[发明专利]双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像探测装置和探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种太赫兹信号多维图像探测装置，具体涉及一种基于KID（Kinetic Inductance Detector）探测器阵列双傅立叶变换的太赫兹信号多维图像高灵敏探测装置和基于该探测装置的太赫兹信号多维图像探测方法。

背景技术

太赫兹一般定义为0.1~10THz频率区间，太赫兹单天线望远镜是开展太赫兹天文观测研究的观测主要设备，其最重要的优点是采用焦平面阵接收机进行天体观测对象的高效率成图观测。目前，APEX、ASTE、CCAT、JMCT等地面单天线太赫兹望远镜系统，以及Herschel、JAXA、SPICA、SOFIA空间或机载太赫兹/远红外望远镜等都配备或计划配备焦平面阵列接收机。我国正在积极推进中国南极天文台计划，拟建设的5m太赫兹望远也计划配备焦平面阵列接收机。单天线望远镜焦平面阵列接收机有两种类型：超外差混频器阵列接收机和直接检波阵列接收机。太赫兹超外差混频器阵列（如超导SIS、HEB混频器）可实现高灵敏度和高频率分辨率的分子谱线成图观测，但其探测灵敏度受量子极限噪声限制。随着超外差混频器阵列像元的增加，系统复杂性（包括本振参考信号源功率耦合和分配，低温中频电路以及超导混频器偏置电路链接和布局等）亦随之增加, 因此发展更大规模（1k以上）的超外差混频器阵列将面临巨大的技术挑战。太赫兹直接检波阵列（如Bolometer、超导HEB、STJ、TES、KID探测器等）其探测灵敏度不受量子极限噪声限制，可实现背景极限的高灵敏度宽带连续谱观测，且直接检波阵列接收机无需本振信号源，没有了信号耦合和分配、以及大规模的中频电路功耗和电路链接等问题，因此采用太赫兹直接检波阵列可构建比超外差混频器阵列规模更大、集成度更高的焦平面阵列接收机，实现更高灵敏度太赫兹信号图像的探测。

太赫兹超外差混频器阵列焦平面接收机可进行天体的高频率分辨频谱图像观测，却难于实现其宽带连续谱成图像观测。与之相比，太赫兹直接检波阵列平面接收机可实现天体的宽带连续谱成图像观测，却难于实现其高分辨频谱图像观测。也就是说，采用以上两种阵列接收机，无法实现天体包括连续谱和频谱的多维图像观测。将直接检波焦平面阵列与傅立叶分光光谱仪相结合，可为天体的多维图像观测提供了新的技术手段，并在很大程度上弥补了超外差混频器阵列和直接检波阵列这两种焦平面接收机单一形式图像探测技术的不足。

目前，采用直接检波焦平面阵列与傅立叶分光光谱仪相结合的图像探测技术，主要应用于太赫兹天文频谱图像观测研究，其中欧空局主导的Herschel卫星SPIRE设备是一个典型例子。该设备包含了一个工作在200-670 微米波段成像傅立叶分光频谱仪IFTS（Imaging Fourier Transform Spectrometer），焦平面阵列采用半导体Bolometer探测器，像元数为56。JCMT太赫兹望远镜装备的SCUBA-2 IFTS 采用了SPIRE傅立叶分光频谱仪同样的光路设计，工作在450微米和850微米波段。其升级版SCUBA-2 FTS-2则采用超导TES探测器，像元数约3200（SCUBA-2探测器规模为10k）。JAXA太赫兹/远红外空间望远镜配备的AKARI/IFS-FTS成像傅立叶分光频谱仪，其工作波段覆盖70-170微米，采用Ge:Ga光电导体探测器，像元数为75。另外，计划配备于SPICE太赫兹空间望远镜中的成像傅立叶分光频谱仪设备SAFARI ，拟采用超导TES探测器，工作波段覆盖34-210微米，像元数约为4000。