调频连续太赫兹波成像的信号分析与数据传输系统设计

摘要

太赫兹波技术由于独特的性能，成为近年世界范围内关注和研究的热点。太赫兹波成像技术因其与X射线、超声波和红外成像方式相比具有特殊的用途和优点，成为太赫兹波技术研究的一个重要方面。
　　本文研究可用于安检的太赫兹成像实验系统，在分析了不同类型、不同应用领域太赫兹成像技术基础上，结合成像目标特征和系统指标需求，提出了THz成像系统总体方案，确定了采用电子学调频连续太赫兹波源对物体进行反射式三维逐点扫描成像的基本思路；分析了调频测距原理及平面强度信息获取方式，明确了成像系统平面和深度分辨率的决定因素；针对调频测距过程中产生的不规则区间、距离模糊、寄生调制等问题，计算和确定了系统的核心参数。
　　本文重点分析了太赫兹波成像系统的信号获取过程并根据需求设计了数据传输系统。信号的分析与传输是整个成像系统的关键一环，对信号的准确分析和正确传输将直接影响最终的成像质量。在对太赫兹波成像系统进行信号分析时，为了提高探测系统灵敏度，摈弃了传统的单源相干技术，采用两台独立频率源设计相参系统；接收端口采用外差式混频接收，利用混频器对回波信号进行两次下变频到中频信号；分析了中频信号的处理流程，计算混频探测输出的差拍频率范围，进行抗混叠滤波和降采样抽取设计；设计了系统扫描方案，制定了数据存储格式。在太赫兹成像系统传输方案设计时，根据成像系统采集数据的实时传输带宽需求，选取了快速以太网传输方式，完成了传输系统方案设计、硬件芯片选型、原理图设计、印制电路板设计和PCB板焊接；根据成像数据的特征，对网络协议进行了精简，采用Verilog硬件语言进行FPGA逻辑代码编写，提高了数据传输效率。
　　本文对成像系统数据采集部分进行了理论分析和设计，系统平面和深度的理论分辨率均远超出系统指标要求；根据采集部分获取的32Mbps实时数据流量，设计了传输系统，达到了87.2Mbps的有效传输速率，满足了成像系统的传输需求。

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1 绪 论

1.1 太赫兹波简介

1.2 太赫兹波的特性

1.3 太赫兹波的应用

1.4 论文结构安排

2 太赫兹成像技术

2.1 太赫兹波成像技术研究现状

2.2 太赫兹成像系统

2.3 线性调频连续波成像系统

2.4 本章小结

3 调频连续太赫兹波成像系统的信号分析

3.1 成像系统深度信息获取

3.2 成像系统平面信息获取

3.3 独立双频率源相干系统实现

3.4 回波信号混频检测

3.5 平面扫描检测

3.6 本章小结

4 调频连续太赫兹波成像系统的数据传输

4.1 传输接口硬件设计

4.2 网络协议

4.3 FPGA逻辑设计

4.4 仿真测试

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录

作者在攻读学位期间发表的论文目录