CN104614339B - 一种油画的三维太赫兹成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种油画的三维太赫兹成像方法。将发射信号分成两路，得到第一发射信号和第二发射信号；将第一发射信号聚焦到待测油画上，得到经待测油画的不同画层反射后的多路反射信号；将第二发射信号和多路反射信号通过混频器混频，得到与多路反射信号一一对应的多路差频信号；对不同油画画层对应的差频信号进行采样，对每一路差频信号，采样得到两个离散的数据序列，对每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换，得到与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号；根据分析信号的相位和幅度最大值所在的位置，得到待测位置各画层到混频器的距离。本发明能有效提高油画三维成像的分辨率，为油画修复师提供科学参考。
Description
技术领域
本发明属于三维太赫兹成像技术领域，更具体地，涉及一种油画的三维太赫兹成像方法。
背景技术
三维成像是油画修复程序中的重要步骤。通过三维成像技术，在修复师肉眼无法观测的情况下，深入检测并分析油画材料和绘画层结构，帮助修复师判定油画是否需要修复，并为修复师拟定修复方案提供科学依据，从而有效避免了油画修复程序中由修复师个人经验带来的不确定因素。目前对油画进行三维成像的方法有显微镜检测、红外光线检测、X射线检测、紫外荧光检测、斜角光线检测和反射光线检测，由于所用射线的穿透性差，这些检测方法均不能对油画实现真正的三维成像。
太赫兹成像技术与其它波段的成像技术相比，它所得到的探测图像的分辨率和景深都有明显提高，此外，许多非金属非极性材料对太赫兹射线的吸收较小，且太赫兹波在非均匀物质中的散射较少，因而在成像过程中不容易破坏待测物质。常见的太赫兹成像应用领域有安检安防、化学品鉴定、质量控制等，对成像的分辨率要求不高，而油画的厚度相对很薄，对三维成像的深度分辨率要求很高，所以现有的太赫兹成像方法对油画进行三维成像仍不能达到很好的效果。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种油画的三维太赫兹成像方法，其目的在于提高油画三维成像的分辨率，为油画修复师提供科学参考，减少油画修复程序中的不确定因素，由此解决原有油画三维成像所用的电磁波或射线穿透性差，以及现有的太赫兹成像方法用于油画成像时分辨率低的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种油画的三维太赫兹成像方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)生成周期性锯齿状太赫兹连续波发射信号；(2)将发射信号分成两路，得到第一发射信号和第二发射信号；将第一发射信号聚焦到待测油画上，得到由第一发射信号经待测油画的不同画层反射后得到的多路反射信号；(3)将第二发射信号和多路反射信号通过混频器混频，得到与多路反射信号一一对应的多路差频信号；(4)分别对各路差频信号进行采样，其中，对每一路差频信号，采样得到两个离散的数据序列；对每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换，得到与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号；(5)根据与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号，得到各路反射信号对应的油画画层到混频器的距离；(6)改变第一发射信号聚焦到待测油画上的位置；(7)重复执行步骤(3)～(6)，使第一发射信号聚焦到待测油画上的位置遍历待测油画上的所有成像区域，得到待测油画成像区域中的每一个位置对应的所有油画画层到混频器的距离，进而得到待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息；(8)根据待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息及其对应的反射信号光强，重建油画，得到油画的三维图像。
优选地，所述步骤(4)中，任一路反射信号R对应的第一分析信号V1(k)和第二分析信号V2(k)分别为：和其中， f0为第二发射信号的中心频率，B为扫频带宽，td为反射信号R相对第二发射信号的时延，N为单个离散的数据序列的采样点数，k为正数且k是对步骤(4)中得到的每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换之后的离散变量。
优选地，所述步骤(5)中，反射信号R对应的油画画层到混频器的距离为：其中，c为真空光速，表示取与最接近的整数。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：本发明对不同油画画层对应的差频信号进行采样，对每一路差频信号，采样得到两个离散的数据序列，对每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换，得到与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号，根据分析信号的相位和幅度最大值所在的位置，得到待测位置各画层到混频器的距离，能有效提高油画三维成像的分辨率，消除油画修复的不确定性，为油画修复师增加科学参考。
附图说明
图1是本发明实施例的油画的三维太赫兹成像方法流程图；
图2是周期性锯齿状太赫兹连续波发射信号示意图；
图3是待测油画某一深度的切平面图像；
图4是重建得到的待测油画的三维图像。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本发明实施例的油画的三维太赫兹成像方法包括如下步骤：
(1)将耿氏振荡器产生的电磁波倍频，生成周期性锯齿状太赫兹连续波发射信号，如图2所示。其中，发射信号的频率为0.23～0.32THz。
(2)利用定向耦合器将发射信号分成两路，得到第一发射信号和第二发射信号，用透镜将第一发射信号聚焦到待测油画上，得到由第一发射信号经待测油画的不同画层反射后得到的多路反射信号。
(3)将第二发射信号和多路反射信号通过混频器混频，得到与多路反射信号一一对应的多路差频信号。
其中，任一路反射信号R与第二发射信号混频后得到的差频信号为：
其中，f0为第二发射信号的中心频率，B为扫频带宽，td为反射信号R相对第二发射信号的时延，T为扫频重复周期，t为时间。
(4)分别对各路差频信号进行采样，其中，对每一路差频信号，采样得到两个离散的数据序列；对每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换，得到与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号。
其中，反射信号R对应的第一分析信号V1(k)和第二分析信号V2(k)分别为：
和
其中，为V1(k)的相位，为V2(k)的相位，N为单个离散的数据序列的采样点数，k为正数且k是对步骤(4)中得到的每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换之后的离散变量。
(5)根据与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号，得到各路反射信号对应的油画画层到混频器的距离。
其中，反射信号R对应的油画画层到混频器的距离为：
其中，c为真空光速，表示取与最接近的整数。
(6)改变第一发射信号聚焦到待测油画上的位置。
(7)重复执行步骤(3)～(6)，使第一发射信号聚焦到待测油画上的位置遍历待测油画上的所有成像区域，得到待测油画成像区域中的每一个位置对应的所有油画画层到混频器的距离，进而得到待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息。
(8)根据待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息及其对应的反射信号光强，重建油画，得到油画的三维图像。
例如，首先对待测油画不同切平面的灰度信息进行去噪处理，然后利用投影切片定理，将在不同角度下的各个投影进行变换组合，构成待测油画完整的傅里叶变换，最后通过反傅里叶变换重建待测油画，得到待测油画的三维图像。其中，待测油画成像区域中不同画层的点的反射信号光强可以通过直接探测步骤(3)中的多路反射信号的光强得到，返回的光强用灰度表示。
通过上述步骤(3)～(5)，能够有效提高油画成像的分辨率，具体原理如下。
每路反射信号不是单一的光强信息，而是包含有相位、幅值和频率的光谱信息，从多路反射信号和第二发射信号混频后得到的多路差频信号中提取出距离信息是信号处理的关键。需要对多路差频信号的时域和频域特性进行分析以获得距离信息的存在形式和特点，并据此设计信号处理方案。
一个扫频重复周期T内发射信号的频率为：
其中，f0为发射信号的中心频率，B为扫频带宽，t为时间。
幅度归一化后的发射信号可表示为：
幅度归一化后的任一路反射信号R可表示为：
其中，td为反射信号R相对第二发射信号的时延。
反射信号R与第二发射信号混频后得到的差频信号(忽略高次项)为：
对差频信号采样得到离散的2N个点的数据序列：
且n为整数
将V(n)分为两个N点序列：
分别对V1(n)和V2(n)做离散傅里叶变换(因为频率正半轴分量和负半轴分量对称，在此只讨论正半轴分量)，得到第一分析信号V1(k)和第二分析信号V2(k)分别为：
和
比较上述两式可见，V1(k)和V2(k)的幅度完全相同，时，V1(k)和V2(k)取得幅度最大值。
其中，为可分辨的最小距离单元，表示待测油画成像区域中的同一位置对应的相邻画层的距离间隔。根据不同差频信号对应的分析信号取幅度最大值时的round(k)不同，得到差频信号对应的位置信息
由于V1(k)和V2(k)的相位分别为：
和
和中均包含距离信息，因此，本发明在rk的基础上，结合差频信号对应的分析信号的相位谱信息进一步提高距离分辨率，得到与差频信号对应的油画画层到混频器的距离为：
由于rd较rk多出的相位项本发明实际可分辨的最小距离单元小于ΔR，因而能提高距离分辨率。
用上述方法对待测油画上面积为300mm×700mm的成像区域进行扫描，扫描位置分辨率为1mm×1mm，扫描时间为15min，距离分辨率可达20μm，得到待测油画某一深度的切平面图像如图3所示，重建得到的待测油画的三维图像如图4所示。可见，用本发明的成像方法能实现高分辨率的油画三维成像。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种油画的三维太赫兹成像方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)生成周期性锯齿状太赫兹连续波发射信号；
(2)将发射信号分成两路，得到第一发射信号和第二发射信号；将第一发射信号聚焦到待测油画上，得到由第一发射信号经待测油画的不同画层反射后得到的多路反射信号；
(3)将第二发射信号和多路反射信号通过混频器混频，得到与多路反射信号一一对应的多路差频信号；
(4)分别对各路差频信号进行采样，其中，对每一路差频信号，采样得到两个离散的数据序列；对每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换，得到与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号；
(5)根据与多路反射信号一一对应的第一分析信号和第二分析信号，得到各路反射信号对应的油画画层到混频器的距离；
(6)改变第一发射信号聚焦到待测油画上的位置；
(7)重复执行步骤(3)～(6)，使第一发射信号聚焦到待测油画上的位置遍历待测油画上的所有成像区域，得到待测油画成像区域中的每一个位置对应的所有油画画层到混频器的距离，进而得到待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息；
(8)根据待测油画成像区域中不同画层的点的位置信息及其对应的反射信号光强，重建油画，得到油画的三维图像。
2.如权利要求1所述的油画的三维太赫兹成像方法，其特征在于，所述步骤(4)中，任一路反射信号R对应的第一分析信号V1(k)和第二分析信号V2(k)分别为：
和
其中，f0为第二发射信号的中心频率，B为扫频带宽，td为反射信号R相对第二发射信号的时延，N为单个离散的数据序列的采样点数，k为正数且k是对步骤(4)中得到的每一路差频信号的两个离散的数据序列分别进行离散傅里叶变换之后的离散变量。
3.如权利要求2所述的油画的三维太赫兹成像方法，其特征在于，所述步骤(5)中，反射信号R对应的油画画层到混频器的距离为：
其中，c为真空光速，表示取与最接近的整数。
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