CN110231292A - 一种单像素太赫兹波成像方法和系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于空间傅里叶频谱的单像素成像方法和系统，使用连续泵浦光照射硅基石墨烯的方式投影正弦条纹掩膜，从而得到经过调制的太赫兹图像信号，经过对信号的处理解调获得目标图像的傅里叶变换系数，继而只需逆傅里叶变换就可以得到目标图像的重构。进一步，由于自然场景图像傅里叶变换能量集中于低频区域，因而还可以通过舍去高频区域相关信息的方式，在保证图像质量的前提下实现欠采样。与现有技术相比，本发明能够以较低的成本和系统复杂度在保证较高成像质量的情况下极大缩减投影掩膜的数量，缩短采样的时间。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹波成像技术领域，特别涉及单像素太赫兹波的成像技术。
背景技术
太赫兹波是指(频率1011Hz-1013Hz或波长30μm-3000μm)位于微波波段与光学波段之间的相干电磁辐射。它处于电磁波谱中电子学向光子学过渡的特殊位置，因而具有独特的性质。例如，许多重要生物分子(如蛋白质、DNA)和生物细胞的低频振动(如分子的骨架集体振动、转动以及分子之间的弱作用力)特征模式都处于太赫兹频谱的范围内(光谱指纹性)。基于太赫兹光谱分析，可以解析生物分子的空间构象、反应动力学、水化作用及生物功能等相关信息。此外，太赫兹能够穿透多种非极性材料(纸张，塑料，陶瓷等)，实现隐藏目标成像。特别地，相比于应用广泛的X射线，太赫兹波的光子能量较低(0.41-41meV)，使得太赫兹波对生物分子无损伤，对生物细胞无电离，可作为一种理想的生物医学无损检测手段。近年来，太赫兹技术在基础物理、工业应用、生物医学和国防安全等领域展现了重大的科学价值和应用前景，被美国、欧盟、日本和我国列为改变未来世界的前瞻技术。
太赫兹光谱及成像被视为最为重要的应用技术之一，其通过分析太赫兹波与待测样品相互作用而获得待测样品丰富的物理和化学信息，以其直观性受到科研和工业界普遍关注。但是对于太赫兹光谱成像而言，现有的面阵探测器由于具有最小响应光照，因而使用条件较为苛刻，对光源要求很高。而高功率的太赫兹源还并不成熟，因此这使得太赫兹光谱成像主要采用单像素扫描的形式获得，例如通过光栅扫描样品的方式提供待测样品的二维空间信息。不过由于扫描系统的介入，一方面使得成像系统较为复杂，另一方面还带来较大的机械抖动，而且成像时间与扫描范围成正相关关系，因而还存在成像时间较长的问题。上述缺点都对系统的使用和成像的质量产生较大的影响，限制了系统的应用，例如扫描时间长就特别不适用于具有生命周期的生物体成像。
随着压缩感知算法更多的被人们熟知，为了克服上述缺陷，现有技术中出现了压缩感知单像素太赫兹波成像方法。例如参见文献1：Wail Lam Chan等，A single pixelterahertz imaging system based on compressed sensing，APPLIED PHYSICS LETTERS，2008。这种方法是利用压缩感知算法，将二维空间信息构建编码掩膜调制太赫兹波，继而利用采集的信号与已知的掩膜解调重构二维太赫兹波光场。该方法被证明具有压缩优势，能缩短成像的时间。再例如，参见文献2：A.Kannegulla等，Coded-Aperture Imaging UsingPhoto-Induced Reconfigurable Aperture Arrays for Mapping Terahertz Beams，IEEETRANSACTIONS ON TERAHERTZ SCIENCE AND TECHNOLOGY，2014，其利用泵浦光照射半导体产生的光致载流子调制太赫兹波，将掩膜加载在泵浦光上从而实现了太赫兹波动态的间接调控，结合压缩感知算法实现单像素太赫兹波成像，该方法无需二维扫描。文献3：RAYKO等，Compressed sensing with near-field THz radiation，OPTICA，2017，利用压缩感知算法和哈达玛投影掩膜，只需35％的投影掩膜数量即可重构64×64大小的图像。
上述利用压缩感知算法进行单像素成像的优势是利用欠采样数据，通过优化算法得到目标图像的近似估计。但是上述方法的解调图像在太赫兹波段，即长波段的表现差强人意，与利用这些方法直接调制光学波段的光场相比，太赫兹光控单像素成像必须经过一个光控调制器来实现对太赫兹波的调控。为了有效调制太赫兹波，在现有技术中，用飞秒激光泵浦本征半导体，例如本征硅，是较为常用的调控手段，因为只有使用高功率的飞秒激光才能在本征硅中激发足够的载流子，但这将带来系统复杂度高，普适性差等问题。因而现有技术仍会存在如下技术问题：
1、采样时间仍然较长：由于压缩感知算法重建对信息的要求有限制，对于复杂程度不一样的目标图像来说具有一个对应的欠采样的采样极限，采样低于这个极限将无法解调图像。一般来说，采集次数需要满足大于图像稀疏度才能较好地重构目标图像，而图像稀疏度与图像复杂度相关，图像越复杂，需要采集的点数要求越多，此外太赫兹波调制依赖于调制器性能，而目前调制器性能较差，为了得到较高图像质量，采样的点数需求较大，很难直接减少采样掩膜的数量。
2、算法复杂度高：由于需要满足约束等距条件，现有压缩感知算法技术中的编码矩阵与目标图像的相关性越低越好，算法的复杂度与投影的掩膜也有关系，再结合对欠采样的限制，这些都使得目前算法复杂度高，此外其算法复杂度与图像分辨率成指数相关，特别不适合高分辨率图像的重建。
3、系统复杂度高：目前光控调制器单像素太赫兹波成像是最易实现的方案。但是目前有效的调制器是本征硅，本征锗等半导体，而为了获得有效太赫兹波调制，需要提高泵浦光的功率密度，因此飞秒激光器是调制首选。但是，这种方案进一步增加了系统的复杂度和集成难度，不利于太赫兹波成像的推广。
由此可见，即便现有技术中有一些方法能够减少成像时间或是能够优化硬件系统，但往往也只能解决部分技术问题，总体上仍然没有一套完整的、适合太赫兹波段的、能够实现采样时间短、算法简单且系统复杂度和成本都低的解决方案。
发明内容
针对以上现有技术存在的技术问题，本发明提出一种基于空间傅里叶频谱的单像素太赫兹波成像方法，该方法通过获得太赫兹波图像的空间傅里叶频谱信息重建图像，通过舍弃高频系数达到欠采样目的，在保证图像质量的基础上实现欠采样图像的重构。此外，还使用硅基石墨烯(Graphene on silicon，GOS)来实现对太赫兹波的调制，在提高成像质量的同时，还能够降低系统成本和复杂度。
具体地，一种单像素太赫兹波成像方法，具体包括如下步骤：
步骤一，生成多个不同初始相位对应的各频率正弦条纹，获得相应的正弦条纹掩膜：Pφ(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，式中φ表示初始相位，a和b为表示条纹对比度的常数，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标；
步骤二，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得相应的调制信号：Dφ(fx,fy)＝Dn+kEφ(fx,fy)，式中Eφ(fx,fy)为掩膜调制后的信号，Dn表示背景噪声，k为比例系数；
步骤三，使用不同的调制信号Dφ(fx,fy)计算获得目标图像的傅里叶变换系数：C(fx,fy)；
步骤四，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))。
其中，所述步骤二中的利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场的操作通过将泵浦光照射在硅基石墨烯上来实现。
进一步，优选可以使用不同的相移解调方法获得目标图像的傅里叶变换系数。例如，使用三步相移法：
所述步骤一中多个初始相位包括0、2π/3和4π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、P2π/3和P4π/3；所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)；所述步骤三中的计算方式为：
使用四步相移法：
所述步骤一中多个初始相位包括0、π/2、π和3π/2，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/2、Pπ和P3π/2；所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/2(fx,fy)、Dπ(fx,fy)、和D3π/2(fx,fy)；所述步骤三中的计算方式为：
使用六步相移法：
所述步骤一中多个初始相位包括0、π/3、2π/3、4π/3和5π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/3、P2π/3、P4π/3和P5π/3；所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/3(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)、D5π/3(fx,fy)；所述步骤三中的计算方式为：
为了进一步减少采样的数据量、减少成像时间、降低算法复杂程度，本发明允许对高频信号进行舍弃的操作，在此情况下成像方法仍能保证重构图像的质量，具有该技术效果的单像素太赫兹波成像方法具体包括如下步骤：
步骤一，获得太赫兹波图像的分辨率M×N；
步骤二，设定欠采样的频率区间为m和n，m∈[0,M],n∈[0,N]；
步骤三，选择不满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，使上述频率对应的单像素调制信号为0；
步骤四，对于满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，进一步选择不满足0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，使上述频率对应的单像素调制信号为0；
步骤五，对于同时满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件以及0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，进行生成多个不同初始相位对应的各频率正弦条纹，获得满足上述条件的频率下的相应正弦条纹掩膜：
Pφ(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，
式中φ表示初始相位，a和b为表示条纹对比度的常数，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标；
步骤六，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得所述频率下的调制信号：
Dφ(fx,fy)＝Dn+kEφ(fx,fy)，
式中Eφ(fx,fy)为掩膜调制后的信号，Dn表示背景噪声，k为比例系数；
步骤七，使用不同的调制信号Dφ(fx,fy)计算获得目标图像的傅里叶变换系数：
C(fx,fy)；
步骤八，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))。
其中，所述步骤六中的利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场的操作通过将泵浦光照射在硅基石墨烯上来实现。
针对舍弃高频信号的方法，优选也可以使用不同的相移解调方法获得目标图像的傅里叶变换系数。例如，使用三步相移法：
所述步骤五中多个初始相位包括0、2π/3和4π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、P2π/3和P4π/3；所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)；所述步骤七中的计算方式为：
使用四步相移法：
所述步骤五中多个初始相位包括0、π/2、π和3π/2，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/2、Pπ和P3π/2；所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/2(fx,fy)、Dπ(fx,fy)、和D3π/2(fx,fy)；所述步骤七中的计算方式为：
使用六步相移法：
所述步骤五中多个初始相位包括0、π/3、2π/3、4π/3和5π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/3、P2π/3、P4π/3和P5π/3；所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/3(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)、D5π/3(fx,fy)；所述步骤七中的计算方式为：
优选地，上述步骤三和步骤四中的使上述频率对应的单像素调制信号为0的操作具体通过如下方式实现：不生成对应频率的所述正弦条纹掩膜；或者，不投影对应频率的正弦条纹掩膜；或者，生成对应频率的所述正弦条纹掩膜，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得对应频率的调制信号，设定所述对应频率调制信号的系数为0。
关于硅基石墨烯，可以通过如下步骤制备：A、将单层铜基石墨烯片剪裁出合适的大小；B、在石墨烯的一面旋涂PMMA胶；C、使用氯化铁溶液刻蚀上述加工的样片，从而去掉铜基，留下石墨烯-PMMA胶的结构；D、使用去离子水清洗步骤C处理后的样片，然后使用硅片将上述样片捞出，形成硅-石墨烯-PMMA胶的结构；E、取出晾干，使用丙酮去除PMMA后清洗，得到转移后的硅基石墨烯。优选地，所述步骤A中，单层铜基石墨烯片剪裁成10cm×10cm大小；所述步骤B中，PMMA胶旋涂时间为1小时，速度800转/分，PMMA胶层的厚度为20μm；所述步骤C中，刻蚀操作的时间为2.5小时；所述步骤D中，所述去离子水清洗的操作为清洗3次，每次20分钟；所述步骤E中，晾干12小时，丙酮去除PMMA后清洗3次每次20分钟。
与上述成像方法相对的，本发明还涉及使用上述成像方法的单像素太赫兹波成像系统，具体包括太赫兹波照射单元和太赫兹波调制单元；所述太赫兹波照射单元包括发射端、硅基石墨烯和接收端；所述待测目标置于所述硅基石墨烯的表面；所述发射端产生的太赫兹波照射并透过所述硅基石墨烯和待测目标后，太赫兹波信号被所述接收端接收；所述太赫兹波调制单元包括泵浦光和调制器，所述泵浦光照射在所述调制器上后，经所述调制器调制形成所述正弦条纹掩膜，所述正弦条纹掩膜被投影在所述硅基石墨烯的表面。
进一步优选地，所述调制器为液晶调制器或者数字微镜阵列。
相比传统基于压缩感知算法的单像素成像方法来说，本发明的成像方法也是一种可压缩的方法，不过投影掩膜采用的是正弦条纹，重构算法仅仅是逆傅里叶变换。尽管在可见光波段，有文献报道过类似的方法，但将该重构方法用于太赫兹波段则并不是简单转用即可，因为对于太赫兹波段的调制和对可见光波段的调制非常不同，如何能够保证对太赫兹波段信号进行有效的调制以及获得较高的成像质量正是本发明要实现的。
基于此，本发明的有益效果在于能够减少投影掩膜的数量、减少采样的时间、重建算法简单快速、并且成像质量高。同时，本发明利用二维材料石墨烯的高电子迁移率特点，能够实现使用连续泵浦光照射硅基石墨烯的方式对太赫兹波进行调制，在提高成像质量的同时，还能够降低系统成本和复杂度。因此，整体来说本发明的单像素太赫兹成像方法和系统提供了一种各部件之间配合良好的完整解决方案，在能够极大缩短成像时间的同时还能够保证成像的质量和较低的成本，设计简单且容易实现。
附图说明
附图1：单像素太赫兹波成像系统结构示意图；
附图2：初始相位为0，频率为(1,2)对应的正弦条纹掩膜示意图；
附图3：本发明的目标图像解调重构流程图；
附图4：本发明的基于空间傅里叶频谱的单像素重构实验结果图；
附图5：本发明的欠采样与重构流程；
附图6：本发明欠采样频谱分布以及对应的图像重构结果图；
附图7：本发明硅基石墨烯光控调制效果以及不同泵浦光功率下调制度的影响。
附图8：本发明硅基石墨烯在不同功率照射下成像质量结果。
具体实施方式
本发明提出的基于空间傅里叶频谱的单像素成像方法是利用投影的正弦条纹调制太赫兹波，继而得到目标图像的空间傅里叶频谱，再利用逆傅里叶变换得到目标图像的重构。
参见说明书附图1，为本实施例中的单像素太赫兹波成像系统结构示意图。发射端1产生的太赫兹波经过第一离散抛物面镜2准直照射并透过硅基石墨烯3和置于硅基石墨烯3后表面的待测目标4，然后再经过第二离散抛物面镜5聚焦到接收端6，接收端6例如包括单像素探测器，将获得的与待测样品4相互作用后的太赫兹波信号用于成像。成像系统还具有太赫兹波调制单元，其包括泵浦光7，所述泵浦光7经过准直后照射在数字微镜阵列8上，经过数字微镜阵列8调制的泵浦光7形成投影掩膜，经数字微镜阵列8反射后用透镜9投影在上述硅基石墨烯3的表面，从而能够利用投影掩膜在硅基石墨烯3表面激发的光致载流子来对经过第一离散抛物面镜2照射过来的太赫兹波进行调制。因此，在已知投影掩膜和单像素采集结果的情况下，可以重构得到太赫兹波成像。可替换地，还可以使用液晶调制器替换上述数字微镜阵列来形成投影掩膜。
需要说明的是，本发明提出使用硅基石墨烯来实现对太赫兹波的调制，一方面能提高成像质量，另一方面可以直接用连续光泵浦调制，例如使用808nm的半导体激光器就可以在硅基石墨烯上激发出足够的载流子，因此在太赫兹波调制单元中，不必使用高功率的飞秒激光器，从而降低了系统成本和复杂度。
光控太赫兹波调制的原理是利用光照半导体，让半导体产生光生载流子，继而影响太赫兹波的透过率。载流子浓度的大小直接决定太赫兹波透过效率。现有技术中，为提高载流子浓度，需要引入高功率飞秒激光才能在本征硅中直接激发更多载流子，继而有效控制太赫兹波的透过率，这就无形增加了系统的成本和复杂度。而本发明提出利用二维材料石墨烯的高电子迁移率特点，在本征硅表面转移一层石墨烯，使得光生载流子能够在二维材料富集，继而能够在常规照明的方式下提高载流子浓度，有效提高调制太赫兹波的效率。优选地，具体的硅基石墨烯制作步骤如下：
步骤一：买来单层铜基的石墨烯片子，剪出10cm×10cm大小；
步骤二：在石墨烯的一面旋涂PMMA胶，旋涂时间1小时，速度800转/分；优选PMMA胶的厚度为20μm。
步骤三：使用氯化铁溶液刻蚀加工样片，从而去掉铜基，留下石墨烯层和PMMA胶层，优选刻蚀2.5小时；
步骤四：使用去离子水清洗步骤C处理后的样片，然后使用硅片将上述样片捞出，形成硅-石墨烯-PMMA胶的结构，清洗3次，每次20分钟；
步骤五：取出晾干12小时，使用丙酮去除PMMA，清洗3次每次20分钟，得到转移后的硅基石墨烯调制片。
使用上述系统能够保障以较低的成本和复杂度实现高质量的成像，如下将进一步对欠采样的投影方法做进一步说明，从而大大减小算法复杂度和成像时间。
假设目标的太赫兹波投射光场为t(x,y)，其离散傅里叶变换为：
其中，C(fx,fy)为傅里叶变换系数，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标。传统对光场进行傅里叶变换是使用透镜来完成的，然后在变换面进行单像素扫描采集，这与本发明的方案完全不同。在本发明的技术方案中，傅里叶频谱信号是调制重构的结果，其调制信号来源于傅里叶变换的系数实际上对应于不同的正弦条纹叠加目标图像，用正弦条纹调制目标图像，用单像素探测到的强度信息就是该频率下的傅里叶变换系数，通过投影所有频率点，就能够得到目标图像的傅里叶变换系数，继而利用逆傅里叶变换得到目标图像的重构。基于上述原理，具体利用数字微镜阵列8生成各种方向各种频率的正弦条纹，将正弦条纹作为掩膜进行投影，详细说明如下。
设计调制掩膜为：
Pφ(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ) (2)
其中，用P来表示描述掩膜各个参数的函数，a和b为常数，其表示条纹的对比度，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标，φ表示初始相位。该掩膜即为不同方向、不同疏密度、不同初始相位的正弦条纹，参见说明书附图2，示例性给出初始相位为0，频率为(1,2)的正弦条纹掩膜。
将上述正弦条纹掩膜投影在所述硅基石墨烯3上利用光致载流子效应即可实现对目标太赫兹光场的调制，调制后的信号可以表示为：
Eφ(fx,fy)＝∑∑t(x,y)·Pφ(x,y；fx,fy) (3)
利用单像素采集的方式，则单像素采集信号进一步可以表示为：
Dφ(fx,fy)＝Dn+kEφ(fx,fy) (4)
其中，Dn表示背景噪声，k为比例系数。
在一个实施例中，选择初始相位为0、2π/3、4π/3的单像素采集信号进行计算，利用三步相移法解调信号，从而能够消除噪声并且获得离散傅里叶变换，具体计算如下：
由上式结果可见，三步相移法解调的结果就是该目标图像的傅里叶变换。对比公式(1)，可以根据采集的信号计算获得目标图像的傅里叶变换系数如下：
由此可知，在根据单像素采集信号计算出目标图像的傅里叶变换系数的情况下，只需要进一步通过逆傅里叶变换就能够得到目标图像的重构。
与上述三步相移法的原理相同，还可以选择其它初始相位的单像素采集信号进行计算，同样也可以消除噪声并且获得离散傅里叶变换。例如选择初始相位为0、π/2、π、3π/2的单像素采集信号进行计算，利用四步相移法解调信号，从而可以获得：
或者，选择初始相位为0、π/3、2π/3、π、4π/3和5π/3的单像素采集信号进行计算，利用六步相移法解调信号，从而可以获得：
以此类推，还可以选择其它的相移解调方法。总之，只要通过不同初始相位的单像素采集信号计算能够消除初始相位和背景噪声即可。
以下以三步相移法为例，参见说明书附图3，本发明的方法按照如下操作流程就可以获得目标图像的重构：
步骤一，生成初始相位为0、2π/3、4π/3的正弦条纹，获得相应的正弦条纹掩膜P0、P2π/3、P4π/3；
步骤二，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得调制信号D0、D2π/3、D4π/3；
步骤三，根据公式(6)解调目标图像傅里叶变换的系数，获得C(fx,fy)；
步骤四，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))。
说明书附图4模拟了本发明一个实施例中基于空间傅里叶频谱的单像素重构结果图。其中在正弦条纹掩膜P(公式(2))的设定中，a和b为常数均设为1/2，正弦条纹的强度从0-1变化，比例系数k设为1。该方法通过投影条纹控制载流子浓度继而控制太赫兹光透过率达到对太赫兹光编码的目的，具体使用上述三步相移法，对应的频率点有4096个，一共有12288个正弦条纹掩膜，采集了12288个调制信息，每三个相位重建一个频率点的真实信息，继而通过以上算法利用逆傅里叶变换能够正确还原分辨率为64×64的目标图像。
进一步需要说明的是，上述方法中解调获得了目标图像的空间傅里叶频谱系数。而自然场景中大部分高频傅里叶系数都较小，因此是可以忽略的。因而在本发明中，投影低频的正弦波条纹掩膜获取相应的低频空间傅里叶频谱系数就能够重构获得质量较好的目标图像。参见说明书附图5，在实际操作过程中，通过不生成对应频率的所述正弦条纹掩膜，或者不投影对应频率的正弦条纹掩膜，或者生成对应频率的所述正弦条纹掩膜并利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场但设定所述对应频率调制信号的系数为0的方式，使高频系数的信息为0，就可以实现欠采样的目的。具体地，假设太赫兹波图像分辨率为M×N，设定欠采样频率区间为m和n，操作步骤如下：
步骤一，获得太赫兹波图像的分辨率M×N；
步骤二，设定欠采样的频率区间为m和n，m∈[0,M],n∈[0,N]；
步骤三，选择不满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，将D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)和D4π/3(fx,fy)设定为0；
步骤四，对于满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，进一步选择不满足0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，将这些频率下的D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)和D4π/3(fx,fy)设定为0；
步骤五，对于同时满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件以及0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，进行生成不同初始相位为0、2π/3、4π/3的正弦条纹，获得满足上述条件的频率下的相应正弦条纹掩膜P0、P2π/3、P4π/3；
步骤六，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得所述频率下的调制信号D0、D2π/3、D4π/3；
步骤七，根据公式(6)解调目标图像傅里叶变换的系数，获得C(fx,fy)；
步骤八，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))。
由此，经过上述流程的处理，超过特定频率范围的傅里叶系数都被设置为0，满足特定条件的频率范围内的频率成分经过正弦条纹掩膜的调制后采集获得，最后将欠采样的傅里叶频谱进行逆傅里叶变换就能获得欠采样条件下重构的图像。
说明书附图6为上述欠采样流程下不同设定的实验结果图。实验中M＝N＝64。欠采样时m＝n＝4，对应采样率1.6％；m＝n＝21，对应采样率11.8％；m＝n＝36，对应采样率31.6％；m＝n＝64，对应采样率100％。图中可见通过本发明的方法是可以获得数据压缩的。设定压缩比等于投影掩膜的数量除以图像的分辨率M×N，在图中以SR表示，图中SNR表示图像信噪比。可见，在11.8％的压缩比下仍然能重建质量较好的图像。这相比于现有技术中的基于传统压缩感知算法的单像素太赫兹波成像而言，压缩比具有极高优势。进一步反映在采样时间上，本发明基于空间傅里叶频谱的单像素太赫兹波成像能极高缩短采样的时间。
说明书附图7(a)为硅基石墨烯和现有技术中通常使用的高阻硅在350mW功率照射下对太赫兹波的调制曲线图。在相同功率下图中对两者的调制效果进行了展示，发现硅基石墨烯比传统高阻硅具有更加优异的调制效果，图7(b)给出了不同功率照射下，不同调制器对太赫兹波的调制能力。随着光功率的增加，硅基石墨烯和高阻硅对太赫兹波的调制度都在缓慢变大，但是硅基石墨烯的变化趋势相比高阻硅更加明显，这也彰显了硅基石墨烯对太赫兹波调制的有效性。
说明书附图8为本发明系统不同功率下使用硅基石墨烯的成像结果。以硅基石墨烯为调制器，不同功率下代表对太赫兹波的调制度不同。实验结果表明，高功率照明(高调制度)能够实现高质量图像，结合图4可以得出本发明的硅基石墨烯调制器具有更加优异的调制能力，更有利于高质量的太赫兹成像。
综上所述，本发明提出一种基于空间傅里叶频谱的单像素成像方法和系统，不同于传统压缩感知方法，本发明利用投影正弦条纹掩膜得到经过调制的太赫兹图像信号，经过对信号的处理解调获得目标图像的傅里叶变换系数，继而利用逆傅里叶变换得到目标图像的重构。进一步还可以在保证图像质量的前提下实现欠采样，由于自然场景图像傅里叶变换能量集中，特别是太赫兹图像由于衍射效应，其图像分辨率集中在低频区域，因此与压缩感知算法成像的欠采样是丢失采样掩膜数量并利用优化算法得到图像的近似所不同，本发明是利用舍弃高频信息的获取达到欠采样目的，重构过程只需逆傅里叶变换，因而能够在保证图像质量不变的情况下极大缩减投影掩膜的数量，缩短采样的时间。同时，本发明还利用二维材料石墨烯的高电子迁移率特点，能够实现使用连续泵浦光照射硅基石墨烯的方式对太赫兹波进行调制，在提高成像质量的同时，还能够降低系统成本和复杂度。
上面所述的只是说明本发明的一些实施方式，由于对相同技术领域的普通技术人员来说很容易在此基础上进行若干修改和改动，因此本说明书并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构、方法步骤和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改及等同物，均属于本发明所申请的专利范围。
Claims (13)
1.一种单像素太赫兹波成像方法，具体包括如下步骤：
步骤一，生成多个不同初始相位对应的各频率正弦条纹，获得相应的正弦条纹掩膜：
Pφ(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，
式中φ表示初始相位，a和b为表示条纹对比度的常数，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标；
步骤二，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得相应的调制信号：
Dφ(fx,fy)＝Dn+kEφ(fx,fy)，
式中Eφ(fx,fy)为掩膜调制后的信号，Dn表示背景噪声，k为比例系数；
步骤三，使用不同的调制信号Dφ(fx,fy)计算获得目标图像的傅里叶变换系数：C(fx,fy)；
步骤四，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))；
其中，所述步骤二中的利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场的操作通过将泵浦光照射在硅基石墨烯上来实现。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤一中多个初始相位包括0、2π/3和4π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、P2π/3和P4π/3；
所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)；
所述步骤三中的计算方式为：
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤一中多个初始相位包括0、π/2、π和3π/2，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/2、Pπ和P3π/2；
所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/2(fx,fy)、Dπ(fx,fy)、和D3π/2(fx,fy)；
所述步骤三中的计算方式为：
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
所述步骤一中多个初始相位包括0、π/3、2π/3、4π/3和5π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/3、P2π/3、P4π/3和P5π/3；
所述步骤二中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/3(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)、D5π/3(fx,fy)；
所述步骤三中的计算方式为：
5.一种单像素太赫兹波成像方法，具体包括如下步骤：
步骤一，获得太赫兹波图像的分辨率M×N；
步骤二，设定欠采样的频率区间为m和n，m∈[0,M],n∈[0,N]；
步骤三，选择不满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，使上述频率对应的单像素调制信号为0；
步骤四，对于满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件的频率，进一步选择不满足0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，使上述频率对应的单像素调制信号为0；
步骤五，对于同时满足0≤fx≤m和M-m≤fx≤M条件以及0≤fy≤n和N-n≤fy≤N条件的频率，进行生成多个不同初始相位对应的各频率正弦条纹，获得满足上述条件的频率下的相应正弦条纹掩膜：
Pφ(x,y；fx,fy)＝a+b·cos(2πfxx+2πfyy+φ)，
式中φ表示初始相位，a和b为表示条纹对比度的常数，x和y表示空域坐标，fx和fy表示频域坐标；
步骤六，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得所述频率下的调制信号：
Dφ(fx,fy)＝Dn+kEφ(fx,fy)，
式中Eφ(fx,fy)为掩膜调制后的信号，Dn表示背景噪声，k为比例系数；
步骤七，使用不同的调制信号Dφ(fx,fy)计算获得目标图像的傅里叶变换系数：C(fx,fy)；
步骤八，通过逆傅里叶变换得到目标图像的重构t(x,y)＝FFT-1(C(fx,fy))；
其中，所述步骤六中的利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场的操作通过将泵浦光照射在硅基石墨烯上来实现。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述步骤五中多个初始相位包括0、2π/3和4π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、P2π/3和P4π/3；
所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)；
所述步骤七中的计算方式为：
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述步骤五中多个初始相位包括0、π/2、π和3π/2，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/2、Pπ和P3π/2；
所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/2(fx,fy)、Dπ(fx,fy)、和D3π/2(fx,fy)；
所述步骤七中的计算方式为：
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，
所述步骤五中多个初始相位包括0、π/3、2π/3、4π/3和5π/3，获得相应的正弦条纹掩膜包括P0、Pπ/3、P2π/3、P4π/3和P5π/3；
所述步骤六中获得的调制信号包括D0(fx,fy)、Dπ/3(fx,fy)、D2π/3(fx,fy)、D4π/3(fx,fy)、D5π/3(fx,fy)；
所述步骤七中的计算方式为：
9.根据权利要求5-8任一项所述的方法，其特征在于，
所述步骤三和步骤四中的使上述频率对应的单像素调制信号为0的操作具体通过如下方式实现：
不生成对应频率的所述正弦条纹掩膜；
或者，不投影对应频率的正弦条纹掩膜；
或者，生成对应频率的所述正弦条纹掩膜，利用上述掩膜分别调制太赫兹波光场，利用单像素采集方法获得对应频率的调制信号，设定所述对应频率调制信号的系数为0。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述硅基石墨烯通过如下步骤制备：
A、将单层铜基石墨烯片剪裁出合适的大小；
B、在石墨烯的一面旋涂PMMA胶；
C、使用氯化铁溶液刻蚀上述加工的样片，从而去掉铜基，留下石墨烯-PMMA胶的结构；
D、使用去离子水清洗步骤C处理后的样片，然后使用硅片将上述样片捞出，形成硅-石墨烯-PMMA胶的结构；
E、取出晾干，使用丙酮去除PMMA后清洗，得到转移后的硅基石墨烯。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述步骤A中，单层铜基石墨烯片剪裁成10cm×10cm大小；
所述步骤B中，PMMA胶旋涂时间为1小时，速度800转/分，PMMA胶的厚度为20μm；
所述步骤C中，刻蚀操作的时间为2.5小时；
所述步骤D中，所述去离子水清洗的操作为清洗3次，每次20分钟；
所述步骤E中，晾干12小时，丙酮去除PMMA后清洗3次每次20分钟。
12.一种采用权利要求1-11任一项成像方法的单像素太赫兹波成像系统，包括太赫兹波照射单元和太赫兹波调制单元；
所述太赫兹波照射单元包括发射端(1)、硅基石墨烯(3)和接收端(6)；所述待测目标(4)置于所述硅基石墨烯(3)的表面；所述发射端(1)产生的太赫兹波照射并透过所述硅基石墨烯(3)和待测目标(4)后，太赫兹波信号被所述接收端(6)接收；
所述太赫兹波调制单元包括泵浦光(7)和调制器，所述泵浦光(7)照射在所述调制器上后，经所述调制器调制形成所述正弦条纹掩膜，所述正弦条纹掩膜被投影在所述硅基石墨烯(3)的表面。
13.根据权利要求12所述的单像素太赫兹波成像系统，其特征在于，
所述调制器为液晶调制器或者数字微镜阵列。
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