基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，特别是一种太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法，具体的说，是基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法。

背景技术

在天文学领域，太赫兹波段占有宇宙微波背景辐射后近一半的能量，相当于紫外、可见光和近红外波段能量的总和，是研究星际介质、星系形成和演化、地外行星大气、以及宇宙生命起源等现代天文学前沿科学问题的独特波段。目前太赫兹天文观测包括连续谱观测和谱线观测，对于具有几十平方角分到上百平方度的覆盖面积的大面积天体目标的观测，如能同时开展连续谱强度图像和谱线图像观测，则可建立天体观测对象的多维光谱图像模型与结构，可为诸如宇宙星际介质研究以及宇宙学距离上的天体红移精确测定提供一种独特的方法。

进行天体观测对象的连续谱和谱线图像观测，可采用直接检波阵列接收机和傅立叶分光频谱仪（Fourier Transform Spectrometer, FTS）结合的技术来实现。与超导阵列探测器相比，单个超导直接检波器结构简单，成本功耗低，且采用热噪声读出技术将具有读出电路相对简单、工作温区宽、灵敏度高、动态范围大等优点，如基于超导热电子混频器（Hot-Electron Bolometer, HEB）的直接检波器。超导HEB直接检波器是目前1THz以上频段灵敏度最高的探测器件，但如果单纯的将单个超导直接检波器与傅立叶分光频谱仪结合，利用传统的扫描方式对大面积天体目标的观测，与目前国际上利用太赫兹超导阵列探测器与傅立叶分光频谱仪结合的光谱成像技术相比，往往面临空间分辨率受天线口径限制和观测效率低的问题。

近年来，编码孔径（coded aperture）技术的发展十分迅速。编码孔径技术仅通过单个接收通道配合编码掩膜板即可产生不同的电磁波接收模式，这样接收到的电磁波在特定空间不再是均匀平面波，其幅度和相位受到编码掩膜板的调制，可形成非均匀、波前非平面等模式的接收波。此时探测得到的电磁波信号是目标辐射强度分布与编码模式的广义卷积，通过相应算法即可重构出目标辐射强度分布。孔径编码成像作为小孔成像的拓展，应用于天文学中的x射线和γ射线探测中已有半个世纪的历史，但受限于器件、衍射效应和应用需求在太赫兹探测中还未得到广泛应用。近几年内在引入数字微镜器件（DigitalMicromirror Device, DMD）作为可编程空间编码器件之后，基于编码孔径计算成像等实现手段的各波段的光谱成像技术研究也是日趋火热。相比较于阵列和扫描式光谱成像的成熟结构和相对固定的技术路线，基于编码孔径的光谱成像技术对实现方式并没有很明确的约束，可以支持非常灵活的设计。

针对前述的基于直接检波阵列接收机或单个超导直接检波器和傅立叶分光频谱仪结合的光谱成像技术的不足，以及编码孔径的技术优点，本发明的任务将提供一种新型太赫兹光谱成像方法，以实现高宽带连续谱、高频谱分辨率、高灵敏的太赫兹光谱成像。

发明内容

本发明提供了一种基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

本发明的基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统，其中：该系统包括干涉仪模块、DMD模块、单个超导HEB接受模块、探测数据读出模块、以及系统控制模块，干涉仪模块包括可移动平面镜、波束分离器和固定平面镜，DMD模块包括DMD和编码驱动总线模块，单个超导HEB接收模块包括太赫兹频段HEB直接检波器、宽带低温放大器，探测数据读出模块包括模拟数字转换的采样单元和实时时域及频域信号处理单元；系统控制模块改变干涉仪模块的可移动平面镜位置并记录位置信息，当太赫兹信号进入干涉仪模块时，由波束分离器分成两个波束，再分别经过可移动平面镜和固定平面镜的反射，又在波束分离器处汇合并进入DMD模块，DMD模块利用编码驱动总线模块使DMD产生预先设计好的编码矩阵，这样太赫兹信号被DMD进行编码，单个超导HEB接收模块中太赫兹频段HEB直接检波器对编码后的太赫兹信号进行检测，经宽带低温放大器放大输出，探测数据读出模块中，模拟数字转换的采样单元和实时时域及频域信号处理单元分别对输出信号进行数字采样和处理，系统控制模块利用探测数据读出模块的处理数据与系统控制模块记录的可移动平面镜的位置信息进行傅立叶变换，即获取目标空间每个像元的太赫兹数据信息。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的干涉仪模块为太赫兹Michelson干涉仪模块。

上述的DMD大小为0.95英寸。

上述的DMD像素为1920×1080。

上述的太赫兹频段为0.85THz频段或1.4THz频段。

上述的太赫兹频段HEB直接检波器采用NbN或Graphene材料制作。

上述的基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统探测太赫兹一维光谱谱线数据的方法，包括以下步骤：

步骤一：通过系统控制模块，改变干涉仪模块的可移动平面镜位置至位置1处并记录此时光程差的值；

步骤二：在DMD模块中，利用编码驱动总线模块对DMD进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块检测对应的连续谱强度，单个超导HEB接收模块输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器输出，探测数据读出模块对宽带低温放大器输出信号进行数字采样和记录，得到每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤三：通过系统控制模块，改变干涉仪模块的可移动平面镜位置至位置2处并记录此时光程差的值；重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤四：类比步骤三，通过系统控制模块不断改变干涉仪模块的可移动平面镜位置并记录此时光程差的值，并通过重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与不同光程差之间对应关系的干涉条纹数据；

步骤五：系统控制模块将每一个像元的干涉条纹通过探测数据读出模块进行实时频谱处理，利用频谱数据与系统控制模块记录的位置信息进行傅立叶变换的频谱处理，可获取目标空间每个像元的太赫兹一维光谱谱线信息。

上述的基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统探测太赫兹二维连续谱强度图像的方法，包括以下步骤：

步骤一：通过系统控制模块，将干涉仪模块中的可移动平面镜，移至零光程差位置；

步骤二：在DMD模块中，利用编码驱动总线模块对DMD进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块检测对应的连续谱强度；

步骤三：单个超导HEB接收模块输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器输出，探测数据读出模块对宽带低温放大器输出信号进行数字采样和记录；

步骤四：在探测数据读出模块中，利用已知的预先设计编码矩阵进行实时信号反编码和进一步信号处理，从而得出了目标空间的二维连续谱强度图像。

上述的基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：

步骤一：通过系统控制模块，改变干涉仪模块的可移动平面镜位置至位置1处并记录此时光程差的值；

步骤二：在DMD模块中，利用编码驱动总线模块对DMD进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块检测对应的连续谱强度，单个超导HEB接收模块输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器输出，探测数据读出模块对宽带低温放大器输出信号进行数字采样和记录，得到每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤三：通过系统控制模块，改变干涉仪模块的可移动平面镜位置至位置2处并记录此时光程差的值；重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤四：类比步骤三，通过系统控制模块不断改变干涉仪模块的可移动平面镜位置并记录此时光程差的值，并通过重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与不同光程差之间对应关系的干涉条纹数据；

步骤五：系统控制模块将每一个像元的干涉条纹通过探测数据读出模块进行实时频谱处理，利用频谱数据与系统控制模块记录的位置信息进行傅立叶变换的频谱处理，可获取目标空间每个像元的太赫兹一维光谱谱线信息。

步骤六：通过系统控制模块，将干涉仪模块中的可移动平面镜，移至零光程差位置；

步骤七：在DMD模块中，利用编码驱动总线模块对DMD进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块检测对应的连续谱强度；

步骤八：单个超导HEB接收模块输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器输出，探测数据读出模块对宽带低温放大器输出信号进行数字采样和记录；

步骤九：在探测数据读出模块中，利用已知的预先设计编码矩阵进行实时信号反编码和进一步信号处理，从而得出了目标空间的二维连续谱强度图像。

步骤十：利用太赫兹二维连续谱强度图像结果与太赫兹一维光谱谱线数据结果，通过系统控制模块提供的同步信息进行融合处理，即得到多维光谱图像。

本发明与现有技术相比的优点是：

在一个基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统中，集成了太赫兹一维光谱谱线数据探测技术和太赫兹二维连续谱数据探测技术，即利用DMD和单超导HEB直接检波器在太赫兹二维连续谱数据探测子系统中，实现太赫兹二维宽带连续谱数据探测，其连续谱成图探测效率提高至单个超导HEB直接检波器的n×n倍（最高可达DMD的像元数1920×1080），同时利用一维光谱谱线数据探测子系统，实现每个像元的一维光谱谱线数据探测，同样将一维光谱谱线数据探测效率提高至单个接收像元的n×n倍（最高可达DMD的像元数1920×1080）。另外DMD为可编程快速编码孔径器件，形成的二维像元规模可高达1920×1080且灵活可调，简化了系统规模，为发展超大规模太赫兹多维光谱成像集成系统的提供必要的硬件基础。

附图说明

图1为本发明的系统原理框图。

其中的附图标记为：干涉仪模块1、可移动平面镜11、波束分离器12、固定平面镜13、DMD模块2、DMD21、编码驱动总线模块22、单个超导HEB接收模块3、太赫兹频段HEB直接检波器31、宽带低温放大器32、探测数据读出模块4、模拟数字转换的采样单元41、实时时域及频域信号处理单元42、系统控制模块5。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

本发明的基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统，其中：该系统包括干涉仪模块1、DMD模块2、单个超导HEB接受模块3、探测数据读出模块4、以及系统控制模块5，干涉仪模块1包括可移动平面镜11、波束分离器12和固定平面镜13，DMD模块2包括DMD21和编码驱动总线模块22，单个超导HEB接收模块3包括太赫兹频段HEB直接检波器31、宽带低温放大器32，探测数据读出模块4包括模拟数字转换的采样单元41和实时时域及频域信号处理单元42；系统控制模块5改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置并记录位置信息，当太赫兹信号进入干涉仪模块1时，由波束分离器12分成两个波束，再分别经过可移动平面镜11和固定平面镜13的反射，又在波束分离器12处汇合并进入DMD模块2，DMD模块2利用编码驱动总线模块22使DMD21产生预先设计好的编码矩阵，这样太赫兹信号被DMD21进行编码，单个超导HEB接收模块3中太赫兹频段HEB直接检波器31对编码后的太赫兹信号进行检测，经宽带低温放大器32放大输出，探测数据读出模块4中，模拟数字转换的采样单元41和实时时域及频域信号处理单元42分别对输出信号进行数字采样和处理，系统控制模块5利用探测数据读出模块4的处理数据与系统控制模块5记录的可移动平面镜11的位置信息进行傅立叶变换，即获取目标空间每个像元的太赫兹数据信息。

实施例中，干涉仪模块1为太赫兹Michelson干涉仪模块。

实施例中，DMD21大小为0.95英寸。

实施例中，DMD21像素为1920×1080。

实施例中，太赫兹频段为0.85THz频段或1.4THz频段。

实施例中，太赫兹频段HEB直接检波器31采用NbN或Graphene材料制作。

实施例中，基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统探测太赫兹一维光谱谱线数据的方法，包括以下步骤;

步骤一：通过系统控制模块5，改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置至位置1处并记录此时光程差的值；

步骤二：在DMD模块2中，利用编码驱动总线模块22对DMD21进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块3检测对应的连续谱强度，单个超导HEB接收模块3输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器32输出，探测数据读出模块4对宽带低温放大器32输出信号进行数字采样和记录，得到每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤三：通过系统控制模块5，改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置至位置2处并记录此时光程差的值；重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤四：类比步骤三，通过系统控制模块5不断改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置并记录此时光程差的值，并通过重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与不同光程差之间对应关系的干涉条纹数据；

步骤五：系统控制模块5将每一个像元的干涉条纹通过探测数据读出模块4进行实时频谱处理，利用频谱数据与系统控制模块5记录的位置信息进行傅立叶变换的频谱处理，可获取目标空间每个像元的太赫兹一维光谱谱线信息。

实施例中，基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统探测太赫兹二维连续谱强度图像的方法，包括以下步骤：

步骤一：通过系统控制模块5，将干涉仪模块1中的可移动平面镜11，移至零光程差位置；

步骤二：在DMD模块2中，利用编码驱动总线模块22对DMD21进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块3检测对应的连续谱强度；

步骤三：单个超导HEB接收模块3输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器32输出，探测数据读出模块4对宽带低温放大器32输出信号进行数字采样和记录；

步骤四：在探测数据读出模块4中，利用已知的预先设计编码矩阵进行实时信号反编码和进一步信号处理，从而得出了目标空间的二维连续谱强度图像。

实施例中，基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统的成像方法，包括以下步骤：

步骤一：通过系统控制模块5，改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置至位置1处并记录此时光程差的值；

步骤二：在DMD模块2中，利用编码驱动总线模块22对DMD21进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块3检测对应的连续谱强度，单个超导HEB接收模块3输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器32输出，探测数据读出模块4对宽带低温放大器32输出信号进行数字采样和记录，得到每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤三：通过系统控制模块5，改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置至位置2处并记录此时光程差的值；重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与此光程差之间对应关系的干涉数据；

步骤四：类比步骤三，通过系统控制模块5不断改变干涉仪模块1的可移动平面镜11位置并记录此时光程差的值，并通过重复步骤二获得每一个像元的两个波束干涉强度与不同光程差之间对应关系的干涉条纹数据；

步骤五：系统控制模块5将每一个像元的干涉条纹通过探测数据读出模块4进行实时频谱处理，利用频谱数据与系统控制模块5记录的位置信息进行傅立叶变换的频谱处理，可获取目标空间每个像元的太赫兹一维光谱谱线信息。

步骤六：通过系统控制模块5，将干涉仪模块1中的可移动平面镜11，移至零光程差位置；

步骤七：在DMD模块2中，利用编码驱动总线模块22对DMD21进行一系列的预先设计的随机编码矩阵编码，并由单个超导HEB接收模块3检测对应的连续谱强度；

步骤八：单个超导HEB接收模块3输出的连续谱强度信号经宽带低温放大器32输出，探测数据读出模块4对宽带低温放大器32输出信号进行数字采样和记录；

步骤九：在探测数据读出模块4中，利用已知的预先设计编码矩阵进行实时信号反编码和进一步信号处理，从而得出了目标空间的二维连续谱强度图像。

步骤十：利用太赫兹二维连续谱强度图像结果与太赫兹一维光谱谱线数据结果，通过系统控制模块5提供的同步信息进行融合处理，即得到多维光谱图像。

一维光谱谱线数据探测原理：

如图1所示的干涉仪模块1由波束分离器12、可移动平面镜11和固定平面镜13组成。其工作原理是：

当太赫兹信号进入干涉仪模块1，由波束分离器12分成两个波束，再分别经过可移动平面镜11和固定平面镜13的反射，又在波束分离器12处汇合；

通过移动可移动平面镜11使两束波束形成光程差，从而使两个波束发生干涉；

通过不断改变可移动平面镜11的位置，干涉仪模块1就可以输出干涉强度随光程差变化而变化的干涉条纹，通过对干涉条纹数据进行FFT处理，即可太赫兹一维光谱谱线数据。

二维连续谱谱线数据探测原理：

太赫兹信号经DMD模块2反射后，进太赫兹透镜进行汇聚，并由单个超导HEB接收模块3进行连续谱强度检测，利用编码驱动总线模块22使DMD21不断产生预先设计好的编码矩阵，这样太赫兹信号不断被DMD21进行不同的编码，单个超导HEB接收模块3不断输出不同的连续谱强度数据。利用已知的预先设计编码矩阵和获取的一系列连续谱强度数据进行反编码，即可得到目标空间的二维连续谱强度图像。

本发明利用傅里叶分光频谱仪、DMD、单个超导HEB直接检波器相结合，实现高灵敏度太赫兹多维光谱成像。本发明提供了一种能在一个太赫兹单通道接收系统中，实现包含太赫兹二维连续谱图像数据和太赫兹一维谱线数据的高灵敏度多维光谱成像方法。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。