一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，包括天饋模塊、W個(gè)太赫茲照射源模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源，W為預(yù)獲取的顏色數(shù)量，W為≥1的自然數(shù)。每一個(gè)太赫茲照射源模塊發(fā)射用于照射在被探測目標(biāo)上的太赫茲照射信號，每一個(gè)太赫茲照射源模塊包括太赫茲照射信號倍頻器、太赫茲天線；本振參考源產(chǎn)生的本振信號通過太赫茲照射信號倍頻器倍頻后，經(jīng)過太赫茲天線輻射，照射在被探測目標(biāo)上。本發(fā)明的照相機(jī)能在復(fù)雜背景環(huán)境下提高目標(biāo)的識別能力，抗干擾性能強(qiáng)，實(shí)時(shí)成像，具有較好分辨率和靈敏度。
【專利說明】一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及太赫茲成像【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相 機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲（Terahertz，THz)波通常指的是頻率在0· ITHz?ΙΟΤΗζ (波長3mm? 30μ--)范圍內(nèi)的電磁輻射（lTHz = 1012Hz)，它在電磁波譜中介于微波和紅外輻射之間。太 赫茲波輻射在成像應(yīng)用中可具有如下特點(diǎn)：太赫茲波輻射可以穿透很多普通的非金屬遮掩 材料，探測到隱匿物體；太赫茲波的波長足夠短，可獲得較高的成像空間分辨率，或?qū)崿F(xiàn)危 險(xiǎn)物高精度定位；太赫茲頻率的電磁波輻射對有機(jī)體是非電離的，因此在適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度下使 用，對人體比較安全；相比于微波毫米波成像系統(tǒng)，同樣的圖像分辨率下，太赫茲成像系統(tǒng) 體積更小。太赫茲輻射的上述特點(diǎn)決定了太赫茲成像具有廣闊的應(yīng)用前景，是國際上的研 究熱點(diǎn)之一。
[0003] 但是，目前的太赫茲照相機(jī)存在一些問題，包括：
[0004] 1、完全依靠檢測目標(biāo)自身輻射的太赫茲信號的被動式照相機(jī)，抗干擾性能差，對 相機(jī)本身的噪聲性能要求很高；作用距離有限；無法獲取目標(biāo)的相位信息。
[0005] 2、通常工作在一個(gè)頻率。采用單一太赫茲頻率，雖然可以有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對目標(biāo) 實(shí)現(xiàn)成像，但是由于目標(biāo)輻射特性的復(fù)雜性，在有效的目標(biāo)輻射強(qiáng)度或特征識別上存在問 題。
[0006] 3、通常采用單像素掃描結(jié)構(gòu)，不能實(shí)時(shí)成像，分辨率有待提高。
[0007] 4、接收信號通常采用直接檢波方式，或者較少像素的外差接收方式。如果采用直 接檢波方式，雖然可以較容易的實(shí)現(xiàn)大規(guī)模陣列的焦平面成像，但是靈敏度較低且缺失了 相位信息；如果采用外差接收方式，每個(gè)通道均需要本振信號，因此中頻電路復(fù)雜且體積較 大，不適宜便攜式使用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點(diǎn)，提供一種太赫茲半主動 式彩色焦平面照相機(jī)，提高抗干擾性能、增加作用距離、獲取目標(biāo)相位信息，在復(fù)雜背景環(huán) 境下提高目標(biāo)的識別能力，實(shí)時(shí)成像，具有較好的分辨率和較高的靈敏度，體積小、封裝簡 單。
[0009] 本發(fā)明提供的一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)包括天饋模塊、W個(gè)太赫茲 照射源模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源，W為預(yù)獲 取的顏色數(shù)量，W為> 1的自然數(shù)；每一個(gè)太赫茲照射源模塊發(fā)射用于照射在被探測目標(biāo)上 的太赫茲照射信號，每一個(gè)太赫茲照射源模塊包括太赫茲照射信號倍頻器、太赫茲天線；本 振參考源產(chǎn)生的本振信號通過太赫茲照射信號倍頻器倍頻后，經(jīng)過太赫茲天線輻射，照射 在被探測目標(biāo)上；天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，天饋模塊中的反射面天線用 于接收被探測目標(biāo)散射的太赫茲照射信號（相對于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊來 說，是太赫茲射頻信號，以下稱太赫茲射頻信號），反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃 描被測目標(biāo)散射的太赫茲射頻信號；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的 焦平面上，被探測目標(biāo)發(fā)出的太赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的反射面天線的反射，聚焦于 太赫茲焦平面多通道相參接收模塊；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊包括太赫茲多波束 準(zhǔn)光混頻器，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進(jìn)行混 頻，產(chǎn)生混頻輸出信號；中頻信號處理模塊對混頻輸出信號依次進(jìn)行一分W路功率分配、濾 波、低噪聲放大、二次混頻處理，輸出中頻信號。
[0010] 太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括NI XN2個(gè)像素，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到 的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生NI X N2路混頻輸出信號，NI、N2為> 1 的自然數(shù)，每一路混頻輸出信號對應(yīng)一個(gè)像素，每一路混頻輸出信號稱為每一像素混頻輸 出信號；中頻信號處理模塊包括二次變頻模塊，二次變頻模塊包括NI XN2個(gè)中頻信號裝 置，每一中頻信號裝置對每一路混頻輸出信號依次進(jìn)行一分W路功率分配、濾波、低噪聲放 大、二次混頻處理，輸出N1XN2XW路中頻信號。
[0011] 本發(fā)明的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)相對于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效 果:
[0012] 1、相比較需要掃描的單像素照相機(jī)，焦平面照相機(jī)具有如下的優(yōu)點(diǎn)：1)能夠?qū)崟r(shí) 成像，可對快速運(yùn)動目標(biāo)成像；2)具有較好的分辨率和較高靈敏度，因?yàn)椴捎媒蛊矫婺?陣列，天線不需要掃描，光學(xué)部分便可以做得大一些，從而可以得到較好的分辨率；因?yàn)榉e 分時(shí)間不受掃描速度限制，故有可能獲得較高靈敏度。
[0013] 2、本發(fā)明的焦平面照相機(jī)可以工作在多個(gè)頻率，由于接收一個(gè)目標(biāo)的多個(gè)頻率輻 射信號，可以實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜背景環(huán)境下（例如在目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度對比度很低的情況下或 者在陽光等輻射/反射干擾下）提高目標(biāo)的識別能力。
[0014] 3、太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器和中頻信號處理模塊采用LTCC封裝工藝集成，實(shí)現(xiàn) 了一體化三維立體封裝，本發(fā)明的太赫茲焦平面多通道成像系統(tǒng)采用太赫茲多波束準(zhǔn)光混 頻器作為主要的接收與變頻元件，集成度高，十分適用于二維大規(guī)模成陣；適用于二維大規(guī) 模成陣，整體的接收機(jī)體積和重量小，方便攜帶；本發(fā)明采用高阻介質(zhì)透鏡可以避免混頻天 線表面波的廣生，提聞天線的增益，減小表面波損耗，并可以提聞天線的方向性，聞阻介質(zhì) 透鏡采用復(fù)眼透鏡，因此在具體的成像應(yīng)用時(shí)，布陣結(jié)構(gòu)更為靈活，可以適用于大視場或者 遠(yuǎn)焦距成像等場合。
[0015] 4、相比于太赫茲被動式照相機(jī)，半主動式照相機(jī)能在復(fù)雜背景環(huán)境下提高目標(biāo)的 識別能力，抗干擾性能強(qiáng)，可以提高作用距離，并且獲取目標(biāo)相位信息實(shí)現(xiàn)信號的相參接 收。
[0016] 5、本發(fā)明采用波束分離器可以有效地提高射頻信號與本振信號的隔離度。
[0017] 6、使用方式靈活，當(dāng)需要進(jìn)行大視場成像時(shí)，可以掃描次鏡，實(shí)現(xiàn)寬視場成像。
[0018] 7、可以國內(nèi)自主生產(chǎn)，并且隨著產(chǎn)品的數(shù)量提升，成本大幅度降低。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 應(yīng)說明的是，下面描述中的附圖僅示意地示出了一些實(shí)施例，并沒有包括所有可 能的實(shí)施例。
[0020] 圖1為太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)的實(shí)施例的示意圖；
[0021] 圖2為天饋模塊結(jié)構(gòu)實(shí)施例的示意圖與太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)實(shí)施 例的部分信號流程示意圖；
[0022] 圖3為太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的實(shí)施例的示意圖；
[0023] 圖4為中頻信號處理模塊的實(shí)施例的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面將結(jié)合附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例的技術(shù)方案。顯然，所描述的實(shí)施例 只是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。所描述的實(shí)施例僅用于圖示說明，而不 是對本發(fā)明范圍的限制?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞 動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0025] 盡管本申請中使用了詞語第一、第二等來描述多個(gè)元件或構(gòu)成部分，這些元件或 構(gòu)成部分不應(yīng)受這些詞語的限制。這些詞語僅用于區(qū)分一個(gè)元件或構(gòu)成部分和另一元件或 構(gòu)成部分，而不包含"順序"。因此，將下面討論的第一元件或構(gòu)成部分稱為第二元件或構(gòu)成 部分也沒有超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍。
[0026] 圖1示出了一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)的實(shí)施例的示意圖。如圖1 所示，一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)包括W個(gè)太赫茲照射源模塊、天饋模塊、太赫 茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考源、模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模 塊、數(shù)字信號處理模塊、顯示與控制模塊和電源模塊，W為預(yù)獲取的顏色數(shù)量，W為> 1的自 然數(shù)。
[0027] 每一個(gè)太赫茲照射源模塊發(fā)射用于照射在被探測目標(biāo)上的太赫茲照射信號。每一 個(gè)太赫茲照射源模塊包括太赫茲照射信號倍頻器、太赫茲天線；本振參考源產(chǎn)生的本振信 號通過太赫茲照射信號倍頻器倍頻后，經(jīng)過太赫茲天線輻射，照射在被探測目標(biāo)上。
[0028] 天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，天饋模塊中的反射面天線用于接收被 探測目標(biāo)散射的太赫茲照射信號（以下稱太赫茲射頻信號），反射面天線在天線伺服模塊 的控制下掃描被測目標(biāo)的太赫茲射頻信號。天饋模塊中的反射面天線可以采用偏焦卡塞格 倫天線，偏焦卡塞格倫天線包括主拋物面和次級反射面，用于接收被探測目標(biāo)散射的太赫 茲波。太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測目標(biāo)散射的 太赫茲射頻信號經(jīng)主拋物面和次級反射面的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模 塊；天線伺服模塊控制次級反射面，在需要增大視場時(shí)，可以通過次級反射面的掃描實(shí)現(xiàn)對 大視場被探測目標(biāo)的成像，如圖2所示。
[0029] 其中，主拋物面的口徑D滿足：
[0030]

【權(quán)利要求】
1. 一種太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于，所述照相機(jī)包括天饋模塊、 W個(gè)太赫茲照射源模塊、太赫茲焦平面多通道相參接收模塊、中頻信號處理模塊、本振參考 源；W為預(yù)獲取的顏色數(shù)量，W為> 1的自然數(shù)； 每一個(gè)太赫茲照射源模塊發(fā)射用于照射在被探測目標(biāo)上的太赫茲照射信號，每一個(gè)太 赫茲照射源模塊包括太赫茲照射信號倍頻器、太赫茲天線；本振參考源產(chǎn)生的本振信號通 過太赫茲照射信號倍頻器倍頻后，經(jīng)過太赫茲天線輻射，照射在被探測目標(biāo)上； 天饋模塊包括反射面天線和天線伺服模塊，天饋模塊中的反射面天線用于接收被探測 目標(biāo)散射的太赫茲射頻信號，反射面天線在天線伺服模塊的控制下掃描被測目標(biāo)的太赫茲 射頻信號； 太赫茲焦平面多通道相參接收模塊位于反射面天線的焦平面上，被探測目標(biāo)散射的太 赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的反射面天線的反射，聚焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模 塊；太赫茲焦平面多通道相參接收模塊包括太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器，太赫茲多波束準(zhǔn)光 混頻器將收到的太赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生混頻輸出信號， 中頻信號處理模塊對混頻輸出信號依次進(jìn)行一分W路功率分配、濾波、低噪聲放大、二 次混頻處理，輸出中頻信號。
2. 如權(quán)利要求1所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于： 太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器包括N1 XN2個(gè)像素，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器將收到的太 赫茲射頻信號和太赫茲本振信號進(jìn)行混頻，產(chǎn)生N1XN2路混頻輸出信號，Nl、N2為> 1的 自然數(shù)，每一路混頻輸出信號對應(yīng)一個(gè)像素，每一路混頻輸出信號稱為每一像素混頻輸出 信號； 中頻信號處理模塊包括二次變頻模塊，二次變頻模塊包括N1 XN2個(gè)中頻信號裝置，每 一中頻信號裝置對每一路混頻輸出信號依次進(jìn)行一分W路功率分配、濾波、低噪聲放大、二 次混頻處理，輸出N1XN2XW路中頻信號。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于：天饋模 塊中的反射面天線采用偏焦卡塞格倫天線，偏焦卡塞格倫天線包括主拋物面和次級反射 面；被探測目標(biāo)散射的太赫茲射頻信號經(jīng)天饋模塊中的主拋物面和次級反射面的反射，聚 焦于太赫茲焦平面多通道相參接收模塊； 天線伺服模塊控制次級反射面，通過次級反射面的掃描實(shí)現(xiàn)對大視場被探測目標(biāo)的成 像。
4. 如權(quán)利要求3所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于：主拋物面的 口徑D滿足：
其中，ΘΜΒ為太赫茲焦平面多通道成像系統(tǒng)的空間分辨率，λ ^為被探測目標(biāo)輻射出的 太赫茲波的波長。
5. 如權(quán)利要求1所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于： 太赫茲焦平面多通道相參接收模塊還包括波束分離器、太赫茲本振倍頻器，本振參考 源產(chǎn)生的本振信號通過太赫茲本振倍頻器倍頻后產(chǎn)生太赫茲本振信號；波束分離器用于控 制太赫茲本振信號的空間傳播方向，透射太赫茲射頻信號并且反射太赫茲本振信號，使太 赫茲射頻信號和太赫茲本振信號共同傳遞給太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器。
6. 如權(quán)利要求5所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于：太赫茲多波 束準(zhǔn)光混頻器包括高阻介質(zhì)透鏡和混頻天線芯片；混頻天線芯片包含相同結(jié)構(gòu)的N1XN2 個(gè)混頻天線，排列成N1行，N2列；高阻介質(zhì)透鏡采用復(fù)眼透鏡，復(fù)眼透鏡包括小透鏡陣列和 擴(kuò)展底座，小透鏡陣列位于擴(kuò)展底座上，小透鏡通過擴(kuò)展底座與混頻天線實(shí)現(xiàn)信號間的傳 輸；小透鏡陣列包括N1 XN2個(gè)小透鏡，小透鏡與混頻天線--對應(yīng)，小透鏡的中心與其對 應(yīng)的混頻天線的中心位于同一軸線上，一個(gè)像素包括一個(gè)混頻天線和一個(gè)小透鏡。
7. 如權(quán)利要求1-6的任一權(quán)利要求所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征 在于： 中頻信號處理模塊的每個(gè)中頻信號處理裝置對每一路混頻輸出信號進(jìn)行處理，中頻信 號處理裝置包括一分W路功率分配器、濾波器、低噪聲放大器、二次混頻器和倍頻器，每一 路混頻輸出信號都會經(jīng)過一分W路功率分配器，然后分別經(jīng)過濾波器、低噪聲放大器、二次 混頻器，從二次混頻器輸出中頻信號，一共輸出N1 X N2 X W路中頻信號，其中，所述一分W路 功率分配器將太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器輸出的每一路混頻輸出信號分為W路， 本振參考源產(chǎn)生的本振信號通過中頻信號處理模塊的倍頻器倍頻后，產(chǎn)生二次混頻的 本振信號。
8. 如權(quán)利要求1所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于： 所述照相機(jī)還包括模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊、數(shù)字信號處理模塊、顯示與控制模塊 和電源模塊， 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊對中頻信號處理模塊輸出的中頻信號進(jìn)行采樣、量化、編 碼，將中頻信號變換成中頻數(shù)字信號并進(jìn)行存儲，同時(shí)將中頻數(shù)字信號輸出給數(shù)字信號處 理模塊； 數(shù)字信號處理模塊根據(jù)原始采集數(shù)據(jù)，按照定標(biāo)方程將每個(gè)通道輸出的中頻數(shù)字信號 轉(zhuǎn)換成輻射溫度值，并最終轉(zhuǎn)換成圖像灰度數(shù)據(jù)，并將圖像灰度數(shù)據(jù)傳送給顯示與控制模 塊； 顯示與控制模塊用于顯示灰度值圖像，并控制天線伺服模塊，實(shí)現(xiàn)空間波束的機(jī)械掃 描； 電源模塊用于給天線伺服模塊、太赫茲本振倍頻器、本振參考源、中頻信號處理模塊、 模/數(shù)轉(zhuǎn)換與存儲處理模塊，以及顯示與控制模塊提供電流或者電壓。
9. 如權(quán)利要求1-8的任一權(quán)利要求所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征 在于：太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器和中頻信號處理模塊采用LTCC封裝工藝集成，實(shí)現(xiàn)了一體 化三維立體封裝，其中中頻信號處理模塊的二次變頻模塊埋置于基于LTCC的封裝的下表 面空腔中或者表貼在LTCC下表面基板上，太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器的混頻天線芯片位于 LTCC基板頂部。
10. 如權(quán)利要求1-9的任一權(quán)利要求所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特 征在于：W = 3,取目標(biāo)輻射出太赫茲信號中的三個(gè)頻率，所述一分W路功率分配器為一分3 路功率分配器。
11. 如權(quán)利要求10所述的太赫茲半主動式彩色焦平面照相機(jī)，其特征在于：所述三個(gè) 頻率取為220GHz、340GHz、450GHz，太赫茲本振信號頻率為105GHz ;對于220GHz，利用2次 混頻，輸出10GHz信號；對于340GHz，利用3次混頻，輸出25GHz信號；對于450GHz，利用4 次混頻，輸出30GHz信號； 所述一分3路功率分配器將太赫茲多波束準(zhǔn)光混頻器輸出的每一像素混頻輸出信號 分為3路信號，所述3路信號包括第一路信號、第二路信號、第三路信號，濾波器包括第一濾 波器、第二濾波器、第三濾波器，第一路信號通過第一濾波器，第一濾波器輸出10GHz信號， 第二路信號通過第二濾波器，第二濾波器輸出25GHz信號，第三路信號通過第三濾波器，第 三濾波器輸出30GHz信號，對于10GHz信號、25GHz信號、30GHz信號，再分別經(jīng)過二次混頻 器進(jìn)行二次混頻，輸出4GHz、3GHz、2GHz的中頻信號。
【文檔編號】G03B17/12GK104048761SQ201310079131
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月13日
【發(fā)明者】呂昕, 牟進(jìn)超, 郝海東, 盧宏達(dá), 郭大路, 馬朝輝, 朱思衡, 劉埇, 司黎明, 孫鈺, 王志明 申請人:北京理工大學(xué)