太赫茲波(THz)指頻率在0．1～10 THz(1 THz="1012Hz")范圍內(nèi)的電磁波，波長范圍在30μm～3 mm，這一波段位于微波和紅外輻射之間，因此太赫茲波兼有波與光的特性，在物體成像、時(shí)域譜分析、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、空間遙感和軍事安全等方面都展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。太赫茲波的光子能量僅4．1 meV，沒有X射線的電離特性，不會(huì)對(duì)材料和人體造成傷害，因此太赫茲成像技術(shù)比X射線有更大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。20世紀(jì)90年代以后，由于自由電子激光器和超快技術(shù)的發(fā)展，為THz脈沖的產(chǎn)生提供了穩(wěn)定可靠的激發(fā)光源，世界各國都在各個(gè)領(lǐng)域展開了對(duì)太赫茲波技術(shù)的研究。近些年，我國的科研工作者也開展了對(duì)太赫茲波技術(shù)的大量研究工作，目前的太赫茲成像技術(shù)研究工作主要集中在對(duì)逐點(diǎn)掃描太赫茲成像的研究上。這種成像方法的基本原理是，利用已知波形的太赫茲波作為成像射線，透過成像樣品或從樣品反射的太赫茲電磁波的強(qiáng)度和相位(包含了樣品復(fù)介電常數(shù)的空間分布)并將透射或反射的太赫茲電磁波強(qiáng)度或相位信息記錄下來，經(jīng)過數(shù)字處理分析，得到樣品的太赫茲二維圖像。盡管這種系統(tǒng)的成像時(shí)間較長，但是用這種成像方法獲取的信息量大，可構(gòu)建二維、三維圖像，而且每一像素源對(duì)應(yīng)一個(gè)太赫茲時(shí)域譜，通過對(duì)時(shí)域譜進(jìn)行傅里葉變換又可得到每一點(diǎn)的太赫茲頻率響應(yīng)譜。

　　目前，用光學(xué)產(chǎn)生太赫茲激光的方法主要有以下幾種，太赫茲氣體激光器；利用超短激光脈沖光電導(dǎo)或光整流產(chǎn)生太赫茲輻射；利用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產(chǎn)生太赫茲波。國內(nèi)建立的掃描式太赫茲成像系統(tǒng)中。太赫茲輻射源采用的是小型商用連續(xù)CO2激光泵浦太赫茲激光器，它已獲得推廣應(yīng)用，是一種遠(yuǎn)紅外激光源，結(jié)構(gòu)緊湊，輸出較穩(wěn)定，功率較高。

　　掃描式太赫茲成像系統(tǒng)的原理是：太赫茲激光器產(chǎn)生連續(xù)的THz激光，光波首先通過斬波器，從而產(chǎn)生一系列的太赫茲脈沖。為了消除太赫茲光的發(fā)散，一般要采用一個(gè)聚乙烯透鏡準(zhǔn)直光路，將激光聚焦在待測(cè)樣品上。樣品被置于一個(gè)由計(jì)算機(jī)編程控制的、可沿x，y方向掃描的線性步進(jìn)平臺(tái)上，平臺(tái)載著待測(cè)樣品在光焦處二維移動(dòng)。為了實(shí)現(xiàn)較好的成像效果，系統(tǒng)通過一個(gè)透射率高，損耗小的聚乙烯透鏡將帶有樣品信息的THz光聚焦在探測(cè)器上，將光波的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓值；轉(zhuǎn)換后的電信號(hào)經(jīng)過采樣、A／D轉(zhuǎn)化，然后傳輸給計(jì)算機(jī)構(gòu)建太赫茲圖像。

　　這里的主要工作是利用凌華公司生產(chǎn)的PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡，針對(duì)美國相干公司生產(chǎn)的P4-42探測(cè)器，設(shè)計(jì)出用于太赫茲成像系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

　　l PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡介紹

　　PCI-9812是臺(tái)灣凌華科技公司推出的基于32位PCI總線的四通道高速數(shù)據(jù)采集卡，12位的模擬量輸入分辨率，板內(nèi)帶有32 KB的FIFO緩沖器，最高采樣頻率可以達(dá)到20 MHz，這就保證了數(shù)據(jù)采集電路較高的精度和速度。它具有軟件觸發(fā)、前觸發(fā)、后觸發(fā)、中間觸發(fā)和延時(shí)觸發(fā)五種觸發(fā)方式，可以通過軟件編程選擇。此外，它還具有內(nèi)部脈沖、外部脈沖和外部正弦三種可供編程選擇的A／D時(shí)鐘源。在本文的采集系統(tǒng)中，采用了軟觸發(fā)的觸發(fā)模式，采用了內(nèi)部脈沖時(shí)鐘源。

　　采集卡能達(dá)到的最高采樣率與采樣的通道數(shù)、采集的數(shù)據(jù)量以及PCI總線帶寬有關(guān)。當(dāng)單次觸發(fā)采集的所有通道數(shù)據(jù)總量不超過32 KB的FIFO緩存時(shí)，每通道都可以按最高的20 MHz A／D采樣速度來采樣。當(dāng)數(shù)據(jù)總量超過32 KWord的FIFO緩存區(qū)時(shí)，要以DMA方式直接傳送數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)內(nèi)存。在本文的采集系統(tǒng)中，使用了一個(gè)通道，選擇的是通道0，可供FIFO達(dá)到32 KB，最大數(shù)據(jù)傳輸能力為40 MB／s。需要注意的是，在電路連接時(shí)不僅要考慮PCI-9812輸入電壓的范圍，還應(yīng)該考慮輸入阻抗的問題，PCI-9812具有四個(gè)能同時(shí)高速采集雙極性信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換器，輸入電壓范圍為-1～+1 V或-5～+5 V，可通過硬件的焊封進(jìn)行選擇，輸入阻抗也可通過電路板上的硬件焊封來選擇?？梢赃x擇的阻抗值有：當(dāng)-1～+1 V輸入時(shí)的15 MΩ和50 Ω(默認(rèn)值)；當(dāng)-5～+5 V輸入時(shí)的1．25 kΩ和50 Ω(默認(rèn)值)。P4-42探測(cè)器采用的是15 V電壓源，輸出電阻為50 Ω，其輸出最大電壓值約為12 V，所以在連接采集卡前要串聯(lián)一個(gè)分壓電阻。本文的采集卡輸入范圍為-5 V～+5 V，輸入電阻為1．25 kΩ，串聯(lián)的分壓電阻為1．8 kΩ。此時(shí)，輸入到采集卡的最大電壓值為4．84 V。

　　2 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++，Borland Delphi，Labview等軟件開發(fā)平臺(tái)，主要使用VC++6．0。主要包括掃描控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)處理模塊，軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的流程圖如圖1所示。對(duì)于逐點(diǎn)掃描的太赫茲成像系統(tǒng)，其成像過程就是一個(gè)循環(huán)掃描過程。平臺(tái)載著待測(cè)樣品移動(dòng)到待測(cè)位置后，計(jì)算機(jī)控制THz源發(fā)射激光，探測(cè)器接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換成電壓值，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值，并傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，生成該位置點(diǎn)(x，y)的像素值并存儲(chǔ)，然后再控制平臺(tái)移動(dòng)向下一個(gè)待測(cè)位置進(jìn)行掃描。

　　掃描控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)光路部分的控制，它主要包括了激光頻率的選擇，斬波頻率的設(shè)置，二維移動(dòng)平臺(tái)的設(shè)置等功能。為了保證各個(gè)像素點(diǎn)之間信息無錯(cuò)亂，信息傳輸?shù)倪^程中就要確保二維平臺(tái)的移動(dòng)與數(shù)據(jù)采集記錄的同步。計(jì)算機(jī)通過串口來控制平臺(tái)伺服系統(tǒng)，設(shè)置步幅和方向。為了節(jié)省掃描時(shí)間，移動(dòng)平臺(tái)則采取“S”型移動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由參數(shù)z的符號(hào)決定平臺(tái)的移動(dòng)方向，將Z的初始數(shù)值設(shè)置為1，通過Y+Z就可以得出此時(shí)采集點(diǎn)的準(zhǔn)確像素點(diǎn)坐標(biāo)，這就保證了計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的各個(gè)像素點(diǎn)(x，y)與掃描樣品中各個(gè)投射位置是對(duì)應(yīng)的，不會(huì)出現(xiàn)像素點(diǎn)混亂的現(xiàn)象。

　　數(shù)據(jù)采集模塊主要是編程驅(qū)動(dòng)采集卡工作。首先利用Register_Card()函數(shù)對(duì)采集卡注冊(cè)，系統(tǒng)的BIOS將會(huì)返回一個(gè)PCI-9812的注冊(cè)號(hào)，然后可以用AI_9812_Config()函數(shù)來完成采集卡的初始化，設(shè)置采集的觸發(fā)模式、觸發(fā)源、觸發(fā)后的采樣點(diǎn)數(shù)等。設(shè)置這些參數(shù)后，可以使用激光器產(chǎn)生太赫茲激光，在對(duì)每一個(gè)透射點(diǎn)掃描后，調(diào)用AI_ContReadChannel()函數(shù)(采用多通道時(shí)應(yīng)該調(diào)用函數(shù)AI_ContScanChannels())啟動(dòng)對(duì)探測(cè)器輸出電壓值的A／D采樣，然后調(diào)用AI_AsyncCheck()函數(shù)查詢采集卡是否采樣完畢。在采樣過程中，采集卡自動(dòng)以DMA方式把采集到的數(shù)據(jù)寫入所申請(qǐng)的DMA內(nèi)存，計(jì)算機(jī)通過讀取DMA內(nèi)存來獲取掃描數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理時(shí)，還要調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換函數(shù)AI_ContScale()將采集數(shù)據(jù)量轉(zhuǎn)換到相應(yīng)的電壓值。在掃描過程結(jié)束后，采集結(jié)束時(shí)，要用AI_AsyncClear()函數(shù)停止采集卡，用Release_Card()函數(shù)釋放采集卡。

　　數(shù)據(jù)處理模塊主要用于對(duì)各個(gè)點(diǎn)獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)比較分析，構(gòu)建采樣物品的太赫茲圖像。太赫茲波對(duì)每個(gè)點(diǎn)掃描時(shí)，可以獲取的信息量是很大的，可以通過分析光強(qiáng)、相位、時(shí)間延時(shí)等來構(gòu)建采樣物品的圖像，分析每個(gè)參數(shù)都要采用各自的算法。這里主要針對(duì)P4-42熱釋電探測(cè)器，將太赫茲光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，因此本文通過分析電壓信號(hào)的峰峰值，來獲取樣品上每個(gè)點(diǎn)對(duì)太赫茲光波的吸收強(qiáng)度，作為太赫茲圖像中各個(gè)像素的像素值。在成像系統(tǒng)對(duì)各個(gè)位置點(diǎn)掃描后，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數(shù)據(jù)，通過對(duì)各個(gè)像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理?？梢缘玫酱郎y(cè)樣品的太赫茲灰度圖像。

　　3 結(jié)語

　　介紹的太赫茲成像數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是針對(duì)P4-42熱釋電探測(cè)器的。它利用凌華公司的PCI-9812數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并傳輸給計(jì)算機(jī)重建圖像，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太赫茲成像的掃描控制、數(shù)據(jù)采集和圖像重建等功能。對(duì)于太赫茲成像的實(shí)際應(yīng)用具有一定的意義。