本發明屬于信號檢測，更具體地說，尤其涉及一種基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統。

背景技術：

1、安全檢查(安檢)是避免極端恐怖活動和旅客攜帶違禁危險物品的重要環節，肩負維護社會秩序穩定和人民生命財產安全的使命，因此在機場，車站，地鐵等公共聚集場所部署安檢儀進行針對性的人體和物品安檢是極為必要的。當前普遍采用的方案是金屬探測門結合人工搜身，這種方式雖簡單直接，但有不少局限性，比如:?檢查速度慢，可檢測的違禁物品僅限金屬(即攜帶的非金屬物品都可能漏檢，如陶瓷制刀具)，無法對人體進行全面檢查，接觸式人工搜身存在侵犯隱私的問題，人體安檢技術迫切需要更新換代。

2、對于遠距離被動式?thz?實時成像來說，常溫待測物體自身的輻射功率很弱，因此要求探測器具有低噪聲和高靈敏度，噪聲等效功率(nep)需在?10-14?w/hz1/2?的量級之下，而目前滿足這個指標的只有工作于低溫的超導探測器，這是最近二十年發展起來的一種弱光探測技術，超導材料的能隙相對很小(=?mev，比半導體帶隙低了2~3?個數量級)，一個能量超過能隙的光子就可以拆散若干個庫珀對，因此超導器件具有很寬的響應頻譜，對從可見光，到紅外到thz波段的光子都有很靈敏的響應:此外超導探測器具有極低的暗計數率，很高的探測效率和探測速度。

3、現在被廣泛研究的超導探測器主要有三種:?超導納米線單光子探測器(snspd)，熱敏超導邊界傳感器(tes)和微波動態電感探測器(mkid)。其中?snspd?利用光子入射到納米線上后形成的熱點區域失去超導電性來實現光子探測，具有極快的響應速度，因此主要應用于量子通信和光量子通信領域；?tes?是利用超導轉變曲線斜率極大的超導薄膜來實現光子探測，目前已經實現了高效率的光子計數和光子能量分辨上的應用，也初步展示了在被動式成像上的應用；mkid?則是利用超導材料的動態電感對輻射能量的靈敏響應實現光子探測。mkid?通常做成超導諧振器結構，當光子被吸收后，諧振器的諧振頻率和品質因數會降低。與tes?相比，mkid?的優勢主要在于相對容易制備不需要精確控溫，以及更容易擴展到大規模陣列并讀取，tes?涉及到芯片上的?squid?工藝，對溫度漲落敏感，如果想要擴展到大陣列探測器會大幅提高讀取線路的復雜性:?而?mkid?通常只涉及到單層金屬薄膜的微加工，受溫度漲落影響較小，其頻域復用的特點讓?mkid?很容易擴展(如在?1ghz?帶寬里可集成103個諧振器)，而所有諧振器都可通過同一條饋線和一個低溫放大器來讀取，這個優勢讓?mkid目前主要應用于毫米/亞毫米波段的天文學成像中，如南極的亞毫米光圈望遠鏡(blast。tng)，多波段的亞毫米波成像系統(music)，歐洲的毫米波天文望遠鏡項目(nika)。

4、由此可見，超導微波動態電感探測器因其低噪聲和易擴展性是實現高靈敏度大陣列?th2探測器的重要途徑之一，具有廣泛的應用前景，因此我們的目標是研制應用于人體安檢的高性能太赫茲(600?ghz，?500?um)超導?mkid?陣列成像芯片和系統探索相關器件物理選擇?600?ghz?是因為該波段具有較好的衣物穿透性，較小的空氣傳播衰減率和較高的信號頻率，事實上，cardiff?大學的研究人員在?2016?年就首次展示了?mkid?在被動式?th成像上的應用。該工作制備了152個像素的超導?al?mkid?陣列探測器芯片，在350ghz?的探測頻段上實現了~0.1?k/hz1/2的噪聲等效溫差(netd)，對?3~5?m?遠目標物體的分辨率約為?1.3?cm。

5、現有技術中，發明專利cn109000792a公開了一種光子數目和能量可分辨的超導微波動態電感探測器，包括以下技術特征：技術特征一：一種光子數目和能量可分辨的超導微波動態電感探測器，其特征在于:包括集總結構的超導諧振器；所述諧振器包括用于抑制村底中二能級雜質噪聲的交指電容和作為光吸收區域的電感條；所述電感條嵌設于交指電容上，并與交指電容并聯，所述電感條包括至少一層?tin?薄膜，tin?薄膜的超導轉變溫度為0.9k，厚度為?20nm，面積為?10mx10m;?所述交指電容的材質為a薄膜，其超導轉變溫度為1.2k，厚度為200nm，線寬為5hm，面積為0.6mmx0.6m；位于所述電感條下方的?si襯底呈懸浮狀態，si?襯底的厚度為?10?；在所述?tin?薄膜的上表面均布設一層增透膜，在其下方均勻布設一層增反膜。技術特征二：所述的光子數目和能量可分辨的超導微波動態電感探測器，其特征在于，所述電感條的材質為tin或tin/ti/tin薄膜，面積為?10mx0厚度為?20nm，超導轉變溫度為0.9k，交指電容的面積為0.6mmx0.6mm，線寬為5，其材料為a1或n，超導轉變溫度大于?1k，增透膜的材質為a-si、sinx?或si2；所述增反膜的材質為?ag、au?或al。

6、發明專利cn112611719a公開了種太赫茲光聲單像素成像裝置及成像方法，包括以下技術特征：技術特征一：一種太赫茲光聲單像素成像裝置，其特征在于，包括光源模塊、空間光調制模塊、太赫茲光調制模塊、太赫茲光聲探測模塊以及處理模塊；光源模塊用于輸出泵浦激光束和太赫茲光束；等間光調制模塊用于接收所述泵浦激光束，并將所述泵浦激光束根據預設的單像素成像調制圖樣調制后傳輸至所述太赫茲光調制模塊:?太赫茲光調制模塊與待成像物體相鄰，用于接收所述太赫茲光束，并將所述太赫茲光束根據所述單像素成像圖樣調制后傳輸至所述待成像物體。技術特征二：所述太赫茲光聲探測模塊設置于所述太赫茲光調制模塊的輸出端，所述太赫茲光聲探測模塊包括太赫茲光聲材料和超聲探測器，所述太赫茲光聲材料用于在經過所述待成像物體的太赫茲光的激發下產生光聲信號，所述超聲探測器用于將所述光聲信號轉換為電信號，處理模塊與所述超聲探測器連接，用于根據所述電信號實現所述待成像物體的單像素成像。技術特征三：光源模塊包括脈沖激光器、分束器、第一反射鏡組、第二反射鏡組、光柵、二分之波片、第一透鏡以及非線性晶體；所述分束器用于將所述脈沖激光器輸出的脈沖激光分為第一光束和第二光束，所述第一光束依次經過所述第一反射鏡組、所述光柵、所述二分之一波片和所述第一透鏡后聚焦到所述非線性晶體，以激發所述太赫茲光束，所述第二光束作為所述泵浦激光束，經過所述第二反射鏡組后入射至所述空間光調制模塊。

7、現有技術方案可以對thz光進行探測，但在空間成像方面還存在障礙，無法很好地區分不同空間位置的thz光；也有采用光學分光的方案進行空間分辨，但存在速度較慢，無法一次成像的缺點。

技術實現思路

1、本部分的目的在于概述本發明的實施例的一些方面以及簡要介紹一些較佳實施例。在本部分以及本技術的說明書摘要和發明名稱中可能會做些簡化或省略以避免使本部分、說明書摘要和發明名稱的目的模糊，而這種簡化或省略不能用于限制本發明的范圍。

2、鑒于上述或現有的基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的問題，提出了本發明。

3、為解決上述技術問題，本發明提供如下技術方案：

4、本發明實施例提供了一種基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統統，包括：mkid探測器陣列模塊，用于通過多個超導微波共振器像素，實現對太赫茲波的全頻段探測，通過與空間分辨層結合，實現基于時間分辨的空間成像；

5、空間分辨層模塊，用于通過液晶面板和波導板的雙層結構，控制不同空間位置的太赫茲信號在不同時間穿過液晶點并傳輸到mkid探測器陣列，實現空間分辨；

6、微波信號耦合與放大模塊模塊，用于通過饋線將探測到的微波信號傳輸至低溫超導放大器，再經過常溫放大器進一步處理后，送入混頻器進行i/q信號解調，最終通過數字化采集系統進行時域分析；

7、信號混頻與采集模塊，用于信號與參考信號在混頻器中混頻，得到i和q電壓輸出，作為信號的幅度和相位信息，混頻后的信號經過低通濾波處理，并通過a/d卡進行數字化采集；

8、圖像重建與處理模塊，用于采集到的時域微波信號通過時域信號處理算法，將不同時間的信息重建成太赫茲空間成像圖像；

9、thz波源與校準模塊，用于通過可調溫度的黑體源產生太赫茲波，并通過thz低通濾波器和喇叭天線將信號傳輸至樣品盒中的mkid探測器陣列；

10、低溫超導模塊，用于在低溫條件下，mkid探測器陣列吸收從thz波源傳來的太赫茲光子，光子能量引起的電流變化引發微波信號的相位和幅度變化；

11、微波信號源與激勵模塊，用于產生微波信號，通過饋線傳輸至mkid探測器陣列，激勵信號用于與探測器的共振頻率相匹配，引發探測器在接收到太赫茲光子時發生的微波信號變化。

12、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述通過多個超導微波共振器像素，實現對太赫茲波的全頻段探測，通過與空間分辨層結合，實現基于時間分辨的空間成像，包括：

13、液晶面板通過水平和垂直控制線按照預設的規則控制每個液晶點的透光狀態，每個液晶點按順序依次轉為透光狀態，讓不同空間位置的太赫茲波通過相應的液晶點；

14、當太赫茲波從外部源發出并穿過空間分辨層時，每個液晶點逐步傳遞來自不同空間位置的信號。

15、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述通過液晶面板和波導板的雙層結構，控制不同空間位置的太赫茲信號在不同時間穿過液晶點并傳輸到mkid探測器陣列，實現空間分辨，包括：

16、若液晶面板包含m×n個液晶像素，每個像素的透光狀態通過控制電壓來改變，液晶面板的刷新周期為δt，透光狀態控制公式：

17、

18、其中，p(t)表示液晶像素的透光狀態，t表示時間；

19、當液晶面板的某個像素開啟時，太赫茲信號將通過該液晶點，并被波導板傳輸至mkid探測器陣列，設波導板的傳輸效率為ηwg，其表示波導板將透過液晶面板的太赫茲信號傳遞到mkid陣列的效率，信號傳輸公式：

20、

21、其中，sout(t)是傳輸到mkid探測器陣列的太赫茲信號，sin(t)是從液晶面板透過的入射信號，ηwg是波導板的傳輸效率，p(t)是液晶面板的透光狀態；

22、當一個液晶像素開啟時，來自該空間位置的太赫茲波信號將會被傳輸到mkid探測器陣列中的相應像素，每個液晶點的刷新時間是δt，若液晶面板有m×n個像素，每個像素的刷新時間為δt，整個面板的刷新周期為：

23、

24、描一次完整圖像所需要的時間為?m×n個像素的刷新時間。

25、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述送入混頻器進行i/q信號解調，最終通過數字化采集系統進行時域分析,包括：

26、i和q信號通過模數轉換器進行數字化，adc將模擬信號轉換為數字信號，使得信號在后續的數字信號處理中進行處理和分析，數字化后的i/q信號進入數字信號處理系統，對i/q信號進行傅里葉變換分析，獲得頻譜信息。

27、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述數字化后的i/q信號進入數字信號處理系統，對i/q信號進行傅里葉變換分析，獲得頻譜信息，包括：

28、對數字化后的i/q信號進行快速傅里葉變換，將時域信號轉換到頻域，獲取其頻譜信息，其定義為：

29、

30、其中，n是fft的點數，k是頻率索引，x[k]是頻域信號，通過fft，得到信號在各個頻率分量上的幅度和相位信息；

31、通過對fft結果的幅度進行分析，得到信號的功率譜密度，反映信號在各個頻率上的功率分布，psd的計算公式為：

32、

33、其中，∣x[k]∣表示?x[k]的幅度，通過分析psd，識別信號的主要頻率成分、帶寬以及功率分布特性。

34、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述信號與參考信號在混頻器中混頻，得到i和q電壓輸出，作為信號的幅度和相位信息，包括：

35、在混頻器中，輸入信號?s(t)和參考信號?lo(t)進行乘法運算，得到混頻輸出：

36、

37、代入信號表達式：

38、

39、使用三角恒等式展開上式：

40、

41、差頻成分（fif=∣fs-flo∣為所需的中頻信號，包含信號的幅度和相位信息；和頻成分（fsum=fs+flo）被濾除。

42、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述采集到的時域微波信號通過時域信號處理算法，將不同時間的信息重建成太赫茲空間成像圖像，包括：

43、若接收到的時域信號是s(t)，其中t是時間變量，s(t)是接收的幅度和相位隨時間變化的信號，對于每個像素i，其接收到的信號是由目標物體的反射回來的：

44、

45、其中，s(t)是接收到的時域信號，r是接收區域，f(r)是目標物體的散射系數，r0是探測器的位置，∣r-r0∣是信號傳播的路徑長度，δ(t-∣r-r0∣/c)是延遲函數，c是光速；

46、將不同時間點的信號投影到空間上，逐步重建目標的空間圖像，對于每個時間點t，計算該點到探測器的距離，并將該信息在空間投影回來，最后累加所有投影結果得到空間圖像，數學公式如下：

47、

48、其中，i(x,y)是空間位置(x,y)的圖像強度，s(t)是在時間t采集到的信號，

49、p(t,x,y)是在時刻t投影到空間位置(x,y)?的權重函數，描述時域信號對空間像素的貢獻。

50、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述通過可調溫度的黑體源產生太赫茲波，并通過thz低通濾波器和喇叭天線將信號傳輸至樣品盒中的mkid探測器陣列，包括：

51、產生的太赫茲輻射經過太赫茲低通濾波器，濾除高頻成分，確保信號的純凈度，濾波后的太赫茲信號通過喇叭天線進行空間模式的轉換和定向輻射，以實現高效的信號傳輸。

52、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述在低溫條件下，mkid探測器陣列吸收從thz波源傳來的太赫茲光子，光子能量引起的電流變化引發微波信號的相位和幅度變化，包括：

53、當太赫茲光子的能量被吸收并引起電流變化時，mkid探測器的諧振器發生頻率偏移，mkid探測器的電感與交指電容構成一個諧振器，其諧振頻率由下式給出：

54、

55、其中，f0是諧振頻率，l是電感，c是電容；

56、吸收光子后，電流變化導致超導電感的感抗發生變化，導致諧振頻率偏移，偏移量δf與電流變化δi的關系用以下公式表示：

57、

58、頻率的變化影響到通過mkid探測器的微波信號的相位和幅度，具體來說，微波信號的相位和幅度變化通過復數表示：

59、

60、其中，v(t)是微波信號的電壓響應，a(t)是信號幅度，f是信號頻率，?(t）是信號相位；

61、當吸收的光子數增加時，電流變化會導致信號幅度a(t)的變化，電流變化引發諧振頻率的變化，進而引起信號的相位?(t)的變化。

62、作為本發明所述基于空間分辨層和超導微波動態電感探測器陣列成像芯片的thz全頻段空間成像系統的一種優選方案，其中：所述激勵信號用于與探測器的共振頻率相匹配，引發探測器在接收到太赫茲光子時發生的微波信號變化，包括：

63、當太赫茲光子被探測器吸收時，引起超導材料中載流子的激發，導致其電感發生變化；

64、由于激勵信號的頻率與探測器的諧振頻率相匹配，導致微波信號的相位和幅度發生相應的變化，通過監測微波信號的變化，獲取關于太赫茲光子信息的數據，具體而言，探測器的阻抗變化通過以下公式表示：

65、

66、其中，r是電阻，ω是激勵信號的角頻率，l是電感；

67、當太赫茲光子被吸收時，l發生變化，導致z的變化，引起微波信號的相位和幅度的變化；通過微波測量設備進行檢測和分析，實現對太赫茲光子的探測。

68、本發明的有益效果為：本發明通過mkid探測器陣列的設計，能夠實現對太赫茲波的全頻段探測，極大提高了探測系統的靈敏度和精確度。通過引入空間分辨層，將空間信息轉化為時間域信號，從而實現太赫茲波的空間成像，提升了系統的空間分辨率。通過采用數字化采集系統和快速信號處理算法，能夠實現對信號的實時采集和分析，進一步提升了系統的實時性能。