高空间分辨率高可见度的太赫兹光谱成像研究

太赫兹光谱成像,不但包括在二维图像空间的强度信息,同时可以得到太赫兹波段的光谱信息,构成了一个三维的数据矩阵。由于受到太赫兹成像系统内部硬件的限制和影响,太赫兹频域较高频段处信号存在能量弱、信噪比低的特点,导致所成的太赫兹图像普遍存在分辨率低、对比度低等问题。因此,利用三维数据矩阵,应用适合的算法,实现了提高太赫兹光谱成像空间分辨率、边缘细节可见度的目的。搭建了三维可移动式太赫兹时域光谱成像系统,实现了对标准高分辨率板的二维扫描。对该系统所采集到的信号分别进行时域、频域等多种方式成像对比,结合瑞利判据和分辨率标尺对成像系统的空间分辨率、景深进行标定,研究了提高太赫兹光谱成像的空间分辨率算法。然后,针对太赫兹频域高频区域信噪比低、对比度低、噪声原因复杂的特点,结合深度残差学习的图像去噪理论,提出了太赫兹图像深度去噪网络,在训练集中引入成像系统中真实的“太赫兹残差噪声”。最后,利用所训练出的模型对太赫兹频域高频区域图像进行盲去噪,并用重建图像分别与原始成像结果和传统太赫兹去噪算法结果进行比较,分别从主观和客观两个方面评价了不同算法对太赫兹频域高频图像的去噪效果。实验结果表明,通过该算法实现...     

Gabor小波分析太赫兹波时间-频率特性的研究

引入小波变换将太赫兹脉冲波形变换到二维的时间-频率平面,对太赫兹脉冲时间-频率特性作联合分析.Gabor小波的形状因子是控制小波时间-频率特性的重要参数,通过改变Gabor小波形状因子提高了小波分析太赫兹脉冲的时间分辨率和频率分辨率. 关键词： 太赫兹辐射 小波变换 频谱分析     

太赫兹无损检测的研究*

无损检测技术是一种不破坏零件或材料,可直接在现场进行检测的技术,广泛应用于样件的质量评估。太赫兹波具有量子能量低,对大多数非极性物质透明,兼具频谱性和成像性等特点。作为一种新型技术,太赫兹无损检测已经成为现有无损检测技术的有力补充。文章介绍了太赫兹成像系统的工作原理,阐述了基于连续太赫兹成像的无损检测技术在实际样件测试中的应用。实验测试结果表明,一些样件利用太赫兹无损检测技术可测得其内部缺陷。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

多层胶接结构胶层空气缺陷的太赫兹无损检测

利用建筑材料、隔热垫和胶粘剂制作了胶层中含人工空气缺陷的三层胶接结构,并利用SynViewScan 300连续太赫兹成像系统对样件进行了检测。通过分析胶接面的太赫兹二维图像及缺陷处和正常胶粘处的单点纵向信号,获得了胶层空气缺陷的位置和大小信息。结果表明,连续太赫兹波成像系统可以清晰识别胶接结构中的胶层空气缺陷。     

相位补偿算法对提高太赫兹雷达距离像分辨率的研究

介绍了0.2 THz频率步进雷达系统以及获得一维距离像的方法,并利用0.2 THz雷达对角反射器进行距离像分辨率实验,分析了频率步进信号相位不一致对一维距离像以及分辨率的影响,提出了回波相位补偿的方法.经过相位补偿后,目标距离像分辨率和信噪比都显著提高,分辨率达到了厘米量级.仿真和实验结果表明,宽带太赫兹频率步进雷达经过相位补偿,可以对目标进行高分辨率成像,从而为太赫兹雷达二维和三维成像奠定了基础.     

基于经验模态分解提高太赫兹频率分辨率的方法

太赫兹频率分辨率是影响物质鉴别的重要因素,但是由于太赫兹时域光谱系统中存在器件反射,使得参考信号和测量信号出现多个反射峰,时域信号长度截断导致频率分辨率很低。为了去除反射峰的影响,提出基于经验模态分解去除时域反射峰,从而提高太赫兹频率分辨率的方法。通过与太赫兹主峰的互相关定位时域反射峰,计算反射峰的上下包络和求平均值,获取本征模函数并代替反射峰,增加时域信号有效长度,提高太赫兹频域分辨率。空气中水蒸汽的太赫兹透射谱实验结果表明,该方法具有自适应去除多个反射峰的能力,对太赫兹时域信号修复效果良好,频率分辨率提高了12倍,而且未丢失有用的吸收谱信息,吸收峰的位置和个数与真实谱一致,很好地保留了太赫兹谱的鉴别能力。     

一种基于小波变换的太赫兹时域光谱分析方法

传统太赫兹光谱傅里叶分析法要求必须先测量出无样品时的THz信号作为参考信号,对测量环境要求高,提出了一种基于小波变换的太赫兹时域光谱信号处理方法,以简化太赫兹光谱测量的步骤.对空气中直接测得的样品光谱信号进行去噪预处理,然后利用Coiflets正交小波基进行多尺度下的小波分解,进而计算出各样品不同尺度下的小波多分辨信息熵,得到表征样品的特征信息.实验结果表明,在太赫兹频段,不同样品的小波多分辨信息熵值差异显著,同一样品则保持稳定;不同湿度下光谱信号的小波熵值重复性好,平均偏差小于0.05.     

基于线性调频机制的太赫兹无损检测成像技术

基于全固态电子器件和零中频机制，设计了基于调频连续波的太赫兹无损检测成像系统。所提系统的有效频率范围为9.375～13.75 GHz,经24倍频后自由空间中的频率范围为0.225～0.330 THz。采用单个喇叭天线与定向耦合器结合，实现收发一体，并利用光学透镜组对太赫兹波束进行准直聚焦。对准光系统的波束质量进行了优化，提高了系统的信噪比，确保了在现有参数条件下的最佳空间分辨率。同时，采用相位聚焦的方法对系统进行了非线性矫正，使得深度分辨率接近理论分辨率。系统采用直线扫描和旋转扫描组合的方式，实现了柱坐标三维数据的获取。利用所提系统对高压绝缘端子进行了检测评估，并重构了全视角透视图像，实现了目标三维结构在实空间和像空间的孪生对应。此外，所提系统能够准确地显示绝缘端子内部的异常区域，有助于直观地评估被检测目标的内部状态，进而可以进一步满足工业领域无损检测的需求。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm,提高0.502 mm,约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象,分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式,并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像,对比两种方式得到的样品的太赫兹像,结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析,指出小孔尺寸越小,系统的空间相干长度越大,空间分辨率越高,但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率,从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

Terahertz Real-Time Off-Axis Digital Holography with Zoom Function

We present a terahertz(THz) real-time digital holographic system with zoom function worked at 0.17 THz. The magnification factor ranges from 1 to 2. In the imaging experiment, the resolution is 2 mm with the magnification factor of 1.2. A metal sheet with F-shaped hollow is used as a sample, and its THz holograms are reconstructed by our developed algorithm based on the angular spectrum theorem, and the qualities of the THz images under different conditions are compared.     

Continuous-wave terahertz in-line digital holography

A terahertz (THz) in-line digital holography project has been proposed based on a CO₂ pumped 2.52?THz continuous-wave laser and a pyroelectric-array camera used as the detector. The THz Gabor in-line digital holograms have been obtained and then the high resolution reconstruction of THz in-line digital holography was realized. The resolution of an in-line digital holography system has been tested by the use of a series of objects. High-quality and high-resolution reconstructed images have been obtained, and the real lateral resolution is higher than 0.2?mm. It can be inferred from the results that the THz Gabor in-line digital holography system has the abilities of real-time and high-resolution imaging.     

Recent advances in terahertz imaging

We review recent progress in the field of terahertz “T-ray” imaging. This relatively new imaging technique, based on terahertz time-domain spectroscopy, has the potential to be the first portable far-infrared imaging spectrometer. We give several examples which illustrate the possible applications of this technology, using both the amplitude and phase information contained in the THz waveforms. We describe the latest results in tomographic imaging, in which waveforms reflected from an object can be used to form a three-dimensional representation. Advanced signal processing tools are exploited for the purposes of extracting tomographic results, including spectroscopic information about each reflecting layer of a sample. We also describe the application of optical near-field techniques to the THz imaging system. Substantial improvements in the spatial resolution are demonstrated. Received: 29 January 1999 / Published online: 7 April 1999     

频率步进太赫兹脉冲成像技术研究

针对太赫兹频段具有大带宽的特点,阐述了太赫兹波段进行高分辨力成像的原理,按照微波上变频的方法,将微波源通过混频和倍频方式得到太赫兹频率源;采用频率步进脉冲体制,设计和实现了220 GHz太赫兹主动成像系统;并在暗室和外场进行了分辨力测试和拉距实验,获得的纵向分辨力达4 cm,测试距离达10 m。     

Terahertz two-pixel imaging based on complementary compressive sensing

A compact terahertz(THz) imaging system based on complementary compressive sensing has been proposed using two single-pixel detectors. By using a mechanical spatial light modulator, sampling in the transmission and reflection orientations was achieved simultaneously, which allows imaging with negative mask values. The improvement of THz image quality and anti-noise performance has been verified experimentally compared with the traditional reconstructed image, and is in good agreement with the numerical simulation. The demonstrated imaging system, with the advantages of high imaging quality and strong anti-noise property, opens up possibilities for new applications in the THz region.     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。     

Real-time reflection imaging with terahertz camera and quantum-cascade laser

A real-time reflection imaging employing a terahertz （THz） camera as the imager and a 3.9 THz quantum- cascade laser （QCL） as the light source is demonstrated. The imaging light is collected and guided by only one off-axis parabolic mirror. The imaging distance is about 1 m. THz images of a coin and a knife are aacquired and analyzed. An actual soatial resolution with a value of about 0.33 mm is achieved.     

Experimental research on resolution improvement in CW THz digital holography

High-resolution continuous-wave terahertz (CW THz) real-time imaging operating at 2.52 THz is demonstrated based on THz digital holographic technique. To eliminate the influence of zero-order diffraction while reducing the recording distance, effective zero-order diffraction suppression methods are studied and compared. The spatial resolution of the imaging system is tested by imaging a self-made Siemens star. When the recording distance is 2.1 cm, the measured resolution can reach 0.245 mm. The experimental results confirm the high imaging performance of the THz digital holography system.     

Continuous-wave terahertz digital holography by use of a pyroelectric array camera

Terahertz (THz) digital holography is realized based on a 2.52?THz far-IR gas laser and a commercial 124 × 124 pyroelectric array camera. Off-axis THz holograms are obtained by recording interference patterns between light passing through the sample and the reference wave. A numerical reconstruction process is performed to obtain the field distribution at the object surface. Different targets were imaged to test the system's imaging capability. Compared with THz focal plane images, the image quality of the reconstructed images are improved a lot. The results show that the system's imaging resolution can reach at least 0.4 mm. The system also has the potential for real-time imaging application. This study confirms that digital holography is a promising technique for real-time, high-resolution THz imaging, which has extensive application prospects.