CN102681023A - 一种太赫兹波成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波成像系统，通过采用帧扫平面镜在一个小角度范围内摆动实现对被测目标的大范围的二维多列扫描，提高了扫描成像速度，同时增加该系统在实时安检系统中对人体进行扫描成像的实用性；由于帧扫平面镜的摆动范围较小，提高整个系统的稳定性，由此提高成像质量；采用太赫兹辐射源照射被测目标，提高该系统的成像能力和成像质量；数据接收处理装置采用因子

对图像进行校正，克服采集时图像的失真，提高成像质量。

Description

一种太赫兹波成像系统

技术领域

本发明涉及太赫兹波成像领域，具体涉及一种太赫兹波扫描成像系统。

背景技术

太赫兹波介于微波和红外间，对塑料、纸片、纺织品以及皮革等材料具有很好的穿透性，所成图像具有空间分辨率高，对生物组织不会造成电离损伤，因此，太赫兹成像系统在对人体安检方面具有实用性，可与传统安检设备形成有效互补。

目前，受材料和加工工艺的限制，太赫兹探测器造价昂贵，在太赫兹成像中还无法采用焦平面成像，大多采用扫描成像。在扫描成像中，逐点机械扫描时间过长，无法应用于实际安检场所。因此采用线阵探测器和光机扫描相结合的太赫兹波扫描成像系统可以满足人体安检所需的高帧频、大视场的需求。

现有的采用线阵探测器的太赫兹波扫描成像系统中，线阵探测器紧贴在一起，为了增加扫描行的像素数，需要采用帧扫平面镜沿着线阵探测单元的排列方向进行大幅度来回摆动，帧扫平面镜的大幅摆动降低了扫描速度、系统稳定性即可靠性。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种太赫兹波成像系统，能够对被测目标在太赫兹波段进行成像，提高扫描速度，降低成像装置复杂性同时增强成像质量。

本发明的一种太赫兹波成像系统，包括帧扫平面镜、多面体转镜、太赫兹透镜、太赫兹阵列探测器和动力装置；

所述帧扫平面镜被动力装置固定在被测目标的前方，保持帧扫平面镜的左右对称中心线与被测目标所在的物平面的左右对称中心线在一个平面内，且两者成45°角，帧扫平面镜的几何中心与被测目标所在的物平面的几何中心在同一水平线上；启动后，动力装置驱动帧扫平面镜绕帧扫平面镜的中心轴周期性往复摆动，该中心轴即为帧扫平面镜的左右对称中心线；

所述多面体转镜包括组成正n面体的n块矩形的平面镜，其中n为大于等于3的整数；多面体转镜置于帧扫平面镜的反射光路中，并且使多面体转镜的转动中心线与被测目标的像平面平行且转动中心线位于水平面内；启动后，动力装置带动多面体转镜绕其转动中心线转动；

所述太赫兹透镜置于多面体转镜的反射光路中，太赫兹透镜的光轴垂直于被测目标的物平面，当处于帧扫平面镜反射光路中的多面体转镜的其中一个平面镜M与被测目标成45°角时，太赫兹透镜的光轴穿过所述平面镜M的几何中心；太赫兹透镜要保证成像视场覆盖被测目标的水平横向范围；

所述太赫兹阵列探测器接收太赫兹透镜透射的太赫兹波，太赫兹阵列探测器至少包含2个探测单元；所有的探测单元均匀分布于太赫兹透镜的光轴所在的物平面垂面与像平面的交线上，所述像平面即为被测目标在太赫兹透镜的透射光路中的像平面；

所述帧扫平面镜在绕中心轴往复摆动时，至少可使被测目标在太赫兹透镜后的像平面上所成的像移动两个相邻探测单元的距离；

所述多面体转镜与所述帧扫平面镜同步转动，当帧扫平面镜从中心轴的一侧摆动到另一侧的半个周期过程中，多面体转镜要转动整数圈，即满足T₁为帧扫平面镜的摆动周期，T₂为多面体转镜转动周期，其中m为大于等于1的整数。

帧扫平面镜、多面体转镜、太赫兹透镜和太赫兹阵列探测器封装在盒体内，在被测目标与帧扫平面镜之间的盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口。

该装置还包括频率范围为0.1THz～10THz的太赫兹辐射源，用于对被测目标进行照明。

所述多面体转镜的平面镜个数选取3、4或者5个。

本发明的一种太赫兹波成像系统，具有如下有益效果：

1)采用帧扫平面镜在一个小角度范围内摆动实现对被测目标的大范围的二维多列扫描，提高了扫描成像速度，同时增加该系统在安检中对人体进行扫描成像的实时性、实用性；

2)由于帧扫平面镜的摆动范围较小，提高整个系统的稳定性，由此提高成像质量；

3)采用太赫兹辐射源照射被测目标，提高该系统的成像能力和成像质量。

附图说明

图1为本发明的一种太赫兹波成像系统侧视示意图。

图2为本发明的被测目标与帧扫平面镜的结构关系示意图。

图3为本发明的实施例中线阵太赫兹探测器排列方式示意图。

图4为本发明的实施例中三面体转镜每一面扫描像素示意图。

图5为本发明的图像校正原理图。

其中，1-被测目标；2-成像窗口；3-帧扫平面镜；4-多面体转镜；5-太赫兹透镜；6-太赫兹阵列探测器。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种太赫兹波成像系统，该系统包括帧扫平面镜3、多面体转镜4、太赫兹透镜5、太赫兹阵列探测器6和动力装置；

帧扫平面镜3被动力装置固定在被测目标1的前方，保持帧扫平面镜3的左右对称中心线与被测目标1所在的物平面的左右对称中心线在一个平面内，且两者成45°角，帧扫平面镜3的几何中心与被测目标1所在的物平面的几何中心在同一水平线上；启动后，动力装置驱动帧扫平面镜3绕帧扫平面镜3的中心轴周期性往复摆动，该中心轴即为帧扫平面镜3的左右对称中心线；

多面体转镜4包括组成正n面体的n块矩形的平面镜，其中n为大于等于3的整数；多面体转镜4置于帧扫平面镜3的反射光路中，并且使多面体转镜4的转动中心线与被测目标1的像平面平行且转动中心线位于水平面内；启动后，动力装置带动多面体转镜4绕其转动中心线转动；

所述太赫兹透镜5置于多面体转镜4的反射光路中，太赫兹透镜5的光轴垂直于被测目标1的物平面，当处于帧扫平面镜3反射光路中的多面体转镜4的其中一个平面镜M与被测目标1成45°角时，太赫兹透镜5的光轴穿过所述平面镜M的几何中心；太赫兹透镜5要保证成像视场覆盖被测目标1的水平横向范围；

太赫兹阵列探测器6接收太赫兹透镜5透射的太赫兹波，太赫兹阵列探测器6至少包含2个探测单元；所有的探测单元均匀分布于太赫兹透镜5的光轴所在的物平面垂面与像平面的交线上，所述像平面即为被测目标1在太赫兹透镜5的透射光路中的像平面；

帧扫平面镜3在绕中心轴往复摆动时，至少可使被测目标1在太赫兹透镜5后的像平面上所成的像移动两个相邻探测单元的距离；

多面体转镜4与所述帧扫平面镜3同步转动，当帧扫平面镜3从中心轴的一侧摆动到另一侧的半个周期过程中，多面体转镜4要转动整数圈，即满足

T₁为帧扫平面镜3的摆动周期，T₂为多面体转镜4转动周期，其中m为大于等于1的整数。

为了防止灰尘和杂散光等进入到扫描系统内部，帧扫平面镜3、多面体转镜4、太赫兹透镜5和太赫兹阵列探测器6封装在密封盒体内，在被测目标1与帧扫平面镜3之间的密封盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口2。

本发明的系统还可用主动太赫兹波扫描成像，在主动太赫兹波扫描成像中，选用频率范围为0.1THz-10THz的太赫兹辐射源对被测目标1进行照明。

本发明的工作原理为：在帧扫平面镜3不摆动的情况下，被测目标1发射或反射的太赫兹波经由帧扫平面镜3反射到多面体转镜4中的平面镜上，多面体转镜4绕其转动中心线进行高速稳定旋转，多面体转镜4中的每个平面镜转到帧扫平面镜3后方的光路中时，都会对被测目标1的竖直列方向完成一维多列快速扫描，然后再经太赫兹透镜5的汇聚，形成被测目标1的像，最终由排列在像平面的太赫兹阵列探测器6接收，被测目标1上被探测到的列数与太赫兹阵列探测器6中探测单元的数量一致。

当帧扫平面镜3绕其中心轴偏转一个角度，则被测目标1在太赫兹透镜5后方的像平面也相应地移动一定角度，太赫兹阵列探测器6中的每一个探测单元就会探测到原来成在它所在位置左方或右方的某列像素点，如果帧扫平面镜3转动的角度合适，则每一个探测单元就可以接收到在帧扫平面镜3转动前任何探测单元所没有接收到的像素点，即原两个相邻探测单元之间的像素点。由此，帧扫平面镜3偏转一定角度就可以在没有增加太赫兹阵列探测器6中探测单元的基础上提高被测目标1的扫描列数，即增加了被测目标1在水平行方向上的像素数。

为了提高扫描速度和增加系统稳定性，本发明采用动力装置驱动帧扫平面镜3绕其中心轴往复摆动，以此来增加对被测目标1水平方向的扫描列数，由于帧扫平面镜3的摆动范围刚好可使被测目标1在像平面上所成的像的移动范围为两个相邻探测单元之间的距离，因此当该帧扫平面镜3绕其中心轴往复摆动，即可将与太赫兹阵列探测器6中的探测单元相邻的像素点先后送入每个探测单元中。

在扫描成像系统启动前，按照要求布置系统中的各器件，使帧扫平面镜3置于其中心轴左侧或右侧最大角度上，多面体转镜4中的一个平面镜与帧扫平面镜3的中心轴平行。系统启动后，帧扫平面镜3和多面体转镜4同步转动，太赫兹阵列探测器6开始对太赫兹透镜5透射的太赫兹波进行接收，太赫兹阵列探测器6将太赫兹波信号转换为直流电压信号；

一般在成像系统中会设置数据接收处理装置与每个探测单元相连，数据接收处理装置接收到的直流电压信号进行滤波、放大和高速采集等处理，根据帧扫平面镜3和多面体转镜4的同步信号，对输入的信号进行采集、图像拼接和校正，最后显示出被测目标1的图像。

在系统进行扫描过程中，多面体转镜4中的每一个平面镜转过帧扫平面镜3的反射光路后都会得到一幅被测目标1的图像，由于每个平面镜得到的图像显示的是被测目标1上不同位置的图像，因此需要将多幅图像拼接在一起，形成一幅具有更多像素的图像：将不同图像上的太赫兹阵列探测器6中的同一个探测单元接收到的像素数据按照接收的先后顺序排列，即得到一幅拼接后的图像。如图3和4所示，以本实施例中的三面体转镜为例，采用含有16个探测单元的太赫兹阵列探测器6进行探测。当三面体转镜中的第一个平面镜进行扫描时，每个探测单元接收得到被测目标1某一列上的像素点数据，则16个探测单元得到16列像素数据；当三面体转镜转到第二个平面镜，即第二个平面镜进行扫描时，由于帧扫平面镜3一直在摆动，同一个太赫兹阵列探测器6探测到被测目标1上不同列上的像素点数据，含有16个探测单元的太赫兹阵列探测器6得到新的16列的像素数据，由此可知，三面体转镜转过一周时，得到三组被测目标1在不同坐标位置的像素点数据，按顺序将太赫兹阵列探测器6中同一个探测单元得到的数据重新排列，如图4所示，即将第二组数据和第三组数据的第一列依次插入到第一组数据的前两列之间，即将第二组数据和第三组数据的第二列依次插入到第一组数据的第二列和第三列之间，如此类推，即把三组数据拼接成一组，得到一幅具有48列像素点的拼接图像。

当该成像系统被用于人体安检成像时，通过检测拼接图像中的特征点就可以对人体携带的危险物品进行检测。

如图5所示，由于帧扫平面镜3与多面体转镜4同步转动，每一个多面体转镜4上的平面镜扫描的被测目标1上的倾斜列的像素点数据，即太赫兹阵列探测器6中的探测单元C1、C2、C3等得到的就是倾斜列上的像素点数据，图中太赫兹阵列探测器6中的每个探测单元下方对应的黑色斜线即表示实际探测到得像素点在被测目标1上的排列方式，又由于帧扫平面镜3与多面体转镜4匀速转动，得到的每一列的倾斜角度都应该相同，因此，当该系统在不同的场合应用有更高质量的成像要求时，需要把该倾斜角度校正回来，才能得到一幅真实的被测目标1的图像，具体校正方法如下：设多面体转镜4绕其转动轴的转动周期为T，则帧扫平面镜3绕其摆动轴的往复摆动周期为2mT，m为大于等于1的整数；如图2的A所示，被测目标1的水平宽度设为W，竖直高度设为H₀，帧扫平面镜3的中心距离被测目标1的距离设为L，因此，相对于帧扫平面镜3，被测目标1的水平方向的成像角度范围为：

被测目标1的竖直方向的成像角度范围为：

根据反射原理，多面体转镜4的每个平面镜的实际扫描角度为

设沿着水平方向排列的太赫兹阵列探测器6中的探测单元的数量为n，像平面上太赫兹阵列探测器6中的两个相邻单侧单元对应的物平面上的两个物点之间的角度为 ${\mathrm{\Δ\θ}}_1=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{n}.$

因此，多面体转镜4的每个平面镜对被测目标1从上到下的一次扫描所用的时间为：

在多面体转镜4的每个平面镜完成一次扫描后，帧扫平面镜3扫描过的角度为： $\mathrm{\Δ\α}=t\×\frac{2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{2T}=\frac{{\mathrm{\θ}}_{2}T}{4\mathrm{\π}}\×\frac{\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{n}}{\mathrm{mT}}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1{\mathrm{\θ}}_2}{4\mathrm{\πmn}}.$

如图2所示，帧扫平面镜3的中心距离被测目标1的距离为L，因此在多面体转镜4的一个平面镜完成一次扫描的时间内，帧扫平面镜3扫描过的角度在被测目标1的物平面上对应的距离为：

如图5所示，被测目标高为H₀，在多面体转镜4的每个平面镜完成一次扫描后，由于帧扫平面镜3的连续运动造成了实际扫描轨迹的倾斜，倾斜的扫描线轨迹如图中的黑线所示的H表示，倾斜角度为

上述中m根据实际的帧扫平面镜3和多面体转镜4的转速确定。

当多面体转镜4的每个平面镜进行扫描时，被多面体转镜4所触发的数据接收处理装置开始对扫描而来的列数据进行采集，由于实际的扫描线的轨迹不是沿竖直直线H₀，而是沿倾斜的直线H，但是实际在计算中数据的存储是按照矩阵的形式进行每一列的对应存储，即按照沿竖直直线H₀进行排列，因此直接利用计算机中所存储的数据矩阵进行图像重构时，会出现图像的畸变，为了修正这种图像的畸变，每一列中每个像素的位置坐标都应该从竖直直线H₀方向的位置投影到倾斜的直线H的方向的相应位置上，也就是每列中的每个象素的排列位置坐标应乘以一个位置坐标因子

来修正图像。

当增加多面体转镜4的平面镜数量，则会相应地增加被测目标1的扫描列数，为保证每个平面镜的口径大小能探测到整个被测目标1，增加多面体转镜4的侧面数量，就会相应地增大多面体转镜4的体积，这就会给驱动多面体转镜4带来很大的困难，因此选用三面体转镜、四面体转镜和五面体转镜较为合适。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种太赫兹波成像系统，其特征在于，包括帧扫平面镜(3)、多面体转镜(4)、太赫兹透镜(5)、太赫兹阵列探测器(6)和动力装置；

所述帧扫平面镜(3)被动力装置固定在被测目标(1)的前方，保持帧扫平面镜(3)的左右对称中心线与被测目标(1)所在的物平面的左右对称中心线在一个平面内，且两者成45°角，帧扫平面镜(3)的几何中心与被测目标(1)所在的物平面的几何中心在同一水平线上；启动后，动力装置驱动帧扫平面镜(3)绕帧扫平面镜(3)的中心轴周期性往复摆动，该中心轴即为帧扫平面镜(3)的左右对称中心线；

所述多面体转镜(4)包括组成正n面体的n块矩形的平面镜，其中n为大于等于3的整数；多面体转镜(4)置于帧扫平面镜(3)的反射光路中，并且使多面体转镜(4)的转动中心线与被测目标(1)的像平面平行且转动中心线位于水平面内；启动后，动力装置带动多面体转镜(4)绕其转动中心线转动；

所述太赫兹透镜(5)置于多面体转镜(4)的反射光路中，太赫兹透镜(5)的光轴垂直于被测目标(1)的物平面，当处于帧扫平面镜(3)反射光路中的多面体转镜(4)的其中一个平面镜M与被测目标(1)成45°角时，太赫兹透镜(5)的光轴穿过所述平面镜M的几何中心；太赫兹透镜(5)要保证成像视场覆盖被测目标(1)的水平横向范围；

所述太赫兹阵列探测器(6)接收太赫兹透镜(5)透射的太赫兹波，太赫兹阵列探测器(6)至少包含2个探测单元；所有的探测单元均匀分布于太赫兹透镜(5)的光轴所在的物平面垂面与像平面的交线上，所述像平面即为被测目标(1)在太赫兹透镜(5)的透射光路中的像平面；

所述帧扫平面镜(3)在绕中心轴往复摆动时，至少可使被测目标(1)在太赫兹透镜(5)后的像平面上所成的像移动两个相邻探测单元的距离；

所述多面体转镜(4)与所述帧扫平面镜(3)同步转动，当帧扫平面镜(3)从中心轴的一侧摆动到另一侧的半个周期过程中，多面体转镜(4)要转动整数圈，即满足

T₁为帧扫平面镜(3)的摆动周期，T₂为多面体转镜(4)转动周期，其中m为大于等于1的整数。

2.如权利要求1所述的一种太赫兹波成像系统，其特征在于，帧扫平面镜(3)、多面体转镜(4)、太赫兹透镜(5)和太赫兹阵列探测器(6)封装在盒体内，在被测目标(1)与帧扫平面镜(3)之间的盒体上安装有可允许太赫兹波透过的成像窗口(2)。

3.如权利要求1所述的一种太赫兹波成像系统，其特征在于，还包括频率范围为0.1THz～10THz的太赫兹辐射源，用于对被测目标(1)进行照明。

4.如权利要求1所述的一种太赫兹波成像系统，其特征在于，多面体转镜(4)的平面镜个数选取3、4或者5个。

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