镜3、第二反射镜4、第三反射镜5、抛物面镜6至待测样品22表面，在纳米探针19的作用下与待测样品22相互作用，包含待测样品22细节信息的太赫兹信号经抛物面镜6、第四反射镜7、第五反射镜8、第六反射镜9、第二透明非偏振分束镜10和第二太赫兹透镜天线11至太赫兹信号混频探测模块，得到测试信号；
124.5)测试信号与参考信号经过解调得到待测样品22在(xc,yc)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位，如图10所示的金硅界面的散射太赫兹近场谱线；
125.6)基于工控机中内置的物质成分分析算法，最终实现待测样品22的组成成分信息。
126.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。