雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置和探測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置和探測方法，包括焦平面陣列接收機(jī)、分光裝置、頻分復(fù)用讀出模塊和系統(tǒng)控制模塊。太赫茲信號經(jīng)分光裝置處理后輸出到KID探測器陣列，復(fù)用讀出模塊產(chǎn)生的多音信號輸入到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列，KID探測器陣列的輸出多音信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器處理后輸出到頻分復(fù)用讀出模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理。系統(tǒng)控制模塊控制分光裝置和頻分復(fù)用讀出模塊，并讀取寬帶連續(xù)譜信號幅度、頻譜信號干涉圖，對干涉圖進(jìn)行中低分辨率頻譜處理，及對讀取的信號進(jìn)行多維太赫茲圖像信號處理。本發(fā)明可進(jìn)行太赫茲信號寬帶連續(xù)譜和中低分辨率譜圖像高靈敏探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太赫茲信號多維圖像探測。
【專利說明】雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置和探測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲信號多維圖像探測裝置，具體涉及一種基于KID (KineticInductance Detector)探測器陣列雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像高靈敏探測裝置和基于該探測裝置的太赫茲信號多維圖像探測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲一般定義為0.1~10THZ頻率區(qū)間，太赫茲單天線望遠(yuǎn)鏡是開展太赫茲天文觀測研究的觀測主要設(shè)備，其最重要的優(yōu)點(diǎn)是采用焦平面陣接收機(jī)進(jìn)行天體觀測對象的高效率成圖觀測。目前，APEX、ASTE, CCAT, JMCT等地面單天線太赫茲望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，以及HerSChel、JAXA、SPICA、SOFIA空間或機(jī)載太赫茲/遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡等都配備或計(jì)劃配備焦平面陣列接收機(jī)。我國正在積極推進(jìn)中國南極天文臺計(jì)劃，擬建設(shè)的5m太赫茲望遠(yuǎn)也計(jì)劃配備焦平面陣列接收機(jī)。單天線望遠(yuǎn)鏡焦平面陣列接收機(jī)有兩種類型:超外差混頻器陣列接收機(jī)和直接檢波陣列接收機(jī)。太赫茲超外差混頻器陣列(如超導(dǎo)SIS、HEB混頻器)可實(shí)現(xiàn)高靈敏度和高頻率分辨率的分子譜線成圖觀測，但其探測靈敏度受量子極限噪聲限制。隨著超外差混頻器陣列像元的增加，系統(tǒng)復(fù)雜性(包括本振參考信號源功率耦合和分配，低溫中頻電路以及超導(dǎo)混頻器偏置電路鏈接和布局等)亦隨之增加，因此發(fā)展更大規(guī)模(Ik以上)的超外差混頻器陣列將面臨巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。太赫茲直接檢波陣列(如Bolometer、超導(dǎo)HEB、STJ、TES、KID探測器等)其探測靈敏度不受量子極限噪聲限制，可實(shí)現(xiàn)背景極限的高靈敏度寬帶連續(xù)譜觀測，且直接檢波陣列接收機(jī)無需本振信號源，沒有了信號耦合和分配、以及大規(guī)模的中頻電路功耗和電路鏈接等問題，因此采用太赫茲直接檢波陣列可構(gòu)建比超外差混頻器陣列規(guī)模更大、集成度更高的焦平面陣列接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高靈敏度太赫茲信號圖像的探測。
[0003]太赫茲超外差混頻器陣列焦平面接收機(jī)可進(jìn)行天體的高頻率分辨頻譜圖像觀測，卻難于實(shí)現(xiàn)其寬帶連續(xù)譜成圖像觀測。與之相比，太赫茲直接檢波陣列平面接收機(jī)可實(shí)現(xiàn)天體的寬帶連續(xù)譜成圖像觀測，卻難于實(shí)現(xiàn)其高分辨頻譜圖像觀測。也就是說，采用以上兩種陣列接收機(jī)，無法實(shí)現(xiàn)天體包括連續(xù)譜和頻譜的多維圖像觀測。將直接檢波焦平面陣列與傅立葉分光光譜儀相結(jié)合，可為天體的多維圖像觀測提供了新的技術(shù)手段，并在很大程度上彌補(bǔ)了超外差混頻器陣列和直接檢波陣列這兩種焦平面接收機(jī)單一形式圖像探測技術(shù)的不足。
[0004]目前，采用直接檢波焦平面陣列與傅立葉分光光譜儀相結(jié)合的圖像探測技術(shù)，主要應(yīng)用于太赫茲天文頻譜圖像觀測研究，其中歐空局主導(dǎo)的Herschel衛(wèi)星SPIRE設(shè)備是一個(gè)典型例子。該設(shè)備包含了一個(gè)工作在200-670微米波段成像傅立葉分光頻譜儀IFTS(Imaging Fourier Transform Spectrometer),焦平面陣列米用半導(dǎo)體Bolometer探測器，像元數(shù)為56。JCMT太赫茲望遠(yuǎn)鏡裝備的SCUBA-2 IFTS采用了 SPIRE傅立葉分光頻譜儀同樣的光路設(shè)計(jì)，工作在450微米和850微米波段。其升級版SCUBA-2 FTS-2則采用超導(dǎo)TES探測器，像元數(shù)約3200 (SCUBA-2探測器規(guī)模為10k)。JAXA太赫茲/遠(yuǎn)紅外空間望遠(yuǎn)鏡配備的AKARI/IFS-FTS成像傅立葉分光頻譜儀，其工作波段覆蓋70-170微米，采用Ge:Ga光電導(dǎo)體探測器，像元數(shù)為75。另外，計(jì)劃配備于SPICE太赫茲空間望遠(yuǎn)鏡中的成像傅立葉分光頻譜儀設(shè)備SAFARI，擬采用超導(dǎo)TES探測器，工作波段覆蓋34-210微米，像元數(shù)約為4000。
[0005]在以上應(yīng)用于太赫茲天文觀測研究的太赫茲成像傅立葉分光頻譜儀設(shè)備中直接檢波探測器采用半導(dǎo)體Bolometer探測器、光電導(dǎo)體Ge: Ga探測器或超導(dǎo)TES探測器。直接檢波器陣列的偏置讀出電路多采用時(shí)分復(fù)用技術(shù)，典型超導(dǎo)TES探測器讀出電路需為每一個(gè)探測器配備SQUID放大器(Bolometer和Ge: Ga探測器讀出電路與之類似)，這將存在與超外差混頻器陣列接收機(jī)類似的問題，即隨著焦平面探測器陣列規(guī)模的增加，讀出電路集成同樣將面臨技術(shù)挑戰(zhàn)。另外，該類探測器對制冷設(shè)備性能要求較高，因?yàn)樵擃愄綔y器對環(huán)境工作溫度較為敏感，需在其臨界溫度以下的低溫環(huán)境中才能正常工作。因此，發(fā)展超大規(guī)模的太赫茲直接檢波焦平面陣列成像傅立葉分光頻譜儀設(shè)備，必將存在系統(tǒng)集成技術(shù)上的瓶頸問題。近年來，一種探測靈敏度與超導(dǎo)TES探測器相當(dāng)?shù)某瑢?dǎo)KID(Kinetic InductanceDetector)探測器技術(shù)發(fā)展迅速(其探測靈敏度NEP?1(T18W/HZ0.5量級)，并具有廣泛的應(yīng)用前景。與超導(dǎo)TES以及半導(dǎo)體Bolometer探測器工作原理不同，超導(dǎo)KID探測在接受外部信號輻射時(shí)，該探測器微波諧振器的特性頻率和品質(zhì)因子Q發(fā)生了變化，這種變化代表了外部輻射信號信息，且微波諧振器可實(shí)現(xiàn)高Q值設(shè)計(jì)，僅僅通過一條傳輸線并結(jié)合頻分復(fù)用讀出電路，即可同時(shí)獲取大規(guī)模KID探測器陣列輸出，這將有利于超導(dǎo)KID探測器陣列推廣應(yīng)用、以及大規(guī)模系統(tǒng)集成。
[0006]針對前述的基于Bolometer、超導(dǎo)TES探測器成像傅立葉分光頻譜儀設(shè)備在頻譜成圖探測技術(shù)存在的不足，以及超導(dǎo)KID探測器的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，尚需開發(fā)一種太赫茲信號圖像探測新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)包括寬帶(相對帶寬優(yōu)于10%)連續(xù)譜和中低分辨率()頻譜的太赫茲信號多維圖像高靈敏探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的基本原理是:采用超導(dǎo)KID探測器陣列應(yīng)用于成像傅立葉分光頻譜儀中，進(jìn)行太赫茲信號多維圖像探測時(shí)，涉及到多次頻譜處理技術(shù)。當(dāng)進(jìn)行太赫茲連續(xù)譜圖像探測時(shí)，KID探測器陣列輸出的多路信號的同時(shí)讀出，通過頻分復(fù)用讀出電路讀取信號的頻譜來實(shí)現(xiàn)，此過程涉及頻譜處理技術(shù)(一次傅立葉變換)；當(dāng)進(jìn)行太赫茲信號頻譜圖像探測時(shí)，將從KID探測器陣列頻分復(fù)用讀出電路輸出的頻譜中讀取多個(gè)信號的干涉圖。對讀取的干涉圖，需再次進(jìn)行傅立葉變換，完成太赫茲頻譜圖像探測，此過程同樣涉及頻譜處理技術(shù)(需二次傅立葉變換)。即基于KID探測器陣列成像傅立葉分光頻譜儀進(jìn)行包括連續(xù)譜圖像探測，或是進(jìn)行頻譜圖像探測，其探測技術(shù)均涉及傅立葉變換。
[0008]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其包括:
焦平面陣列接收機(jī)，用于探測太赫茲信號，包括KID探測器陣列和用于將KID探測器陣列的多音信號進(jìn)行放大并輸出的寬帶低溫低噪聲放大器；
分光裝置，用于將太赫茲信號分成具有光程差的兩個(gè)波束，并將所述兩個(gè)波束匯聚后輸出到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列； 頻分復(fù)用讀出模塊，用于向焦平面陣列接收機(jī)模塊提供多音信號和對焦平面陣列接收機(jī)的輸出信號進(jìn)行頻譜處理，包括用于產(chǎn)生等幅值基帶多音信號的激勵(lì)信號產(chǎn)生單元、對所述基帶多音信號進(jìn)行混頻處理后使其頻率和功率滿足KID探測器陣列輸入要求的并輸入到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列的及對焦平面陣列接收機(jī)的寬帶低溫低噪聲放大器輸出信號進(jìn)行混頻處理至基帶并輸出的中頻電路處理單元、對中頻電路處理單元的輸出信號進(jìn)行傅立葉變換頻譜處理的實(shí)時(shí)頻譜處理單元；
系統(tǒng)控制模塊，其與分光裝置連接，用于控制分光裝置輸出波束的光程差；與頻分復(fù)用讀出模塊連接，對從頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元中讀取的連續(xù)譜信號幅度和頻譜信號的干涉圖，并進(jìn)行空域和頻域處理形成太赫茲信號多維圖像其中，所述中頻電路處理單元包括:
上變頻電路，將激勵(lì)信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的基帶多音信號進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，使得每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對上變頻后的多音信號功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，帶寬進(jìn)行帶通濾波限制，使變頻后的多音信號的頻率和功率滿足KID探測器陣列的輸入要求；
下變頻電路，將寬帶低溫低噪聲放大器輸出的多音信號進(jìn)行混頻處理下變頻至基帶，對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對下變頻后的寬帶多音信號進(jìn)行低通限制并輸出。
[0009]進(jìn)一步地,所述分光裝置為Michelson干涉儀,包括設(shè)置在光路上的固定平面鏡、用于調(diào)節(jié)光程差的可移動平面鏡和分離波束或匯聚波束的波束分離器。
[0010]進(jìn)一步地，所述KID探測器陣列的像元數(shù)為nXm，其中n、m為大于等于2的整數(shù)，優(yōu)選地為n、m均為8，即KID探測器陣列包括64個(gè)像元。
[0011]進(jìn)一步地,所述KID探測器陣列為準(zhǔn)光型高靈敏度超導(dǎo)KID (Kinetic InductanceDetector)直接檢波器陣列。
[0012]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測方法，包括以下步驟:
步驟1、產(chǎn)生等幅值多音信號，包括步驟:
SlA系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制激勵(lì)信號產(chǎn)生單元以產(chǎn)生等幅值基帶多音信號；
SlB等幅值基帶多音信號經(jīng)中頻電路處理單元的上變頻電路進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對上變頻后的多音信號的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬進(jìn)行帶通濾波限制，輸出頻率和功率滿足KID探測器陣列輸入要求的等幅值多音信號，所述等幅值多音信號輸入到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列；
步驟2太赫茲信號分光處理，太赫茲信號進(jìn)入Michelson干涉儀模塊后在其波束分離器處被分成兩個(gè)波束，兩個(gè)波束經(jīng)過可移動平面鏡和固定平面鏡反射后在波束分離器處匯聚成具有光程差的波束并輸出到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列；
步驟3太赫茲信號寬帶連續(xù)譜探測，包括步驟:
S3A系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊中的可移動平面鏡移至使太赫茲信號由Michelson干涉儀模塊的波束分離器分出的兩個(gè)波束的光程差為零的位置；S3B KID探測器陣列接受太赫茲信號輻射，其微波諧振器特性發(fā)生改變，導(dǎo)致加載其上的等幅值多音信號的幅度和相位發(fā)生變化，KID探測器陣列輸出該變化的多音信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器處理后傳輸至中頻電路處理單元的下變頻電路經(jīng)下變頻處理至基帶再對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬低通限制后輸出供后續(xù)頻譜處理；
S3C頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元對下變頻電路輸出的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，并將多音信號的幅度以頻譜的方式進(jìn)行輸出，得到太赫茲信號強(qiáng)度信息；
S3D系統(tǒng)控制模塊讀出實(shí)時(shí)頻譜處理單元處理后的KID探測器陣列探測的太赫茲信號強(qiáng)度信息并與系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF (On The Fly)技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像。
[0013]步驟4太赫茲信號中低分辨頻譜探測，包括步驟:
S4A系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊的可移動平面鏡不斷地移動，并記錄可移動平面鏡位置信息。太赫茲信號由波束分離器分離的兩個(gè)波束產(chǎn)生干涉強(qiáng)度隨光程差變化而變化的多條干涉波紋，KID探測器陣列同時(shí)將探測到的多條干涉條紋信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器進(jìn)行干涉條紋信號處理，頻分復(fù)用讀出模塊讀出的經(jīng)放大處理后的多條干涉條紋信號并通過中頻電路處理單元的下變頻電路下變頻處理成基帶信號；
S4B實(shí)時(shí)頻譜處理單元對頻分復(fù)用讀出模塊內(nèi)置的頻分復(fù)用讀出電路讀出的經(jīng)下變頻處理的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，從輸出頻譜中同時(shí)獲取多條干涉條紋信號;
S4C系統(tǒng)控制模塊從頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元中讀出經(jīng)頻譜處理的多條干涉條紋信號再次進(jìn)行傅立葉變換的頻譜處理，獲取太赫茲信號的中低分辨率頻譜信息，并將處理后的中低分辨率頻譜信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲信號中低分辨的太赫茲信號頻譜圖像；
步驟5太赫茲信號多維圖像探測
系統(tǒng)控制模塊根據(jù)步驟3中探測的太赫茲信號連續(xù)譜圖像和步驟4中探測的太赫茲信號頻譜圖像，進(jìn)行太赫茲信號空間位置、對應(yīng)的連續(xù)譜圖像數(shù)據(jù)、頻譜圖像數(shù)據(jù)一一進(jìn)行成圖處理，得到多維圖像，生成太赫茲信號多維圖像探測。
[0014]進(jìn)一步地，在步驟S3C中實(shí)時(shí)頻譜處理單元采用加權(quán)交疊累加法對基帶信號進(jìn)行高動態(tài)和高頻率分辨率的實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，對處理后的實(shí)時(shí)頻譜進(jìn)行功率譜積分進(jìn)一步提高信號頻譜信噪比，降低讀出的數(shù)據(jù)量。
[0015]進(jìn)一步地，步驟S4B中頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元輸出多條干涉條紋，先對所述多條干涉條紋采用改進(jìn)型的Mertz方法進(jìn)行相位校準(zhǔn)，并通過StrongNorton-Beer加權(quán)函數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，而后進(jìn)行傅立葉變換頻譜處理，同時(shí)獲取多條干涉條紋信號對應(yīng)的中低分辨率頻譜。
[0016]本發(fā)明的基于KID探測器陣列雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置分為寬帶連續(xù)譜成像探測和中低分辨率頻譜圖像探測兩個(gè)子系統(tǒng)。焦平面接收機(jī)模塊、頻分復(fù)用電路模塊以及系統(tǒng)控制模塊等構(gòu)成寬帶連續(xù)譜圖像探測子系統(tǒng)，進(jìn)行太赫茲信號連續(xù)譜圖像探測Wichelson干涉儀模塊、焦平面接收機(jī)模塊、頻分復(fù)用電路模塊以及系統(tǒng)控制模塊等構(gòu)成中低分辨率頻譜圖像探測子系統(tǒng)，進(jìn)行太赫茲信號頻譜圖像探測?；诔瑢?dǎo)KID探測器陣列焦平面接收機(jī)，完成了太赫茲信號寬帶連續(xù)譜圖像和太赫茲中低分辨率譜圖像高靈敏探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太赫茲信號多維圖像探測。
[0017]本發(fā)明裝置采用太赫茲頻段高靈敏度超導(dǎo)KID探測器陣列焦平面接收機(jī)，系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊中的可移動平面鏡移至使太赫茲信號由Michelson干涉儀模塊的波束分離器分出的兩個(gè)波束的光程差為零的位置，本發(fā)明裝置處在寬帶連續(xù)譜圖像探測子系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像探測，其連續(xù)譜成圖探測效率提高至單個(gè)接收像元的nXm倍，且觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量更好(多像元觀測同時(shí)修正大氣等系統(tǒng)外干擾的影響，比單像元不同時(shí)間段干擾修正效果更好)，同時(shí)每個(gè)超導(dǎo)KID探測器可實(shí)現(xiàn)超過10%射頻帶寬連續(xù)譜信號檢測。系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊的可移動平面鏡不斷地移動，太赫茲信號由波束分離器分離的兩個(gè)波束產(chǎn)生干涉強(qiáng)度隨光程差變化而變化的多條干涉波紋，本發(fā)明裝置處在中低分辨率頻譜圖像探測子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分辨率為100量級的()太赫茲信號頻譜多維圖像探測，同樣頻譜成圖探測效率提高至單個(gè)接收像元的nXm倍。另外，采用探測器陣列頻分復(fù)用的雙傅立葉變換頻譜讀出和處理技術(shù)，簡化了系統(tǒng)規(guī)模，為發(fā)展超大規(guī)模焦平面陣列接收機(jī)集成系統(tǒng)的提供必要的硬件基礎(chǔ)。
[0018]有益效果
基于超導(dǎo)KID探測器陣列焦平面接收機(jī)系統(tǒng)中，集成了太赫茲信號寬帶連續(xù)譜圖像和太赫茲中低分辨率頻譜圖像高靈敏探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太赫茲信號多維圖像探測。
[0019]采用探測器陣列頻分復(fù)用的實(shí)時(shí)頻譜處理和讀出技術(shù)，簡化了系統(tǒng)規(guī)模，為發(fā)展超大規(guī)模焦平面陣列接收機(jī)集成系統(tǒng)的提供必要的硬件基礎(chǔ)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0020]圖1本發(fā)明探測裝置的原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0021]為了闡明本發(fā)明的技術(shù)方案及技術(shù)目的，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。
[0022]如圖1所示，一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其包括:
焦平面陣列接收機(jī)2，用于探測太赫茲信號，包括KID探測器陣列21和用于將KID探測器陣列的梳狀信號進(jìn)行放大并輸出的寬帶低溫低噪聲放大器22 ;焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列的像元數(shù)為nXm，其中n、m為大于等于2的整數(shù)，優(yōu)選地為n、m均為8，即KID探測器陣列包括64個(gè)像元。KID探測器為準(zhǔn)光型高靈敏度超導(dǎo)KID直接檢波器探測器。
[0023]分光裝置優(yōu)先地為Michelson干涉儀，包括設(shè)置在光路上的固定平面鏡、用于調(diào)節(jié)光程差的可移動平面鏡和分離波束或匯聚波束的波束分離器。太赫茲信號進(jìn)入Michelson干涉儀模塊后在波束分離器處被分成兩個(gè)波束，兩個(gè)波束經(jīng)過可移動平面鏡和固定平面鏡反射后在波束分離器處匯聚成具有光程差的波束并輸出到焦平面陣列接收機(jī)2的KID探測器陣列21。
[0024]頻分復(fù)用讀出模塊3，用于向焦平面陣列接收機(jī)模塊2提供多音信號和對焦平面陣列接收機(jī)2的輸出信號進(jìn)行頻譜處理。頻分復(fù)用讀出模塊3內(nèi)置頻分復(fù)用讀出電路；頻分復(fù)用讀出模塊3包括激勵(lì)信號產(chǎn)生單元31、中頻電路處理單元32和實(shí)時(shí)頻譜處理單元33;所述激勵(lì)信號產(chǎn)生單元31用于產(chǎn)生等幅值基帶多音信號，優(yōu)選地采用安捷倫M8190A任意波形發(fā)生器。所述實(shí)時(shí)頻譜處理單元33對中頻電路處理單元32的輸出信號進(jìn)行傅立葉變換實(shí)時(shí)頻譜處理。雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置采用頻分復(fù)用實(shí)時(shí)頻譜處理技術(shù)及后續(xù)干涉條紋頻譜處理，簡化了信號傳輸連接和系統(tǒng)規(guī)模，為發(fā)展超大規(guī)模焦平面陣列接收機(jī)集成系統(tǒng)開展多維圖像探測的提供必要的硬件基礎(chǔ)。
[0025]其中中頻電路處理單元32包括上變頻電路32A和下變頻電路32B，上變頻電路32A，將激勵(lì)信號產(chǎn)生單元31產(chǎn)生的基帶多音信號進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，使得每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對上變頻后的多音信號功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬進(jìn)行帶通濾波限制，使變頻后的多音信號的頻率和功率滿足KID探測器陣列21的輸入要求；下變頻電路32B，將寬帶低溫低噪聲放大器22輸出的多音信號進(jìn)行混頻處理下變頻至基帶，對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對下變頻后的寬帶多音信號進(jìn)行低通限制并輸出。
[0026]系統(tǒng)控制模塊4,其與Michelson干涉儀模塊I連接,控制Michelson干涉儀模塊I的可移動平面鏡12的移動并記錄可移動平面鏡12的位置；太赫茲信號進(jìn)入Michelson干涉儀模塊后在其波束分離器處被分成兩個(gè)波束，兩個(gè)波束經(jīng)過可移動平面鏡和固定平面鏡反射后在波束分離器處匯聚成具有光程差的波束并輸出，即輸出隨光程差變化而變化的太赫茲信號干涉條紋。系統(tǒng)控制模塊4與頻分復(fù)用讀出模塊3連接，對從頻分復(fù)用讀出模塊3的實(shí)時(shí)頻譜處理單元33中讀取的經(jīng)傅立葉變換的連續(xù)譜信號幅度和頻譜信號的干涉圖，并對其進(jìn)行空域和頻域處理形成太赫茲多維圖像。
[0027]本發(fā)明的焦平面接收機(jī)模塊2、頻分復(fù)用電路模塊3以及系統(tǒng)控制模塊4等構(gòu)成寬帶連續(xù)譜圖像探測子系統(tǒng)，進(jìn)行太赫茲信號連續(xù)譜圖像探測Wichelson干涉儀模塊1、焦平面接收機(jī)模塊2、頻分復(fù)用電路模塊3以及系統(tǒng)控制模塊4等構(gòu)成中低分辨率頻譜圖像探測子系統(tǒng)，進(jìn)行太赫茲信號頻譜圖像探測?；诔瑢?dǎo)KID探測器陣列焦平面接收機(jī)，完成了太赫茲信號寬帶連續(xù)譜圖像和太赫茲信號中低分辨率頻譜圖像高靈敏探測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)太赫茲信號多維圖像探測。采用KID探測器陣列可以實(shí)現(xiàn)太赫茲信號連續(xù)譜圖像和太赫茲中低分辨率頻譜圖像探測。
[0028]基于本發(fā)明裝置的一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測方法，包括以下步驟:
步驟1、產(chǎn)生等幅值多音信號，包括步驟:
SlA系統(tǒng)控制模塊4發(fā)出信號控制激勵(lì)信號產(chǎn)生單元31以產(chǎn)生等幅值基帶多音信
號;
SlB等幅值基帶多音信號經(jīng)中頻電路處理單元32的上變頻電路32A進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對上變頻后的多音信號的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，帶寬進(jìn)行帶通濾波限制，輸出頻率和功率滿足KID探測器陣列21輸入要求的等幅值多音信號，所述等幅值多音信號輸入到焦平面陣列接收機(jī)模塊2的KID探測器陣列21 ；
步驟2太赫茲信號分光處理，太赫茲信號進(jìn)入Michelson干涉儀模塊I后在其波束分離器11處被分兩個(gè)波束，兩個(gè)波束經(jīng)過可移動平面鏡12和固定平面鏡13反射后在波束分離器11處匯聚具有光程差的波束，所述兩波束形成干涉條紋，并輸出到焦平面陣列接收機(jī)模塊2的KID探測器陣列21 ； 步驟3太赫茲信號寬帶連續(xù)譜探測，包括步驟:
S3A系統(tǒng)控制模塊4發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊I中的可移動平面鏡移12至使太赫茲信號由Michelson干涉儀模塊的波束分離器11分出的兩個(gè)波束的光程差為零的位置；
S3B KID探測器陣列21接受太赫茲信號輻射，其微波諧振器特性發(fā)生改變，導(dǎo)致加載其上的等幅值多音信號的幅度和相位發(fā)生變化，KID探測器陣列21輸出該變化的多音信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器處理后傳輸至中頻電路處理單元32的下變頻電路32B經(jīng)下變頻處理至基帶再對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬低通限制后輸出供后續(xù)頻譜處理；
S3C頻分復(fù)用讀出模塊3的實(shí)時(shí)頻譜處理單元33采用加權(quán)交疊累加法對下變頻電路32B輸出的基帶信號進(jìn)行高動態(tài)和高頻率分辨率的實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，對處理后的實(shí)時(shí)頻譜進(jìn)行功率譜積分進(jìn)一步提高信號頻譜信噪比，降低讀出的數(shù)據(jù)量，并將處理后的多音信號的幅度以頻譜的方式進(jìn)行輸出，得到太赫茲信號強(qiáng)度信息；
S3D系統(tǒng)控制模塊4讀出實(shí)時(shí)頻譜處理單元33處理后的KID探測器陣列21探測的太赫茲信號強(qiáng)度信息并與系統(tǒng)控制模塊4記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像。
[0029]步驟4太赫茲信號中低分辨頻譜探測，包括步驟:
S4A系統(tǒng)控制模塊4發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊I的可移動平面鏡12不斷地移動，并記錄可移動平面鏡的位置信息。太赫茲信號由波束分離器11分離的兩個(gè)波束產(chǎn)生干涉強(qiáng)度隨光程差變化而變化的多條干涉波紋，KID探測器陣列21同時(shí)將探測到的多條干涉條紋信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器22進(jìn)行干涉條紋信號處理，頻分復(fù)用讀出模塊3讀出的經(jīng)放大處理后的多條干涉條紋信號并通過中頻電路處理單元32的下變頻電路32B下變頻處理成基帶信號；
S4B實(shí)時(shí)頻譜處理單元對頻分復(fù)用讀出模塊的中頻信號處理單元的下變頻電路輸出的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，從輸出頻譜中同時(shí)獲取多條干涉條紋信號；
S4C系統(tǒng)控制模塊4從頻分復(fù)用讀出模塊3的實(shí)時(shí)頻譜處理單元33中讀出經(jīng)頻譜處理的多條干涉條紋信號，先對所述多條干涉條紋信號采用改進(jìn)型的Mertz方法進(jìn)行相位校準(zhǔn)，并通過Strong Norton-Beer加權(quán)函數(shù)進(jìn)行預(yù)處理,而后再次進(jìn)行傅立葉變換的頻譜處理，同時(shí)獲取太赫茲信號的多條干涉條紋信號對應(yīng)的中低分辨率頻譜信息，并將處理后的中低分辨率頻譜信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)控制模塊4記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲信號中低分辨的太赫茲信號頻譜圖像；步驟5太赫茲信號多維圖像探測
系統(tǒng)控制模塊4根據(jù)步驟3中探測的太赫茲信號連續(xù)譜圖像和步驟4中探測的太赫茲信號頻譜圖像，進(jìn)行太赫茲信號空間位置、對應(yīng)的連續(xù)譜圖像數(shù)據(jù)、頻譜圖像數(shù)據(jù)一一進(jìn)行成圖處理，得到多維圖像，生成太赫茲信號多維圖像探測。
[0030]本發(fā)明裝置采用太赫茲頻段高靈敏度超導(dǎo)KID探測器陣列焦平面接收機(jī)。系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊中的可移動平面鏡移至使太赫茲信號由Michelson干涉儀模塊的波束分離器分出的兩個(gè)波束的光程差為零的位置，太赫茲信號經(jīng)過Michelson干涉儀模塊后直接被KID探測器陣列接收，諧振器特性特發(fā)生變化，KID探測器陣列將該變化的梳狀信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器輸出至中頻電路處理單元經(jīng)下變頻電路下變頻至基帶后供后續(xù)頻譜處理。實(shí)時(shí)頻譜處理單元對基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，并將多音信號的幅度以頻譜的方式進(jìn)行輸出，從而得出了被探測信號的強(qiáng)度信號。系統(tǒng)控制模塊對KID探測器陣列的信號強(qiáng)度信息通過系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，再采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整(去除KID探測器陣列的焦平面接收機(jī)系統(tǒng)效應(yīng))的進(jìn)一步成像處理，到太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像。本發(fā)明裝置處在寬帶連續(xù)譜圖像探測子系統(tǒng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像探測，由于采用多像元KID探測器陣列則其連續(xù)譜成圖探測效率提高至單個(gè)接收像元的nXm倍，多像元觀測同時(shí)修正大氣等系統(tǒng)外干擾的影響，比單像元不同時(shí)間段干擾修正效果更好，且觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量更好，同時(shí)每個(gè)超導(dǎo)KID探測器可實(shí)現(xiàn)超過10%射頻帶寬連續(xù)譜信號檢測。
[0031]系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊的可移動平面鏡不斷地移動，太赫茲信號由波束分離器分離的兩個(gè)波束產(chǎn)生干涉強(qiáng)度隨光程差變化而變化的多條干涉波紋，超導(dǎo)KID探測器陣列探測干涉波紋信號經(jīng)中頻電路處理單元下變頻處理，并在實(shí)時(shí)頻譜處理單元進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理，從輸出頻譜中同時(shí)獲取多條干涉條紋，頻分復(fù)用讀出模塊內(nèi)置的頻分復(fù)用讀出電路從KID探測器陣列讀出所有干涉條紋，實(shí)時(shí)頻譜處理單元對其進(jìn)行傅立葉變換頻譜處理，系統(tǒng)控制模塊從頻分復(fù)用讀出模塊讀出多個(gè)干涉圖再次進(jìn)行傅立葉變換的頻譜處理，可獲取信號的太赫茲信號中低分辨率頻譜信息，并將處理后的頻譜圖像數(shù)據(jù)，與系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，再采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整(去除KID探測器陣列系統(tǒng)效應(yīng))的進(jìn)一步成像處理，即可得到太赫茲信號中低分辨的頻譜圖像。本發(fā)明裝置處在中低分辨率頻譜圖像探測子系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)分辨率為100量級的()太赫茲信號頻譜多維圖像探測，同樣頻譜成圖探測效率提高至單個(gè)接收像元的nXm倍。另夕卜，采用探測器陣列頻分復(fù)用的傅立葉變換頻譜處理和讀出技術(shù)，簡化了系統(tǒng)規(guī)模，為發(fā)展超大規(guī)模焦平面陣列接收機(jī)集成系統(tǒng)開展太赫茲信號多維圖像探測的提供必要的硬件基礎(chǔ)。
[0032]以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下，本發(fā)明還會有各種變化和改進(jìn)，本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書、說明書及其等效物界定。
【權(quán)利要求】
1.一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其特征在于，包括: 焦平面陣列接收機(jī)，用于探測太赫茲信號，包括KID探測器陣列和用于將KID探測器陣列的多音信號進(jìn)行放大并輸出的寬帶低溫低噪聲放大器； 分光裝置，用于將太赫茲信號分成具有光程差的兩個(gè)波束，并將所述兩個(gè)波束匯聚后輸出到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列； 頻分復(fù)用讀出模塊，用于向焦平面陣列接收機(jī)模塊提供多音信號和對焦平面陣列接收機(jī)的輸出信號進(jìn)行實(shí)時(shí)頻譜處理，包括用于產(chǎn)生等幅值基帶多音信號的激勵(lì)信號產(chǎn)生單元、對所述基帶多音信號進(jìn)行混頻處理后使其頻率和功率滿足KID探測器陣列輸入要求的并輸入到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列的及對焦平面陣列接收機(jī)的寬帶低溫低噪聲放大器輸出信號進(jìn)行混頻處理至基帶并輸出的中頻電路處理單元、對中頻電路處理單元的輸出信號進(jìn)行傅立葉變換頻譜處理的實(shí)時(shí)頻譜處理單元； 系統(tǒng)控制模塊，其與分光裝置連接，用于控制分光裝置輸出波束的光程差；與頻分復(fù)用讀出模塊連接，對從頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元中讀取的連續(xù)譜信號幅度和頻譜信號的干涉圖，并進(jìn)行空域和頻域處理形成太赫茲信號多維圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其特征在于，所述中頻電路處理單元包括: 上變頻電路，將激勵(lì)信號產(chǎn)生單元產(chǎn)生的基帶多音信號進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，使得每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對上變頻后的多音信號功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬進(jìn)行帶通濾波限制，使變頻后的多音信號的頻率和 功率滿足KID探測器陣列的輸入要求； 下變頻電路，將寬帶低溫低噪聲放大器輸出的多音信號進(jìn)行混頻處理下變頻至基帶，對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，對下變頻后的寬帶多音信號進(jìn)行低通限制并輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其特征在于:所述分光裝置為Michelson干涉儀，包括設(shè)置在光路上的固定平面鏡、用于調(diào)節(jié)光程差的可移動平面鏡和分離波束或匯聚波束的波束分離器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一權(quán)利要求所述的雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測裝置，其特征在于:所述KID探測器陣列的像元數(shù)為nxm，其中n、m為大于等于2的整數(shù)。
5.一種雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、產(chǎn)生等幅值多音信號，包括步驟: SlA系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制激勵(lì)信號產(chǎn)生單元以產(chǎn)生等幅值基帶多音信號； SlB等幅值基帶多音信號經(jīng)中頻電路處理單元的上變頻電路進(jìn)行混頻處理上變頻至KID探測器微波諧振器的工作頻段，每個(gè)多音信號頻率經(jīng)上變頻后與KID探測器微波諧振器諧振頻率一一對應(yīng)，并對多音信號的功率進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出頻率和功率滿足KID探測器陣列輸入要求的等幅值多音信號，所述等幅值多音信號輸入到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列； 步驟2太赫茲信號分光處理，太赫茲信號進(jìn)入Michelson干涉儀模塊后在其波束分離器處被分成兩個(gè)波束，兩個(gè)波束經(jīng)過可移動平面鏡和固定平面鏡反射后在波束分離器處匯聚成具有光程差的波束并輸出到焦平面陣列接收機(jī)的KID探測器陣列； 步驟3太赫茲信號寬帶連續(xù)譜探測，包括步驟:S3A系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控制Michelson干涉儀模塊中的可移動平面鏡移至使太赫茲信號由Michelson干涉儀模塊的波束分離器分出的兩個(gè)波束的光程差為零的位置； S3B KID探測器陣列接受太赫茲信號輻射，其微波諧振器特性發(fā)生改變，導(dǎo)致加載其上的等幅值多音信號的幅度和相位發(fā)生變化，KID探測器陣列輸出該變化的多音信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器處理后，傳輸至中頻電路處理單元的下變頻電路，經(jīng)下變頻處理至基帶再對其功率進(jìn)行調(diào)節(jié)、帶寬低通限制后輸出供后續(xù)頻譜處理； S3C頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元對下變頻電路輸出的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，并將多音信號的幅度以頻譜的方式進(jìn)行輸出，得到太赫茲信號強(qiáng)度信息； S3D系統(tǒng)控制模塊讀出實(shí)時(shí)頻譜處理單元處理后的KID探測器陣列探測的太赫茲信號強(qiáng)度信息并與系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲寬帶連續(xù)譜圖像； 步驟4太赫茲信號中低分辨頻譜探測，包括步驟: S4A系統(tǒng)控制模塊發(fā)出信號控 制Michelson干涉儀模塊的可移動平面鏡不斷地移動，并記錄可移動平面鏡位置信息；太赫茲信號由波束分離器分離的兩個(gè)波束產(chǎn)生干涉強(qiáng)度隨光程差變化而變化的干涉波紋，KID探測器陣列同時(shí)將探測到的多條干涉條紋信號經(jīng)寬帶低溫低噪聲放大器進(jìn)行干涉條紋信號低噪聲放大處理，頻分復(fù)用讀出模塊讀出的經(jīng)低噪聲放大處理后的多條干涉條紋信號并通過中頻電路處理單元的下變頻電路下變頻處理成基帶信號； S4B實(shí)時(shí)頻譜處理單元對頻分復(fù)用讀出模塊的中頻信號處理單元的下變頻電路輸出的基帶信號進(jìn)行實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，從輸出頻譜中同時(shí)獲取多條干涉條紋信號； S4C系統(tǒng)控制模塊從頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元中讀出經(jīng)頻譜處理的多條干涉條紋信號再次進(jìn)行傅立葉變換的頻譜處理，獲取太赫茲信號的中低分辨率頻譜信息，并將處理后的中低分辨率頻譜信息數(shù)據(jù)與系統(tǒng)控制模塊記錄的位置信息一一對應(yīng)，采用天文觀測OTF技術(shù)中網(wǎng)格重整技術(shù)進(jìn)一步成像處理，得到太赫茲信號中低分辨的太赫茲信號頻譜圖像； 步驟5太赫茲信號多維圖像探測 系統(tǒng)控制模塊根據(jù)步驟3中探測的太赫茲信號連續(xù)譜圖像和步驟4中探測的太赫茲信號頻譜圖像，進(jìn)行太赫茲信號空間位置、對應(yīng)的連續(xù)譜圖像數(shù)據(jù)、頻譜圖像數(shù)據(jù)一一進(jìn)行成圖處理，得到多維圖像，生成太赫茲信號多維圖像探測。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測方法，其特征在于，在步驟S3C中實(shí)時(shí)頻譜處理單元采用加權(quán)交疊累加法對基帶信號進(jìn)行高動態(tài)和高頻率分辨率的實(shí)時(shí)傅立葉變換頻譜處理，對處理后的實(shí)時(shí)頻譜進(jìn)行功率譜積分進(jìn)一步提高信號頻譜信噪比，降低讀出的數(shù)據(jù)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙傅立葉變換的太赫茲信號多維圖像探測方法，其特征在于，步驟S4B中頻分復(fù)用讀出模塊的實(shí)時(shí)頻譜處理單元輸出多條干涉條紋，先對所述多條干涉條紋采用改進(jìn)型的Mertz方法進(jìn)行相位校準(zhǔn),并通過Strong Norton-Beer加權(quán)函數(shù)進(jìn)行預(yù)處理，而后進(jìn)行傅立葉變換頻譜處理，同時(shí)獲取多條干涉條紋信號對應(yīng)的中低分辨率頻譜。
【文檔編號】G01J3/28GK103940510SQ201410130392
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年4月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月2日
【發(fā)明者】史生才, 林鎮(zhèn)輝, 李婧 申請人:中國科學(xué)院紫金山天文臺