太赫兹成像技术的进展

近年来随着光子技术和微电子技术的快速发展,太赫兹成像的应用领域越来越广泛,并在药品食品监测、生物医学成像、器件非接触无损检测、文物艺术品研究等领域取得了不错的成果。从太赫兹波的独特性质开始,总结了相比微波和X射线,太赫兹波在成像方面的优越性能。接着从光源方面,对太赫兹连续波成像和太赫兹脉冲波成像进行了比较,包括系统原理、成像特性以及各自优缺点等方面。之后,针对太赫兹成像技术二十年间的发展,本文重点回顾了太赫兹时域光谱成像技术、焦平面阵列探测成像技术、近场成像技术以及亚采样压缩感知成像技术四种方式,并对其基本原理和发展趋势进行了分析。其中,太赫兹时域光谱技术部分以经典的反射式光谱成像系统为例,重点介绍了光谱成像的基本原理、技术发展趋势及其在制药领域的实用案例,并在此基础上介绍了太赫兹源和太赫兹探测器两种成像关键器件的工作原理。焦平面阵列探测成像技术共介绍了CCD型、 Microbolometer型以及CMOS型三种目前较为成熟的面阵相机。近场成像技术分为孔径成像和尖端散射两大成像类型进行介绍,总结了包括近场照明模式、近场收集模式孔径成像技术以及激光太赫兹发射显微镜和扫描隧道显微镜两种典型的尖端散射近场成像技术,内容涉及系统工作的基本原理、当前研究的进展以及该技术在目前的发展中仍然存在的问题。最后一部分对比太赫兹光谱成像技术使用的光栅扫描采样方式,介绍了能够降低系统采样率的压缩感知成像方法。文中主要分析了光调制器作为亚采样关键器件的改进优化过程,以及研究人员对相关算法的改进。     

基于阈值分割的并行压缩鬼成像方法

为了提高鬼成像的速度,提出了基于阈值分割的并行压缩差分鬼成像方法。首先通过设置合理的阈值筛选出涨落较为明显的数据进行采样;然后再通过并行分块降低图像维度,提高整体运算速度;最后通过压缩感知重构算法重构图像。通过对图"BUAA"的半物理仿真以及透射物体"光"的实验结果表明,与普通的二阶赝热光关联成像相比,该方法能以更少的采样次数和运行时间重构图像,可提升成像信噪比。     

基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息成像研究

太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性,与太赫兹波强度成像相比,相衬成像能够更好的反映物体的内部结构.本文提出了基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息相衬成像方法,研究了全息记录和再现过程,利用曲面拟合畸变校正去除TPX透镜引入的二次相位畸变.实验搭建了太赫兹像面数字全息成像系统,利用振幅型西门子星样品对系统的成像分辨...     

基于BWO连续太赫兹波成像系统的无损检测

介绍了一种基于返波管（BWO）的太赫兹波成像系统。BWO连续太赫兹波成像是一种新的无损检测方法。实验过程中把样品放在X-Z二维电控平移台上进行扫描成像,透过样品的太赫兹波强度信息由热释电探测器接收,然后经过电脑成像。给出了应用0.71THz的连续太赫兹波对打孔铝板、公交卡、校园卡的内部结构和对隐藏在信封内硬币等物体和信封内纸片上的铅字迹的成像实验研究事例,并且测知该系统能够分辨出直径最小为1.5mm的小孔。这项工作揭示了使用BWO连续太赫兹波成像系统在无损检测和安全检查领域是有效的。     

太赫兹技术在农产品检测中的应用研究进展

我国是农业大国,保障粮食安全是国家发展的战略需要。农产品检测技术的应用和发展对监控质量,预防由农产品品质问题引发的安全事故至关重要。太赫兹（Terahertz,THz）波位于电磁频谱空隙,频率高于微波而低于红外线,具备光子能量低、穿透性好、能表征分子结构等优点。基于太赫兹波的光谱检测技术受到研究人员广泛关注,在生物医学、安全检查等方面得到应用,被证明是一种可靠的检测手段。在农产品应用领域,太赫兹波特有的非接触、无标记检测能力为农产品成分分析、质量控制提供了技术手段,其良好的穿透性和无损害性,可以用来在不破坏农产品表面及外包装的前提下,检测内部成分变化。与其他光谱（超声、X射线、红外等）检测手段相比,太赫兹波频率范围宽、表征能力强,可实现对目标物质的快速无损检测。近几年,随着太赫兹发射源、探测器等设备以及光谱和成像技术的发展,其在农产品领域的应用有了新的进展。通过收集整理近期的文献资料,综述了太赫兹技术在农产品检测方面的应用拓展和研究成果,总结了目前存在的应用局限。在此基础上,对未来太赫兹光谱和图像检测的研究方向进行了展望,提出提高检测灵敏度和检测速度是农产品领域太赫兹技术产业化应用的研究重点。在检测系统中引入基于超材料的传感器是提升灵敏度的一种有效手段,可以突破原有的太赫兹光谱检测极限,对研究农药残留、真菌毒素等危害农产品安全的痕量污染物具有重要意义。在农产品快速成像检测方面,基于单像素成像和压缩感知理论的太赫兹计算成像技术是提高检测速度的可行方案。这些研究成果将为后续太赫兹技术的发展提供方向性指导,对农产品检测领域的应用推广具有重要参考价值。     

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。     

基于平均吸收的太赫兹波振幅成像研究

提出了一种基于一定频率内平均吸收的太赫兹(THz)波振幅成像新方法。太赫兹波频率在0.1～10 THz之间,波段位于红外和微波之间。太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大,如何对每个样品点的大量信息进行处理提取有用信息重构出样品的图像是一项关键技术。选用中间挖空有“THz”字样的白纸为样品作太赫兹波成像研究,首先探讨了时域和频域上几种常用太赫兹波振幅成像方法所反映的样品信息及其特点,进一步使用提出的基于一定频率内平均吸收的太赫兹波振幅成像新方法对样品进行图像重构。实验结果表明这种新方法可以很好的反映样品的真实信息,反映了样品在一定频率范围内由于吸收而引起的效果的综合,与吸收系数和厚度相关,离散效应得到了很好的消除,相对几种常用的太赫兹波振幅成像方法能够得到更清晰的图像。此新方法尤其适用于结构简单的样品,能够成为几种常用振幅成像方法的有力补充。     

大鼠冲击性脑创伤的太赫兹波成像检测

冲击波造成的脑创伤是目前较常见的致死致残疾病之一,对冲击性脑损伤的检测与分类具有重要意义。基于连续太赫兹波成像系统,对不同程度冲击波致伤的大鼠脑组织进行了连续太赫兹波衰减全反射成像检测,并采用支持向量机(SVM)分类器对不同创伤程度的脑组织太赫兹波成像结果进行分类识别。结果表明,太赫兹波衰减全反射成像技术可以实现对轻度、中度冲击性脑创伤脑部组织的检测。通过SVM分类器对不同创伤程度的脑部组织成像结果进行分类识别,其分类识别准确率可以达到86.36%。太赫兹波成像技术有望实现对不同程度冲击性脑创伤的早期精确检测与诊断。     

基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像的实验研究

提出了一种伪色彩太赫兹成像技术. 通过引入频域色彩区间积分, 建立了一套基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像系统, 实验分别研究了乳糖和对氨基苯甲酸两种不同白色化学粉末的伪色彩成像和灰度成像, 研究了不同颜色区间定义对伪色彩图像的影响, 讨论了利用不同频率信息成像系统所能达到的空间分辨率. 研究结果表明, 伪色彩成像技术可以将不同的物质信息同时成像在一张太赫兹图像中, 通过不同物质在太赫兹图像中呈现出的颜色差别来区分不同的物质及其分布. 克服了传统的太赫兹灰度成像技术中, 需要多张图像来区分不同的物质的问题, 提高了成像速度, 降低了筛选难度. 利用高频信息进行伪色彩成像, 可以将系统成像的空间分辨率提高到0.4 mm. 伪色彩成像方式可以更直观快捷地显示样品的基本属性, 对于实现太赫兹安检的初检和快速筛选具有重大的现实意义.     

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。     

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。     

基于焦平面阵列的连续太赫兹波生物组织成像技术研究

太赫兹焦平面成像是一种实用成像技术,具有快速成像、结构简单的特点,适用于生物组织的太赫兹波段成像。为此,搭建了一套反射式连续太赫兹波焦平面成像系统,对新鲜猪肉组织、大鼠脑组织和人脑胶质瘤组织进行成像。实验发现,通过添加成像窗口可以减少目标不平整表面的散射;同时,采用平场校正可以消除非均匀光照带来的影响。结果表明,反射式连续太赫兹波焦平面成像系统可用于对生物组织的实时成像,为生物组织的无标记快速成像提供了有效的技术手段。     

基于压缩感知的后调制远距离三维成像研究

基于压缩感知(CS)理论,提出使用高功率纳秒脉冲激光器照射远距离目标物体,通过望远系统将目标物体成像到数字微镜阵列(DMD)上,利用DMD加载的调制图像对目标物体的像进行调制(后调制),采用光电倍增管(PMT)作为单像素探测器收集调制后的光强,通过压缩感知计算,完成对远距离目标物体的三维图像重建。将此系统应用于远距离三维成像,通过搭建实验系统,分别对距离为230m和4.5km左右的目标物体完成了绝对距离的测量,实现了64pixel×64pixel的三维成像。同时也证实利用压缩感知进行远距离图像恢复,随着采样率的提高,图像恢复的质量和对比度都有一定程度的提高;目标物体图像越稀疏,重构图像所需的采样次数越少。     

太赫兹光谱与成像在生物医学领域中的应用

太赫兹科学技术的良好发展势头已经在医药领域逐渐得到了重视与应用。与红外辐射、核磁共振、X射线、超声波等传统医疗诊断技术相比较,太赫兹电磁波技术具有低能量、高空间分辨率和宽带光谱分析能力等独特优势,从而为人体成像以及太赫兹波与人体组织相互作用研究提供了一种可靠的技术方法;由于太赫兹波的穿透性强,且指纹峰的专属性较高,能够在药物的检测与鉴别等方面发挥重要作用。基于太赫兹波段的以上优异特点,文章在介绍太赫兹光谱与成像技术在生物医学领域中的应用时,重点分析了太赫兹电磁波技术对人体皮肤组织的研究,人体的基因表述,对生物体细胞影响的研究,对癌症和骨头等组织的研究,以及对药物的研究等方面的现状和发展。基于上述的研究进展,文章介绍了太赫兹科学技术在未来的医学领域中面临的挑战,并展望了发展前景。     

基于压缩感知的差分关联成像方案研究

关联成像可提供一种运用常规手段难以获得清晰图像的方法, 能够解决一些常规成像技术不易解决的问题, 是近些年来量子光学领域的前沿和热点之一.本文提出一种基于压缩感知的差分关联成像方案(简称, 差分压缩关联成像方案), 将高斯分布的热光源强度分布作为压缩感知的测量矩阵, 差分物体信息作为被成像物体信息, 利用差分关联成像方案的高成像信噪比和压缩感知技术的低采样次数, 通过正交匹配追踪算法, 高质量地恢复出物体信息. 并以二灰度“双缝”、“NUPT”, 多灰度Lena图和Boats图为例, 数值仿真差分压缩关联成像过程; 同时将本方案350次测量的结果与差分关联成像方案30000次测量的结果进行对比, 研究结果表明针对不同的被成像物体(二灰度“双缝”、“NUPT”, 以及多灰度Lena图和Boats图), 10次成像的均方误差平均值分别降低了97.7%, 93.9%, 92.5%和71.4%; 与压缩鬼成像方案相比, 同样测量次数条件下均方误差值对于二灰度双缝和多灰度Lena图、Boats图等目标物 体分别有50.4%, 72.9%和66.8%的降低. 差分压缩关联成像方案极大地提高了成像信噪比, 降低了成像时间. 关键词： 关联成像 差分 压缩感知 均方误差     

贝塞尔飞秒光束光学整流效应的研究

光学整流效应是产生宽带太赫兹波最有效的手段之一,基于光学整流效应产生太赫兹波的方法主要依靠抽运光与非线性晶体之间的相互作用。分别以5mm的磷化镓(GaP)块状晶体和6mm的GaP波导结构作为太赫兹波发射晶体,对具有相同功率的贝塞尔光束中心光斑和高斯光束的光学整流效率进行了对比研究。实验结果表明,在GaP块状晶体中,贝塞尔光束的光学整流效率是高斯光束的2.04倍;波导的特殊结构可以使抽运光和太赫兹波之间实现严格的相位匹配,贝塞尔光束的相对效率增加为3.46倍。两种抽运光产生的太赫兹波场均具有高斯分布特性,且贝塞尔光束产生的太赫兹波频谱具有明显的红移特征。贝塞尔光束能够提高光学整流效率,有助于实现高功率、紧凑型的太赫兹源,对推广太赫兹波的应用有显著意义。     

基于压缩感知的三维物体成像的简单计算方法

从压缩感知的原理入手,阐述了基于压缩感知的三维物体成像方法。为解决压缩感知三维物体成像计算量大的问题,重点提出了一种三维信息计算的简单方法。此方法通过两次压缩感知计算就可得到位于多个距离处的物体的三维信息,大大减少了计算量。对此方法进行了数值模拟,并分析了采样率的提高对于距离计算精度的影响;建立实际的三维成像系统,实验结果证明了这种方法的可行性。     

太赫兹技术在医学检测和诊断中的应用研究

近年来太赫兹科学技术日益受到科学界和工业界的重视并得到了较大的发展,太赫兹技术在医学领域上的应用已成为人们关注的重要方面之一。介绍了太赫兹波的特点、太赫兹光谱和成像技术;重点讨论了近年来太赫兹光谱和成像技术在医学检测和诊断领域中的应用和研究进展;并探讨了太赫兹光谱和成像技术发展中需要解决的问题以及今后发展的方向。     

连续太赫兹波双物距叠层定量相衬成像

针对连续太赫兹波叠层成像重建算法收敛较为迟滞的问题,提出一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法及相关重建算法,使用不同记录距离形成的差异化衍射图幅值作为重建算法记录平面的约束条件,增加了记录平面数据多样性和衍射信息冗余度.仿真结果表明,本方法可以加快算法收敛速率,有效减少迭代次数,提高连续太赫兹波定量相衬成像计算效率.随后构建了基于2.52 THz光泵连续太赫兹激光器的双物距叠层成像实验装置,应用双物距记录方法及改进算法重建获得了聚丙烯基字母图案样品的幅值和相位分布,结果表明改进方法可以减少算法迭代次数,提升计算效率,同时改善相位像重建结果保真度.     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。