太赫兹单像素计算成像原理及其应用(特邀)

太赫兹成像技术具有透视性、安全性以及光谱分辨能力等独特优点,有着广泛的应用前景。由于太赫兹面阵探测器的技术成熟度低、价格昂贵,太赫兹成像技术在较长时间内以单点扫描方案为主,存在系统复杂、成像耗时长等问题。近年来,基于计算成像算法的太赫兹单像素成像技术发展迅速,成为了获取太赫兹图像的重要途径之一。文章综述了太赫兹单像素计算成像技术的基本原理、技术实现手段和应用前景,总结了现存的一些关键问题,并展望了一些今后可能的发展方向。     

基于空间型调制器的太赫兹波快速成像技术

为解决主流太赫兹成像技术在成像速度、分辨力、清晰度以及制造成本等方面存在相互制约的问题,提出一种基于光控型空间调制器的太赫兹波快速成像技术。这一技术利用新型硅基太赫兹调制材料与数字微镜阵列器件(DMD)的集成,实现了基于单像素太赫兹探测器的快速成像,进一步分析了太赫兹波束分布特性和高斯背景对成像效果的影响,并提出了有效的优化方法。实验结果证实这种新型技术能够显著提高成像分辨力和清晰度。     

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求，设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管，探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号，该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术，并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

太赫兹线阵快速扫描成像

采用0.3THz辐射源和线阵探测器,搭建了太赫兹线阵扫描成像系统。该成像系统完成100mm×100mm区域的测量仅需1min,成像分辨率可达1.5mm,可以准确识别聚乙烯样品和水管中预埋的缺陷,高精度定位隐藏在信封内的剪刀和小刀。研究结果表明,该成像技术可以快速检测隐蔽物,在无损探伤和安全检查领域具有一定的实用价值。     

采用光学处理方法的被动太赫兹波综合孔径成像

综合孔径技术对于提高被动太赫(THz)成像系统的分辨率、减小系统体积有着重要的意义.研究了一种基于电光调制和空间光干涉成像的THz综合孔径成像技术.在该成像方法中,天线阵列接收目标辐射的THz信号,通过混频和电光调制将信号振幅和相位信息加栽到激光载波上,由光纤传输该激光信号并在光纤末端形成天线缩比阵列结构,最终利用光纤阵列输出光束的空间互相干在透镜焦平面上获得目标成像.分析了该成像方法的原理,以及成像中的信号变换与光学干涉处理的关键技术,并利用0.5 THz超导体一绝缘体一超导体(SIS)接收机进行了电光调制和干涉实验.结果表明:该方法能够应用于被动THz综合孔径成像.     

非制冷太赫兹成像探测技术研究进展

非制冷太赫兹成像探测技术作为太赫兹研究领域的重要组成部分,目前已成为各国研究的热点之一.本文综述了近年来国内外非制冷太赫兹成像探测技术的研究进展,着重介绍了基于光热效应的微辐射热计和基于光子效应的场效应晶体管太赫兹探测器及其成像技术研究进展,分析了非制冷太赫兹成像探测器的现状及发展前景,对于研究非制冷太赫兹成像探测技术及应用具有一定的参考价值.     

太赫兹单像素成像及其动态掩模材料的研究进展

太赫兹成像技术在安全检查、医学成像等领域展现出了巨大的应用潜力。相比传统的机械扫描成像和焦平面阵列成像,单像素成像具有系统简单、成像速度快及成本低等优势。其可结合空间光调制技术,运用关联算法重构出目标的二维太赫兹空间信息。从太赫兹单像素成像的基本概念和发展历程出发,着重分析了单像素成像中编码掩模的原理、材料、发展应用及可能面临的挑战。     

太赫兹(THz)成像的进展概况

评述了太赫兹射线成像的进展情况.太赫兹(THz)辐射介于微波和红外之间.与微波、X射线、核磁共振(NMR)成像相比,太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息,而且能给出频率域的信息,以及在光频、微波和X射线范围内所不能给出的材料的转动、振动信息.太赫兹射线与其他频段的电磁波相比,它能量低,不会造成对生物样品的电离损伤,而且太赫兹射线很容易穿过介电材料,因而可以用于产品的安全监测.因此太赫兹成像技术在生物学、工业安全监测等方面有可能带来新的关键性的突破.     

太赫兹成像雷达系统研究进展*

与微波雷达和光电探测器相比,太赫兹成像雷达具有高分辨率成像、穿透能力好等众多优势,是太赫 兹技术的重要应用方向之一。本文介绍了近年来国内外全固态太赫兹成像雷达系统方面的研究进展,指出太赫兹 成像雷达研究中的部分关键技术,为太赫兹成像雷达系统的应用发展提供参考。     

被动太赫兹成像二维扫描技术

太赫兹成像受探测器像元数少和无法进行大规模面阵集成的限制,大视场成像不可避免地要用到二维扫描。45°镜具有尺寸小,稳定性好,幅宽大等特点,可以用来实现被动太赫兹二维扫描成像。详细分析了45°镜扫描成像的工作原理和扫描方式,提出了绕Z轴摆动实现水平扫描,绕Y轴摆动实现垂直步进的扫描方案,计算了扫描轨迹,边沿视场成像畸变约3.2%,并通过成像实验对扫描方案进行了验证,得到了大视场下的被动太赫兹二维扫描图像。     

超宽带太赫兹调频连续波成像技术

太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点,在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。然而由于微波及太赫兹器件限制,太赫兹信号带宽难以做大,从而制约了成像的距离向分辨力。虽然高载频可实现较大宽带,但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。因此,聚焦于太赫兹波无损检测领域,提出一种时分频分复用的114～500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式,基于多频段共孔径准光设计,实现超带宽信号的共孔径,频率可扩展至1.1 THz。提出一种频段融合算法,实现了超宽带信号的有效融合,距离分辨力提升至460μm,通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性,并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。     

太赫兹可编程超材料的研究进展和在单像素成像中的应用

人工电磁超材料展现了强大的电磁波调控能力. 随着可编程超材料的提出,超材料向数字化、智能化的方向不断发展. 本文首先回顾了太赫兹可编程超材料的研究进展,重点讨论基于半导体、液晶等可调材料的太赫兹可编程超材料的设计方法、调控原理及应用. 然后,介绍了太赫兹可编程超材料在单像素成像中的应用,即利用电控和光控可编程超材料实现太赫兹光的空间编码调制,结合压缩感知等成像算法,实现太赫兹单像素成像. 最后,对太赫兹可编程超材料的发展趋势和应用前景进行了展望.     

太赫兹波导研究进展

太赫兹技术在下一代通信、生物成像、质量监测等领域应用潜力巨大,高品质太赫兹波导的研制使轻量化、小型化太赫兹系统成为可能,是推动太赫兹技术发展的关键。本文根据不同基材,将太赫兹波导分为金属波导、聚合物波导及复合波导,对其发展情况进行梳理,并对太赫兹聚合物波导这种高柔性、低成本导波技术进行重点介绍,讨论其不同的导光机制;最后对太赫兹导波技术进行了总结,并针对制约太赫兹波导商品化推广应用的瓶颈问题进行了初步探讨。     

从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势

太赫兹技术是当前极具发展潜力的热点技术。太赫兹源、太赫兹探测器以及太赫兹应用研究是太赫兹技术的三大研究重点。本文分析了太赫兹技术在光谱探测、成像探测和通讯应用方面的需求情况,介绍了现有主要的太赫兹源产生方法和特点,以及太赫兹探测器的分类和常见太赫兹探测器,并以其相邻谱段红外探测器的发展历程以及太赫兹探测器的发展现状为参照,从光子学的角度分析了太赫兹探测器的发展趋势以及可能面临的技术困难。     

太赫兹纤维波导研究进展

实现太赫兹波的低损耗、柔性传输是解决太赫兹设备轻量化、便携化的一个核心途径.本文综合分析了近年来太赫兹纤维波导技术的研究历程,把纤维波导的研究分为原始材料的选择和挖掘、纯材料的结构设计与加工、拉伸超材料波导的设计与加工3 个阶段,并对各阶段的典型研究成果、优缺点及应用性进行了总结.最后,展望拉伸超材料将成为近期太赫兹纤维波导技术研究的新方向,有望实现太赫兹波的低损耗、柔性化、低廉性传输.     

基于光热载流子调控的二维材料红外与太赫兹探测器研究进展

红外和太赫兹具有非常广阔的应用前景,在光谱学、成像、无线通信和遥感等领域发挥着越来越重要的作用。但是,由于红外、太赫兹波段的光子能量低,相关的探测遇到很大困难,所以实现高灵敏、高速和高稳定性的红外太赫兹探测是一个具有挑战性的工作。二维材料由于其高迁移率、带隙可调和表面悬挂键少等特点为红外太赫兹探测提供了新的机遇。基于光热载流子调控的二维材料红外、太赫兹探测器的发展方兴未艾。文中主要介绍了目前基于光热载流子调控的红外、太赫兹探测器的最新研究进展,将从材料、器件结构、响应波段和响应机理等方面展开。     

偏振成像技术的研究进展及应用

为了提升偏振方向图像融合效果,构建了一种偏振方向图像的双支路拮抗融合网络（Double-branch Antagonism Network, DANet）,该网络主要包括特征提取、特征融合和特征转化3个模块。首先,特征提取模块由低频支路和高频支路组成,将0°、45°、90°和135°偏振方向图像连接输入到低频支路,提取图像能量特征,将2组拮抗图像差分输入到高频支路,提取图像细节特征;其次,将得到的能量特征和细节特征进行特征融合;最后,将融合后的特征转化整合为融合图像。实验表明,通过此网络得到的融合图像,其视觉效果和评价指标均有较为显著的提升,与合成强度图像I、偏振拮抗图像S_d、S_dd、S_h、S_v相比,在平均梯度、信息熵、空间频率和图像灰度均值上,分别至少提升了22.16%、9.23%、23.44%和38.71%。     

太赫兹肖特基二极管技术研究进展

太赫兹肖特基二极管是太赫兹应用领域中非常重要的一种器件,它可以实现高频信号的混频和倍频,研制发展太赫兹肖特基二极管对于太赫兹技术有重要意义。本文首先介绍了太赫兹肖特基二极管的种类及性能表征,接着介绍国内外主要研究机构在太赫兹肖特基二极管方面的研制成果和进展,最后总结出研制太赫兹肖特基二极管的关键技术和发展方向。     

偏振三维成像技术的原理和研究进展

近年来偏振三维成像技术因具有精度高、作用距离远和受杂散光影响小等特点得以蓬勃发展,但利用目标反射光偏振特性进行法向量精确求解的问题一直没有真正得到解决,成为制约该技术发展的瓶颈.此外,由于目标表面镜面反射光与漫反射光间的相互干扰,造成高精度偏振三维成像实现困难.该综述介绍了偏振三维成像物理机理、目标表面出射光偏振特性,...