CN101806748B - 太赫兹二维面阵扫描成像方法及实现该方法的成像系统 - Google Patents

Abstract

太赫兹二维面阵扫描成像方法及实现该方法的成像系统，涉及一种太赫兹扫描成像方法及系统。解决了现有技术的逐点扫描成像只能处理单个数据点造成的成像时间过长的问题，和现有技术的面阵扫描成像只能对小物体快速成像的问题，本发明利用太赫兹激光器、光学系统、面阵探测器、二维平移台、步进电机控制器、数据采集卡和计算机进行二维面阵扫描成像，在成像光源固定的情况下，移动二维平移台到达合适的初始位置，并在成像过程中完成对目标的完整扫描，每次对成像目标的某一区域进行成像，最后将各个子图拼接起来，要获得成像目标的图像，需要对二维平移台和数据采集卡进行控制，并对数据进行处理和存储。适用于大尺寸、高速的目标成像。

Description

太赫兹二维面阵扫描成像方法及实现该方法的成像系统

技术领域

本发明涉及激光成像控制领域，具体涉及一种太赫兹扫描成像方法及系统。

背景技术

太赫兹辐射（Terahertz，简称THz）通常指的是频率在0.1-10THz范围内的电磁辐射，可以穿透大多数非金属非极性物质，如纸张、信封、背包等，同时具有较低的光子能量，不会像X射线那样对生物体产生有害电离和伤害。因此太赫兹辐射成像在医学检查、安全检测和食品监测等方面具有巨大的应用前景。

利用太赫兹辐射源、单元探测器、二维平移台、数据采集卡和计算机可以对目标进行逐点扫描成像，成像精度较高，但是限于探测器尺寸、扫描步长以及扫描器运行速度，每次只能扫描一个点，这样对大尺寸物体的成像时间会很长；利用太赫兹激光器、面阵探测器、数据采集卡和计算机可以进行面阵成像，每次可以对目标的一定区域进行实时的快速成像，但限于面阵探测器尺寸和光斑大小，只能对小目标进行成像。

现有的太赫兹成像控制方法主要应用于逐点扫描成像和面阵扫描，每次扫描只需处理单个数据点或者对小目标进行单幅成像，而无需进行图像拼接。

发明内容

本发明为了解决现有技术的逐点扫描成像只能处理单个数据点造成的成像时间过长的问题，和现有技术的面阵扫描成像只能对小物体快速成像的问题，提出一种太赫兹二维面阵扫描成像方法及实现该方法的成像系统。

太赫兹二维面阵扫描成像方法，具体过程如下：

步骤一、设置重叠宽度d、成像目标的水平位移量c1和竖直位移量c2，具体过程为：根据面阵探测器的中心有效范围a×b、成像目标的成像区域的长度l、成像目标的成像区域的宽度w和成像目标长度方向在面阵探测器上所占的像素数p和成像目标宽度方向在面阵探测器上所占的像素数q确定成像目标的水平位移量c1和竖直位移量c2；

步骤二、移动成像目标，使成像目标处于成像初始位置；

步骤三、采集面阵探测器上光斑的选择区域范围为（a+2d）×（b+2d）的成像目标的部分太赫兹子图像；

步骤四、在与面阵探测器的光探测面平行的、成像目标所在二维平面内，沿一个方向水平移动成像目标，移动距离为一个水平位移量c1，面阵探测器和数据采集卡延时时间T，获得另一幅成像目标的部分太赫兹子图像；然后将获得的所述部分太赫兹子图像和与其相邻的成像目标的部分太赫兹子图像按照边界重叠宽度d拼接；

步骤五、重复执行步骤四，直到获得完整单行成像目标的图像；

步骤六、在与面阵探测器的光探测面平行的、成像目标所在二维平面内，沿竖直方向移动成像目标，移动距离为一个竖直位移量c2，面阵探测器和数据采集卡延时时间T，返回执行步骤三、四，完成另一完整单行成像目标的图像的采集与拼接；

步骤七、重复执行步骤六，对成像目标进行成像的逐行扫描，直到获得成像目标的完整图像。

实现太赫兹二维面阵扫描成像方法的成像系统，它由太赫兹激光器、光学系统、面阵探测器、二维平移台、步进电机控制器、数据采集卡和计算机组成，在所述光学系统的两端沿所述光学系统光轴分别设置太赫兹激光器和面阵探测器，使太赫兹激光器发出的光束同时垂直于光学系统的主面和面阵探测器的光探测面，二维平移台设置在光学系统和面阵探测器之间，成像目标放置在二维平移台上，使太赫兹激光器发出的光束经过光学系统照射在成像目标上，并且经过成像目标的透射光覆盖在面阵探测器的光探测面上，面阵探测器的电信号输出端与数据采集卡的信号输入端相连，数据采集卡的信号输出端与计算机的信号输入端相连，计算机的信号输出端与步进电机控制器的信号输入端相连，步进电机控制器用于控制二维平移台在二维平面内移动。

上述成像系统中的二维平移台用于装载成像目标，进而实现成像目标的二维运动。本发明的成像系统利用太赫兹激光器、光学系统、面阵探测器、二维平移台、步进电机控制器、数据采集卡和计算机进行二维面阵扫描成像，每次对成像目标的某一区域进行成像，最后将各个子图拼接起来，可以有效扩大成像目标尺寸，提高成像速度。

要获得成像目标的图像，需要对二维平移台和数据采集卡进行控制，并对数据进行处理和存储。根据面阵探测器的光探测面面积，将成像目标划分成多个小区域，然后逐一对每个小区域进行成像，最后对所有小区域成的像进行拼接，获得目标的整个图像。在成像光源固定的情况下，移动二维平移台到达合适的初始位置，并在成像过程中完成对目标的完整扫描，同时需要控制面阵探测器的工作时序，并通过数据采集卡采集探测数据，以及进行数据的处理、图像的拼接和实时显示以及存储。

附图说明

图1为太赫兹二维面阵扫描成像系统的结构示意图。图2为面阵探测器的中心有效范围的示意图。图3为太赫兹二维面阵扫描成像方法的流程图。 

具体实施方式

 具体实施方式一、结合图3说明本实施方式，太赫兹二维面阵扫描成像方法，具体过程如下：

步骤一、设置重叠宽度d、成像目标6的水平位移量c1和竖直位移量c2，具体过程为：根据面阵探测器2的中心有效范围a×b、成像目标6的成像区域的长度l、成像目标6的成像区域的宽度w和成像目标6长度方向在面阵探测器2上所占的像素数p和成像目标6宽度方向在面阵探测器2上所占的像素数q确定成像目标6的水平位移量c1和竖直位移量c2；

步骤二、移动成像目标6，使成像目标6处于成像初始位置；

步骤三、采集面阵探测器2上光斑的选择区域范围为（a+2d）×（b+2d）的成像目标6的部分太赫兹子图像；

步骤四、在与面阵探测器2的光探测面平行的、成像目标6所在二维平面内，沿一个方向水平移动成像目标6，移动距离为一个水平位移量c1，面阵探测器2和数据采集卡4延时时间T，获得另一幅成像目标6的部分太赫兹子图像；然后将获得的所述部分太赫兹子图像和与其相邻的成像目标6的部分太赫兹子图像按照边界重叠宽度d拼接；

步骤五、重复执行步骤四，直到获得完整单行成像目标6的图像；

步骤六、在与面阵探测器2的光探测面平行的、成像目标6所在二维平面内，沿竖直方向移动成像目标6，移动距离为一个竖直位移量c2，面阵探测器2和数据采集卡4延时时间T，返回执行步骤三、四，完成另一完整单行成像目标6的图像的采集与拼接；

步骤七、重复执行步骤六，对成像目标6进行成像的逐行扫描，直到获得成像目标6的完整图像。

1）中心有效范围a×b：Pyrocam III热像仪的面阵探测范围为12.4mm×12.4mm，每帧数据是大小为124×124的二维数组，由于光斑在面阵探测器2上的能量分布不均匀，而且无法覆盖整个探测器，因此每帧图像的边缘不准确，噪声较大，因此需要对每帧数据进行处理，根据每次成像实验时探测光斑的大小设置选择区域范围a和b，即只选择中心区域大小为a×b的二维数组，而将其他数据作为噪声舍掉，如图2所示，光斑的横向尺寸和纵向尺寸比较接近，所以通常情况下a=b；

2）实际尺寸l和像素数p：由于光学系统7不是绝对的平行光路，而且存在透镜组合，所以在面阵探测器2上得到的成像目标6图像尺寸和成像目标6的实际尺寸l并不一致；

3）扫描步长c：扫描步长c为每一次二维平移台3移动的距离，单位mm；

4）重叠区域d：由于成像光斑不均匀，所以图像在拼接过程中会出现对比度变化剧烈的拼缝，从而影响成像质量，所以需要对各子图的拼接边界进行处理，让相邻子图都包含宽度为d个像素的目标区域；

5）n帧图像叠加：由于太赫兹激光器1在成像过程中存在波动，影响图像质量，因此需要对成像目标6的同一区域采集n幅子图像，相加后取平均值，从而减小激光器波动对图像质量的影响；

6）扫描行数e，扫描列数f：根据目标的实际尺寸l和扫描步长c确定扫描的范围，即扫描整个目标所需要移动的步数，根据这两个参数可以确定最终图像的大小ae×bf；

7）采集时间间隔T：成像过程中，面阵探测器2采集数据的频率为48Hz，但是二维平移台3受步进电机控制器8控制的移动速度有限，需要等待二维平移台3移动到指定位置时才能够进行数据采集，所以数据的采集时间间隔T（单位ms）与扫描步长c成正比。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一中步骤一的进一步说明，步骤一中所述的水平位移量c1和竖直位移量c2分别为：

成像目标6的水平位移量c1=a×l/p，成像目标6的竖直位移量c2= b×w/q。

具体实施方式三、本实施方式对具体实施方式一或二中面阵探测器2的中心有效范围a×b的说明，面阵探测器2的中心有效范围a=b。

具体实施方式四、本实施方式对具体实施方式一、二或三中步骤一的进一步说明，步骤三所述的采集一幅成像目标6的部分太赫兹子图像的具体过程如下：

步骤三一、多次采集太赫兹激光器1照射在成像目标6上形成的太赫兹图像，获得n帧图像；

步骤三二、根据面阵探测器2的中心有效范围a×b提取出步骤三一获得的n帧图像的有效数据，并将n帧图像的有效数据按像素点进行叠加处理获得叠加数据，所述有效数据为a×b的二维数组；

步骤三三、将步骤三二获得的叠加数据取平均值，按像素点组成成像目标6的部分太赫兹子图像。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一中步骤四的进一步说明，步骤四中所述的将获得的所述部分太赫兹子图像和与其相邻的成像目标6的部分太赫兹子图像按照边界重叠宽度d拼接的过程具体为：

面阵探测器2实际成像时光斑的选择区域范围为（a+2d）×（b+2d），其中d为重叠区域，即相邻两幅部分太赫兹子图像都包含宽度为d个像素的目标区域；

将相邻成像目标6部分的太赫兹子图像的重叠宽度d图像按像素点进行叠加处理获得叠加数据；并将叠加数据取平均值，按像素点完成相邻图像的拼接。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式一中步骤九的进一步说明，步骤七中实现成像目标6的逐行扫描的扫描方式为“之”字形逐行扫描方式或者为蛇形逐行扫描方式。

具体实施方式七、结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的太赫兹二维面阵扫描成像系统是实现本发明所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法的一种成像系统，它由太赫兹激光器1、光学系统7、面阵探测器2、二维平移台3、步进电机控制器8、数据采集卡4和计算机5组成，在所述光学系统7的两端沿所述光学系统7光轴分别设置太赫兹激光器1和面阵探测器，使太赫兹激光器1发出的光束同时垂直于光学系统7的主面和面阵探测器2的光探测面，二维平移台3设置在光学系统7和面阵探测器2之间，成像目标6放置在二维平移台3上，使太赫兹激光器1发出的光束经过光学系统7照射在成像目标6上，并且经过成像目标6的透射光覆盖在面阵探测器2的光探测面上，面阵探测器2的电信号输出端与数据采集卡4的信号输入端相连，数据采集卡4的信号输出端与计算机5的信号输入端相连，计算机5的信号输出端与步进电机控制器8的信号输入端相连，步进电机控制器8用于控制二维平移台3在二维平面内移动。

本实施方式中的二维平移台3用于承载成像目标6，并通过计算机5、步进电机控制器8控制二维平移台3运动，进而实现了成像目标6的二维运动。所述计算机5还用于实现图像的采集控制，以及图像的拼接。数据采集卡4用于在计算机5的控制下实现面阵探测器2获得的图像信号的采集。面阵探测器2采用Pyrocam III热像仪；数据采集卡4采用PCI-1710数据采集卡；步进电机控制器8采用SC100型步进电机控制器。 

Claims (10)

1.太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于具体过程如下：

步骤一、设置重叠宽度d、成像目标(6)的水平位移量c1和竖直位移量c2，具体过程为：根据面阵探测器(2)的中心有效范围a×b、成像目标(6)的成像区域的长度l、成像目标(6)的成像区域的宽度w和成像目标(6)长度方向在面阵探测器(2)上所占的像素数p和成像目标(6)宽度方向在面阵探测器(2)上所占的像素数q确定成像目标(6)的水平位移量c1和竖直位移量c2；重叠宽度d：由于成像光斑不均匀，所以图像在拼接过程中会出现对比度变化剧烈的拼缝，从而影响成像质量，所以需要对各子图的拼接边界进行处理，让相邻子图都包含宽度为d个像素的目标区域；

步骤二、移动成像目标(6)，使成像目标(6)处于成像初始位置；

步骤三、采集面阵探测器(2)上光斑的选择区域范围为(a+2d)×(b+2d)的成像目标(6)的部分太赫兹子图像；

步骤四、在与面阵探测器(2)的光探测面平行的、成像目标(6)所在二维平面内，沿一个方向水平移动成像目标(6)，移动距离为一个水平位移量c1，面阵探测器(2)和数据采集卡(4)延时时间T，获得另一幅成像目标(6)的部分太赫兹子图像；然后将获得的所述部分太赫兹子图像和与其相邻的成像目标(6)的部分太赫兹子图像按照重叠宽度d拼接；

步骤五、重复执行步骤四，直到获得完整单行成像目标(6)的图像；

步骤六、在与面阵探测器(2)的光探测面平行的、成像目标(6)所在二维平面内，沿竖直方向移动成像目标(6)，移动距离为一个竖直位移量c2，面阵探测器(2)和数据采集卡(4)延时时间T，返回执行步骤三、四，完成另一完整单行成像目标(6)的图像的采集与拼接；

步骤七、重复执行步骤六，对成像目标(6)进行成像的逐行扫描，直到获得成像目标(6)的完整图像。

2.根据权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于步骤一中所述的水平位移量c1和竖直位移量c2分别为：

成像目标(6)的水平位移量c1＝a×l/p，成像目标(6)的竖直位移量c2＝b×w/q。

3.根据权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于面阵探测器(2)的中心有效范围a＝b。

4.根据权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于步骤三所述的采集一幅成像目标(6)的部分太赫兹子图像的具体过程如下：

步骤三一、多次采集太赫兹激光器(1)照射在成像目标(6)上形成的太赫兹图像，获得n帧图像；

步骤三二、根据面阵探测器(2)的中心有效范围a×b提取出步骤三一获得的n帧图像的有效数据，并将n帧图像的有效数据按像素点进行叠加处理获得叠加数据，所述有效数据为a×b的二维数组；

步骤三三、将步骤三二获得的叠加数据取平均值，按像素点组成成像目标(6)的部分太赫兹子图像。

5.根据权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于步骤四中所述的将获得的所述部分太赫兹子图像和与其相邻的成像目标(6)的部分太赫兹子图像按照重叠宽度d拼接的过程具体为：

面阵探测器(2)实际成像时光斑的选择区域范围为(a+2d)×(b+2d)，其中d为重叠宽度，即相邻两幅部分太赫兹子图像都包含宽度为d个像素的目标区域；

将相邻成像目标(6)部分的太赫兹子图像的重叠宽度d图像按像素点进行叠加处理获得叠加数据；并将叠加数据取平均值，按像素点完成相邻图像的拼接。

6.根据权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法，其特征在于步骤七中实现成像目标(6)的逐行扫描的扫描方式为“之”字形逐行扫描方式或者为蛇形逐行扫描方式。

7.实现权利要求1所述的太赫兹二维面阵扫描成像方法的成像系统，其特征在于它由太赫兹激光器(1)、光学系统(7)、面阵探测器(2)、二维平移台(3)、步进电机控制器(8)、数据采集卡(4)和计算机(5)组成，在所述光学系统(7)的两端沿所述光学系统(7)光轴分别设置太赫兹激光器(1)和面阵探测器，使太赫兹激光器(1)发出的光束同时垂直于光学系统(7)的主面和面阵探测器(2)的光探测面，二维平移台(3)设置在光学系统(7)和面阵探测器(2)之间，成像目标(6)放置在二维平移台(3)上，使太赫兹激光器(1)发出的光束经过光学系统(7)照射在成像目标(6)上，并且经过成像目标(6)的透射光覆盖在面阵探测器(2)的光探测面上，面阵探测器(2)的电信号输出端与数据采集卡(4)的信号输入端相连，数据采集卡(4)的信号输出端与计算机(5)的信号输入端相连，计算机(5)的信号输出端与步进电机控制器(8)的信号输入端相连，步进电机控制器(8)用于控制二维平移台(3)在二维平面内移动。

8.根据权利要求7所述的成像系统，其特征在于面阵探测器(2)采用Pyrocam III热像仪。

9.根据权利要求7或8所述的成像系统，其特征在于数据采集卡(4)采用PCI-1710数据采集卡。

10.根据权利要求7或8所述的成像系统，其特征在于步进电机控制器(8)采用SC100型步进电机控制器。

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