CN105158196A - 一种太赫兹波3d图像获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种太赫兹波3D图像获取方法及系统，用间隔距离的两个独立成像模块分别获取左右眼图像，两个成像窗口分时接收左右光信号，接收的光信号通过光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，分离的反射太赫兹波经过聚焦、滤波到同一太赫兹波探测器，透射的可见光被对应的可见光CCD接收，太赫兹波探测器和可见光CCD接收的信号送入信号处理模块进行可见光与太赫兹波的联合3D成像。借助压缩感知以及时分复用等技术，实现利用单一太赫兹波探测器完成3D图像获取的目标；通过结合可见光CCD，同时实现了太赫兹波/可见光的同步3D成像，为更精确的获取被测物特定部位的太赫兹波信息提供了完善的信息获取渠道。

Description

一种太赫兹波3D图像获取方法及系统

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波成像，特别涉及一种太赫兹波3D图像获取方法及系统。

背景技术

太赫兹波是介于红外与微波之间的一个电磁波频段，通常将0.1THz～10THz定义为“THzGap”，即太赫兹波段。这个波段的电磁波兼具可见光的方向性和微波的穿透能力。正因为兼具以上两大优势，太赫兹波便成为无损探测的最佳选择之一，并在一些特定领域成为X光成像的并行选项。在常规的平面太赫兹波成像的基础上如能获取被测物体的（3D）立体信息，则可以更深入的了解被测物。相关技术亦可为其他相关领域的应用打开一个广阔空间。

目前可以获得样本太赫兹3D图像的成像方式主要有太赫兹计算机辅助层析成像、太赫兹数字全息、太赫兹衍射层析成像以及太赫兹断层成像等。太赫兹层析成像技术可以获得样本的二维横截面分布图像，并能够重建出样本三维图像。太赫兹层析成像技术的研究主要集中在重建图像质量的提高、成像时间的缩短以实现实时成像以及样本三维重建图像的获取技术等方面。太赫兹数字全息可以突破衍射限制，从而有效提高太赫兹成像系统数值孔径，从理论上讲可进一步提高系统分辨率。与此同时，太赫兹数字全息图中包含了样本丰富的振幅和相位分布信息，通过相应的数字重建方法即可获得样本太赫兹三维重建图像。但是目前对于数字全息成像的研究重点主要集中在可见光波段，太赫兹波段的相关研究相当少。以上的技术大部分主要依赖主动式高质量太赫兹源，而针对被测物自身携带的太赫兹波信息的获取则相对不大适用。

发明内容

本发明是针对太赫兹波运用到成像技术上存在的问题，提出了一种太赫兹波3D图像获取方法及系统，针对非近身的物体（特别是在物体本身不便旋转的情况下），利用现有太赫兹波探测器（模块）来实现对被测物所携带的太赫兹波信号的收集与提取，并通过仿人眼的“双眼”架构来获取左右“眼”所对应的两幅太赫兹波的图像信息；进而，在完成左右“眼”的太赫兹波单独成像的基础上，解决如何合成双眼模式下的太赫兹波3D图像的问题；最终实现可见光与太赫兹波的并路3D成像，以及获得可见光3D成像与太赫兹波3D成像的最终合成图。

本发明的技术方案为：一种太赫兹波3D图像获取方法，用间隔距离的两个独立成像模块分别获取左右眼图像，两个成像窗口分时接收左右光信号，接收的光信号通过光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，分离的反射太赫兹波经过聚焦、滤波到达同一太赫兹波探测器，透射的可见光被对应的可见光CCD接收，太赫兹波探测器和可见光CCD接收的信号送入信号处理模块进行可见光与太赫兹波的联合3D成像。

所述两个成像窗口处有合成编码mask模块及其轮换装置，轮换装置协助合成编码模块进行间距优化编码，对左右两个成像窗口接收光信号进行空间布局或时间上间隔排列，实现太赫兹波的左右各自成像和探测数据进行时分复用处理。

所述时分复用指编码mask出现在左成像窗口位置时，此时右成像窗口被遮蔽，太赫兹波探测器获得的数据归档为左眼序列；编码mask出现在右成像窗口位置时，此时左成像窗口被遮蔽，太赫兹波探测器获得的数据归档为右眼序列。

所述太赫兹波3D图像获取方法，当被测物体自身所携带的太赫兹波信号过弱时，在两个成像窗口中间增加主动式太赫兹辐射源，经过调制的区别于背景太赫兹波信号的太赫兹波大面积辐照到被测物体表面，使被测物携带上便于测量的太赫兹波信号。

所述太赫兹波3D图像获取系统，系统装置盒上有两个间隔一定距离的成像窗口，两个成像窗口下面各有个编码mask模块，两个编码mask模块通过其轮换装置联动，组成合成编码mask模块及其轮换装置，通过合成编码mask模块及其轮换装置选择接收通过两个成像窗口的光信号，光信号进入后，经过各自的光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，其中太赫兹波被光分离器反射，后再依次经过太赫兹波汇聚模块聚焦、太赫兹波滤波器滤波后聚焦到同一个太赫兹波探测器，记录信号；可见光通过光分离器透射被分离器下面对应的可见光CCD接收，可见光CCD和太赫兹波探测器接收的信号送信息处理模块。

所述合成编码mask模块及其轮换装置由附加了编码mask的柔性电路板以及步进电机组成，柔性电路板由导电与非导电区域组成的2D平面，其中透明导电材料制作导电区。

所述合成编码mask模块及其轮换装置采用刻有编码mask的金属圆盘以及步进电机组成。

所述合成编码mask模块及其轮换装置为基于薄层液晶的空间滤波器。

所述光分离器为镀有ITO透明导电层的石英片或玻璃片，ITO透明导电膜反射太赫兹波，透过可见光，其反射太赫兹波的能力由ITO透明导电膜导电率决定。

所述太赫兹波汇聚模块为成30度角的两个抛物面反射镜。

所述太赫兹波滤波器为基于Metamaterial结构的平面金属结构器件，或多层硅片叠加的层状结构。

所述太赫兹波3D图像获取系统，还包括其他附属装置及电路，在系统装置盒内部的太赫兹波信号调制器、微弱信号检测的锁相放大器、温度湿度实时监测模块、干燥气体流量控制模块，以及在系统装置盒外部的3D成像显示模块。

所述太赫兹波3D图像获取方法的图像获取系统，系统装置盒上有两个间隔一定距离的成像窗口，两个成像窗口下面各有个光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，其中太赫兹波被光分离器反射，后再依次经过旋转金属镜面反射器、太赫兹波滤波器、太赫兹波收束聚焦镜聚焦到太赫兹波阵列探测器，记录信号，旋转金属镜面反射器实现左右通道切换。

本发明的有益效果在于：本发明太赫兹波3D图像获取方法及系统，借助压缩感知以及时分复用等技术，实现利用单一太赫兹波探测器完成3D图像获取的目标；通过结合可见光CCD，同时实现了太赫兹波/可见光的同步3D成像，为更精确的获取被测物特定部位的太赫兹波信息提供了完善的信息获取渠道；通过引入主动式太赫兹辐射源，本发明提供的太赫兹波3D成像系统拥有了为未携带太赫兹波信息的被测物进行“补光”的能力，从而可以主动利用太赫兹辐射源发射的太赫兹波来辐照被测物，使其根据需要而携带上太赫兹波信息，最终被本发明所提供的太赫兹3D成像系统给成像出来。

附图说明

图1为本发明基于太赫兹波单点探测器的太赫兹波3D图像获取系统结构示意图；

图2为本发明基于太赫兹波阵列探测器的太赫兹波3D图像获取系统结构示意图；

图3为本发明具备太赫兹波“补光”能力的升级版系统的俯视图；

图4为本发明具备太赫兹波“补光”能力的升级版系统的侧面透射图。

具体实施方式

如图1所示基于太赫兹波单点探测器的太赫兹波3D图像获取系统结构示意图，系统装置盒7上有两个间隔一定距离的成像窗口（1-1、1-2），成像窗口（1-1、1-2）下面各有个编码mask模块，两个编码mask模块通过其轮换装置联动，组成如图1中合成编码mask模块及其轮换装置6，通过合成编码mask模块及其轮换装置6选择接收通过两个成像窗口的光信号，光信号进入后，经过光分离器（4-1、4-2），进行太赫兹波和可见光分离，其中太赫兹波被光分离器反射，后经过太赫兹波汇聚模块5聚焦、太赫兹波滤波器3滤波后聚焦到同一个太赫兹波探测器10，记录信号；可见光通过光分离器透射被分离器下面对应的可见光CCD（2-1、2-2）接收。可见光CCD（2-1、2-2）和太赫兹波探测器9接收的信号送信息处理模块。图1中其他附属装置及电路8包括：在系统装置盒内部的太赫兹波信号调制器（如斩波器在3与9之间）、微弱信号检测的锁相放大器、温度湿度实时监测模块8-1、干燥气体流量控制模块（注入孔8-3、8-4及排气孔8-2联动开启或关闭）等，以及在系统装置盒外部的3D成像显示模块（显示器及其3D眼镜；或具备裸眼3D显示功能的显示器）。

太赫兹波探测器9由AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）（0.8～1.1THz），或GolayCell(0.02～20THz)，或Bolometer（0.06～30THz）来实现。

可见光CCD（2-1、2-2）由常规的高分辨率CCD来实施，亦可采用CMOS图像传感器来实现。

太赫兹波（带通）滤波器3由基于Metamaterial结构的平面金属结构器件来实现，亦可用多层硅片叠加的层状结构来实现。

光分离器（4-1、4-2）由镀有ITO等透明导电层的石英片或玻璃片来实现。ITO等透明导电膜反射太赫兹波，但允许可见光透过。其反射太赫兹波的能力由其导电率决定。

太赫兹波汇聚模块5由两个抛物面反射镜来实施，成30度角将太赫兹波汇聚到太赫兹波探测器上。亦可将两个抛物面反射镜一体加工成型，成为一个完整固件，此时，需允许光分离器有角度调节功能（及加装光学调整架）。

合成编码mask模块及其轮换装置6由附加了编码mask的FPC（柔性电路板，由导电与非导电区域组成的2D平面，其中透明导电材料制作导电区）以及步进电机组成的系统来实现。亦可采用刻有编码mask的金属圆盘以及步进电机组成的系统，或者基于薄层液晶的空间滤波器来实施。实现时分复用。

通过引入抛物面反射镜，使得各路的太赫兹波信号都能被太赫兹波探测器所收集。此时，需要对太赫兹波探测器进行时分复用，在间隔时间段内分别探测经由左/右“眼”而进入的太赫兹波信息。

时分复用时通过间隔布局常规合成编码mask与“常闭状态”mask来实现。即在左“眼”出现常规合成编码mask时，在右“眼”出现的是“常闭状态”的mask。这样，在某一个时刻，只有某只“眼”的太赫兹波信号会到达太赫兹波探测器。

这里合成编码mask的实现方法可以优选固定式FPC编码（或编码轮盘），或者动态式空间滤波器编码来实现。采用固定式FPC编码（或者编码轮盘）实现方式的，需要通过马达来实现编码单元的轮替。而采用动态空间滤波器的，则只需在选定的时间段产生（提供）特定编码通道即可。

系统装置盒7由常规不锈钢（或铝制件）来实现，整体需实现密封，但具备干燥气体注入孔以及排气孔等。系统内之信息处理模块由微型工业电脑及其接口电路来实现，具备无线传输功能。

借鉴常规的可见光3D成像原理，间隔一定距离的两个独立太赫兹波成像模块来分别获取左/右眼的图像，通过引入太赫兹波探测器来模仿人眼，构建太赫兹波波段的专用成像“双眼”，并利用特殊架构实现可见光与太赫兹波的联合3D成像。

有鉴于当前太赫兹探测器的价格及体积的因素，本发明将原设计的一对太赫兹波探测器系统构架精简为共享单一太赫兹波探测器的系统结构设计。

本发明同时还加入了两个可见光CCD，其作用主要有两个：第一是组成“可见光成像双眼”，获取可见光3D图像，及被测物可见光波段的3D图像；第二是获取合成编码mask的信息，用于检测mask更换是否到位以及当前mask编码信息。

本发明为实现太赫兹波/可见光3D图像同步获取功能，增加了太赫兹波/可见光分离器。优选的是镀有光学透明导电膜的玻璃或石英片。该类分离器允许可见光透过，但反射太赫兹波，从而实现两者的分离（路）工作。

本发明可以通过升级系统的组件可以大大提高3D成像速度。比如附图2所示，将太赫兹波单点探测器升级为太赫兹波阵列探测器12。类似于光学ccd成像，太赫兹阵列探测器可以对一个面的图形信息进行快速采集。升级后的系统，简化掉合成编码模块及其轮换模块6、太赫兹波汇聚模块5，然后引入了旋转金属镜面反射器10，以及位于太赫兹波滤波器3与太赫兹波阵列探测器12之间的太赫兹波收束聚焦镜11，从何实现双“眼”共享太赫兹波阵列探测器。通过切换10的位置，可以实现双“眼”的通道切换，如图2中实线和虚线位置。

另外，由于常规物体所携带的太赫兹能量比较弱，为获得相关的太赫兹波3D图像信息，通常需要进行“补光”处理。因此，本发明可以进一步升级为具备主动探测机能的升级版系统，如附图3所示俯视图。居于两“眼”之间且处于下一层（相当于“鼻子”的位置）的太赫兹波辐射源13，根据需要辐射经过调制的太赫兹波（以区别于背景太赫兹波信号），并大面积辐照到被测物体表面，使被测物携带上便于测量的太赫兹波信号。根据需要，相关辐照系统还可以先行进行分束，而后从左右两侧对物体进行辐照“补光“工作。

本发明是通过在上下层排布方式来紧密布局各种功能模块的，以压缩整个系统的体积。如附图3、4所示俯视、侧视图，上层为成像系统部分（内部参考附图1，2），下层为太赫兹波辐射源及整个3D成像系统的控制电路、驱动电源等组件的安装位置。

为实现太赫兹波的左/右“眼”各自成像，本发明对太赫兹探测器的探测数据进行时分复用处理，比如在奇数测量时段（即编码mask出现在左“眼”位置时；此时右“眼”为针对太赫兹波的处于“常闭状态”。“常闭状态”，优选的，采用透明导电膜全覆盖编码区），太赫兹波探测器获得的数据归档为左眼序列，在偶数测量时段（即编码mask出现在右“眼”位置，此时左“眼”为针对太赫兹波的“常闭状态”），太赫兹波探测器获得的数据归档为右眼序列。

为实现上述功能，合成编码模块需针对左右“眼”的间距优化编码单元的空间布局，并对编码mask与“常闭状态”，进行空间上的间隔排列（针对FPC），或时间上的间隔排列（针对空间滤波器）。

在“常闭状态”下，可见光仍可透过相关区域而到达可见光CCD，从而实现可见光的物体图像获取。

在常规编码mask状态下，可见光CCD则用来识别当前编码mask的编码情况，利用图像识别功能，完成对编码mask状态信息的读取，以供太赫兹波压缩感知成像使用。

实现太赫兹波压缩感知成像技术的关键是，了解当前编码mask的编码状态信息以及对应的太赫兹波探测器所测得的太赫兹波能量信息（按测量顺序归档对应的数据序列）。具体压缩感知(CS)成像技术的原理可以简述为：

CS成像要经过信号稀疏表示、编码测量和重建算法三个过程。

如果一个信号中只有少数元素是非零的，则可称该信号是稀疏的。通常时域内的自然信号都是非稀疏的，但在某些变换域可能是稀疏的。

首先，令一个正交基矩阵为φ，φ可将原图像信号f（需要获取的原始图像，先令它为f）（共N=n×n个像素）用稀疏化的信号x表示为：。

编码测量则是为了从M次观测（探测器顺序的测量M次测量值）中重构出f（M根据图形的复杂程度和器件性能而定，是可以重构出满意图像的最小值且M≤N），即利用M×N的0-1随机矩阵Ψ和图像f的内积，得到M个观测值y（,由图1中的太赫兹波探测器探测所得），为简化，有时y亦可表示为（）。

当已知和线性测量值y时，通过最小范数方法解方程得x₀，后续再由恢复并重建物体图像f。

从而在M次轮换编码mask（即M次观测）之后，通过计算机可重构出对应被测物所携带的太赫兹波的2D图像信息。

在获得左/右“眼”各自的太赫兹波2D图像后，利用类似可见光双眼3D成像原理，可以建构出对应的太赫兹波3D图像。

由于压缩感知成像需要进过多次编码mask的轮换，因此上述成像方法只适用与静止被测物的3D太赫兹波成像。

而获得慢速运动被测物的太赫兹波3D图像这需要具备快速轮换能力的编码mask轮换模块以及具备快速响应能力的太赫兹波探测器与之相适应。也就是说，当物体移动速率远小于压缩感知获取单幅图像的成像时间，那么本发明所采用的方法及系统亦可满足相关太赫兹波3D图像的获取需求。

由于系统中的可见光CCD需同时兼顾被测物的可见光图像以及编码mask的状态信息的获取，所以须做对应的时分复用，将不同时刻获得的图像信息进行针对性的归档储存以供模块里的信息处理单元来进行图像重构调用。

当被测物体所携带的太赫兹波的信息并非单一频率（及广谱信号）时，系统可以通过太赫兹波滤波器3来实现对用户感兴趣的频段做针对性的滤波处理，仅让选定频段的信号通过滤波器到达太赫兹波探测器。

基于metamaterial结构的太赫兹波（带通）滤波器，可以通过设计不同的metamaterial结构尺寸来实现对应不同频段的选通。

由于该类滤波器的制作工艺类似于FPC编码mask，因此可以通过人工或者电脑程控的方式进行有选择地选用，以满足特定频段的信号选通需求。

此外，本发明亦提供了系统性能升级扩充的能力：

A）、通过升级太赫兹波（单点）探测器为太赫兹波阵列探测器12（如MicrobolometerArray），将基于压缩感知的太赫兹图像获取方法升级为基于阵列探测的类CCD模式，此时太赫兹波汇聚模块5及太赫兹波探测器9，以及合成编码mask模块及其轮换模块6，将由太赫兹波旋转反射镜10、太赫兹波聚焦透镜11，以及太赫兹波阵列探测器12所组成的成像模块所取代，见附图2。新系统亦具备兼具太赫兹波3D成像及可见光3D成像能力。

B）、通过引入主动式太赫兹辐射源13，如BWO、QCL，以及黑体辐射源等，本发明所采用的方法和系统亦可工作于被测物体自身所携带的太赫兹波信号过弱的场合。通过主动补光（太赫兹波）来获取3D图像，如附图3所示。

Claims (13)

1.一种太赫兹波3D图像获取方法，其特征在于，用间隔距离的两个独立成像模块分别获取左右眼图像，两个成像窗口分时接收左右光信号，接收的光信号通过光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，分离的反射太赫兹波经过聚焦、滤波到达同一太赫兹波探测器，透射的可见光被对应的可见光CCD接收，太赫兹波探测器和可见光CCD接收的信号送入信号处理模块进行可见光与太赫兹波的联合3D成像。

2.根据权利要求1所述太赫兹波3D图像获取方法，其特征在于，所述两个成像窗口处有合成编码mask模块及其轮换装置，轮换装置协助合成编码模块进行间距优化编码，对左右两个成像窗口接收光信号进行空间布局或时间上间隔排列，实现太赫兹波的左右各自成像和探测数据进行时分复用处理。

3.根据权利要求2所述太赫兹波3D图像获取方法，其特征在于，所述时分复用指编码mask出现在左成像窗口位置时，此时右成像窗口被遮蔽，太赫兹波探测器获得的数据归档为左眼序列；编码mask出现在右成像窗口位置时，此时左成像窗口被遮蔽，太赫兹波探测器获得的数据归档为右眼序列。

4.根据权利要求1或2所述太赫兹波3D图像获取方法，其特征在于，当被测物体自身所携带的太赫兹波信号过弱时，在两个成像窗口中间增加主动式太赫兹辐射源，经过调制的区别于背景太赫兹波信号的太赫兹波大面积辐照到被测物体表面，使被测物携带上便于测量的太赫兹波信号。

5.根据权利要求1至4所述太赫兹波3D图像获取方法的图像获取系统，其特征在于，系统装置盒上有两个间隔一定距离的成像窗口，两个成像窗口下面各有个编码mask模块，两个编码mask模块通过其轮换装置联动，组成合成编码mask模块及其轮换装置，通过合成编码mask模块及其轮换装置选择接收通过两个成像窗口的光信号，光信号进入后，经过各自的光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，其中太赫兹波被光分离器反射，后再依次经过太赫兹波汇聚模块聚焦、太赫兹波滤波器滤波后聚焦到同一个太赫兹波探测器，记录信号；可见光通过光分离器透射被分离器下面对应的可见光CCD接收，可见光CCD和太赫兹波探测器接收的信号送信息处理模块。

6.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述合成编码mask模块及其轮换装置由附加了编码mask的柔性电路板以及步进电机组成，柔性电路板由导电与非导电区域组成的2D平面，其中透明导电材料制作导电区。

7.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述合成编码mask模块及其轮换装置采用刻有编码mask的金属圆盘以及步进电机组成。

8.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述合成编码mask模块及其轮换装置为基于薄层液晶的空间滤波器。

9.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述光分离器为镀有ITO透明导电层的石英片或玻璃片，ITO透明导电膜反射太赫兹波，透过可见光，其反射太赫兹波的能力由ITO透明导电膜导电率决定。

10.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述太赫兹波汇聚模块为成30度角的两个抛物面反射镜。

11.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，所述太赫兹波滤波器为基于Metamaterial结构的平面金属结构器件，或多层硅片叠加的层状结构。

12.根据权利要求5所述太赫兹波3D图像获取系统，其特征在于，还包括其他附属装置及电路，在系统装置盒内部的太赫兹波信号调制器、微弱信号检测的锁相放大器、温度湿度实时监测模块、干燥气体流量控制模块，以及在系统装置盒外部的3D成像显示模块。

13.根据权利要求1至4所述太赫兹波3D图像获取方法的图像获取系统，其特征在于，系统装置盒上有两个间隔一定距离的成像窗口，两个成像窗口下面各有个光分离器，进行太赫兹波和可见光分离，其中太赫兹波被光分离器反射，后再依次经过旋转金属镜面反射器、太赫兹波滤波器、太赫兹波收束聚焦镜聚焦到太赫兹波阵列探测器，记录信号，旋转金属镜面反射器实现左右通道切换。