多像元超导探测器接收系统，由太赫兹频段本振信号源、宽带波束分离器、Michelson干涉仪、超导SIS或HEB探测器阵列、多通道直流偏置电源、多通道读出电路及宽带频谱处理单元、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元组成。其中太赫兹波段本振信号源采用毫米波段固态本振源以及倍频放大的方式构成；宽带波束分离器采用在太赫兹频段具有高透过特性的15~75微米的Myler膜；超导探测器在太赫兹低频段，采用超导SIS探测器、在高频段则采用超导HEB探测器，低温低噪声放大器采用集成MMIC技术的低噪声放大器。高分辨频谱处理单元采用高分辨的数字频谱技术。多像元超导探测器布局采用工艺易于实现的方形阵列，同时基于结构紧凑考虑，使集成于每一超导探测器像元的平面天线，其远辐射场的主波束不交叠，并确保其接收信号受邻近像元干扰尽量低。
1.多像元超导探测器接收系统，该系统由太赫兹频段本振信号源、宽带波束分离器、Michelson干涉仪、超导SIS/HEB探测器、多通道直流偏置电源、多通道读出电路及宽带频谱处理单元、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元组成，所述太赫兹频段本振信号源接入所述宽带波束分离器，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，所述宽带波束分离器为Michelson干涉仪透射超外差混频时所需待测信号和反射太赫兹频段本振信号，所述Michelson干涉仪为超导SIS/HEB探测器提供直接检波时所需待测信号的干涉条纹；其特征是，超导SIS/HEB探测器中设有n x m探测器焦平面成像阵列，选取中心位置的1个像元为相干和非相干探测器，其它像元为非相干探测器；所述宽带波束分离器、太赫兹频段本振信号源、Michelson干涉仪、超导SIS/HEB探测器中的n x m个非相干探测器、多通道直流偏置电源、低温低噪声放大器、多通道读出电路及宽带频谱处理单元构成非相干检测子系统，进行n x m像元焦面阵成像的太赫兹信号非相干检测；所述太赫兹频段本振信号源、宽带波束分离器、探测器阵列中心位置的相干和非相干探测器、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元构成相干检测子系统，进行太赫兹信号相干检测。
2.根据权利要求1所述的多像元超导探测器接收系统，其特征是，所述低温低噪声放大器接在超导SIS/HEB探测器混频输出端和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元之间，对超导SIS/HEB探测器阵列作为混频器输出的中频进行低噪声处理和放大，所述常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元提供窄带高分辨频谱分析结果；所述多通道读出电路及宽带频谱处理单元提供宽带频谱分析结果和信号的太赫兹辐射特性直接成图。
3.根据权利要求1所述的多像元超导探测器接收系统，其特征是，所述多像元超导探测器接收系统是由n x m个具有相干检测和非相干检测功能的太赫兹频段准光型高灵敏度超导SIS/HEB探测器构成的n x m焦平面成像阵列。
4.根据权利要求1所述的多像元超导探测器接收系统，其特征是，所述多像元超导探测器接收系统中还设有为n x m超导SIS/HEB探测器阵列和低温低噪声放大器提供低温工作环境的4K闭环制冷系统。
5.太赫兹信号检测方法，其特征是，该方法包括下列步骤：
（11）信号经过宽带波束分离器1后，进入Michelson干涉仪形成干涉条纹输出，改变可动平面镜的位置，在探测器处就可以探测到两个波束干涉强度与光程差之间对应关系的干涉波纹；
（12）干涉条纹的读出：通过不断改变Michelson干涉仪可动平面镜位置，多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元同时从n x m超导SIS/HEB焦面阵读取对应时刻的干涉条纹，即n x m条干涉条纹与光程差对应关系曲线；
（13）对n x m条曲线同时进一步频谱分析，获取信号和超导SIS/HEB探测器的总频率响应，在已知每个超导SIS/HEB频率响应情况下，便可得到太赫兹信号宽带频谱特性，从而完成多像元的某频段的焦平面成像，即非相干宽带信号频谱分析；
（21）调整Michelson干涉仪固定平面镜和可动平面镜，确保信号经过Michelson干涉仪中的宽带波束分离器后两个波束的光程差为零；
（22）信号经过宽带波束分离器、Michelson干涉仪后，到达n x m超导SIS/HEB探测器处；
（23）多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元同时读取n x m超导SIS/HEB探测器阵列的偏置电流值；n x m组电流值对应不同空间位置的信号辐射强度信息，对超导SIS/HEB探测器偏置电流进一步校准处理，完成太赫兹信号辐射特性成图；
（31）信号经宽带波束分离器透射，与设定好所需频率和功率的太赫兹频段本振信号源经宽带波束分离器反射，信号、太赫兹频段本振信号入射方向与宽带波束分离器平面法线成45°角，使得信号有较好的透过率，同时又兼顾了太赫兹频段本振信号的反射率，一同汇集到进入Michelson干涉仪；
（32）经Michelson干涉仪输出的信号和本振源信号进入超导SIS/HEB探测器焦面阵；
（33）信号和本振源信号通过进入超导SIS/HEB探测器焦面阵中的相干超导SIS/HEB探测器进行混频，得到中频信号，中频信号同时保留了原信号的频率和幅度信息；
（34）中频信号先经过低温低噪声中频放大器进行放大，再通过常温中频及匹配的高分辨频谱处理单元进行高分辨频谱处理，从而完成多像元超导探测器接收系统的频段相干检测，即窄带高分辨信号频谱分析。
6.根据权利要求5所述的太赫兹信号检测方法，其特征是，所述步骤（21）和步骤（31）中进一步包括：信号经过Michelson干涉仪时，调整可动平面镜，使得信号经过Michelson干涉仪后的两个波束光程差为零。
7.根据权利要求5所述的太赫兹信号检测方法，其特征是，所述超导SIS/HEB探测器焦面阵为n x m超导SIS/HEB探测器阵列。
多像元超导探测器接收系统及太赫兹信号检测方法
技术领域
[0001] 本发明涉及信号检测领域，具体涉及一种n x m像元超导探测器接收系统和基于该系统的太赫兹信号检测方法。
背景技术
[0002] 目前在太赫兹波段（0.1THz～10THz）信号检测可分为两种。其一为非相干检测（直接检波方式），非相干检测可实现更高灵敏度宽带中低分辨信号检测，例如连续谱信号或遥远银河系外高红移天体信号的检测；其二为相干检测（超外差混频方式），相干检测可实现窄带高分辨信号检测，例如具有超精细结构分子谱线信号检测。这两种方法在射电天文、大气成分检测监测等领域应用已相当普遍。为了进一步提高观测效率，从上世纪80年代开始相干或非相干检测技术已从单像元接收向多像元接收（即多像元焦平面阵列，或称焦面阵）发展。与单像元接收机相比较，多像元接收机在提高观测效率方面，主要表现为：其一，成图（mapping）速率提高，一个n x m像元的接收机，其成图速率可提高为单像元的n x m倍；其二，成图（mapping）数据质量（一致性）提高，我们知道在太赫兹波段信号检测时，一般在几十秒内的天气变化对接收系统获取的观测数据可能有显著的影响，n x m像元同时获取不同空间位置数据，较单像元在不同时刻通过扫描获取n x m的数据，其质量显然要好得多。总之，比较单像元接收系统，多像元接收系统获取的观测数据时，在“量”和“质”两个方面都有显著的提高，特别在接收系统受其他因素（如天气或使用周期）严重限制的应用场合就显得尤为重要。所以基于多像元接收系统的相干检测技术或是非相干检测技术将会成为未来主要的太赫兹信号检测手段。
[0003] 在国际上基于多像元接收系统太赫兹波段的相干检测技术（采用超外差混频方式），有JCMT的HARP-B（4x4 beams）、KOSMA（5x5 beams）和HHT的SuperCam（8x8 beams）等多像元接收机，它们采用高灵敏超导SIS（Superconductor-Insulator-Superconductor）探测器阵列，在0.345THz频段甚至在更高频段进行太赫兹信号的相干探测；基于多像元探测器接收系统非相干检测技术（直接检波方式），有ACBAR（16 pixels）、JCMT的SCUBA（128 pixels）和SCUBA-2（～10000 pixels）等焦面阵，多数采用锗（Ge）型Bolometer或超导TES（Transition Edge Sensor）探测器进行太赫兹信号的非相干探测。
[0004] 我们知道，太赫兹波段相干检测系统可以实现窄带高分辨率的信号频谱检测，太赫兹波段非相干检测系统可以实现更高灵敏度宽带中低分辨率的信号检测。上述在国际上基于多像元接收系统的信号检测方法中，采用的都是单一的检测技术，或是相干检测（超外差混频方式），或是非相干检测（直接检波方式），并未在同一多像元接收系统集成这两种检测技术。至于紫金山天文台国内首次研制的9像元0.1THz频段（2.6mm）的超导成像频谱仪，也是采用以超导SIS探测器为关键部件的单一的相干检测技术。目前基于多像元接收系统集成相干和非相干两种检测技术的太赫兹信号检测方法则尚未报道。
发明内容
[0005] 针对前述基于多像元接收系统的信号检测方法存在的不足，本发明的将提供一种基于多像元超导探测器接收系统的太赫兹信号检测方法，即在多像元超导探测器接收系统6
中集成相干检测或非相干检测两个分系统，以实现窄带高分辨（λ/Δλ≥10 ）和更高灵敏度宽带（> 100 GHz）的太赫兹信号检测。
[0006] 为了完成上述发明任务，采取如下技术方案：多像元超导探测器接收系统，该系统由太赫兹频段本振信号源、宽带波束分离器、Michelson干涉仪、超导SIS或HEB（Hot Electron Bolometer）探测器阵列（在太赫兹频段超导SIS或HEB探测器具备相干和非相干探测性能）、多通道直流偏置电源、多通道读出电路及宽带频谱处理单元、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元组成。其中太赫兹波段本振信号源采用毫米波段固态本振源以及倍频放大的方式构成；宽带波束分离器采用在太赫兹频段具有高透过特性的15~75微米的Myler膜；超导探测器在太赫兹低频段（1.4THz以下），采用超导SIS探测器（具有3~5倍量子极限噪声性能）、在高频段则采用超导HEB探测器（在1.4THz以上超导HEB探测器具有比超导SIS探测器更优噪声性能），低温低噪声放大器采用集成MMIC技术的低噪声放大器。高分辨频谱处理单元采用高分辨的数字频谱技术。多像元超导探测器布局采用工艺易于实现的方形阵列，同时基于结构紧凑考虑，使集成于每一超导探测器像元的平面天线，其远辐射场的主波束不交叠，并确保其接收信号受邻近像元干扰尽量低（小于20dB以上）。
[0007] 所述太赫兹频段本振信号源接入所述宽带波束分离器，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，所述宽带波束分离器为Michelson干涉仪透射超外差混频时所需待测信号和反射太赫兹频段本振信号，所述Michelson干涉仪为超导SIS/HEB探测器提供直接检波时所需待测信号的干涉条纹；在多像元超导SIS/HEB探测器构成的焦平面成像阵列，选取其中心位置的1个像元作为相干和非相干探测器，其它像元为非相干探测器；所述宽带波束分离器、太赫兹频段本振信号源、Michelson干涉仪、多像元超导SIS/HEB非相干探测器、多通道直流偏置电源、低温低噪声放大器、多通道读出电路及宽带频谱处理单元构成非相干检测子系统，进行多像元焦面阵成像的太赫兹信号非相干检测；所述太赫兹频段本振信号源、宽带波束分离器、探测器阵列中心位置的相干探测器、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元构成相干检测子系统，进行太赫兹信号相干检测。
[0008] 所述低温低噪声放大器接在超导SIS/HEB探测器混频输出端和常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元之间，对超导SIS/HEB探测器阵列作为混频器输出的中频进行低噪声处理和放大，所述常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元提供窄带高分辨频谱分析结果；所述多通道读出电路及宽带频谱处理单元提供宽带频谱分析结果或信号辐射特性直接成图（imaging）。
[0009] 本发明的系统由相干和非相干两个子系统组成，具体是：由n x m个具有相干检测和非相干检测功能的太赫兹频段准光型高灵敏度超导SIS/HEB探测器阵列（构成n x m像元超导探测器焦平面阵列，选取中心位置其中1个像元为相干和非相干探测器，其它的像元为非相干探测器）、宽带波束分离器、太赫兹频段本振信号源、Michelson干涉仪、多通道直流偏置电源、多通道读出电路及宽带频谱处理单元、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元等构成。其中超导SIS/HEB探测器、Michelson干涉仪、多通道直流偏置电源、多通道读出电路及宽带频谱处理单元等构成非相干检测子系统，进行n x m像元焦面阵成像的太赫兹信号非相干检测。选取焦面阵中心位置其中1个超导SIS/HEB探测器作为相干用混频器，与宽带波束分离器、太赫兹频段本振信号源、低温低噪声放大器、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元构成相干检测子系统，进行太赫兹信号相干检测。
[0010] 相干和非相干太赫兹信号检测，可以在所述多像元超导探测器接收系统中实现：
[0011] 太赫兹信号检测方法，包括下列步骤：
[0012] 步骤1 太赫兹信号非相干检测的步骤：
[0013] （11）信号经过宽带波束分离器后，进入Michelson干涉仪形成干涉条纹输出，改变可动平面镜32的位置，在探测器处就可以探测到两个波束干涉强度与光程差之间对应关系的干涉波纹；
[0014] （12）干涉条纹的读出：通过不断改变Michelson干涉仪可动平面镜32位置，多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元同时从n x m超导SIS/HEB焦面阵读取对应时刻的干涉条纹，即n x m条干涉条纹与光程差对应关系曲线;
[0015] （13）对n x m条曲线同时进一步频谱分析，获取信号和超导SIS/HEB探测器的总频率响应，在已知每个超导SIS/HEB频率响应情况下，便可得到太赫兹信号宽带频谱特性，从而完成多像元的某频段的焦平面成像，即非相干更高灵敏的宽带信号频谱分析。
[0016] 步骤2太赫兹信号辐射特性直接成图（imaging）的步骤：
[0017] （21）调整Michelson干涉仪固定平面镜和可动平面镜，确保信号经过Michelson干涉仪中的宽带波束分离器后两个波束的光程差为零；
[0018] （22）信号经过宽带波束分离器、Michelson干涉仪后，到达n x m超导SIS/HEB探测器处；
[0019] （23）多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元同时读取n x m超导SIS/HEB探测器阵列的偏置电流（或电压）值。n x m组电流（或电压）值对应不同空间位置的信号辐射强度信息，对超导SIS/HEB探测器偏置电流（或电压）进一步校准处理，完成太赫兹信号辐射特性直接成图。
[0020] 步骤3太赫兹信号相干检测的步骤：
[0021] （31）信号经宽带波束分离器透射，与设定好所需频率和功率的太赫兹频段本振信号源经宽带波束分离器反射，信号、太赫兹频段本振信号入射方向与宽带波束分离器平面法线成45°角，使得信号有较好的透过率，同时又兼顾了太赫兹频段本振信号的反射率，一同汇集到进入Michelson干涉仪。
[0022] 信号经过Michelson干涉仪时，为了得到较好的信号强度，调整可动平面镜，使得信号经过Michelson干涉仪后的两个波束光程差为零（当光程差调整为零时，信号没有发生干涉，其幅度没有消减）。
[0023] （32）经Michelson干涉仪输出的信号和本振源信号进入超导SIS/HEB探测器焦面阵；
[0024] （33）信号和本振源信号通过进入超导SIS/HEB探测器焦面阵中的相干超导SIS/HEB探测器进行混频，得到中频信号，中频信号同时保留了原信号的频率和幅度信息。
[0025] （34）中频信号先经过低温低噪声中频放大器进行放大，再通过常温中频及匹配的高分辨频谱处理单元进行高分辨频谱处理，从而完成多像元超导探测器接收系统的太赫兹频段的信号相干检测，即窄带高分辨信号频谱分析。
[0026] 本发明有益的效果是，在同一个多像元超导接收系统中，集成相干检测和非相干检测相结合的太赫兹信号检测技术，也就是：采用n x m个高灵敏度太赫兹频段超导SIS/HEB探测器阵列，实现焦平面成像的非相干检测，完成快速成图，其速率提高为单个接收像元的n x m倍，同时每个超导SIS/HEB探测器可实现超过100GHz超带宽连续谱信号检测，也可直接进行n x m像元的信号辐射特性直接成图。选取焦面阵中心位置其中1个超导SIS/HEB探测器作为混频器，结合后端低温低噪声放大器、常温中频及其匹配的高分辨频谱处理6
单元，可实现高分辨率（λ/Δλ≥10 ）分子谱线信号相干检测。
附图说明
[0027] 图1是本发明实施例1的系统框图。
[0028] 图2是本发明实施例1中Michelson干涉仪原理示意图。
[0029] 图3是本发明实施例1中6x6超导SIS/HEB探测器示意图。
[0030] 图4是本发明实施例1中6x6超导SIS/HEB焦面阵示意图。
具体实施方式
[0031] 现结合附图与实施例作进一步说明。
[0032] 实施例1
[0033] 如图1所示，超导SIS/HEB探测器6 x 6像元接收系统，由太赫兹频段本振信号源2、宽带波束分离器1、Michelson干涉仪3、超导SIS/HEB探测器4、多通道直流偏置电源5、多通道读出电路及宽带频谱处理单元6、低温低噪声放大器7、常温中频及其匹配高分辨频谱处理单元8组成。太赫兹频段本振信号源2接入宽带波束分离器1，提供超外差混频的太赫兹频段本振信号，宽带波束分离器1为Michelson干涉仪3透射超外差混频时所需待测信号和反射太赫兹频段本振信号，Michelson干涉仪3为超导SIS/HEB探测器提供直接检波时所需待测信号的干涉条纹。其中，超导SIS/HEB探测器中设有6 x 6焦平面成像阵列
42。
[0034] 基于超导探测器6 x 6像元接收系统太赫兹信号相干和非相干检测中，由宽带波束分离器1、Michelson干涉仪3、6 x 6超导SIS/HEB探测器 4、多通道直流偏置电源5和多通道读出电路及宽带频谱处理单元6等组成36波束的焦面阵列的非相干检测子系统，进行焦面阵成像的非相干检测（直接检波），实现36波束焦面阵的信号的太赫兹辐射特性成图和更高灵敏度宽带中低分辨率频谱分析。
[0035] 由宽带波束分离器1、太赫兹频段本振信号源2、Michelson干涉仪3、6 x 6超导SIS/HEB焦面阵42中心位置的相干超导SIS/HEB探测器C4（见图3）、多通道直流偏置电源5其中1路直流偏置电源、低温低噪声放大器7和常温中频及匹配高分辨频谱处理单元8等组成单个超导SIS/HEB相干检测子系统，进行相干检测（超外差混频），实现窄带高分辨太赫兹分子谱线的频谱分析。
[0036] 在两个子系统中，共用宽带波束分离器1、Michelson干涉仪3、6 x 6超导SIS/HEB探测器4、多通道直流偏置电源5。其中宽带波束分离器1在非相干检测子系统中，仅起信号通路作用；在相干检测子系统中，Michelson干涉仪3也其信号通过的作用，仅选取6 x 6超导SIS/HEB探测器4中心位置其中的一个超导SIS/HEB探测器（见图3的C4）作为混频器，同样也仅选取多通道直流偏置电源5其中1路直流偏置电源（与C4超导SIS/HEB探测器相连的直流偏置电源）。另外，4K闭环制冷系统9为6 x 6超导SIS/HEB焦面阵4和低温低噪声放大器7提供低温工作环境。
[0037] 如图2所示的Michelson干涉仪由固定平面镜31（Fixed Mirror）、可动平面镜32（Moveable Mirror）和波束分离器（Beamsplitter）33组成。其工作原理是：信号进入Michelson干涉仪3，在波束分离器33处，被分成两个波束；两个波束经过可动平面镜31和固定平面镜32的反射后，又在波束分离器33处汇合；改变Michelson干涉仪3中的可动平面镜32的位置，使得可动平面镜31和固定平面镜32分别与波束分离器33的距离不相等而产生光程差，从而两个波束发生干涉；通过不断改变可动平面镜31的位置，Michelson干涉仪3就可以输出干涉强度随光程差变化而变化的干涉条纹。Michelson干涉仪3是非相干检测子系统的主要设备之一，信号通过Michelson干涉仪产生干涉条纹，被超导SIS/HEB焦平面阵列接收，才可实现宽带频谱检测。
[0038] 如图3和图4所示，6 x6超导接收前端由超半球透镜41和36个太赫兹频段的超导SIS/HEB探测器A1—F6组成，36个太赫兹频段的超导SIS/HEB探测器位于超半球透镜焦平面上，形成6 x 6超导SIS/HEB焦面阵42，其中C4超导SIS/HEB探测器，具有非相干检测（直接检波）和相干检测（超外差混频）功能。
[0039] 图1中的6 x 6像元超导探测器接收系统的太赫兹非相干检测的步骤如下： [0040] （11）信号经过宽带波束分离器1后，进入Michelson干涉仪3形成干涉条纹输出，改变可动平面镜32的位置，在探测器处就可以探测到两个波束干涉强度与光程差之间对应关系的干涉波纹。
[0041] （12）干涉条纹的读出：通过不断改变Michelson干涉仪可动平面镜32位置，多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元6同时从6 x 6超导SIS/HEB焦面阵4可读取36路对应时刻的干涉条纹，即36条干涉条纹与光程差对应关系曲线。
[0042] （13）对36条曲线进一步频谱分析，就可获取信号和超导SIS/HEB探测器的总频率响应，在已知每个超导SIS/HEB频率响应情况下，便可得到太赫兹信号宽带中低分辨率的频谱特性，从而完成多像元的太赫兹频段的焦平面成像，即非相干宽带信号频谱分析。
[0043] 图1中的6 x 6像元超导探测器接收系统的太赫兹信号辐射特性直接成图（imaging）的步骤如下：
[0044] （21）调整Michelson干涉仪固定平面镜和可动平面镜，确保信号经过Michelson干涉仪中的宽带波束分离器后两个波束的光程差为零；
[0045] （22）信号经过宽带波束分离器1、Michelson干涉仪3后，到达6 x 6超导SIS/HEB探测器处；
[0046] （23）多通道数据读出电路及宽带频谱处理单元6同时读取6 x 6超导SIS/HEB焦面阵4的探测器的偏置电流值。36组电流值对应不同空间位置的信号辐射强度信息，对超导SIS/HEB探测器偏置电流值进一步校准处理，实现太赫兹信号辐射特性直接成图（imaging）。
[0047] 图1中的6 x 6像元超导探测器接收系统的太赫兹频段相干检测的步骤如下： [0048] （31）信号经宽带波束分离器1透射，与设定好所需频率和功率的太赫兹频段本振信号源2经宽带波束分离器1反射（信号、太赫兹频段本振信号入射方向与宽带波束分离器1平面法线成45°角，使得信号有较好的透过率，同时又兼顾了太赫兹频段本振信号的反射率），一同汇集到进入Michelson干涉仪3。
[0049] 信号经过Michelson干涉仪3时，为了得到较好的信号强度，调整可动平面镜32，使得信号经过Michelson干涉仪3后的两个波束光程差为零（当光程差调整为零时，信号没有发生干涉，其幅度没有消减）。
[0050] （32）经Michelson干涉仪3输出的信号和本振源信号进入超导SIS/HEB探测器焦面阵4。
[0051] （33）信号和本振源信号通过进入超导SIS/HEB探测器焦面阵4中的C4超导SIS/HEB探测器（见图3）进行超外差混频，得到中频信号，中频信号同时保留了原信号的频率和幅度信息。
[0052] （24）中频信号先经过低温低噪声中频放大器7进行放大，再通过常温中频及匹配的高分辨频谱处理单元8进行高分辨频谱处理，从而完成多像元超导探测器接收系统的太赫兹频段相干检测，即窄带高分辨信号频谱分析。
