CN109297925A - 一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，包括：太赫兹辐射源产生的太赫兹波经方形光阑限定光束尺寸，太赫兹波以垂直角度正入射成像物体；成像物体与金属掩模板在光路中平行放置；成像物体在二维位移平台的带动下分块依次置入光路，带有成像物体信息的光波经过金属掩模板的透射调制后被太赫兹波探测器接收和测量，将所得的数据输入压缩感知重构程序即可得到成像物体该部分的重建图像；当成像物体的所有分块都置入过光路并成像后，将所有分块的成像依照其在完整图像上的对应顺序进行拼接即可得到整体的成像结果。本发明通过矩阵调制宽光束将待测物体分块成像再拼接实现图像重构，避免了探测器饱和问题以及重构算法计算效率下降。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波成像领域，尤其涉及一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置。
背景技术
太赫兹波是对频率位于0.1-10THz范围内的电磁波的总称，该频率范围内的电磁波具有一些独特的性质。太赫兹波对非极性物质的高穿透性使得其可以被应用于安检、反恐等相关领域；太赫兹波的低光子能量使得其相比于X射线对人体组织的伤害更小，在生物医学领域也有着广泛的应用前景。成像技术是太赫兹波较为重要的应用领域，目前较为成熟的太赫兹成像技术包括逐点扫描成像和阵列式成像。逐点扫描成像通常使用单像素探测器逐点接收扫描信号，具有较高的成像质量与灵敏度。然而，该方法的成像速度收到香农采样定理的限制，难以实现快速成像。阵列式成像通常使用不同种类的阵列探测器作为信号的接收器，尽管通过接收阵列信号进行成像可以做到实时成像，但相比于单像素探测器，其对于太赫兹波段的灵敏度不佳，且价格相对昂贵。
近些年来，研究人员提出了一种基于压缩感知理论的成像方式。作为一种新的成像理论，压缩感知成像可以打破香农采样定理的束缚，在低采样率的情况下准确重构图像。通过对重构算法的编写和对掩模矩阵的设计，压缩感知成像的应用领域已经从可将光以及微波波段逐渐扩展到了太赫兹波段。由于该理论具有欠采样的特性，其有望能够弥补当前太赫兹成像技术的缺陷。莱斯大学的学者于2006年提出的单像素相机系统是最经典的压缩感知成像系统，该系统通过使用数字微镜阵列(DMD)构成调制矩阵对覆盖完整成像物体的可见光信号进行空间调制，并利用单像素探测器对调制信号进行接收和测量。
由于单像素探测器接收到的光强度为经过调制后所有透光单元的强度叠加，成像分辨率受限于掩膜版矩阵的尺寸大小。此外，当透光单元数量较多时可能会因强度过大导致探测器的饱和，且当数据量过大时，重构算法的计算效率会大幅下降进而降低成像速度。现有的单像素随机采样分块压缩成像系统需要对不同的成像物体提前进行模拟计算，依据计算结果确定实验中的采样位置，并将太赫兹聚焦光斑入射到样品的指定位置，对采集到的数据进行压缩感知成像，其缺陷在于每个采集的数据不能包括图像的全局信息，当所选的采样点不恰当时会导致成像结果较差。因此，现阶段急需一种能够基于压缩感知成像理论实现太赫兹波高分辨率、快速成像的装置及方法。
发明内容
本发明提供了一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，本发明在利用压缩感知理论进行太赫兹波成像时，通过矩阵调制宽光束将待测物体分块成像再拼接的方式实现高分辨率的图像重构，并最大程度上避免了探测器饱和问题以及重构算法计算效率下降的问题，提高了成像速度，详见下文描述：
一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，所述装置包括：
太赫兹辐射源产生的太赫兹波经方形光阑限定光束尺寸，太赫兹波以垂直角度正入射成像物体；成像物体与金属掩模板在光路中平行放置；
成像物体在二维位移平台的带动下分块依次置入光路，带有成像物体信息的光波经过金属掩模板的透射调制后被太赫兹波探测器接收和测量，将所得的数据输入压缩感知重构程序即可得到成像物体该部分的重建图像；
当成像物体的所有分块都置入过光路并成像后，将所有分块的成像依照其在完整图像上的对应顺序进行拼接即可得到整体的成像结果。
进一步地，所述透射调制中的调制矩阵选用伯努利随机矩阵。
其中，所述金属掩模板与成像物体分别通过一维位移平台和二维位移平台带动切换二者处于光路中的部分。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、采用二维平台带动成像物体以分块的形式移动，并逐个部分进行成像，相比于传统的太赫兹光斑覆盖整个样品的成像方法，其避免了因光波强度过大而导致探测器饱和的问题，也解决了高分辨率情况下因数据量过大而导致重构算法计算效率变低的问题，进而实现快速成像。
2、相比于传统的整个样品图像重构，采用分块压缩重构的方式降低了在相同采样率下所需要的调制矩阵个数，使得金属掩模板的制作更加方便和廉价，光路更容易调节和校准。
3、采用伯努利随机矩阵代替高斯随机矩阵，对携带了成像物体信息的光线调制效果更好，可以获得更高的成像质量。
4、通过使用与物体分块尺寸相匹配的方形光阑结合调制矩阵实现对太赫兹波宽光束的矩阵调制，其能够代替现有的聚焦光束单像素随机采点的方式，避免了实验前的模拟计算过程，且对成像物体的普适性更强。
附图说明
图1为基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置的结构示意图；
图2为成像物体(a)，以及成像效果图(b)和(c)和(d)。
附图中，各部件表示的列表如下：
1：太赫兹辐射源； 2：方形光阑；
3：成像物体(以字母“H”为例)； 4：金属掩模板；
5：一维位移平台； 6：二维位移平台；
7：抛物面镜； 8：太赫兹波探测器。
其中，成像物体3在二维位移平台6的带动下进行横向与纵向移动，每次移动可以切换成像物体3的不同分块进入光路，分块个数和尺寸依据成像分辨率和采样时间进行最佳参数的设置。
金属掩模板4的镂空部分用于实现对太赫兹波的透射，非镂空部分用于实现对太赫兹波的遮挡。镂空部分看作为数值“1”，非镂空部分看作为数值“0”，镂空与非镂空部分交替排列，组成伯努利随机矩阵。
方形光阑2限制成像光束尺寸，该尺寸的大小与成像物体3的分块大小以及金属掩模板4的每一个伯努利随机矩阵大小相匹配。
抛物面镜7将携带有成像信息的光束进行汇聚，并被太赫兹波探测器8接收和测量。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，参见图1，该装置包括：太赫兹辐射源1、用于限光的方形光阑2、通过二维位移平台6带动的成像物体3、通过一维位移平台5带动的金属掩模板4、抛物面镜7、以及太赫兹波探测器8。
具体实现时，太赫兹辐射源1产生太赫兹波输出，太赫兹波经过方形光阑2限定光束尺寸，成像物体3与金属掩模板4分别通过一维位移平台5和二维位移平台6带动切换二者处于光路中的部分，太赫兹波以垂直角度正入射成像物体。
携带有成像物体信息的太赫兹波经过金属掩模板4并被调制，成像物体3与金属掩模板4在光路中平行放置。
经过金属掩模板4调制的太赫兹波入射到抛物面镜7上，并被汇聚至其焦点，在焦点附近使用太赫兹波探测器8进行接收与测量。
其中，金属掩模板4用于实现对太赫兹波的透射调制，调制矩阵选用伯努利随机矩阵代替高斯随机矩阵或托普利茨矩阵。
成像物体3在二维位移平台6的带动下分块依次置入光路，分块个数和尺寸依据成像分辨率和采样时间进行最佳参数的设置，带有成像物体信息的光波经过金属掩模板4的调制后被太赫兹波探测器8接收和测量，将所得的数据输入压缩感知重构程序即可得到成像物体3该部分的重建图像。
当成像物体3的所有分块都置入过光路并成像后，将所有分块的成像依照其在完整图像上的对应顺序进行拼接即可得到整体的成像结果。在很大程度上提高了高分辨率下的成像速度。
其中，上述提到的透射强度数组，分块图像拼接以及恢复算法均是本领域技术人员所公知。
综上所述，本发明实施例提供的基于分块压缩感知技术的太赫兹波高分辨率快速成像装置能够在成像阶段减小探测器饱和、以及重构算法效率降低的影响，有效提高高分辨率下的成像速度。
实施例2
下面结合图2对实施例1中的装置进行可行性验证，详见下文描述：
本实验模拟了采用传统整体压缩感知的成像结果，与采用本发明实施例中提到的分块压缩感知的成像结果，如图2所示。
其中，图2(a)为成像物体，分辨率为100×100的图片“phantom”。图2(b)显示了采用传统的整体压缩感知方法进行成像的结果，其峰值信噪比(peak signal to noiseratio,PSNR)为25.28，成像所用时间为7.84s。图2(c)显示了采用本发明实施例中提到的分块压缩感知的成像结果，以20×20为基础将整体图像划分为25块分别进行成像后再进行拼接，其PSNR为47.28，成像所用时间为3.01s。可以看到，在相同成像分辨率的情况下，一方面，采用分块压缩感知后PSNR值有所增加，图像的重构质量显著提升；另一方面，成像所需的时间有所下降，成像速度更快。
进一步，可以在成像时间允许的情况下，在保证成像物体尺寸以及分块数量不变的情况下，提高掩膜板的分辨率来实现物体高分辨率的成像。图2(d)显示了以30×30为基础分块尺寸，对150×150分辨率的“phantom”图像进行重构的效果，其PSNR为41.31，成像所用时间为4.97s，因而本发明可以实现高分辨率的快速成像。通过上述试验，可以直接的验证本发明实施例中装置的可行性，满足了实际应用中的多种需要，提高了成像速度。
综上所述，本发明实施例在太赫兹压缩感知成像的采样阶段使用分块方式替代传统的整体方式，采用矩阵调制宽光束的方式代替现有的单像素随机采点的方式，提高了太赫兹波高分辨率成像的速度。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，其特征在于，所述装置包括：
太赫兹辐射源产生的太赫兹波经方形光阑限定光束尺寸，太赫兹波以垂直角度正入射成像物体；成像物体与金属掩模板在光路中平行放置；
成像物体在二维位移平台的带动下分块依次置入光路，带有成像物体信息的光波经过金属掩模板的透射调制后被太赫兹波探测器接收和测量，将所得的数据输入压缩感知重构程序即可得到成像物体该部分的重建图像；
当成像物体的所有分块都置入过光路并成像后，将所有分块的成像依照其在完整图像上的对应顺序进行拼接即可得到整体的成像结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，其特征在于，所述透射调制中的调制矩阵选用伯努利随机矩阵。
3.根据权利要求1所述的一种基于分块压缩感知的太赫兹高分辨率快速成像装置，其特征在于，所述金属掩模板与成像物体分别通过一维位移平台和二维位移平台带动切换二者处于光路中的部分。
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