一种用于测速的太赫兹系统及方法

技术领域

本发明涉及太赫兹光谱技术领域，尤其涉及一种用于测速的太赫兹系统及方法。

背景技术

在基础科学研究、工业及国防等领域均有测速应用的需求，目前最常用的技术之一是利用激光测速。该技术主要利用光的多普勒效应，通过检测经被待测物体反射的光相对于入射光产生的频率偏移来确定物体的运动情况，该技术是一种非破坏性的测量方法，具有较高的空间分辨力，能在高温、高压、有毒等极端条件下对物体运动过程进行测量。

但由于激光测速技术中多普勒频率偏移量一般通过外差法探测，因此该技术测速的上限受到信号记录设备带宽的限制，且对信号记录设备的采样率有较高的要求而高带宽的信号记录设备价格比较昂贵。通过提高测量系统的带宽可以提高测速上限，但是价格比较昂贵，同时也会提高了系统的复杂性。

因此设计出一种穿透性好、带宽要求低且测量精度高的测速系统及方法是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明利用太赫兹波替代常见的光波，前者与后者比较，前者具有高透性、相干性、低损伤性等独特的优点。基于以上特性，设计了一种用于测速的太赫兹系统及方法，提供了一种新的思路，详见下文描述：

一种用于测速的太赫兹系统，所述系统包括：超辐射发光二极管，3dB光纤分束器，光纤延时线，混频天线和数据采集卡；超辐射发光二极管作为发射光混频天线和接收光混频天线的泵浦源，3dB光纤分束器将入射光束等功率分成两束出射光束，分别为泵浦光和探测光，用于激发发射光混频天线和接收光混频天线；光纤延时线放置于3dB光纤分束器和接收光混频天线之间，用于补偿泵浦光路和探测光路的两路之间的光程差；数据采集卡完成太赫兹信号的采集；

当系统中的数据采集卡以恒定采样率进行采样时，待测物体以不同速度运动会导致重建的太赫兹信号产生不同程度的形变，以一标准运动速度的物体测量的数据作为标准，之后替换待测物体进行数据测量，与标准数据进行对比，根据信号产生的形变程度来实现物体运动速度的检测。

进一步地，技术方案还包含光纤隔离器，设置于超辐射发光二极管和3dB光纤分束器之间的光束传输路径，用于光束的单向传输。

进一步地，技术方案还包含光纤滤波器，设置于光纤隔离器与3dB光纤分束器之间的光束传输路径，用于光源光谱的波长选择。进一步地，技术方案还包含掺铒光纤放大器，放置于光纤滤波器和3dB光纤分束器之间，用于放大光纤滤波器出射的滤波光光功率，从而提高太赫兹辐射的功率。

进一步地，技术方案还包含第一光纤衰减器和第二光纤衰减器，第一光纤衰减器设置于3dB光纤分束器和发射光混频天线之间的光束传输路径；第二光纤衰减器设置于3dB光纤分束器和光纤延时线之间的光束传输路径；第一光纤衰减器和第二光纤衰减器分别用于调节泵浦光和探测光的强度，目的是调节发射光混频天线和接收光混频天线激发光的光功率大小，避免光强过大损伤发射光混频天线和接收光混频天线。

进一步地，技术方案还包含锁相放大器，用于对接收光混频天线产生的电流信号进行滤波、放大处理，提高太赫兹电流信号的信噪比。

进一步地，技术方案中的偏置电压源为函数发生器。其具有两个作用，用于为发射光混频天线提供外部偏置电压，还用于为锁相放大器提供参考信号。通过偏置电压的参数调节来最大程度地优化产生的太赫兹信号

进一步地，所述的上位机具有3个功能，用于光纤延时线的运动控制，用于待测物体的运动控制，还用于数据采集卡的数据采集控制。

对于太赫兹信号的探测，一般采用等效时间采样的方法，将空间的变化转化为时间的变化来进行信号的记录，即通过调整探测光与太赫兹脉冲之间的时延重构完整的太赫兹电场波形，因此本发明采用如下方法：

待测物体以不同速度运动时，数据采集卡以相同采样率进行采样，此时重建的太赫兹信号会产生不同程度的形变，以电动平移台运动时测量的信号为标准信号，待测物体运动时测量的信号与之进行对比，根据信号产生的形变程度实现物体运动速度的检测。所述方法包括以下具体步骤：

将电动平移台放置于待测物体位置处，保持电动平移台的位置相对静止，通过控制光纤延时线调节泵浦光路和太赫兹自由空间传播光路光程之和与探测光路光程的差值；

将光纤延时线的延时量设置于一合适的位置，保证电动平移台运动时重建出太赫兹信号；利用上位机控制电动平移台在同一段空间范围内以不同的速度进行运动，同步控制数据采集卡以相同采样率完成数据采样；

将电动平移台替换为待测物体，保证其在同一空间范围内运动，同步完成信号的数据采集；

待测物体以不同速度运动时，重建的太赫兹信号会产生不同程度的形变，以电动平移台运动时测量的信号为标准信号，待测物体运动时测量的信号与之进行对比，根据信号产生的形变程度实现物体运动速度的检测。

本发明提供的技术方案的有益效果是：

(1)本发明提供了一种新的测速思路；

(2)本发明使用太赫兹波测速时可以透过可见光和红外光线所无法穿透的物质或材料，例如：塑料、陶瓷、绝热泡沫等，从而拓展了适用范围；

(3)本发明解决了利用多普勒效应测速上限受限于硬件参数的问题。

附图说明

图1为本发明提供的一种用于测速的太赫兹系统的结构示意图；

图2为本发明的测量待测物体正向运动的结果示意图；

图3为本发明的采集的太赫兹波形的变化与待测物体运动速度的关系图；

图4为本发明的测量待测物体反向运动的结果示意图；

图5为本发明的采集的太赫兹波形的变化与待测物体运动速度的关系图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1：超辐射发光二极管；2：光纤隔离器；

3：掺铒光纤放大器；4：3dB光纤分束器；

5：发射光混频天线；6：光纤延时线；

7：接收光混频天线；8：偏置电压源；

9：锁相放大器；10：数据采集卡；

11：上位机； F1：光纤滤波器；

A1：第一光纤衰减器； A2：第二光纤衰减器；

L1：第一聚焦透镜； L2：第二聚焦透镜；

BS：太赫兹分束器； P：金属挡板；

TS：待测物体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

为了实现上述的目的，本发明实施例提供了一种用于测速的太赫兹系统，该系统包括：超辐射发光二极管1、光纤隔离器2、光纤滤波器F1、掺铒光纤放大器3、3dB光纤分束器4、第一光纤衰减器A1、第二光纤衰减器A2、发射光混频天线5、光纤延时线6、接收光混频天线7、第一聚焦透镜L1、第二聚焦透镜L2、太赫兹分束器BS、金属挡板P、待测物体TS、偏置电压源8、锁相放大器9、数据采集卡10以及上位机11。

其中，超辐射发光二极管1用作发射光混频天线5和接收光混频天线7的泵浦源，3dB光纤分束器4将光束等功率分成两束，分别为泵浦光和探测光。泵浦光连接发射光混频天线5，这部分被称为泵浦光路，探测光连接接收光混频天线7，被称为探测光路。对于探测光路，添加光纤延时线6。光纤延时线6放置于3dB光纤分束器4和接收光混频天线7之间，用于补偿泵浦光路和探测光路的两路之间的光程差。

其中，光纤隔离器2设置于超辐射发光二极管1和3dB光纤分束器4之间的光束传输路径，用于保证光束的单向传输，避免经过光学元件反射产生的后向传输光对系统稳定性造成的不良影响。

进一步地，技术方案还包括：光纤滤波器F1和掺铒光纤放大器3。

光纤滤波器F1设置于光纤隔离器2与3dB光纤分束器4之间的光束传输路径，用于光源光谱的波长选择。由于超辐射发光二极管1的光谱带宽相对较宽，使得光辐射转化为太赫兹辐射的转化效率较低，使用光纤滤波器F1对超辐射发光二极管1的出射光束进行适当地滤波，以此来尽可能提高光波的转化效率。

光束经过光纤滤波器F1滤波后，光功率减小，为了增大光功率，添加掺铒光纤放大器3。掺铒光纤放大器3放置于光纤滤波器F1和3dB光纤分束器4之间，用于放大光纤滤波器F1出射的滤波光光功率，从而提高太赫兹辐射的功率。

进一步地，技术方案还包括：用于调节泵浦光功率的第一光纤衰减器A1和用于调节探测光功率的第二光纤衰减器A2。

其中，第一光纤衰减器A1设置于3dB光纤分束器4和发射光混频天线5之间的光束传输路径；第二光纤衰减器A2设置于3dB光纤分束器4和光纤延时线6之间的光束传输路径。

第一光纤衰减器A1和第二光纤衰减器A2分别用于调节泵浦光和探测光的强度，其目的是调节发射光混频天线5和接收光混频天线7激发光的光功率大小，保证发射光混频天线5和接收光混频天线7处于最优工作状态，同时避免光强过大损伤发射光混频天线5和接收光混频天线7。

进一步地，使用第一聚焦透镜L1、第二聚焦透镜L2、太赫兹分束器BS和金属挡板P搭建发射光混频天线5和接收光混频天线7之间的太赫兹波空间传输光路，第一聚焦透镜L1的作用是聚焦发射光混频天线5出射的发散太赫兹辐射，第二聚焦透镜L2的作用是聚焦第一聚焦透镜L1准直的太赫兹辐射，太赫兹分束器BS的作用是对入射的太赫兹辐射进行分束，金属挡板P的作用是反射太赫兹辐射。

其中，太赫兹分光器BS为高阻硅，其对入射的太赫兹波半反半透，这种特性能够使探测光混频天线7接收到的太赫兹辐射功率最大。

进一步地，技术方案中的偏置电压源为函数发生器。其具有两个作用，第一作用是为发射光混频天线5提供外部偏置电压，第二作用是为锁相放大器9提供参考信号。使用函数发生器作为外部偏置电压源8可以对偏置电压信号的振幅、直流偏置和频率等参数进行调节，其通过添加参数调节的维度来最大程度地优化产生的太赫兹信号。

由于接收光混频天线7生成的太赫兹电流信号相对比较微弱，基本淹没于背景噪声中。为了检测该电流信号，在技术方案中添加锁相放大器9，其对接收光混频天线7产生的电流信号进行滤波、放大等过程处理，提高太赫兹电流信号的信噪比。

进一步地，锁相放大器9有两个输入信号，第一输入信号是来自接收光混频天线7输出的太赫兹电流信号，第二输入信号是来自偏置电压源输出的参考信号。锁相放大器9有一个输出信号，该信号将检测出的太赫兹电流信号传输到数据采集卡10。

进一步地，上位机11具有3个功能，第一功能用于光纤延时线6的运动控制，第二功能用于待测物体的运动控制，第三功能用于数据采集卡10的数据采集控制。

进一步地，金属挡板P设置于待测物体上，与待测物体保持相对静止状态。

实施例2

一种用于测速的太赫兹方法，该方法包括以下步骤：

本发明实施例主要利用以下现象来检测物体的运动速度，简述如下：

对于太赫兹信号的探测，一般采用等效时间采样的方法，将空间的变化转化为时间的变化来进行信号的记录，即通过调整探测光与太赫兹脉冲之间的时延重构完整的太赫兹电场波形。在太赫兹电场信号的采集过程中，一般同步完成时延的改变和数据的采集。保持数据采集的频率不变，改变时延的频率，由于数据采集频率和时延频率的不一致会导致信号发生展宽或者压缩，本发明实施例利用这一信号形变的现象进行测速，具体实现步骤如下：

101：利用光纤延时线6调整泵浦光和探测光路两路的光程差，使得重构的太赫兹电场波形出现在合适的位置；

102：将电动平移台放置于待测物体TS的位置，同步控制电动平移台的运动和数据采集卡10的数据采集；

其中，设置数据采集卡10的采样频率为一定值，设置电动平移台在同一段空间范围内以不同的速度运动。由于电动平移台的运动速度发生改变而数据采集卡10的采样频率不变，导致运动过程和采样过程出现不兼容，这一原因会使重构的太赫兹电场波形发生形变。

103：使待测物体TS在和电动平移台相同的运动范围内运动，将此时采集的信号与电动平移台运动时测量的标准信号进行对比，根据信号产生的形变来检测待测物体的运动速度。

进一步地，本发明实施例中提出的测速方法不仅仅适用于本发明实施例1所提出的系统，也适用于太赫兹时域光谱系统，适用于其他基于泵浦探测原理进行工作的系统。

实施例3

如图1所示，该用于测速的太赫兹系统包括：超辐射发光二极管1、光纤隔离器2、掺铒光纤放大器3、3dB分束器4、发射光混频天线5、光纤延时线6、接收光混频天线7、第一聚焦透镜L1、第二聚焦透镜L2、太赫兹分束器BS、金属挡板P、待测物体TS、偏置电压源8、锁相放大器9、数据采集卡10和上位机11。

其中，超辐射发光二极管1用作系统的泵浦光源；光纤隔离器2防止光路中产生的后向传输光对光源以及光路系统产生不良影响；掺铒光纤放大器3用于提高超辐射发光二极管1出射光的光强；3dB分束器4将一束入射光按照功率均分为两束出射光；发射光混频天线5和接收光混频天线7分别用于发射和接收太赫兹辐射；光纤延时线6用于精细化补偿泵浦光路和探测光路之间的光程差；偏置电压源8出射一个可调振幅和频率的电压信号，用于发射光混频天线5的外部偏置和锁相放大器9的参考信号输入；锁相放大器9提取淹没于噪声中的微弱太赫兹电流信号；上位机11与光纤延时线6、数据采集卡10和待测物体TS进行通讯，分别用于控制光纤延时线的运动、太赫兹信号的数据采集及控制待测物体TS的运动，并完成数据的处理分析，同时进行可视化。

该方案的具体工作原理如下：

超辐射发光二极管1作为系统的泵浦源，其输出光束连接光纤隔离器2保证了光信号的单向传输，提高系统的稳定性。由于光混频天线5产生的太赫兹辐射强度与泵浦光的光功率成正比，而使用的超辐射发光二极管1出射的最高功率小于40mW，使用的光混频天线5和7的可承受最大泵浦光光功率为35mW，为了实现更好的实验效果，添加掺铒光纤放大器3的放大光功率。

掺铒光纤放大器3输出的放大光连接3dB分束器，其将放大光分为等功率的两束光，两束光分别连接发射光混频天线5和接收光混频天线7。

通过第一聚焦透镜L1、第二聚焦透镜L2、太赫兹分束器BS和金属挡板P搭建发射光混频天线5和接收光混频天线7之间的太赫兹辐射自由空间传输光路。太赫兹辐射主要传播路径如下：首先，发射光混频天线5出射的发散太赫兹辐射经过第一聚焦透镜L1进行聚焦，之后入射太赫兹分束器BS发生部分透射，部分透射的太赫兹辐射到达金属挡板P，经金属挡板P反射后使其沿原路返回，再次经过太赫兹分束器BS发生部分反射，最后被接收光混频天线7接收。

应该注意的是，需保证泵浦光路和自由空间太赫兹光路光程之和与接收光路光程近似相等，因此添加光纤延时线6进行光程的精细化调节。待测物体设置为图1中TS的虚线框处，其中，将金属挡板P固定于待测物体TS上，使其随待测物体TS一起运动。

由于本发明实施例是基于光学差频产生太赫兹辐射，而超辐射发光二极管1的带宽相对较宽，这会导致部分光学频率成分的差频结果对产生太赫兹辐射没有作用，造成了部分光功率的浪费，因此本发明实施例添加光纤滤波器F1来对光源光谱波长进行筛选，选取合适光谱带宽的光束激发光混频天线5和7，进一步提高光波转化为太赫兹波的光功率利用效率，光纤滤波器F1设置于光纤隔离器2和掺铒光纤放大器3之间的光束传输路径。

为了优化系统产生的太赫兹信号，同时避免泵浦光功率过大造成光混频天线不可逆的损伤，本发明实施例添加第一光纤衰减器A1和第二光纤衰减器A2，分别精细调节发射光混频天线5和接收光混频天线7的泵浦光功率。其中，第一光纤衰减器A1设置于3dB光纤分束器4和发射光混频天线5之间的光束传输路径；第二光纤衰减器A2设置于3dB光纤分束器4和光纤延时线6之间的光束传输路径。

偏置电压源8的输出信号连接发射光混频天线5，不仅给发射光混频天线5提供一个偏置电场，还对产生的太赫兹电场进行调制，结合锁相放大器9用于提高太赫兹电流信号的信噪比。

测量的具体步骤如下：首先将电动平移台放置于待测物体TS位置处，保持电动平移台的位置相对静止，通过控制光纤延时线6来精细化调节泵浦光路和太赫兹自由空间传播光路光程之和与探测光路光程的差值，将光纤延时线6的延时量设置于一个合适的位置，保证电动平移台运动时能够重建出太赫兹信号；之后利用上位机11控制电动平移台在同一段空间范围内以不同的速度进行运动，同步控制数据采集卡10以相同采样率完成信号数据采样。接着，将电动平移台替换为待测物体TS，保证其在同一空间范围内运动，同时同步完成信号的数据采集。

待测物体TS以不同速度运动时，重建的太赫兹信号会产生不同程度的形变，以电动平移台运动时测量的信号为标准信号，待测物体TS运动时测量的信号与之进行对比，根据信号产生的形变程度实现物体运动速度的检测。

对于待测物体TS的运动状态，本发明实施例定义其靠近发射光混频天线5运动为正向运动，其远离发射光混频天线5运动为反向运动。由于太赫兹信号为非对称信号，因此可以根据重建的太赫兹信号的波形实现物体运动方向的检测。

如图2所示，将电动平移台作为待测物体，使其以不同速度在同一空间范围内正向运动时重建的太赫兹信号，横坐标为时间，纵坐标为信号的幅度。图中V1、V2、V3、V4为电动平移台的四种不同运动速度，其中，V2是V1的两倍，V3是V1的3倍，V4是V1的4倍。

如图3所示，为电动平移台以不同速度正向运动时测量的太赫兹信号的变化，横坐标为运动速度，纵坐标为太赫兹脉冲信号的时间宽度，以太赫兹信号峰峰值之间的时间差表示。图3中方块为实际测量的数据，点划线为拟合的数据，可以看出太赫兹脉冲信号的时间宽度与运动速度之间满足指数关系。通过这一关系可以用于检测物体的运动状态。

如图4所示，将电动平移台作为待测物体，使其以不同速度在同一空间范围内反向运动时重建的太赫兹信号，横坐标为时间，纵坐标为信号的幅度。图中V1、V2、V3、V4为电动平移台的四种不同运动速度，其与图2正向运动时的速度大小一致。

如图5所示，为电动平移台以不同速度反向运动时测量的太赫兹信号的变化，横坐标为运动速度，纵坐标为太赫兹脉冲信号的时间宽度，以太赫兹信号峰峰值之间的时间差表示。图5中方块为实际测量的数据，点划线为拟合的数据。将图5的结果与图3中的结果进行对比，曲线的变化基本保持一致。

本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。