CN109959630A - 无透镜太赫兹波成像系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了无透镜太赫兹波成像系统和方法，无需使用太赫兹波透镜，成像清晰度取决于目标离探测器的距离，分辨率取决于调制掩膜的分辨率，因而能够实现太赫兹波大景深无失真的成像，具有极大程度地降低成像系统的复杂度和减少系统的成本等诸多有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波成像技术领域，尤其涉及一种无透镜太赫兹波成像系统和方法。
背景技术
太赫兹波通常指的是频率在0.1THz-10THz(波长在3mm-30um)范围内的电磁辐射，属于宏观电子学向微观光子学过度的波段，在生物医学，安全检测以及通信领域表现出较高的应用价值。太赫兹波成像以其直观的特点展示了被成像目标在太赫兹波段的物理意义，而目前的成熟的太赫兹波成像技术是单点扫描成像和面阵成像。单点扫描成像中虽然成像的对比度高，信噪比大，但是图像分辨率受到扫描系统精度和系统焦点的影响，且机械扫描会降低采样的速度。而面阵成像虽然能够实时快速成像，但是为了使像面落入面阵探测器中，往往需要太赫兹波段透镜进行调焦，且面阵探测器对光源要求较高，造成系统复杂度高，成本高等问题。此外太赫兹透镜和反射镜对光路的整形和聚焦带来的光斑不均匀和离焦现象会直接影响太赫兹波成像质量。因此，如何避免因透镜造成的光源功率降低、成像分辨率下降以及搭建成像系统的成本过高，是本领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种无透镜太赫兹波成像系统，主要包括：
光源装置1、光控调制器装置2以及信号解调器装置3；
所述光源装置1用于产生太赫兹波段激光对待成像目标进行照射；
所述光控调制器装置2受控于所述信号解调器装置3生成随机掩膜，从而对目标散射的光信号依次进行调制和光强检测；
所述信号解调器装置3对所述光强检测结果进行处理，重构目标图像。
进一步地，所述光源装置1由太赫兹量子级联激光器1.1、驱动电源1.2和压缩制冷机1.3组成；所述驱动电源1.2为所述太赫兹量子级联激光器1.1提供工作电压；所述压缩制冷机1.3使所述光源装置1的工作温度保持在20K。
进一步地，所述光控调制器装置2包括：硅基石墨烯2.1、液晶调制器2.2、泵浦光源2.3、热释电探测器2.4；
所述液晶调制器2.2受控于所述信号解调器装置3生成掩膜；
所述泵浦光源2.3产生的光信号对所述液晶调制器2.2进行照射，经所述液晶调制器2.2调制并反射至所述硅基石墨烯2.1，光强分布受到掩膜影响而改变分布，调制的泵浦光照射在硅基石墨烯2.1表面，根据光致载流子效应，光照部分的载流子浓度增加，对太赫兹波信号具有吸收性，达到对太赫兹波的调制效果；
所述热释电探测器2.4对经调制的目标散射光进行光强检测。
进一步地，所述信号解调器装置3包括计算机3.2和锁相放大器3.1；
所述锁相放大器3.1用于对经过所述光强检测结果进行收集；
所述计算机3.2用于控制所述光控调制器装置2生成随机掩膜，并根据所述述光强检测结果对目标进行图像重构。
进一步地，所述泵浦光源2.3产生的光为波长808nm，功率2W。
进一步地，所述液晶调制器2.2的分辨率为800*600。
进一步地，所述生成的所述随机掩膜为二值随机掩膜或伯努利掩膜。
进一步地，所述液晶调制器2.2可以替代为数字微镜元件。
进一步地，所述硅基石墨烯2.1可以替代为高阻硅或者砷化镓材料的器件。
本发明还提供了一种无透镜太赫兹波成像方法，基于上述本发明所提供的系统，具体包括以下步骤：
其主要基于压缩感知成像理论，利用Matlab生成所述随机掩膜对应的随机矩阵ΦM×N，取出矩阵的每一行构建一个二维投影掩膜，把目标散射的太赫兹信号x∈RN通过矩阵投影到低维空间，得到光强大小y∈RM：
yM×1＝ΦM×NxN×1 (1)
其中，测量矩阵Φ为M×N，M<<N；由于y的维数小于x的维数，公式(1)有无穷解或无解；然而，根据压缩感知理论，当太赫兹信号x是k稀疏的(只有k个非0值)、测量次数满足M＝O(klg(N))、Φ满足约束等距条件，太赫兹信号x可以由测量值y通过求解最优l0范数问题精确重构：
其中，表示太赫兹信号x的近似表示，||·||0为向量的l0范数，表示向量x中非零元素个数。
然而目标散射的太赫兹信号x在时域都是不稀疏的，上述重构过程不能直接应用于太赫兹信号的重构。但是信号稀疏理论指出，太赫兹信号x可以通过某种变换Ψ进行稀疏表示，即sN×1＝ΨN×NxN×1，因此测量公式(1)可以进一步表示为：
其中，s表示某种变换域(如小波域、傅里叶域等)下的系数，该系数是k稀疏的，A为传感矩阵。
于是，太赫兹信号x的重构问题转换为求解系数s的l0范数最小化问题，如公式(4)所示。
由此，求解得到系数稀疏s的近似值经反变换得到原始信号的估计值，即为重构信号如公式(5)所示。
目前，信号重构算法主要包括最小l1范数法、匹配追踪系列算法、基于平滑l0范数(Smoothed l0，SL0)算法等。其中，SL0算法主要思想是用光滑函数来逼近离散的||s||0范数，从而将离散最优化问题转换为连续函数最小值问题，经过多次迭代逐步逼近最优解。本发明采用SL0算法进行太赫兹信号重构。
根据本发明所提供的无透镜太赫兹波成像系统和方法，无需使用太赫兹波透镜，成像分辨率只取决于目标离探测器的距离，因而能够实现太赫兹波大景深无失真的成像，具有极大程度地降低成像系统的复杂度和减少系统的成本等诸多有益效果。
附图说明
图1是无透镜成像的原理图。
图2是根据本发明所提供系统的结构组成示意图。
图3是在线可编程掩膜功能示意图的示意图。
图4是图像重构流程示意图。
图5是反射式成像系统示意图。
其中，1为光源装置，1.1为量子级联激光器，1.2为驱动电源，1.3为压缩制冷机；2为光控调制器装置，2.1为硅基石墨烯，2.2为液晶调制器，2.3为泵浦激光，2.4为热释电探测器，2.5为成像目标；3为信号解调装置，3.1为锁相放大器，3.2为计算机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做出进一步详尽地阐述
本发明所提供技术方案的原理如图1所示，目标物体漫反射光一定会以一定的角度进入单点探测器，对于单点探测器而言，其输出强度结果为所有的目标像素光强总和，因此不具备空间分布信息。为了成像需求，引入调制掩膜，将目标物体入射光进行空间调制，利用采集的光强信号和调制掩膜信息解码目标各个像素光强。在无透镜成像中，视场决定于单点探测器和调制掩膜构成的开口角度，由于没有透镜，可以实现大景深成像，目标清晰度只取决于目标与探测器之间的距离，分辨率取决于控制掩膜的分辨率。
如图2和5所示，本发明所提供的无透镜太赫兹波成像系统，主要包括：
光源装置1、光控调制器装置2以及信号解调器装置3；
所述光源装置1用于产生太赫兹波段激光对待成像目标进行照射；
所述光控调制器装置2受控于所述信号解调器装置3生成随机掩膜，从而对目标散射的光信号依次进行调制和光强检测；
所述信号解调器装置3对所述光强检测结果进行处理，重构目标图像。
在本申请的一个优选实施例中，所述光源装置1由太赫兹量子级联激光器1.1、驱动电源1.2和压缩制冷机1.3组成；所述驱动电源1.2为所述太赫兹量子级联激光器1.1提供工作电压；所述压缩制冷机1.3使所述光源装置1的工作温度保持在20K。
在本申请的一个优选实施例中，所述光控调制器装置2包括：硅基石墨烯2.1、液晶调制器2.2、808nm泵浦光源2.3、热释电探测器2.4；
所述液晶调制器2.2受控于所述信号解调器装置3生成掩膜；
所述泵浦光源2.3产生的光信号对所述液晶调制器2.2进行照射，经所述液晶调制器2.2调制并反射至所述硅基石墨烯2.1，光强分布受到掩膜影响而改变分布，调制的泵浦光照射在硅基石墨烯2.1表面，根据光致载流子效应，光照部分的载流子浓度增加，对太赫兹波信号具有吸收性，达到对太赫兹波的调制效果；
所述热释电探测器2.4对经调制的目标散射光进行光强检测。
在本申请的一个优选实施例中，所述信号解调器装置3包括计算机3.2和锁相放大器3.1；
所述锁相放大器3.1用于对经过所述光强检测结果进行收集；
如图3所示，所述计算机3.2用于控制所述光控调制器装置2在线可编程地生成随机掩膜，并根据所述述光强检测结果对目标进行图像重构。
在本申请的一个优选实施例中，所述泵浦光源2.3产生的光为波长808nm，功率2W。
在本申请的一个优选实施例中，所述液晶调制器2.2的分辨率为800*600。
在本申请的一个优选实施例中，所述生成的所述随机掩膜为二值随机掩膜或伯努利掩膜。
在本申请的一个优选实施例中，所述液晶调制器2.2替代为数字微镜元件。
在本申请的一个优选实施例中，所述硅基石墨烯2.1替代为高阻硅或者砷化镓材料的器件。
如图4所示，本发明所提供的一种无透镜太赫兹波成像方法，基于上述本发明所提供的系统，具体包括以下步骤：
利用Matlab生成所述随机掩膜对应的随机矩阵ΦM×N，取出矩阵的每一行构建一个二维投影掩膜，把目标散射的太赫兹信号x∈RN通过矩阵投影到低维空间，得到光强大小y∈RM：
yM×1＝ΦM×NxN×1 (1)
其中，测量矩阵Φ为M×N，M<<N；由测量值y通过求解最优l0范数问题精确重构太赫兹波信号x：
其中，表示太赫兹信号x的近似表示，||·||0为向量的l0范数，表示向量x中非零元素个数；
通过变换Ψ对太赫兹信号波x进行稀疏表示，sN×1＝ΨN×NxN×1，因此公式(1)可以进一步表示为：
其中，s表示变换域下的系数，系数是k稀疏的，A为传感矩阵；
于是，太赫兹波信号x的重构问题转换为求解系数s的l0范数最小化问题：
由此，求解得到系数稀疏s的近似值经反变换得到原始信号的估计值，即为重构信号
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种无透镜太赫兹波成像系统，其特征在于：主要包括：
光源装置、光控调制器装置以及信号解调器装置；
所述光源装置用于产生太赫兹波段激光对待成像目标进行照射；
所述光控调制器装置受控于所述信号解调器装置生成随机掩膜，从而对目标散射的光信号依次进行调制和光强检测；
所述信号解调器装置对所述光强检测结果进行处理，重构目标图像。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光源装置由太赫兹量子级联激光器、驱动电源和压缩制冷机组成；所述驱动电源为所述太赫兹量子级联激光器提供工作电压；所述压缩制冷机使所述光源装置的工作温度保持在20K。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述光控调制器装置包括：硅基石墨烯、液晶调制器、泵浦光源、热释电探测器；
所述液晶调制器受控于所述信号解调器装置生成所示随机掩膜；
所述泵浦光源产生的光信号对所述液晶调制器进行照射，经所述液晶调制器调制并反射至所述硅基石墨烯，从而对目标散射光进行调制；
所述热释电探测器对经调制的目标散射光进行光强检测。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述信号解调器装置包括计算机和锁相放大器；
所述锁相放大器用于对经过所述光强检测结果进行收集；
所述计算机用于控制所述光控调制器装置生成所示随机掩膜，并根据所述光强检测结果对目标进行图像重构。
5.如权利要求3所述的系统，其特征在于：泵浦光源产生的光为波长808nm，功率2W。
6.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述液晶调制器的分辨率为800*600。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：所述生成的所述随机掩膜为二值随机掩膜或伯努利掩膜。
8.如权利要求3所述的系统，其特征在于：所述液晶调制器可以替代为数字微镜元件。
9.如权利要求3所述的系统，其特征在于：硅基石墨烯可以替代为高阻硅或者砷化镓材料的器件。
10.一种无透镜太赫兹波成像方法，基于权利要求1-9中任一项所述的系统，其特征在于：具体包括以下步骤：
利用Matlab生成所述随机掩膜对应的随机矩阵ΦM×N，取出矩阵的每一行构建一个二维投影掩膜，把目标散射的太赫兹信号x∈RN通过矩阵投影到低维空间，得到光强大小y∈RM：
yM×1＝ΦM×NxN×1 (1)
其中，测量矩阵Φ为M×N，M<<N；由测量值y通过求解最优l0范数问题精确重构太赫兹波信号x：
其中，表示太赫兹信号x的近似表示，||·||0为向量的l0范数，表示向量x中非零元素个数；
通过变换Ψ对太赫兹信号波x进行稀疏表示，sN×1＝ΨN×NxN×1，因此公式(1)可以进一步表示为：
其中，s表示变换域下的系数，系数是k稀疏的，A为传感矩阵；
于是，太赫兹波信号x的重构问题转换为求解系数s的l0范数最小化问题：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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