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、時域譜分析,、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測,、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,，不會對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。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，世界各國都在各個領(lǐng)域展開了對太赫茲波技術(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,，而且每一像素源對應(yīng)一個太赫茲時域譜,，通過對時域譜進(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，一般要采用一個聚乙烯透鏡準(zhǔn)直光路,，將激光聚焦在待測樣品上,。樣品被置于一個由計算機(jī)編程控制的、可沿x,，y方向掃描的線性步進(jìn)平臺上,，平臺載著待測樣品在光焦處二維移動。為了實(shí)現(xiàn)較好的成像效果,，系統(tǒng)通過一個透射率高,，損耗小的聚乙烯透鏡將帶有樣品信息的THz光聚焦在探測器上，將光波的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換為電壓值,；轉(zhuǎn)換后的電信號經(jīng)過采樣,、A／D轉(zhuǎn)化，然后傳輸給計算機(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,，針對美國相干公司生產(chǎn)的P4-42探測器，設(shè)計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,，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，要以DMA方式直接傳送數(shù)據(jù)到計算機(jī)內(nèi)存,。在本文的采集系統(tǒng)中,，使用了一個通道，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具有四個能同時高速采集雙極性信號的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,。可以選擇的阻抗值有：當(dāng)-1～+1 V輸入時的15 MΩ和50 Ω(默認(rèn)值),；當(dāng)-5～+5 V輸入時的1．25 kΩ和50 Ω(默認(rèn)值),。P4-42探測器采用的是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,，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
PCI-9812采集卡支持VC／C++，VB，BorlandC++,，Borland Delphi,，Labview等軟件開發(fā)平臺，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)計的流程圖如圖1所示,。對于逐點(diǎn)掃描的太赫茲成像系統(tǒng),，其成像過程就是一個循環(huán)掃描過程。平臺載著待測樣品移動到待測位置后,，計算機(jī)控制THz源發(fā)射激光,，探測器接收光信號并轉(zhuǎn)換成電壓值，數(shù)據(jù)采集卡采集電壓值,，并傳輸給計算機(jī),，由計算機(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,，然后再控制平臺移動向下一個待測位置進(jìn)行掃描。
掃描控制模塊用于實(shí)現(xiàn)對光路部分的控制,，它主要包括了激光頻率的選擇,，斬波頻率的設(shè)置，二維移動平臺的設(shè)置等功能,。為了保證各個像素點(diǎn)之間信息無錯亂,，信息傳輸?shù)倪^程中就要確保二維平臺的移動與數(shù)據(jù)采集記錄的同步。計算機(jī)通過串口來控制平臺伺服系統(tǒng),，設(shè)置步幅和方向,。為了節(jié)省掃描時間，移動平臺則采取“S”型移動,，系統(tǒng)運(yùn)行時,，由參數(shù)z的符號決定平臺的移動方向，將Z的初始數(shù)值設(shè)置為1,，通過Y+Z就可以得出此時采集點(diǎn)的準(zhǔn)確像素點(diǎn)坐標(biāo),，這就保證了計算機(jī)存儲數(shù)據(jù)的各個像素點(diǎn)(x，y)與掃描樣品中各個投射位置是對應(yīng)的,，不會出現(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)動采集卡工作。首先利用Register_Card()函數(shù)對采集卡注冊,，系統(tǒng)的BIOS將會返回一個PCI-9812的注冊號,，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,，在對每一個透射點(diǎn)掃描后,，調(diào)用AI_ContReadChannel()函數(shù)(采用多通道時應(yīng)該調(diào)用函數(shù)AI_ContScanChannels())啟動對探測器輸出電壓值的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,，采集卡自動以DMA方式把采集到的數(shù)據(jù)寫入所申請的DMA內(nèi)存，計算機(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,，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,，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各個點(diǎn)獲取的掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行計算機(jī)比較分析,，構(gòu)建采樣物品的太赫茲圖像。太赫茲波對每個點(diǎn)掃描時,，可以獲取的信息量是很大的,，可以通過分析光強(qiáng)、相位,、時間延時等來構(gòu)建采樣物品的圖像,，分析每個參數(shù)都要采用各自的算法。這里主要針對P4-42熱釋電探測器,，將太赫茲光的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓信號，因此本文通過分析電壓信號的峰峰值,，來獲取樣品上每個點(diǎn)對太赫茲光波的吸收強(qiáng)度,，作為太赫茲圖像中各個像素的像素值。在成像系統(tǒng)對各個位置點(diǎn)掃描后,，得到格式為x*y*t的太赫茲成像數(shù)據(jù),，通過對各個像素點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理?？梢缘玫酱郎y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P4-42熱釋電探測器的,。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,，并傳輸給計算機(jī)重建圖像，可以實(shí)現(xiàn)對太赫茲成像的掃描控制、數(shù)據(jù)采集和圖像重建等功能,。對于太赫茲成像的實(shí)際應(yīng)用具有一定的意義,。