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...     

基于双阈值canny均衡化算法的太赫兹图像增强

存在于微波与远红外之间的太赫兹波,因其无损害,稳定性高等独特性质使太赫兹光谱与成像技术在近几年来得到了迅猛的发展。太赫兹波独有的无损伤检测特性,在安全检测方面具有良好的发展前景,获得广大学者的研究和关注。经过太赫兹成像系统获得的太赫兹图像,虽然可以识别出隐藏的武器或其他金属制品,但是太赫兹图像的对比度和清晰度均较差,不能完全符合人眼的视觉效果,也不利于机器识别。目前,对太赫兹图像质量的提高和改善,成为太赫兹成像技术长远发展和广泛应用的关键问题。实验采用太赫兹波投射式成像系统对藏于物体中的金属心型吊坠和金属箭头进行成像,扫描步长0.5 mm,由于太赫兹光源大,能量起伏等系统缺陷,以及外部环境的复杂与干扰,导致成像所得图像均有背景噪声严重,边界模糊等问题,成像质量较差。提出一种基于双阈值的canny均衡化太赫兹图像增强算法,根据太赫兹图像自身性质限制,确定阈值和对图像均衡化的范围,实现图像降噪并引入双阈值canny算法和梯度幅值算法,使图像的对比度和清晰得到整体提高,并保留和突出太赫兹图像的细节信息,获得高分辨率、边缘清晰的图像。实验表明该算法对太赫兹图像具有良好的降噪效果,能够保留图像细节信息,图像对比度和图像质量得到增强和提高,同时增强了太赫兹成像技术对隐藏缺陷或隐藏物体的辨别能力和透视能力,为其在安检应用方面提供必要保证。     

基于相机扫描的太赫兹光场成像预处理方法

太赫兹光场成像是一种太赫兹波段内的计算成像手段。在太赫兹相机扫描成像的基础上进行了图像预处理和光场计算。针对太赫兹相机受器件性能限制导致输出图像存在噪声大、分辨率低和视场小等问题,对基于相机扫描的太赫兹光场成像进行了预处理,通过控制二维平移台,采集到一系列存在特定视角差别的目标图像;采取高通滤波方式对图像进行处理,得到噪声小、锐化程度好的图像;在不降低图像分辨率的基础上利用Harris特征图像拼接算法计算得到较大视场的图像。通过上述方法,有效地提高了光场成像质量,为实现太赫兹光场成像三维重构奠定了基础。     

基于混合Powell法的太赫兹/可见光双波段图像配准

提出一种改进Powell法结合遗传算法的混合算法,配准人体安检仪的太赫兹与可见光双波段图像。针对被动式太赫兹图像特征点难以提取的问题,以互信息为相似性测度,通过遗传算法寻优获取7个仿射变换参数的近似解并将其设置为改进Powell算法的初始点,然后利用改进Powell法的局部搜索能力,得到7个变换参数的精确解。利用单一遗传算法、单一Powell算法和本文混合算法分别对两组太赫兹和可见光图像进行配准。以均方根误差为评价标准对配准结果进行评价。实验结果证明,相比于单一遗传算法和Powell算法,该方法达到了更高的配准精度。能进一步用于太赫兹与可见光双波段图像融合,以提高对衣物内藏匿物品的识别精度,增强太赫兹人体安检仪的实用性。     

基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法研究

针对太赫兹光场成像中由前景遮挡物影响感兴趣信息采集的问题,提出基于多视角合成孔径的太赫兹光场成像去遮挡算法。在分析太赫兹光场成像数字重聚焦原理的基础上,首先使用太赫兹焦平面阵列相机来采集太赫兹光场的原始数据,然后通过确定最小泛化误差来定位数字重聚焦深度,最后应用经验模式分解(EMD)法对重构图像进行增强处理,得到目标物轮廓分明、抑制遮挡物干扰的太赫兹图像。实验结果表明,太赫兹光场技术与合成孔径技术的结合可有效降低遮挡物的影响,另外证实了EMD法具有改善太赫兹图像质量的能力。     

太赫兹连续波成像的质量改进与降噪

太赫兹波成像具有电离辐射小,对有机物鉴别力高等多种技术优势,因而非常适合应用于非接触式、非破坏性成像检测。然而这种成像手段易受到成像时电磁环境干扰和设备功率变化等问题的影响,因而存在一些特定的干扰模式,导致大部分的太赫兹脉冲扫描图像很难获得高清晰度的图像。利用搭建的太赫兹连续波源透射光路成像系统实现了逐点扫描式太赫兹成像。通过阈值灰度变换算法的改进优化,对卡片、树叶、一元硬币和钥匙四种样品的太赫兹波图像进行了去噪,然后基于拉普拉斯算子对图像进行锐化增强,并用均方误差和峰值信噪比估计等对去噪效果进行评价。去噪后太赫兹波扫描的部分样品峰值信噪比估计值提高可达4～5 dB,图像质量得到明显改善。研究证明所搭建的太赫兹成像系统具有一定的应用前景。     

雷达信号处理技术在太赫兹成像中的应用

太赫兹成像采用的成像算法多来自于其他频段已经成熟的成像算法,而针对太赫兹波特性的成像算法还不多见,因此在太赫兹频段形成了成像机理及算法研究的空白。按照经典电磁理论、光学原理对太赫兹成像进行分类,指出了雷达成像与太赫兹成像之间的关系。并通过研究太赫兹雷达目标散射特征,分析了不同太赫兹源的衍射极限成像分辨力。最后,从信号处理的角度介绍了太赫兹雷达信号处理及成像算法的研究现状。     

被动式太赫兹图像目标检测研究

研究提出一种被动式太赫兹扫描成像的目标检测方法。用0.22 THz被动式扫描成像系统采集原始图像,在滤波去噪后用针孔像分析法获得太赫兹扫描成像系统的点扩展函数,进而用Lucy-Richardson算法重构图像,通过灰度变换和边缘检测增强图像对比度和目标分辨力。实验结果表明,算法能有效改善被动式太赫兹图像质量,提高成像系统探测隐藏可疑物的能力。     

基于太赫兹时域透射成像技术的葵花籽内部品质无损检测研究

葵花籽壳内籽仁的品质直接影响产出食用油的质量,利用太赫兹时域透射成像技术,结合形态学滤波和K-均值图像分割的方法,对葵花籽破损粒、虫蚀粒、空壳粒三种异常样本进行带壳无损检测,实现对葵花籽壳内品质的探索研究。参考国家标准和前人经验制备破损粒、虫蚀粒和空壳粒三种带壳葵花籽样本,利用太赫兹时域光谱仪TeraPulse 4000及透射成像附件,以0.2 mm的分辨率分别采集上述三种异常样本的光谱图像,并采集一颗正常葵花籽的光谱图像作为参照,以峰峰值成像的方式对四种葵花籽太赫兹图像进行重构。通过太赫兹图像可初步判断壳内籽仁的形态,但仍存在对比度低、边缘信息模糊等问题,需要进一步优化处理。采用形态学滤波算法对葵花籽的太赫兹图像进行滤波,选择边长为3的平坦型菱形结构元素作为核对图像进行一次膨胀,再计算图像的外部梯度,完成对图像的滤波处理;将形态学滤波结果分别与中值滤波、均值滤波和非局部均值滤波结果进行比较,对比发现,形态学滤波不仅保证了图像的清晰度,保留了边缘信息,同时能使葵花籽样本与背景之间存在明显界限,有利于后续进行图像分割处理。为了更加准确的检测葵花籽籽仁的形态,对滤波后图像进行图像分割。采用K-均值聚类算法对滤波后的太赫兹图像进行图像分割;为提高分割结果的准确性,对不同样本的图像分别确定了不同的初始聚类中心个数K,其中破损粒K=4、虫蚀粒K=5、空壳粒K=3、正常粒K=4,分割后的图像能准确呈现葵花籽壳内籽仁的形态。研究结果表明,太赫兹时域透射成像技术结合形态学滤波及K-均值图像分割方法对实现葵花籽内部品质的带壳无损检测具有可行性,为后期建立带壳葵花籽品质无损检测模型奠定基础,为油料作物内部品质的带壳无损检测提供参考。     

小波图像融合在太赫兹无损检测中的应用

玻璃纤维增强复合材料被广泛应用于航天、航空及其他军民各领域,它在制备和使用过程中通常会出现多个缺陷。太赫兹时域光谱成像技术有望成为玻璃纤维增强复合材料无损检测的有力补充手段。在太赫兹时域光谱成像过程中,可以选取时域或频域波形中的不同参数来进行成像。对于不同的缺陷,能够有效地对其进行检测的参数是不一样的。采用基于小波分解的图像融合方法将多幅不同参数获取的太赫兹反射图像结合起来,得到一幅包含所有缺陷信息的新图像。研究表明,基于小波分解的图像融合方法在太赫兹无损检测中的应用,能够获取单一参数成像无法检测的缺陷信息,为复合材料太赫兹图像后期处理提供了新的技术方法。     

Reflective terahertz imaging of porcine skin burns

A reflective pulsed terahertz imaging system based on direct detection was developed and used to obtain high-resolution images of a porcine skin specimen with superficial partial-thickness (second-degree) burns. Images were also obtained of the sample through ten layers of dry medical (cotton) gauze with minimal image degradation. The burned and unburned regions of skin had large differences in terahertz reflectivity, displaying clear delineation [20 dB signal-to-noise ratio (SNR) difference signal] between both regions in the images. The terahertz images also exhibited a "halo" surrounding the burn areas that may correlate to the extent of burn injury. The system operated at a center frequency of 500 GHz with 125 GHz of 3 dB bandwidth and used whiskbroom scanning to generate images with a spatial resolution of 1.5 mm. Each pixel was acquired with a 16 ms integration time, resulting in a 40 dB postdetection SNR. The simplicity and high SNR of the reflective terahertz system are promising steps toward real-time terahertz medical imaging.     

Motion deblurring using edge map with blurred/noisy image pairs

Motion deblurring methods using blurred/noisy image pairs usually include denoising process of the noisy image. Because both remaining noise and distorted fine details in the denoised image cause an error on deblurring, we propose an algorithm using an edge map of the noisy image to retain sharp edge information while neglecting noise in any smooth region that does not contain information about the motion that occurred during the exposure. In addition, the blur kernel is efficiently estimated by employing the fast total variation regularization method for the gradients of blurred and noisy images only on edge regions. For latent image restoration, another fidelity term is added, which compares the gradients of the noisy and estimated latent images on edge regions to preserve the fine details of the noisy image. To model a sparse distribution of real-world image gradients, a deconvolution method imposing hyper-Laplacian priors based on an alternating minimization scheme is also derived to restore a latent image efficiently. Experimental results show that the peak signal-to-noise ratios of the restored images against the original latent images have been increased by 11.1% on average, when compared to the existing algorithms using an image pair.     

不同表面结构特征圆柱导体的太赫兹散射特性

太赫兹频段下导体表面的细微结构、粗糙度等细节将对目标电磁散射行为产生影响。为衡量这一影响程度,以圆柱导体为例研究了太赫兹频段下目标表面不同结构特征的电磁散射现象及其在图像域的表现规律。利用高频电磁计算方法获得了表面分别为理想光滑、带刻痕和周期粗糙的三种圆柱多姿态角、多频点单站散射场;基于转台成像算法重建了小转角下目标的二维图像。从仿真结果可以看出:m量级的细节特征在太赫兹雷达图像上有着显著的表现,表明太赫兹雷达能够获取更加丰富和精细的目标信息,从而为目标探测识别提供新的特征和技术手段。     

被动式人体太赫兹图像中的目标辅助识别

提出一种被动式人体太赫兹安检仪的图像目标标注方法,用于辅助识别被安检人员隐藏携带的违禁物品。分析了探测器中心频率为0.1THz的被动式太赫兹人体安检仪图像特点,根据其特点进行图像增强、分割、轮廓提取等处理,进而实现图像中的目标检测,将其目标位置映射在同场景同时间采集的可见光图像上。实验结果表明,该方法可以有效地提取并标示可疑目标,帮助快速发现衣物下的隐匿物品,提高太赫兹安检仪的实用性。     

Real-time line projection for fast terahertz spectral computed tomography

We demonstrated fast terahertz spectral computed tomography by using real-time line projection of a terahertz beam. Two types of cross-sectional images of continuously rotating samples have been measured in only a few seconds. From temporal data, a peak-to-peak sinogram and cross sections have been reconstructed using a filtered backprojection algorithm. Using fast Fourier transform from temporal data, spectral cross sections of the sample have been obtained.     

红外光谱预处理中去噪的研究

红外(IR)光谱由于包含了噪声等各种外界干扰因素.应该先进行光谱预处理,以便降噪,提高分析准确度.本文采用了一种基于最优小波包基的信号去噪算法,该算法根据最小代价原理,采用不同的阈值算法对光谱的高频和低频信号进行量化处理,用量化后的系数重构得到去噪信号,从而达到较好的去噪效果.实验表明,本方法处理后光谱曲线非常光滑、噪声消除效果明显.     

Robust protein microarray image segmentation using improved seeded region growing algorithm

Protein microarray technology has recently emerged as a powerful tool for biomedical research. Before automatic analysis the protein microarray images, protein spots in the images must be determined appropriately by spot segmentation algorithm. In this paper, an improved seeded region growing (ISRG) algorithm for protein microarray segmentation is presented, the seeds are obtained by finding the positions of the printed spots, and the protein spot regions are grown through these seeds. The experiment results show that the presented algorithm is accurate for adaptive shape segmentation and robust for protein microarray images contaminated by noise.