[发明专利]基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法

说明书

本发明公开了一种基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法，该系统利用数字微镜器件作为编码孔径器件和单个基于超导热电子混频器的直接检波器相结合的方法成像，目的在于提供一种能在一个太赫兹单通道接收系统中，实现包含太赫兹二维连续谱图像数据和太赫兹一维谱线数据的高灵敏度多维光谱成像。本发明的技术方案是：在一个太赫兹单通道接收系统中，利用单个超导HEB直接检波器和DMD,并结合傅立叶分光频谱仪的方式，利用编码孔径技术，实现太赫兹信号连续谱成像和谱线探测的高灵敏度多维光谱成像。本发明以实现高宽带连续谱、高频谱分辨率、高灵敏的太赫兹光谱成像的目的。

技术领域

本发明涉及光谱成像领域，特别是一种太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法，具体的说，是基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法。

背景技术

在天文学领域，太赫兹波段占有宇宙微波背景辐射后近一半的能量，相当于紫外、可见光和近红外波段能量的总和，是研究星际介质、星系形成和演化、地外行星大气、以及宇宙生命起源等现代天文学前沿科学问题的独特波段。目前太赫兹天文观测包括连续谱观测和谱线观测，对于具有几十平方角分到上百平方度的覆盖面积的大面积天体目标的观测，如能同时开展连续谱强度图像和谱线图像观测，则可建立天体观测对象的多维光谱图像模型与结构，可为诸如宇宙星际介质研究以及宇宙学距离上的天体红移精确测定提供一种独特的方法。

进行天体观测对象的连续谱和谱线图像观测，可采用直接检波阵列接收机和傅立叶分光频谱仪(Fourier Transform Spectrometer,FTS)结合的技术来实现。与超导阵列探测器相比，单个超导直接检波器结构简单，成本功耗低，且采用热噪声读出技术将具有读出电路相对简单、工作温区宽、灵敏度高、动态范围大等优点，如基于超导热电子混频器(Hot-Electron Bolometer,HEB)的直接检波器。超导HEB直接检波器是目前1THz以上频段灵敏度最高的探测器件，但如果单纯的将单个超导直接检波器与傅立叶分光频谱仪结合，利用传统的扫描方式对大面积天体目标的观测，与目前国际上利用太赫兹超导阵列探测器与傅立叶分光频谱仪结合的光谱成像技术相比，往往面临空间分辨率受天线口径限制和观测效率低的问题。

近年来，编码孔径(coded aperture)技术的发展十分迅速。编码孔径技术仅通过单个接收通道配合编码掩膜板即可产生不同的电磁波接收模式，这样接收到的电磁波在特定空间不再是均匀平面波，其幅度和相位受到编码掩膜板的调制，可形成非均匀、波前非平面等模式的接收波。此时探测得到的电磁波信号是目标辐射强度分布与编码模式的广义卷积，通过相应算法即可重构出目标辐射强度分布。孔径编码成像作为小孔成像的拓展，应用于天文学中的x射线和γ射线探测中已有半个世纪的历史，但受限于器件、衍射效应和应用需求在太赫兹探测中还未得到广泛应用。近几年内在引入数字微镜器件(DigitalMicromirror Device,DMD)作为可编程空间编码器件之后，基于编码孔径计算成像等实现手段的各波段的光谱成像技术研究也是日趋火热。相比较于阵列和扫描式光谱成像的成熟结构和相对固定的技术路线，基于编码孔径的光谱成像技术对实现方式并没有很明确的约束，可以支持非常灵活的设计。

针对前述的基于直接检波阵列接收机或单个超导直接检波器和傅立叶分光频谱仪结合的光谱成像技术的不足，以及编码孔径的技术优点，本发明的任务将提供一种新型太赫兹光谱成像方法，以实现高宽带连续谱、高频谱分辨率、高灵敏的太赫兹光谱成像。

发明内容

本发明提供了一种基于编码孔径的高灵敏度太赫兹超导光谱成像系统及系统成像方法。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：