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

技术特征：
1.一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。4.根据权利要求3所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。5.根据权利要求4所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。6.根据权利要求1所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，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。7.一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，采用如权利要求1所述的大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析装置，其特征在于，包括如下过程：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；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；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；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；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。8.根据权利要求7所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，其特征在于，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。9.根据权利要求8所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，其特征在于，所述点频工作模式包括如下步骤：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)；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；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；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；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；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(x
n
,y
n
)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；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；步骤8，重新设定太赫兹信号频率f1、信号功率；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；步骤10，依次类推，直至得到设定的所有频点的图像集步骤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。10.根据权利要求8所述的一种大动态散射式太赫兹物质成像与成分分析方法，其特征在于，所述扫频工作模式包括如下步骤：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(x
c
,y
c
)；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；3)压电体控制纳米探针做设定频率与幅度的正弦振动；4)在样品(x
c
,y
c
)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；5)测试信号与参考信号经过解调得到待测样品在(x
c
,y
c
)位置处散射太赫兹信号的幅度与相位；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。

技术总结
本发明公开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，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，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、压电体、2端口激励源和实现待测样品移动的三维扫描架。本发明所的装置及方法可以突破衍射极限，实现纳米级成像；具备近场太赫兹散射谱分析能力，实现物质成分分析，并能实现全频段优于100dB的大动态测试。的大动态测试。的大动态测试。


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