太赫兹成像系统的研究_向博
太赫兹成像检测算法研究
太赫兹成像检测算法研究太赫兹成像技术是一种新兴的无损检测技术，主要用于材料缺陷检测、安全检查、医疗成像等领域。
太赫兹波域的成像系统由发射和接收两个部分组成，通过发射器将太赫兹波辐射到被测物体表面，被测物体发射的信号经过接收器采集后，通过算法进行成像处理，得到被测物体的图像信息。
本文将介绍太赫兹成像检测算法相关研究进展。
一、频域成像算法频域成像算法通常是通过傅里叶变换将时域的信号转换为频域信号，再对信号进行处理。
在太赫兹波成像中，频域算法可以对成像效果进行优化，提高成像精度。
目前主要的频域成像算法包括反演算法、极化成像算法和光学实现成像等。
反演算法是太赫兹成像的一种重要算法，其核心思想是根据入射太赫兹波与被测物体的相互作用机理，建立被测物体的反演模型，从而重建出被测物体图像。
反演算法主要包括基于模型的反演算法和基于数据的反演算法。
基于模型的反演算法通常是通过建立被测物体的参数化模型，将太赫兹波传播过程的物理公式代入模型，利用数值计算方法求解反演问题。
基于数据的反演算法则是通过将采集到的信号数据作为反演问题的输入量，通过优化算法求解反演问题，得到被测物体的图像信息。
反演算法在太赫兹成像中具有很高的应用价值，但其在算法求解的过程中需要进行较多的数值计算，计算量较大。
极化成像算法是通过分析太赫兹波的极化信息进行图像处理。
太赫兹波的极化状态是由物体反射、传输和吸收等因素影响的，不同的物体极化状态也是不同的，因此极化成像可以更准确地反映物体的特征。
目前，太赫兹极化成像主要采用相位解调技术和微弱信号提取技术进行成像处理。
光学实现成像主要是通过调制太赫兹波的振幅和相位，通过光学成像器件将太赫兹波转换为可见光，从而实现太赫兹波的成像功能。
目前光学实现成像技术已经被广泛应用于太赫兹波成像领域，具有较好的成像效果和成像速度。
太赫兹时域成像技术通常是通过将太赫兹波在被测物体中的传播时间作为成像参数进行图像处理。
与频域成像算法不同，时域成像算法不需要进行数值计算，其算法流程简单，成像速度快速。
太赫兹波成像技术的研究与应用
太赫兹波成像技术的研究与应用第一章前言太赫兹波成像技术是一种新兴的成像技术，因其在物质成分分析、人体影像等领域具有广泛应用而备受关注。
本文将从太赫兹波成像技术的原理、仪器和应用等方面进行探究。
第二章原理太赫兹波是指频率在0.1~10 THz(10¹² Hz)范围内的电磁辐射，它在光学和微波之间，因此也被称为“间隙区域”。
太赫兹波的能量低、穿透力强、不会损伤样本，比X光成像技术更安全，因此应用范围广泛。
太赫兹波成像的原理是利用太赫兹波在物质中传播时，因为样品的析取系数的变化使太赫兹波的振幅强度发生变化，从而将物质信息转化成电磁波信号，通过外部的太赫兹探头接收体进行信号采集与处理，进而得到样品的影像信息。
第三章仪器太赫兹波成像设备是由探头、扫描单元、信号处理器和成像软件组成。
太赫兹波探头主要有光电探测器、天线和探头套等，探头可以对材料进行高精度感测。
扫描单元主要是用来对样品进行扫描，建立样品在各空间位置上与太赫兹波传播引起的电场变化之间的关系。
信号处理器主要是用来将探头采集到的信号进行处理，增强信号的强度和清晰度，同时滤除噪声信号。
成像软件则是主要用于对信号进行重构，生成质量高的图像，展示样品的内部结构和成分信息。
第四章应用4.1 物质成分分析太赫兹波成像技术在物质成分分析的应用范围非常广泛。
由于太赫兹波在材料中传播时，不同成分对太赫兹波的吸收率不同，因此可以通过太赫兹波的散射和吸收谱来识别物质中的存在组分、探测材料无缝隙、混杂物的添加情况等。
这一特点使太赫兹波成像技术成为食品、药品、纸张、塑料、橡胶等材料成分检测和控制的重要手段。
4.2 人体影像太赫兹波成像技术在人体影像的应用领域也越来越受到关注。
太赫兹波成像技术在成像深度、分辨率、组织对比度等方面都有其独特的优势，可以用于人体组织成分、病变程度、肫合等诊断，成为医学成像领域的研究热点。
4.3 安检领域太赫兹波成像技术在安检领域也有着非常广泛的应用。
太赫兹波在医学成像中的应用
太赫兹波在医学成像中的应用太赫兹波（THz）是介于微波和红外线之间的电磁波，波长为0.1至1毫米，频率范围为100至3000 GHz。
近年来，太赫兹技术已经在医学成像领域得到广泛研究和应用。
本文将探讨太赫兹波在医学成像中的应用。
一、太赫兹波医学成像技术的基本原理太赫兹波医学成像技术是一种非侵入式的成像技术，它利用太赫兹波在人体组织中的传播和反射特性，从而实现对人体组织的成像。
太赫兹波成像一般是以反射为主，通过利用特殊的太赫兹波源和探测器，将太赫兹波辐射到人体上，再测量其反射和透射信号，从而获得人体组织的图像。
二、太赫兹波医学成像技术的优点与传统的医学成像技术相比，太赫兹波医学成像技术具有以下优点：1. 非破坏性太赫兹波是一种非离子辐射，不会对人体组织和器官造成任何损伤。
因此，太赫兹波医学成像可以重复多次，而不会对健康造成任何负面影响。
2. 高分辨率太赫兹波的波长为0.1至1毫米，与人体组织的尺度相当，在成像时可以提供高分辨率的图像。
太赫兹波成像技术可以探测并成像比传统成像技术更小的病变，如微小的鼻咽癌病变。
3. 显示高对比度太赫兹波可以在不同物质中传播，不同的物质对太赫兹波的反射或透射的特性不同，这使得太赫兹波成像能够在不同类型的组织和器官中提供高对比度的图像。
三、太赫兹波医学成像技术的应用太赫兹波医学成像技术已经在多个医学领域中得到应用，如实验医学、临床医学、药物研究等。
1. 皮肤成像太赫兹波能够穿透表皮和真皮，进入皮肤下的深层组织，因此太赫兹波技术可以用于皮肤病诊断，如基底细胞癌、黑色素瘤等。
2. 癌症诊断太赫兹波技术对肿瘤组织有高对比度成像能力，可以检测癌变细胞的化学组成和形态变化。
因此，在癌症的早期诊断和治疗方面具有很大的潜力。
例如，太赫兹波技术已被用于鼻咽癌的早期诊断和预测。
3. 药物研究太赫兹波技术可以用来研究药物的吸收和代谢过程，通过比较不同药物在人体内代谢的差异，为药物设计和测试提供数据支持。
太赫兹光学成像技术的研究与应用
太赫兹光学成像技术的研究与应用随着科学技术的不断发展，太赫兹光学成像技术越来越受到人们的关注和研究。
太赫兹波被誉为具有特殊性质的电磁波，它的频率介于红外和微波之间，具有穿透性、非破坏性和高分辨率等优点，因此在材料科学、生物医学、安全检测和非破坏性评价等领域有着广泛的应用。
本文将着重探讨太赫兹光学成像技术的研究进展和应用现状。
一、太赫兹光学成像技术的研究进展太赫兹光学成像技术是一种利用太赫兹波进行物体成像的技术。
太赫兹波具有较高的穿透性，能够穿透一些材料，如纸张、塑料、绝缘体等，同时也能感知材料的内部结构。
因此，它具有独特的成像功能，是研究材料和生命科学的一种有力工具。
近年来，太赫兹光学成像技术的研究进展非常迅速，研究人员采用不同的手段提高太赫兹成像的分辨率和灵敏度。
其中，太赫兹时间域成像、太赫兹谱成像、太赫兹干涉成像、太赫兹热成像等是比较常见的太赫兹光学成像技术手段。
1.太赫兹时间域成像技术太赫兹时间域成像技术是太赫兹光学成像技术中比较常见的一种手段，它通过测量样品对太赫兹波的反射或透射来获取样品的信息。
太赫兹时间域成像技术具有快速成像的特点，成像速度非常快。
2.太赫兹谱成像技术太赫兹谱成像技术是一种通过扫描太赫兹波谱来获取样品信息的技术。
它可以获取样品的吸收光谱和干涉光谱的信息，能够提供物质组成的信息，因此在生命科学中有广泛的应用。
3.太赫兹干涉成像技术太赫兹干涉成像技术是一种利用太赫兹波干涉的技术，它通过合成出源波与反射波干涉的图像来获得样品的信息，能够提供物质的结构和形态信息。
4.太赫兹热成像技术太赫兹热成像技术是一种通过太赫兹波对样品产生的热效应来实现成像的技术。
在样品吸收太赫兹光时，会产生局部温度升高，这种温度升高会导致太赫兹光的折射率和传导率发生变化，从而可以获得样品的信息。
二、太赫兹光学成像技术的应用现状太赫兹光学成像技术具有非常广泛的应用范围，主要应用于材料和生命科学、安全检测和非破坏性评价等领域。
太赫兹成像检测算法研究
太赫兹成像检测算法研究太赫兹成像检测是一种新兴的无损检测技术，其利用太赫兹波的传播特性，对被测物体进行成像和特征提取。
太赫兹波是指频率介于红外光和微波之间的电磁波，具有光学成像和雷达穿透性能。
由于其在物体上的吸收、透射、反射和散射等特点与物质的结构和成分密切相关，因此太赫兹成像检测在材料、生物、安全等领域有着广泛的应用前景。
太赫兹成像检测算法的研究主要包括图像重建算法、物体识别和特征提取算法。
图像重建算法是太赫兹成像检测的基础。
太赫兹成像系统通过扫描被测物体获取一系列的太赫兹数据，然后通过图像重建算法将这些数据转化为图像。
常用的图像重建算法有反演算法、频域算法和时域算法等。
反演算法是最常用和最基本的图像重建算法，它将太赫兹数据视为被测物体内部的各种物理参数，通过反向计算得到图像。
频域算法和时域算法则是利用太赫兹波在物体上的传播特性进行图像重建的。
物体识别是太赫兹成像检测的关键问题之一。
太赫兹波在物体上的传播特性受到物体的结构和成分的影响，因此可以通过特征提取和分类来识别物体。
特征提取是将太赫兹数据中的有用信息提取出来，常用的特征包括幅值、相位、频谱等。
特征提取可以通过变换和滤波等方法来实现。
分类是将提取出的特征输入到分类器中进行判断的过程，常用的分类器有支持向量机、人工神经网络等。
特征提取算法是太赫兹成像检测算法中的重要组成部分。
特征提取算法主要包括时域特征提取和频域特征提取两类。
时域特征提取算法是通过对太赫兹数据进行时域分析得到的，常用的时域特征包括时间延迟、尖峰值等。
频域特征提取算法是通过对太赫兹数据进行频域分析得到的，常用的频域特征包括频谱形状、峰值频率等。
近年来，太赫兹成像检测算法的研究得到了快速发展，但仍存在一些问题。
太赫兹成像检测的数据量较大，图像重建、物体识别和特征提取算法的计算复杂度较高。
太赫兹波在物体上的传播受到噪声和干扰的影响较大，算法对噪声和干扰的鲁棒性有待提高。
太赫兹成像检测的算法与具体应用场景的结合有待进一步研究，如在材料领域中的缺陷检测和在生物领域中的肿瘤定位等。
太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用研究
太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用研究随着现代技术的不断发展，太赫兹光学成像技术在生物医学领域中被广泛应用，开始崭露头角。
太赫兹光学成像技术是一种新兴的非侵入式成像技术，利用太赫兹波段的特殊性质，对生物组织进行高分辨率成像分析，为生物医学领域的疾病诊断提供了一种新的方法。
一、太赫兹光学成像技术简介太赫兹光学成像技术是一种高灵敏度的无损成像技术，具有非常强的穿透力和对物质非常敏感的特点。
它利用太赫兹波段的电磁波辐射，通过物质对太赫兹波段的吸收、反射和散射来成像。
太赫兹波段的特点在很大程度上反映了物质的本质和结构，因此太赫兹光学成像技术成为了研究生物组织和疾病的重要手段。
太赫兹波段的频率范围位于红外和微波之间，波长介于0.1 mm 到1 mm之间。
这个范围的频率和波长使得太赫兹波能够在很多非常重要的物质和结构中穿透，因此它非常适合分析复杂的生物组织和疾病信息。
二、太赫兹光学成像技术应用与研究太赫兹光学成像技术在生物医学领域中的应用主要分为两个方面：医学成像和分子诊断。
1、医学成像太赫兹光学成像技术在医学成像中的应用是非常广泛的。
它可以用来诊断不同类型的癌症、皮肤病、骨骼结构等。
比如，一些研究者使用太赫兹光学成像技术对乳腺癌进行了研究，发现太赫兹成像技术可以对乳房内部的密度变化进行精细的分析和识别。
太赫兹光学成像技术对皮肤病的研究也非常有意义。
许多皮肤病的病征可以反映在皮肤的毛细血管结构上。
太赫兹光学成像技术可以通过对皮肤毛细血管的成像来分析皮肤病的发展与病理变化。
此外，太赫兹光学成像技术还可以应用于骨骼成像，用来诊断骨折、骨质疏松等疾病。
2、分子诊断太赫兹光学成像技术可以利用太赫兹波的特性对生物分子进行分析和诊断，这成为了分子诊断领域的研究热点之一。
利用太赫兹光学成像技术，研究人员可以通过分析生物分子的振动、转动和反射等信号，对生物分子的种类和结构进行识别和分析。
太赫兹光学成像技术在分子诊断中的应用非常广泛，如酶的活性分析、 DNA序列分析、蛋白质分析、糖类分析和药物的结构分析等。
太赫兹辐射成像技术的研究与应用
太赫兹辐射成像技术的研究与应用一、引言太赫兹波是介于微波和红外之间的电磁波，波长在0.1mm到1mm之间，频率从0.3太赫兹到30太赫兹。
自从1990年太赫兹波被首次探测以来，研究人员就开始探索其在成像领域的应用，因此太赫兹辐射成像技术便应运而生。
太赫兹辐射成像技术作为一种新兴的成像技术，在医学、安全检测、材料科学等领域都有着广泛的应用前景。
本文将对太赫兹辐射成像技术的研究进展与应用进行详细介绍。
二、太赫兹辐射成像技术概述太赫兹辐射成像技术是通过测量物体在太赫兹波段的透过和反射能量来建立物体的电磁特性图像。
太赫兹辐射成像技术具有吸收能力较弱、穿透深度较大、空间分辨率高、时间分辨率高等优点。
同时，由于太赫兹波与物质的相互作用机制与其他传统成像技术不同，因此具有诸如检测探测材料组成、分析化学结构、检查生物异物等特点。
太赫兹辐射成像技术主要基于以下三种方法：（1）透射成像：透射成像利用透过一个透明样品的太赫兹辐射强度来确定样品的特性。
这种方法的优点是能够提供高空间分辨率的成像结果，但缺点是不能用于非透明样品。
（2）反射成像：反射成像是用太赫兹辐射来照射物体，然后测量反射的的辐射强度以获取物体表面的图像。
这种方法可以用于非透明样品并且具有高表面分辨率，但是不能透射大概物体的内部信息。
（3）透射-反射成像：透射-反射成像将透射成像和反射成像结合起来，可以获取物体靠近表面的有关信息和内部的信息。
这种方法可以用于多种样品，因此具有更大的适用性。
三、太赫兹辐射成像技术的应用（1）医学领域太赫兹辐射成像技术在医学领域的应用主要分为两个方面：组织成像和药物分析。
组织成像主要应用在人体组织结构的成像研究，包括乳腺癌、皮肤癌等的诊断。
这种技术具有较高的检测灵敏度和特异度，并且可以提供组织结构更为细致的信息，是一种比较理想的组织成像技术。
药物分析方面，太赫兹辐射成像技术可以用于药物含量和组成分析，精确定位和形态分析药物颗粒，以及药品中杂质或异物的检测等。
太赫兹成像技术的实验研究
第25卷第3期2006年6月红外与毫米波学报J.I nfrared M illi m .W avesVol .25,No .3June,2006文章编号:1001-9014(2006)03-0217-04收稿日期:2005211201,修回日期:2006202218 Rece i ved da te:2005211201,rev ised da te:2006202218基金项目:国家自然科学基金资助项目(10390160),北京市科技新星计划资助课题作者简介:张振伟(19772),男,北京人,首都师范大学物理系2003级硕士研究生,研究方向:脉冲THz 时域光谱成像和CW THz 成像应用研究.太赫兹成像技术的实验研究张振伟, 崔伟丽, 张 岩, 张存林(首都师范大学物理系,北京 100037)摘要:建立了一套透射式逐点扫描太赫兹(THz )辐射成像装置,它采用<100>2I n A s 晶体作为高功率、宽频谱的THz 辐射源和高灵敏度、低噪声的电光取样差分探测方法,具有对隐蔽在非透明电介质材料内物体成像的能力.并且,系统能够获得成像物体上每一点的光谱数据,可以对物体进行光谱成像.利用多种基于傅立叶变换的数据处理方法给出了葵花籽样品的透射图像,并对其中的几种进行分析和对比.全面介绍透射式逐点扫描THz 成像的关键技术,包括成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面,对有效利用THz 成像技术和开展THz 成像领域的相关研究具有指导意义.关 键 词:红外物理;太赫兹;太赫兹成像;数据处理;时域光谱中图分类号:047 文献标识码:ATERAHERTZ TI M E 2DOMA I N SPECTR OSCOP Y I M AGI NGZHANG Zhen 2W ei, CU IW ei 2L i, Z HANG Yang, Z HANG Cun 2L in(Depart m ent of Physics,Cap ital Nor mal University,Beijing 100037,China )Abstract:A trans m itted scanning terahertz i m aging syste m,which has the <100>2A s e m itter of high power,wide fre 2quency s pectru m and the detect or of high sensitivity and l ow noise,is p resented .It owns the capacity of detecting s omething that has been shielded by s ome opaque dielectric materials .Moreover,s pectr oscopy data at each point of the sa mp le can be acquired by using this syste m.U sing these data the s pectr oscopy i m ages can be rebuilt .Lots of THz i m ages of sunfl ower seed sa mp le by using vari ous data p r ocessing methods based on the Fourier transfor m s pectr oscopy are given and compared .I n additi on,the several i m portant fact ors of the suste m,including setup,measure t o the bea m,data p r ocessing described in detail,which are very essential t o further research and app licati on .Key words:infrared physics;THz;T Hz i m aging;data p r ocessing;ti m e 2domain s pectr oscopy引言太赫兹(THz )辐射是从0.1到10T Hz 电磁辐射(1T Hz 所对应的波长为0.3毫米),位于电磁波谱中微波与红外波段之间.太赫兹成像技术是太赫兹科学与技术中最具应用前景的发展方向之一.自从1995年Hu 和Nuss 首次提出逐点扫描式T Hz 时域光谱成像技术[1]以来,一系列新的THz 成像技术相继被提出,如T Hz 实时成像[2,3]、THz 层析成像[4]等等.逐点扫描系统通常存在数据获取时间较长的问题,可以通过采用CCD 器件作为探测器[2]实现同时对整个物体的时域波形进行扫描(数据格式:S x ×y ×t ),提高采集速度.更进一步,采用啁啾脉冲探测的方法,在理论上可以实现单脉冲成像[3].但是,这两种方法相对于扫描成像来说信噪比要低的多,成像质量无法与后者相比.THz 成像技术的进一步发展需求高功率、便携式、可调谐的T Hz 辐射源[5～7],宽频谱、高灵敏度、低噪声的探测器[8]和快速、高效的数据处理方法,已经有越来越多的研究小组致力于这些方面的探索和尝试.目前,T Hz 成像还是一项新兴的技术,在国内更是刚刚起步,因此对典型的T Hz 逐点扫描成像系统的关键技术进行全面研究,对深入探索和有效利用这一前沿技术具有指导意义.下面介绍一套具有较高应用价值的透射式THz 逐点扫描成像装置,采用<100>2I nA s 晶体作为高功率、宽频谱的THz 辐射源(同等条件下比选用Ga A s 材料产生的T Hz 射线功率高很多,比传统的大孔径光导天线发射源产生的T Hz 信号的频谱范围红外与毫米波学报25卷扩展了将近一倍,达到2.6T Hz以上),应用高灵敏度、低噪声、宽频谱响应的电光取样探测方法,获取样品的透射时域光谱.同时归纳总结了透射式T Hz逐点扫描透射成像的常用数据处理方法,利用其中的一些方法构建出葵花籽的透射图像,并对其进行分析和对比.接下来从成像装置、光束测量、数据处理和分析等几个方面对T Hz成像技术进行详细的讨论.1 实验装置图1是成像系统的实验装置图.激光光源是一台自锁模钛:蓝宝石飞秒激光器,脉冲宽度为100飞秒,中心波长选择在810纳米,重复频率为80MHz.飞秒脉冲被分光棱镜(CBS)分为激发光和探测光两部分.激发光通过一时间延迟台后被聚焦,并以45°角照射在<100>取向的I nA s晶体上,产生光生载流子,由于光激发的电子和空穴在浓度梯度下扩散速度不同,在晶体表面引发超快光致丹倍(Dember)电场,从而加速载流子运动并产生T Hz辐射.窄带半导体晶体I nA s中由于丹倍电场产生的THz辐射强度比相同条件下Ga A s晶体产生的T Hz辐射强很多,为THz成像提供了较高功率的辐射源.产生的THz辐射经两对离轴抛物面镜(P M)准直和聚焦,最后透过一个1mm厚的高阻硅薄片,汇聚在<110>2 ZnTe电光探测晶体上.THz电场调制电光晶体的折射率椭球,也就是发生了电光效应.另一方面,对于同时到达探测晶体的探测光,由于探测晶体的折射率椭球随着THz电场的变化而变化,使得透射的探测光的偏振特性随之变化.被调制的探测光经过四分之一波片(QW P)和渥拉斯顿棱镜(P BS)后,被一对光电二极管探测,得到的差分信号经过锁相放大器放大和计算机同步采集,得到THz辐射信号.实验中样品被安放在一个二维平移台上(扫描范围25毫米×25毫米),置于第2个抛物面镜的焦点处.通过对不同时间延迟的扫描,能够在x2y平面上每一空间点上获得带有样品信息的透射时域波(数据格式为三维格式:x×y×t).对时域波进行傅里叶变换可得到每一点的T Hz频率响应谱.只要从每一点的光谱中提取出选定振幅或位相信息,就可以获得一个二维(x×y)点阵,进行成像.数据扫描时间由锁相放大器的积分时间、扫描的空间点数和时间点数决定.对于一组积分时间设为30毫秒的23×23×256点的数据,所需时间大约为10个小时.系统产生信号的动态范围在3000以上,信号时域峰值处的信噪比超过600,频谱宽度为0.1到图1 T Hz成像装置光路图Fig.1 Schematic of a THz2T DS trans m issi on i m aging setup2.5T Hz,具有10GHz以上的频谱分辨能力.本系统所成像的空间分辨率由聚焦在样品上的THz光斑的大小决定.将THz波近似视为高斯光束,则焦斑的尺寸由下式表示:R=24λπfd ,(1)其中d为被第一个抛物面镜准直后的光束直径,f 为第2个离轴抛物面镜的焦距,λ是THz信号频谱峰值波长.由于系统测量的是T Hz电场而不是强度,所以引入系数 2.本系统中,d=2.8mm,f= 5018mm,λ～0.31mm,得出R～1.1mm.为了确保得到尽可能高的空间分辨率,首先要找到T Hz电磁波焦斑的准确位置.测量中,将金属刀片安装在一可以沿T Hz光束方向(z方向)调节的手动平移台上,并将平移台安放在图1中的二维电控平移台上.在不同的z轴位置,沿x轴和y轴分别切割THz光束得到一系列电场强度变化曲线.对其进行求微分运算,得到T Hz光束在x2y平面上的电场强度分布,所得曲线的半宽度被认为是太赫兹光斑的直径,它决定了所成像的空间分辨率.图2给出的是在x方向上T Hz光斑最小位置处THz光束的电场强度随横向位置的变化曲线(a)和它的场强分布曲线(b).由图(b)可以得出曲线的半宽度近似等于1.1mm,与前面计算得到的焦斑大小相一致.2 数据处理方法T Hz波时域光谱成像技术与一般的强度成像不同,它的一个显著特点是信息量大.每一个成像点对应一个时域波形,我们可以从时域信号或它的傅立叶变换谱中选择任意一个数据点的振幅或位相进行成像,从而重构样品的空间密度分布、折射率和厚度分布.图3是透过成像样品某一点后的T Hz时域信8123期张振伟等:太赫兹成像技术的实验研究图2 在焦点处沿x 轴切割时T Hz 电场强度变化曲线(a )和电场强度空间分布(b )Fig .2 (a )W hen a razor blade scans the THz bea m f ocal point (waist )al ong x 2axis,the different THz electr onic fields are recorded .(b )thr ough calculating differential coefficient t o (a ),the s patial distributi on of T Hz electr onic field at the x 2axis are p resented号波形(a )和它的傅立叶变换频谱(b ).根据对时域或频域中不同物理量的选取,THz 成像可以表达成多种形式,不同表达方式可以解释不同特征,以便提供更多、更精确的样品信息.因此,处理数据的方法在THz 成像中就显得尤为重要.下面列举一些可行的数据处理方法,在下一节给出利用其中的几种方法得到的葵花籽样品的THz 透射图像(见图4).图3 透射样品的THz 时域波形S (a )和对应的THz 傅立叶变换光谱(b )Fig .3 THz ti m e 2domain signal (a )of trans m itted the sa mp le and its Fourier transf or m s pectru m (b )2.1 时域模式这种模式都是在THz 电场的时域波形(如图3(a ))中提取出反映样品信息的数据进行成像的,如:a )时域信号的最大值成像;b )时域信号的最小值成像;c )信号的振幅成像(最大值与最小值之差);d )能量成像(THz 波形的脉冲能量D =∫t 2t 1E 2(t )d t,t 1和t 2界定一段时间,通常可取峰值前零点时刻和峰值后零点时刻);e )信号最大值对应的时间位置成像;f )信号最小值对应的时间位置成像;g )最大值和最小值之间的零信号对应的时间位置成像等等.以上分类大体可以分为两类:前4种是振幅成像,主要反映了样品的厚度和吸收特性;后3种是位相成像,主要反映了样品厚度及其折射率信息.不同的成像模式,反映的样品信息不同,从而重构的THz 图像对比度也不同.但是任一时域信息的变化,都是样品对频域中所有频率成分影响的综合反映,是一个平均的效果.这一特点决定了采用时域信息进行成像通常都有较好的成像效果,不同成像方法之间像质差别也比较小.2.2 频域模式这种模式都是在THz 电场的频域波谱(如图3(b ))中提取出反映样品信息的数据进行成像的.如:a )频域谱的最大值成像;b )频域谱的任意频率对应的振幅成像;c )频域谱的任意频率对应的功率成像(power =|r (ω)|2N,其中r 为傅里叶变换后任意频率对应的振幅,N 为采集数据的点数);d )频域谱的任意频率对应的位相成像;e )样品的吸收率成像(样品谱与参考谱功率的比值);f )样品的折射率成像;g )频谱的能量成像(能量D =∫ω2ω1E 2(ω)dω,ω1和ω2在频谱中界定某一频率范围)等等.以上的方法提取的信息都是针对频谱中某一或某些特定频率所对应的振幅、功率、位相、吸收系数或折射率的值,反映的是样品的吸收系数和折射率在不同电磁波的频率间存在的差异,所得图像的对比度变化明显.并且由于T Hz 光谱宽度在2THz 以上,在高频分量具有更短的波长,从而可实现更高的空间分辨率.3 成像结果分析我们利用葵花籽作为样品获取了一组数据,并利用上一节提到的部分方法获得了T Hz 透射像.图4给出了葵花籽样品的实物照片和相应方法重构的THz 透射图像.图a )给出了样品的白光照片,为了显示葵花籽的内部信息,在拍摄白光照片时将其剖开.在所有的T Hz 图像中都能清晰地分辨果壳的轮廓和隐藏在果壳中果仁的形状,这是我们最感兴趣的.同时,由于所用方法的不同,各个图像所表征的912红外与毫米波学报25卷信息也不尽相同,下面将对它们进行对比和分析.图b )～e )对应不同的时域信息(最大峰值、最小峰值、峰峰值和最大值位置),它们反映的是样品对T Hz 光谱所有成份的响应.图b )～d )反映的是样品对THz 辐射的吸收特性,呈现出样品的空间密度和厚度分布特征,图e )反映的是样品的折射率和厚度分布信息.这四张图成像效果相近,对比度也比较明显.图f )～k )对应不同的频域信息(频谱振幅最大值、频谱中对应0.2、0.5、0.9和1.28THz 的振幅值和频谱中对应0.9THz 的位相值),它们反映的是样品对不同频谱成分的响应,其本质表现为样品的吸收系数和折射率随电磁波的频率的不同而有所差异,当然还包括样品的厚度对光谱成分的影响.与时域信息成像相似的是,对于提取振幅数据的f )～j )图,反应的是空间密度和厚度分布,而对于提取位相图4 葵花籽的THz 图像 a )实物 b )时域最大峰值 c )时域最小峰值 d )时域峰峰值 e )时域峰值位置 f )频谱最大 g )频谱0.2T Hz 振幅 h )频谱0.5THz 振幅 i )频谱0.9THz 振幅 j )频谱1.28THz 振幅 k )频谱0.9T Hz 位相Fig .4 a )The phot ograph of sa mp les b )The ti m e 2domain max 2i m u m a mp litude i m aging c )The ti m e 2domain m ini m u m a mp li 2tude i m aging d )The ti m e 2domain peak 2t o 2peak value i m aging e )The ti m e 2domain ti m e delay i m aging f )The frequency 2domain maxi m u m amp litude i m aging g )～j )The a mp litude of the fixed frequency at 0.2THz,0.5THz,019T Hz,1.28T Hz k )The phase of the fixed frequency at 0.9THz数据的k )图,反映的是样品的折射率和厚度分布,只不过所针对的是某一个特定频率.从图中可以看到,选择频谱中不同的频率成分的振幅值所成的图像的对比度存在较大的差异.在频率较低时,成像的对比度较差,这是由于空间衍射极限造成的,而且还有非常明显的边缘散射现象,如图g )所示.随着频率的提高,在较高的频率,图像的清晰度和对比度提高,如图h )、I )所示.对于图j ),反映果壳与果仁对1.28T Hz 的电磁波的透射效果差别很小,因此无法进行区分.图e )和图k )都是位相信息成像,只不过图e )反映的是样品对T Hz 脉冲包络位相变化的影响,而图k )描述单个频率0.9T Hz 的位相变化.4 结论本文全面介绍了透射式T Hz 逐点扫描成像系统的关键技术.建立了一种高功率、宽频谱范围的THz 逐点扫描成像系统,能够探测隐藏在某些非透明的电介质材料后面或内部的样品信息.应用针对透射式扫描成像的数据处理方法,给出了一些方法的THz 图像,并分析了这些方法的物理内涵,对开展THz 成像技术研究具有指导意义.REFERENCES[1]Hu B B,Nuss M C .I m aging with terahertz waves [J ].O pt .L ett .1995,20(16):1716—1718.[2]W u Q,He witt T D,Zhang X 2C .T wo 2di m ensi onal electr o 2op tic i m aging of THz bea m s [J ].A ppl .Phys .L ett .1996,69(8):1026—1028.[3]J iang Z,Zhang X 2C .Single 2shot s pati ote mporal terahertzfield i m aging [J ].O pt .L ett .1998,23(14):1114—1116.[4]W ang S H,Zhang C L ,Zhang X C,et al .Terahertz com 2puter t omography [J ].A cta .Phys .S in .(王少宏,张存林,张希成,等.Terahertz 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2013年第4期空间电子技术SPACE ELECTＲONIC TECHNOLOGY太赫兹成像系统的研究①向博，王龙，孟洪福，窦文斌（东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096）摘要：文章介绍了工作在375GHz的太赫兹成像系统，成像系统由3个透镜、返波管源、倍频器、戈莱盒、金属线栅和示波器等部分构成。
并用硬币做了太赫兹反射成像实验以验证成像系统效果。
太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度。
实验结果表明成像效果良好，并采用非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。
关键词：太赫兹成像；返波管；非线性频谱外推法D O I：10．3969/j．issn．1674-7135．2013．04．0150引言太赫兹信号具有很强的穿透力，太赫兹成像技术广泛应用于材料检测、非破坏性测试、安全扫描和医疗领域等［1］。
太赫兹成像技术主要包括时域光谱成像、层析成像、全息成像和连续波成像等［2 9］。
时域光谱成像系统在电场的时域波形中提取反映样品信息的数据进行成像。
大体可以分为两类：振幅成像，主要反映了样品的厚度和吸收特性；相位成像，主要反映了样品厚度及其折射率信息［10］。
有很多论文研究时域成像，工作带宽高，成像分辨率较高，但是扫描时间较长。
相对于时域光谱成像，连续太赫兹成像只检测电磁波透过样品或经样品反射后的强度信息，不具备提供相位信息的能力，但是，连续太赫兹成像系统具有较高的辐射功率、系统简单、价格低、成像速度较快、使用方便的特点。
对于扫描物体比较大而又只需要检测缺陷或者透射性质，连续太赫兹成像具有明显的优势。
文献［8］报道了该方法用于检测美国航空航天局（NASA）的绝缘层结构内部缺陷。
连续太赫兹成像采用的波源主要有气体激光器［6］、耿氏振荡器［11］和返波管［4］等。
采用返波管作为太赫兹波源具有体积小、结构紧凑、功率较大和调频范围大等优点。
文章介绍在连续太赫兹成像方面做的研究工作，成像系统的构建主要包括硬件组成、数据采集控制软件和图像数据处理。
太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度，得到了硬币太赫兹图像。
实验结果表明成像效果良好，并采用灰度调整非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。
1成像实验系统1．1成像原理太赫兹成像基本原理是基于电磁波穿透目标物体后或经目标物体反射的强度分布，它能反映目标物体的介电特性的差别，包括损伤、干湿、表面形状和缺陷等造成的介电特性的差别。
1．2系统结构连续太赫兹成像设置方案如图1（a）所示。
毫米波波源采用Microtech Instruments公司设计的返波管（型号：QS2-1500），该返波管配上ˑ2、ˑ3、ˑ6或ˑ9的VDI公司设计的倍频器能产生连续可调频率覆盖范围为111GHz 1．5THz的单频点太赫兹波源，文章设计的验证实验采用三倍频器倍频输出375GHz的太赫兹。
倍频器输出的太赫兹信号经对角喇叭辐射出高斯束，经透镜变换和汇聚照射到被成像目标物体上。
由目标物体反射后的太赫兹信号经戈莱盒检测其幅度大小。
透镜用聚四氟乙烯制成，焦距为60mm，F数为1；被成像物体目标放置在透镜2的焦点处，固定在二维扫描的装置上，如图1（a）所示。
太赫兹波束被频率为23Hz的斩波器调56①收稿日期：2013-10-08。
基金项目：国家自然科学基金（编号：61101020）；高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20110092120012）。
制，以便戈莱盒检测；二维步进电动平移扫描架设水平移动为x轴、垂直移动为y轴，平移轴的最小步进为0．025mm，重复定位精度为0．005mm，二维步进电动平移扫描架控制器通过ＲS232串口与计算机相连接，并由计算机命令实现xy面机械自动扫描；太赫兹接收机采用Microtech Instruments公司设计的戈莱盒，具有常温工作、高灵敏度、检波效率高和工作频段宽等优点。
经实验对比，在同等功率太赫兹信号输入，戈莱盒比热释电检测器灵敏度高得多，输出的交流电压峰峰值大10倍之多，采用Agilent公司研发的示波器MSO6052A对戈莱盒输出的交流信号进行峰峰值采样，由于MSO6052A具有网络通信接口，故计算机能通过网络读取示波器的信号峰峰值。
太赫兹信号入射到非绝对光滑的金属表面，反射的电磁波极性会发生改变，根据入射波和反射波的极化不同，利用金属线栅即可实现入射波和反射波信号分离。
实验场景如图1（b）所示。
被成像物体悬挂在步进电动平移扫描架上在xy面进行s形来回逐点扫描，且计算机每点读取示波器的峰峰值。
（a）装置示意图（b）实验场景图1太赫兹成像系统1．3数据采集软件设计太赫兹成像系统数据采集软件主要包括步进电动平移扫描架的控制和示波器数据读取两部分，软件设计采用Microsoft Visual Basic6．0。
控制计算机用串口通信协议ＲS232实现对步进电动平移扫描架的控制。
把计算机与示波器（型号：Agilent MSO6052A）用100M网络连接，根据NI公司开发的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）协议进行二次应用开发即可从示波器读出交流信号的峰峰值。
软件自动控制扫描架的移动并且在相对应的坐标获取信号峰峰值，从而实现整个成像系统的数据自动采集。
2实验结果为了验证太赫兹反射成像系统，用硬币作为金属样品进行成像实验，放置于图1（a）所示的目标物体位置处。
把硬币固定在电动平移扫描架上，硬币的光学照片如图2（a）所示。
金属线栅与入射太赫兹信号电场极化方向垂直，因此入射电磁波能穿透金属线栅。
太赫兹信号经过透镜2变换汇聚后照射到硬币上，经硬币反射且电磁波极化方向发生改变再次经过透镜2变换，反射波照射到金属线栅上，由于反射波极化方向与线栅同向，发生反射穿透透镜3汇聚到戈莱盒从而检测出太赫兹信号强度。
（a）光学照片（b）375GHz的太赫兹照片图2硬币照片与图2（a）对应的太赫兹图像如图2（b）所示，五角硬币扫描范围为20mmˑ20mm，扫描步进为66空间电子技术2013年第4期0．25mm。
一元硬币扫描范围为30mmˑ30mm，扫描步进为0．5mm。
相对于硬币上的字符，375GHz的太赫兹信号波长还是较长，因此硬币上较大的字符清晰可见，较小字符模糊。
由于太赫兹成像系统限制造成图像高频成分退化，若能有效地利用毫米波原始图像的信息，拓展出图像中被抑制的高频分量，降低噪声的影响，就能提高成像质量。
2000年Greenspan H等人提出了非线性频谱外推算法［12］对图像进行处理。
采用非线性频谱外推算法处理得到的太赫兹图像如图3所示。
对比图2（b），非线性频谱外推算法处理后的图像对比度和图形轮廓有所提高。
图3非线性频谱外推算法图像3结论文章应用返波管、透镜、戈莱盒、金属线栅、示波器和步进电动平移扫描架等设备构建了一套连续太赫兹反射成像系统。
运用VB6．0开发了一套成像自动采集处理软件。
文中给出了太赫兹反射成像原理框图，并采用硬币作为成像目标物体进行了太赫兹成像实验，绘制了硬币太赫兹图像。
用非线性频谱外推算法对原始图像进行了处理，提高了太赫兹图像的清晰度。
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