CN109115332A - 一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，包括用于信息读取的读出电路以及用于稳定信号的稳压电路，最后还包括用于控制模组进行信号选择的控制电路和用于信息成像的计算机，所述控制模块的一侧设置有电源输出接口。该自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，可将太赫兹线阵列探测器产生的16路信号进行滤波、放大，通过数据采集卡将模拟信号转换成数字信号，并将波形实时显示到计算机界面，经过上位机软件处理，实现成像，该读出装置具有低噪声，响应速度快，灵敏度高的特点，可将太赫兹线阵列探测器的信号实时采集、处理并显示，可形成完整的成像，具有较高的应用价值。

Description

一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组

技术领域

本发明涉及太赫兹探测技术领域，具体为一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组。

背景技术

太赫兹(Terahertz)辐射通常指的是波长在30μm～3mm(0.1THz～10THz)区间的电磁波，其波段位于电磁波谱中的微波和红外光之间。作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等诸多技术领域有着广阔的应用前景。

太赫兹源经过抛物面镜照射到自混频探测器，在探测器漏端产生太赫兹光电压或在源漏间产生光电信号。该信号十分微弱，电流信号只有几十pA至几nA左右，电压信号在10uV-10mV之间。可根据不同的信号输出方式，分别设计电流放大和差分电压放大两种读出电路，用于单像元探测器读出电路的验证。由于待测信号微弱，因此读出电路的增益要很高，高增益对电路的噪声处理提出了较高的要求。在实际应用中，需要探测物体的成像信息，一次需测量成千上万个点。为缩短测量的总体时间以及确保测量精度，在进行设计时，电路的带宽范围应尽量大。因此，太赫兹线阵列探测器读出电路的设计一直是研究的难点。

近30年来，太赫兹核心器件技术得到了快速的发展。目前，已相继形成了肖特基倍频光源、共振隧穿二极管光源和量子级联激光器等高效的固态太赫兹光源技术，为进一步实现小型化、可实用的太赫兹技术奠定了坚实的基础。然而，受传统单粒子态输运电子学和量子能级间电子跃迁光子学方法的限制，太赫兹线阵列探测器技术的发展还很不成熟。另外，由于缺乏太赫兹焦平面成像传感器，目前广泛采用基于单像元探测器的逐点扫描太赫兹成像方式，导致成像速度较慢，无法实现高速、实时的太赫兹视频成像。

目前，国际上有德国、美国、法国和日本等国的研究小组相继实现了基于CMOS和III-V化合物半导体的室温自混频太赫兹线阵列探测器，在0.65THz以上的性能优于肖特基二极管探测器。这些国家的多个研究小组开展了场效应管探测器的研究与开发，虽然实验演示了太赫兹检测效能，但是还没有形成实用化的探测器及其应用模块。

由此可见，开发一种高灵敏度的太赫兹阵列探测器技术并形成便于应用的模组，无论是对基础研究还是市场应用都有着十分重要的意义。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，可实现太赫兹线阵列探测器产生的16路信号进行滤波、放大，通过数据采集卡将模拟信号转换成数字信号，并将波形实时显示到计算机界面，经过上位机软件处理，实现成像，以克服现有太赫兹检测没有形成实用化的探测器及其应用模块的难题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，包括用于信息读取的读出电路以及用于提供电源的稳压电路，最后还包括用于控制模组进行操作的控制电路和用于信息成像的计算机，所述控制模块的一侧设置有电源输出接口，且电源输出接口分别与读出电路与控制电路的对应连接处相连，所述读出电路的内部连接有太赫兹线阵列探测器，且太赫兹线阵列探测器的输出端分别串联有跨阻放大电路与电压放大电路，所述太赫兹线阵列探测器的输入端设置有太赫兹光路，且太赫兹光路与太赫兹线阵列探测器之间通过太赫兹进行信号传递，所述控制电路的内部安装有多路选择开关与微控制器，且微控制器位于多路选择开关的一侧，所述控制电路的输出端连接有高速数据采集卡，且高速数据采集卡的输出端与计算机通信连接

优选的，所述太赫兹线阵列探测器的核心器件为基于纳米栅的高灵敏度场效应混频太赫兹线阵列探测器芯片。

优选的，所述读出电路的内部包含有线阵列放大电路与太赫兹线阵列探测器，并且线阵列放大电路选用低噪声高带宽的放大器，为16路相同的放大电路，包括滤波电路、跨阻放大电路和电压放大电路三个部分，可将太赫兹线阵列探测器产生的16路微弱信号进行放大，并连接到控制电路。

优选的，所述控制电路部分包括模拟多路选择开关和微控制器，多路选择开关和微控制器相连接。

优选的，所述稳压电路为供电电路，其目的时为整个显示模组在使用过程中提供稳定的电源。

优选的，所述高速数据采集卡采用的是美国National Instruments数据采集卡，与多路选择开关相连接。

优选的，所述计算机与高速数据采集卡相连，其上安装了利用labview编写的上位机软件，可将高速数据采集卡转化出的数字信号进行处理并显示到界面上，而且可对高速数据采集卡进行控制。

优选的，所述控制模块的内部包含有稳压电路与控制电路。

(三)有益效果

本发明提供了一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，具备以下有益效果：

特定物体经太赫兹阵列探测器扫描后，产生一系列微弱的光电信号，该信号通过阵列放大电路进行滤波放大，然后通过多路选择开关进行信号选择，最后通过高速数据采集卡进行模数转换，然后传输到计算机上，再经过上位机软件的处理，将被测物体的成像显示到计算机的界面上，实现成像，同时，该读出装置具有低噪声，响应速度快，灵敏度高的特点，可将太赫兹线阵列探测器的信号实时采集、处理并显示，可形成完整的成像，具有较高的应用价值。

附图说明

图1为本发明一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组的整体结构示意图；

图2为本发明一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组的电路流程图。

图中：1、读出电路；2、稳压电路；3、电源输出接口；4、太赫兹线阵列探测器；5、跨阻放大电路；6、电压放大电路；7、太赫兹光路；8、控制电路；9、多路选择开关；10、微控制器；11、高速数据采集卡；12、计算机；13、控制模块。

具体实施方式

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案：一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，包括用于信息读取的读出电路1以及用于提供电源的稳压电路2，最后还包括用于控制模组进行操作的控制电路8和用于信息成像的计算机12，控制模块13的一侧设置有电源输出接口3，且电源输出接口3分别与读出电路1与控制电路8的对应连接处相连，读出电路1的内部连接有太赫兹线阵列探测器4，且太赫兹线阵列探测器4的输出端分别串联有跨阻放大电路5与电压放大电路6，太赫兹线阵列探测器4的输入端设置有太赫兹光路7，且太赫兹光路7与太赫兹线阵列探测器4之间通过太赫兹进行信号传递，控制电路8的内部安装有多路选择开关9与微控制器10，且微控制器10位于多路选择开关9的一侧，控制电路8的输出端连接有高速数据采集卡11，且高速数据采集卡11的输出端与计算机12通信连接。

太赫兹线阵列探测器4的核心器件为基于纳米栅的高灵敏度场效应混频太赫兹线阵列探测器芯片，通过优化步进式光刻技术，实现的1×16线阵列探测器，太赫兹线阵列探测器4内部集成了CMOS放大电路，可将太赫兹光路7产生的微弱电信号进行初步放大。

读出电路1的内部包含有线阵列放大电路与太赫兹线阵列探测器4，并且线阵列放大电路选用低噪声高带宽的放大器，为16路相同的放大电路，包括滤波电路、跨阻放大电路5和电压放大电路6三个部分，可将太赫兹线阵列探测器4产生的16路微弱信号进行放大，并连接到控制电路8，由于太赫兹线阵列探测器4产生的信号十分微弱，需要将信号放大较高的倍数，同时噪声也会被放大，为了得到较高的信噪比同时保证信号带宽，选用低噪声的跨阻放大器，将太赫兹线阵列探测器4产生微弱的电流信号转化为较高的电压信号，然后进行滤波处理，最后再通过运放组成的电压放大电路6对信号进一步放大，以得到便于处理的电压范围，为了最大限度降低噪声，此电路在设计过程中进行了严格的降噪处理，电路中所选用的芯片都是低噪声芯片，版图布局都增加了抗噪功能。

控制电路8部分包括模拟多路选择开关9和微控制器10，多路选择开关9和微控制器10相连接。该部分的作用是通过对微控制器10进行编程，可选择性地输出单路或多路信号。

优选的，稳压电路2为供电电路，其目的时为整个显示模组在使用过程中提供稳定的电源。该部分由多个低噪声的稳压芯片组成，可产生多种电源，以满足不同的应用需求。同时由于电路规模较大，耗电量大，容易产生较多热量，该电路板在布局及设计时，增加了散热功能。

高速数据采集卡11采用的是美国National Instruments数据采集卡，与多路选择开关9相连接，可将采集到的模拟信号转化为数字信号并输出到计算机12上进行显示。

计算机12与高速数据采集卡11相连，其上安装了利用labview编写的上位机软件，可将高速数据采集卡11转化出的数字信号进行处理并显示到界面上，而且可对高速数据采集卡11进行控制。

控制模块13的内部包含有稳压电路2与控制电路8。

综上所述，该一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组在使用的过程中，首先，特定物体经太赫兹线阵列探测器4扫描后，产生一系列微弱的光电信号，这种信号就是太赫兹，由于太赫兹线阵列探测器4产生的信号十分微弱，需要将信号放大较高的倍数，同时噪声也会被放大，为了得到较高的信噪比同时保证信号带宽，选用低噪声的跨阻放大器，将太赫兹线阵列探测器4产生微弱的电流信号转化为较高的电压信号，然后进行滤波处理，最后再通过运放组成的电压放大电路6对信号进一步放大，以得到便于处理的电压范围，当信号稳定后，输入到控制电路8的内部，通过对微控制器10进行编程，通过多路选择开关9选择性地输出单路或多路信号，最后通过高速数据采集卡11进行模数转换，然后传输到计算机12上，再经过上位机软件的处理，将被测物体的成像显示到计算机12的界面上，实现成像。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”，该文中出现的电器元件均与外界的主控器及220V市电电连接，并且主控器可为计算机等起到控制的常规已知设备。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，包括用于信息读取的读出电路以及用于提供电源的稳压电路，最后还包括用于控制模组进行信号选择的控制电路和用于信息成像的计算机，其特征在于：所述控制模块的一侧设置有电源输出接口，且电源输出接口分别与读出电路与控制电路的对应连接处相连，所述读出电路的内部连接有太赫兹线阵列探测器，且太赫兹线阵列探测器的输出端分别串联有跨阻放大电路与电压放大电路，所述太赫兹线阵列探测器的输入端设置有太赫兹光路，且太赫兹光路与太赫兹线阵列探测器之间通过太赫兹进行信号传递，所述控制电路的内部安装有多路选择开关与微控制器，且微控制器位于多路选择开关的一侧，所述控制电路的输出端连接有高速数据采集卡，且高速数据采集卡的输出端与计算机通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述太赫兹线阵列探测器的核心器件为基于纳米栅的高灵敏度场效应混频太赫兹线阵列探测器芯片。

3.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述读出电路的内部包含有线阵列放大电路与太赫兹线阵列探测器，并且线阵列放大电路选用低噪声高带宽的放大器，为16路相同的放大电路，包括滤波电路、跨阻放大电路和电压放大电路三个部分，可将太赫兹线阵列探测器产生的16路微弱信号进行放大，并连接到控制电路。

4.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述控制电路部分包括模拟多路选择开关和微控制器，多路选择开关和微控制器相连接。

5.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述稳压电路为供电电路，其目的是为整个显示模组在使用过程中提供稳定的电源。

6.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述高速数据采集卡采用的是美国National Instruments数据采集卡，与多路选择开关相连接。

7.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述计算机与高速数据采集卡相连，其上安装了利用labview编写的上位机软件，可将高速数据采集卡转化出的数字信号进行处理并显示到界面上，而且可对高速数据采集卡进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种自混频太赫兹线阵列探测器读出及显示模组，其特征在于：所述控制模块的内部包含有稳压电路与控制电路。