CN101832912B - 太赫兹波快速成像扫描装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用快速扫描装置对太赫兹波进行大视场、快速扫描的成像装置。本发明的太赫兹波快速成像扫描装置，用于扫描待扫描物，包括帧扫镜组，位于待扫描物后，用以纵向扫描待扫描物；行扫镜组，设于帧扫镜组后的光路上，用以横向扫描待扫描物；凹面镜，位于行扫镜组后的光路上，以会聚太赫兹波；太赫兹波探测器，位于凹面镜后的光路上，接收扫描信号。本发明采用单点光机扫描的成像方式，不仅可以实现对视场的快速成像，而且还使得整个成像系统的体积小，成本低，制作调试相对容易。不仅可以应用于被动成像模式，而且还可以应用于主动成像模式。

Description

太赫兹波快速成像扫描装置

技术领域

本发明涉及太赫兹波成像的扫描装置，具体地说本发明涉及一种利用快速扫描装置对太赫兹波进行大视场、快速扫描的成像装置。

背景技术

现有的几种太赫兹波的扫描方式有：1、机械扫描成像：它是利用机械运动来获取大视域场景的目标特性，但是机械扫描成像在获取信号的过程中需花费一定时间，很难实现实时成像。2、合成孔径成像：主要是用N个真实孔径的小天线按一定规律排列，通过对接收到的信号进行处理以得到相当于一个合成的大孔径天线的效果，但是该成像体制过于复杂和昂贵，且干涉阵列所需的空间很大。3、焦平面成像：是将多个接收单元排列在聚焦天线的焦平面上，利用各馈源的偏焦不同，从而产生多个不同指向的波束覆盖视域，但是现阶段太赫兹波段的接收单元制作困难，并且价格极其昂贵。4、利用振镜进行二维扫描成像，要想得到高分辨率的图像，振镜需要做的非常大并且需要很高频率摆动，这个实现起来非常困难。并且振镜很难在1-2米这样的一个距离内快速扫描一个人这么大的区域。

近10多年来，太赫兹波无源成像技术由于其所具有的一系列优点而日益受到人们关注。太赫兹波的方向性好、抗干扰能力强、能够很好地穿透等离子体等；太赫兹波成像与目前其它光电成像技术相比，太赫兹波受气候条件的影响较小，太赫兹波成像技术能将复杂背景与金属物体区分开。因此，被动式太赫兹波探测技术在恶劣天气下比目前的光电探测成像技术更具有优势，它具有全天候工作的能力。

无源成像不向外辐射电磁波，有极强的隐蔽性和安全性。太赫兹波的波段介于微波与红外之间，与微波相比，波长较短，分辨率更高，与红外相比，波长较长，穿透性更好，它具备了红外与微波的共同优点，又避免了微波与红外的某些缺陷。故太赫兹波可广泛应用于军事侦查、制导、反隐身、探测以及民用交通、安全、医学、遥感等众多领域。太赫兹波成像技术是最近10多年科学界研究的热门。

但是由于太赫兹波探测器件的价格目前还非常昂贵，而且其制造的一致性和稳定性还比较差，因此目前太赫兹波的探测器件还不能达到像CCD或红外焦平面阵列那样方便的形成二维图像，因此采用较少的太赫兹波探测器件用光学机械扫描的形式是最现实的太赫兹波快速成像的实施技术。

发明内容

本发明提供一种太赫兹波快速成像扫描装置，以解决上述背景技术中存在的技术问题，即太赫兹波探测器件的价格非常昂贵，而且其制造的一致性和稳定性差，阻碍太赫兹波快速成像技术的发展。

为解决上述技术问题，本发明提供一种太赫兹波快速成像扫描装置，用于扫描待扫描物，包括帧扫镜组，位于待扫描物后，用以纵向扫描待扫描物；行扫镜组，设于帧扫镜组后的光路上，用以横向扫描待扫描物；凹面镜，位于行扫镜组后的光路上，以会聚太赫兹波；太赫兹波探测器，位于凹面镜后的光路上，接收扫描信号。

其中，所述帧扫镜组为一个可旋转的俯仰平面镜，所述俯仰平面镜与水平面成一定角度设置，所述俯仰平面镜的旋转轴平行于水平面。

其中，所述行扫镜组包括可旋转的第一对转平面镜和第二对转平面镜，所述第一对转平面镜位于所述俯仰平面镜下方，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜相对设置，且均与水平面成一定角度，使得从所述第一对转平面镜反射出的太赫兹波能够到达第二对转平面镜，并经所述第二对转平面镜反射到所述凹面镜上；

所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴位于所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的法线所在的平面内，且所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线成角度θ₁和θ₂，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜绕各自旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

其中，所述角度θ₁和θ₂满足关系式L₁×tg2θ₁＝L₂×tg2θ₂，其中所述第一对转平面镜到待扫描物的距离是L₁，所述第二对转平面镜到待扫描物的距离是L₂。

其中，所述帧扫镜组沿光路方向包括依次设置的第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜，所述第一平面镜和所述第二平面镜与水平面均成一定角度设置，所述第二平面镜位于所述第一平面镜下方，将从所述第一平面镜的光线反射到所述第三平面镜，所述第三平面镜与水平面垂直设置，将所述第二平面镜的光线反射到所述行扫镜组，所述第一平面镜可旋转，其旋转轴平行于水平面。

其中，所述行扫镜组包括与水平面垂直的第一对转平面镜和第二对转平面镜，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜相对设置，使得从所述第一对转平面镜反射出的光线能够到达第二对转平面镜，并经所述第二对转平面镜反射到所述凹面镜上，所述凹面镜与水平面垂直；

所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴位于所述第一对转平面镜和第二对转平面镜和法线所在的平面内，且所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线成一定角度，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜绕各自旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

其中，所述帧扫镜组固定在能够转动的旋转底座上，以将所述待扫描物分成两部分分别进行扫描。

其中，所述太赫兹波探测器连接计算机，在所述计算机内进行图像重构和显示。

其中，所述扫描装置还包括发射太赫兹波的外部光源，所述外部光源设置于所述帧扫镜组的上方。

其中，所述太赫兹波探测器为能够发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发探测器。

本发明达到的有益技术效果在于：

(1)采用单点光机扫描的成像方式，不仅可以实现对视场的快速成像，而且还使得整个成像系统的体积小，成本低，制作调试相对容易。

(2)使用一对对转的平面镜进行横向扫描，这样既减小了整个系统的体积，又增加了镜子在转动过程中的利用效率。

(3)本发明中的各个元件全部工作于反射模式，元件的光学性质不会随太赫兹波频率的变化而变化，这样使得本发明的扫描装置可以工作于各个频段。

(4)本发明不仅可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式，有较为灵活的工作模式。

(5)将整个视场分为两部分扫描，这样可以加大扫描视场的宽度。

(6)在用于横向扫描的对转平面镜转动过程中，用于纵向扫描的摆动平面镜连续运动，这样在物方空间形成“之”字扫描模式，这样可以保障系统运行的稳定性和连续性。

(7)不仅可以实现在近距离内的大视场、高分辨率扫描，而且可以做到很快的扫描速度。可以实现在秒的量级上的扫描速度。

附图说明

图1为太赫兹波快速成像扫描装置第一实施例的主视图；

图2为太赫兹波快速成像扫描装置第二实施例的俯视图；

图3为第二实施例帧扫镜组的A-A向剖视图；

图4为太赫兹波快速成像扫描装置扫描模式示意图。

附图标记说明

1-俯仰平面镜；11-第一平面镜；12-第二平面镜；13-第三平面镜；2-第一对转平面镜；3-第二对转平面镜；4-凹面镜；5-太赫兹波探测器；6-待扫描物。

具体实施方式

为了使本发明的形状、构造以及特点能够更好地被理解，以下将列举较佳实施例并结合附图进行详细说明。

本发明的一种太赫兹波快速成像扫描装置，用于扫描待扫描物，包括帧扫镜组，位于待扫描物后，用以纵向扫描待扫描物；行扫镜组，设于帧扫镜组后的光路上，用以横向扫描待扫描物；凹面镜，位于行扫镜组后的光路上，以会聚太赫兹波；太赫兹波探测器，位于凹面镜后的光路上，接收扫描信号。

图1为本发明第一实施例的主视图，以水平入射的太赫兹波的光路为例说明，如图所示，本实施例中帧扫镜组为一个俯仰平面镜1，该俯仰平面镜1与水平面成一定角度设置，待扫描物6置于该俯仰平面镜1的前方。

行扫镜组设于俯仰平面镜1后的光路上，行扫镜组包括第一对转平面镜2和第二对转平面镜3，第一对转平面镜2位于所述俯仰平面镜1下方，第一对转平面镜2和第二对转平面镜3相对设置，且均与水平面成一定角度，使得从第一对转平面镜2反射出的太赫兹波能够到达第二对转平面镜3，并经第二对转平面镜3反射到凹面镜4上。凹面镜4用于将太赫兹波会聚到太赫兹波探测器5上。

扫描时，第一对转平面镜2和第二对转平面镜3分别沿其旋转轴转动，第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的旋转轴位于第一对转平面镜2和第二对转平面镜3法线所在的平面内，且第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线所成角度分别为θ₁、θ₂。若第一对转平面镜2到待扫描物6的距离是L₁，第二对转平面镜3到待扫描物6的距离是L₂，则θ₁和θ₂满足关系式L₁×tg2θ₁＝L₂×tg2θ₂。第一第二对转平面镜绕旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

由此在行扫光轴主截面方向，太赫兹波经两块旋转平面镜反射后发生偏转，但是由于两块平面反射镜旋转的方向相互补偿，最终像点在纵向上位置保持不变，而在横向上，由于两块平面镜的倾斜方向相反，太赫兹波由于偏转方向相同而产生叠加，向对应像点位置的物点位置产生偏移。太赫兹波偏转方向和大小随着旋转平面镜组的不断旋转而变化，虽然物点的位置偏离量也不断随之发生变化，其扫描轨迹将会是一条直线，直线的长度取决于旋转平面镜倾斜角θ₁和θ₂的大小以及所对应的旋转平面镜到待扫描物的距离。

俯仰平面镜1以平行于水平面的轴为旋转轴转动，即改变俯仰平面镜1与水平面所成角的角度，使物点竖直方向上的位置发生变化，从而实现纵向的扫描。让俯仰平面镜的运动和对转平面镜组同步连续运动可以提高扫描的速度，会使整个运动平稳，此时行扫线就会变成在两端交汇的“之”字形扫描线，如图4中所示，以实现二维平面扫描。

当需要扫描的水平视场范围较大时，可以将俯仰平面镜1固定在可以进行转动的旋转底座上，从而将扫描范围分成两部分来分别进行扫描。如分成左右两部分扫描时，即通过旋转旋转底座将俯仰平面镜1置于右限位，控制俯仰平面镜1和控制第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的电机达到匹配，开始从上向下扫描待扫描物6的右半幅图像。扫描完成后，旋转底座开始向左旋转，使俯仰平面镜1到达左限位位置后，控制俯仰平面镜1和控制第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的电机达到匹配，开始从下向上扫描左半幅图像。左右半幅图像扫描的先后顺序不限，根据实际需要确定。

扫描到的太赫兹信号通过太赫兹波探测器5传送到与太赫兹波探测器5相连的计算机，通过计算机进行拼接重构并显示，完成完整的待扫描物6二维扫描成像。

本发明可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式。在被动成像模式时，本发明的太赫兹波快速成像扫描装置直接接收待扫描物6自身辐射的太赫兹波，进行扫描成像。

在主动成像模式时，需要由外部光源向待扫描物6发射太赫兹波，扫描装置接收待扫描物6反射的太赫兹波。在本发明的第一实施例中，该外部光源可以设置于该俯仰平面镜1的上方，以较宽的光源提供待扫描物6的照明。或者，太赫兹波探测器5选用可以发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发探测器，由于光路可逆，太赫兹波收发探测器发出的太赫兹波经由太赫兹波快速成像扫描装置到达待扫描物6，提供待扫描物6的外部照明。由此，本发明可以工作于主动或被动成像模式，有较广泛的应用范围。

第一实施例中的俯仰平面镜1、第一对转平面镜2、第二对转平面镜3和凹面镜4与水平面均成一定角度设置。由于本实施例在立体空间内搭建，因此在固定和调整第一实施例中各元件时相对比较麻烦。但是本实施例中的元件较少，结构相对简单。

图2为太赫兹波快速成像扫描装置第二实施例的俯视图，图3为本实施例中帧扫镜组的A-A向剖视图，同样以水平入射太赫兹波的光路为例说明。如图所示，本发明包括一个帧扫镜组，待扫描物6置于该帧扫镜组前方。在本实施例中该帧扫镜组沿光路方向包括依次设置的第一平面镜11、第二平面镜12和第三平面镜13。该第一第二平面镜11和12与水平面均成一定角度设置，第二平面镜12位于第一平面镜11下方，将第一平面镜11的太赫兹波反射到第三平面镜13。第三平面镜13与水平面垂直设置，将第二平面镜12的太赫兹波反射到行扫镜组上。

行扫镜组设于帧扫镜组后的光路上，行扫镜组包括与水平面垂直的第一对转平面镜2和第二对转平面镜3。第一对转平面镜2和第二对转平面镜3相对设置，使得从第一对转平面镜2反射出的太赫兹波能够到达第二对转平面镜3，并经第二对转平面镜3反射到凹面镜4上。凹面镜4与水平面垂直，用于将太赫兹波会聚到太赫兹波探测器5上。

扫描时，第一对转平面镜2和第二对转平面镜3分别沿其旋转轴转动，第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的旋转轴位于第一对转平面镜2和第二对转平面镜3法线所在的平面内，即水平面内。且第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线所成角度分别为θ₁和θ₂。若第一对转平面镜2到待扫描物6的距离是L₁，第二对转平面镜3到待扫描物6的距离是L₂，则θ₁和θ₂满足关系式L₁×tg2θ₁＝L₂×tg2θ₂。第一、第二对转平面镜绕旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

由此在行扫光轴主截面方向，太赫兹波经两块旋转平面镜反射后发生偏转，但是由于两块平面反射镜旋转的方向相互补偿，最终像点在纵向上位置保持不变，而在横向上，由于两块平面镜的倾斜方向相反，太赫兹波由于偏转方向相同而产生叠加，向对应像点位置的物点位置产生便移。太赫兹波偏转方向和大小随着旋转平面镜组的不断旋转而变化，虽然物点的位置偏离量也不断随之发生变化，其扫描轨迹将会是一条直线，直线的长度取决于旋转平面镜的倾斜角θ₁和θ₂的大小以及所对应的旋转平面镜到待扫描物的距离。

第一平面镜11以平行于水平面的轴为旋转轴转动，即改变第一平面镜11与水平面所成角的角度，使物点竖直方向的位置发生变化，从而实现纵向的扫描。让俯仰平面镜的运动和对转平面镜组同步连续运动可以提高扫描运动的速度，会使整个运动平稳，此时行扫线就会变成在两端交汇的“之”字形扫描线，如图4中所示，以实现二维平面扫描。

当需要扫描的水平视场范围较大时，可以将俯仰平面镜1固定在可以进行转动的旋转底座上，从而将扫描范围分成两部分来分别进行扫描。如分成左右两部分扫描时，即通过旋转旋转底座将俯仰平面镜1置于右限位，控制俯仰平面镜1和控制第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的电机达到匹配，开始从上向下扫描待扫描物6的右半幅图像。扫描完成后，旋转底座开始向左旋转，使俯仰平面镜1到达左限位位置后，控制俯仰平面镜1和控制第一对转平面镜2和第二对转平面镜3的电机达到匹配，开始从下向上扫描左半幅图像。左右半幅图像扫描的先后顺序不限，根据实际需要确定。

扫描到的太赫兹波信号通过太赫兹波探测器5传送到与太赫兹波探测器5相连的计算机，通过计算机进行拼接、重构和显示，完成完整的待扫描物6二维扫描成像。

本发明可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式。在被动成像模式时，本发明的太赫兹波快速成像扫描装置直接接收待扫描物6自身辐射的太赫兹波，进行扫描成像。

在主动成像模式时，需要由外部光源向待扫描物6发射太赫兹波，扫描装置接收待扫描物6反射的太赫兹波。在本发明的第二实施例中，该外部光源可以设置于该帧扫镜组的上方，以较宽的光源提供待扫描物6的照明。或者，该太赫兹波探测器5选用可以发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发探测器代替，由于光路可逆，太赫兹波收发探测器发出的太赫兹波经由太赫兹波快速成像扫描装置到达待扫描物6，提供待扫描物6的外部照明。由此，本发明可以工作于主动或被动成像模式，有较广泛的应用范围。

第二实施例相对第一实施例中多增加了两面平面镜，使得在第二实施例中除了第一平面镜11和第二平面镜12与水平面成一定角度外，其余元件均与水平面垂直设置，因此大部分元件可以直接搭建在水平面上，使得各元件的固定和调整相对第一实施例更为方便。

本发明达到的有益技术效果在于：

(1)采用单点光机扫描的成像方式，不仅可以实现对视场的快速成像，而且还使得整个成像系统的体积小，成本低，制作调试相对容易。

(2)使用一对对转的平面镜进行横向扫描，这样既减小了整个系统的体积，又增加了镜子在转动过程中的利用效率。

(3)本发明中的各个元件全部工作于反射模式，元件的光学性质不会随太赫兹波频率的变化而变化，这样使得本发明的扫描装置可以工作于各个频段。

(4)本发明不仅可以应用于被动成像模式，还可以应用于主动成像模式，有较为灵活的工作模式。

(5)将整个视场分为两部分扫描，这样可以加大扫描视场的宽度。

(6)在用于横向扫描的对转平面镜转动过程中，用于纵向扫描的摆动平面镜连续运动，这样在物方空间形成“之”字扫描模式，这样可以保障系统运行的稳定性和连续性。

(7)不仅可以实现在近距离内的大视场、高分辨率扫描，而且可以做到很快的扫描速度。可以实现在秒的量级上的扫描速度。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种太赫兹波快速成像扫描装置，用于扫描待扫描物，其特征在于，包括

帧扫镜组，位于待扫描物后，用以纵向扫描待扫描物；

行扫镜组，设于帧扫镜组后的光路上，用以横向扫描待扫描物；

凹面镜，位于行扫镜组后的光路上，以会聚太赫兹波；

太赫兹波探测器，位于凹面镜后的光路上，接收扫描信号；

所述帧扫镜组为一个可旋转的俯仰平面镜，所述俯仰平面镜与水平面成一定角度设置，所述俯仰平面镜的旋转轴平行于水平面；

所述行扫镜组包括可旋转的第一对转平面镜和第二对转平面镜，所述第一对转平面镜位于所述俯仰平面镜下方，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜相对设置，且均与水平面成一定角度，使得从所述第一对转平面镜反射出的太赫兹波能够到达第二对转平面镜，并经所述第二对转平面镜反射到所述凹面镜上；

所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴位于所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的法线所在的平面内，且所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线成角度θ₁和θ₂，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜绕各自旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

2.如权利要求1所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述角度θ₁和θ₂满足关系式L₁×tg2θ₁＝L₂×tg2θ₂，其中L₁是所述第一对转平面镜到待扫描物的距离，L₂是所述第二对转平面镜到待扫描物的距离。

3.如权利要求1所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述帧扫镜组沿光路方向包括依次设置的第一平面镜、第二平面镜和第三平面镜，所述第一平面镜和所述第二平面镜与水平面均成一定角度设置，所述第二平面镜位于所述第一平面镜下方，将从所述第一平面镜的光线反射到所述第三平面镜，所述第三平面镜与水平面垂直设置，将所述第二平面镜的光线反射到所述行扫镜组，所述第一平面镜可旋转，其旋转轴平行于水平面。

4.如权利要求3所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述行扫镜组包括与水平面垂直的第一对转平面镜和第二对转平面镜，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜相对设置，使得从所述第一对转平面镜反射出的光线能够到达第二对转平面镜，并经所述第二对转平面镜反射到所述凹面镜上，所述凹面镜与水平面垂直；

所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴位于所述第一对转平面镜和第二对转平面镜和法线所在的平面内，且所述第一对转平面镜和第二对转平面镜的旋转轴分别位于各自法线的不同侧，与各自法线成一定角度，所述第一对转平面镜和第二对转平面镜绕各自旋转轴的旋转方向相反且转速相同。

5.如权利要求1或4所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述帧扫镜组固定在能够转动的旋转底座上，以将所述待扫描物分成两部分分别进行扫描。

6.如权利要求5所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述太赫兹波探测器连接计算机，在所述计算机内进行图像重构和显示。

7.如权利要求6所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述扫描装置还包括发射太赫兹波的外部光源，所述外部光源设置于所述帧扫镜组的上方。

8.如权利要求7所述的太赫兹波快速成像扫描装置，其特征在于，所述太赫兹波探测器为能够发射并接收太赫兹波的太赫兹波收发探测器。

Images