CN113281295A - 一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统及方法，其中系统包括：太赫兹辐射源，用于产生太赫兹波；成像物体，太赫兹波穿过透镜后，入射成像物体；振幅型超表面阵列空间调制器，用于根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；太赫兹探测接收器，用于接收太赫兹波信号；FPGA控制器，与振幅型超表面阵列空间调制器连接，用于控制并加载编码矩阵对应的编码信息；下位机PC端，与太赫兹探测接收器连接，用于对接收的太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。本发明构建一种新型太赫兹压缩感知成像与图像重构的实现途径，避免使用昂贵的DMD芯片，控制简单易于实现，降低了成本，可广泛应用于图像处理领域。
Description
技术领域
本发明涉及图像处理领域，尤其涉及一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统及方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THZ)波是指频率为0.1～10THz(波长为3000～30μm)范围内的电磁波，由于其在频谱段所处的特殊位置，有着一系列的特殊性质，使得太赫兹技术广泛应用到生物医学检测、安检、物质特性研究、工业无损检测等领域。通过数字微镜阵列实现逐点扫描成像是目前比较成熟的太赫兹成像技术，使用单像素探测器对经过数字微镜阵列编码过的单个像素进行逐点扫描接收，这种方法需要使用DMD芯片编码把光投影到高阻率硅基片上，被光调制的高阻率硅基片会决定太赫兹波能否穿透。2008年莱斯大学Dharmpal Takhar等人通过数字微镜阵列实现了单像素相机，基于DMD空间调制器芯片的DLP投影系统的太赫兹编码孔径成像需要在掩模版上投影出不同的编码，再让太赫兹波透射成像物体实现调制。然而，上述方案由于需要使用DMD空间调制器芯片将编码图案投影到掩模版上，系统不仅复杂、能量利用率低且设备成本比较昂贵。
压缩感知由Donoho、Candes和华裔数学家陶哲轩系统提出：对于可压缩的信号，我们可以用远低于奈奎斯特定律标准的方式对数据进行欠采样精确重构信号。2004年，由Candes 与Donoho等人提出的压缩感知理论是一个利用信号稀疏或可压缩特性的全新信息及信号处理理论，与传统的Nyquist采样定理有着本质的区别。压缩感知充分利用了信号的稀疏度特性，然后通过相关测量矩阵和重构算法的选取准确重构出原始信号。恢复算法本文选用的是正交匹配追踪算法，匹配追踪算法是Mallat等人于1993年提出，Tropp和Gilbert分析了正交匹配追踪(OMP)算法的性能，并提出了合适的随机测量矩阵，Hadamard矩阵作为测量矩阵往往会有较好的图像恢复信噪比。
发明内容
为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统及方法。
本发明所采用的技术方案是：
一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，包括：
太赫兹辐射源，用于产生太赫兹波；
成像物体，太赫兹波穿过透镜后，入射所述成像物体；穿过所述成像物体的太赫兹波携带有物体的强度信息；
振幅型超表面阵列空间调制器，用于根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；
太赫兹探测接收器，用于接收所述太赫兹波信号；
FPGA控制器，与所述振幅型超表面阵列空间调制器连接，用于控制并加载编码矩阵对应的编码信息；
下位机PC端，与所述太赫兹探测接收器连接，用于根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
进一步，所述振幅型超表面阵列空间调制器和所述成像物体在太赫兹光路中平行放置。
进一步，所述振幅型超表面阵列空间调制器为64×64阵列，阵列中每个编码单元对应一个独立的超表面片段，所述超表面片段包括可使太赫兹波穿透的第一状态和阻止太赫兹波穿透的第二状态。
进一步，所述FPGA控制器采用基于哈达玛矩阵的测量矩阵编码控制所述振幅型超表面阵列空间调制器上的超表面结构形成哈达玛矩阵，所述哈达玛矩阵由‘+1’、‘-1’两种元素组成。
进一步，所述编码矩阵为64×64Hadamard编码矩阵，所述编码矩阵由所述FPGA控制器动态寻址控制。
进一步，所述振幅型超表面太赫兹压缩成像系统还包括抛物面汇聚反射镜；
所述抛物面汇聚反射镜用于将穿过所述振幅型超表面阵列空间调制器的太赫兹波信号进行汇聚并反射至所述太赫兹探测接收器。
进一步，所述下位机PC端用于采用正交匹配追踪(OMP)算法对接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构；
其中，信号的系数采样和恢复过程：
y＝Φx＝ΦΨs＝Θs
yM×1表示信号的测量值，xN×1代表原始信号，φM×N代表测量矩阵，ΨN×N代表正交基，sN×1代表原始信号x在正交基Ψ上的稀疏度，ΘM×N代表观测矩阵。M/N就是信号的采样率，压缩感知以较低的采样率来准确重构出图像。
进一步，所述透镜包括扩束透镜和聚焦透镜；
所述太赫兹波依次经过扩束透镜和聚焦透镜后，入射所述成像物体。
本发明所采用的另一技术方案是：
一种振幅型超表面太赫兹压缩成像方法，包括以下步骤：
太赫兹波依次穿过透镜后，入射成像物体；穿过所述成像物体的太赫兹波携带有物体的强度信息；
振幅型超表面阵列空间调制器根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；
太赫兹探测接收器接收所述太赫兹波信号，并将所述太赫兹波信号传输至下位机PC端；下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
进一步，所述下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构，包括：
对输入的太赫兹波信号进行小波变换，以增加信号的稀疏度。
本发明的有益效果是：本发明构建一种新型太赫兹压缩感知成像与图像重构的实现途径，避免了使用昂贵的DMD芯片，控制简单易于实现，大大地降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1是本发明实施例中一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统的结构示意图；
图2是本发明实施例中64×64的振幅型超表面阵列空间调制器示意图；
图3是本发明实施例中64×64的Hadamard编码矩阵；
图4是本发明实施例中FPGA控制模块图；
图5是本发明实施例中部分实验仿真波形图；
图6是本发明实施例中基于OMP算法的压缩感知图像重构流程图；
图7是本发明实施例中压缩图像重构实验结果图。
附图标记：1、太赫兹辐射源，2、扩束透镜，3、聚焦透镜，4、成像物体，5、振幅型超表面阵列空间调制器，6、编码矩阵，7、太赫兹接收器，8、抛物面汇聚反射镜，9、FPGA 控制器，10、下位机PC端。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
针对上述方案的问题本方案中提出了一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统及方法，通过振幅型超表面阵列空间调制来取代DMD空间调制器投影到高阻率硅基片上的编码效果，所述系统能够通过FPGA控制实现振幅型超表面阵列空间调制的动态调控编码，同时结合压缩感知实现图像压缩重构，大大地降低了成本，简化了系统且提高了能量利用率。
如图1所示，本实施例提供一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，包括：
太赫兹辐射源1、扩束透镜2、聚焦透镜3、成像物体4、振幅型超表面阵列空间调制器 5、编码矩阵6、太赫兹探测接收器7、抛物面汇聚反射镜8、FPGA控制器9、下位机PC端 10；
其中，太赫兹波1经过扩束透镜2和聚焦透镜3后入射成像物体4，然后以垂直角度入射振幅型超表面阵列空间调制器5，振幅型超表面阵列空间调制器5成像物体4在太赫兹光路中平行放置；所述的振幅型超表面阵列空间调制器5经过FPGA控制器9控制并加载空间调制编码矩阵6对应编码信息，经过编码信息调制后的太赫兹波信号，经过抛物面汇聚反射镜8后被太赫兹探测接收器7接收、测量并加以处理，所得的数据传入下位机PC端10；由下位机PC端10根据不同需要在不同的采样率下通过正交匹配追踪算法(OMP)和哈达玛测量矩阵，对接收的编码图像进行压缩感知图像重构。
进一步作为可选的实施方式，透镜为焦距50mm的凹透镜和焦距100mm的凸透镜，与光路方向相互垂直。
进一步作为可选的实施方式，振幅型超表面阵列空间调制器为64×64阵列化超表面结构，与光路方向相互垂直。阵列中每个单元对应一个独立的超表面片段，都能通过所给高低电平来判断是否允许太赫兹波穿透来达到‘0’，‘1’两种状态的跳变。
FPGA控制器采用基于哈达玛矩阵的测量矩阵编码控制振幅型超表面阵列空间调制器上的超表面结构形成哈达玛矩阵，该矩阵完全由‘+1’，‘-1’两种元素组成，该矩阵良好的正交性使得系统有着更高的图像恢复信噪比。
进一步作为可选的实施方式，编码矩阵(也称测量矩阵)为64×64的Hadamard矩阵，由FPGA控制器动态寻址控制。
上述系统的工作原理具体为：
首先，太赫兹辐射源发射连续的太赫兹波束，经扩束透镜的调制后，太赫兹波垂直的入射待成像物体上，由于太赫兹波的穿透性，太赫兹波会携带着强度信息穿透过物体。这时再垂直入射已被FPGA控制时序调制编码的振幅型超表面阵列空间调制器上，所述振幅型超表面阵列空间调制器的每个单元都是一个超表面结构，给它高低电平的变化会导致其透射率的变化以此来产生太赫兹波能否发生透射的变化，也就是实现‘0’‘1’的两种状态跳变，在此基础上，将其阵列化成64×64共4096个单元，借此产生64×64的Hadamard矩阵。经编码后的太赫兹波被探测器接收并发送信息给下位机PC端处理，将原始信号(即太赫兹采集到的图像信号)xN×1作小波变换增加信号的稀疏度，然后将所得的测量值yM×1与观测矩阵ΘM×N的每一列作内积运算以此得出与测量值yM×1最相匹配的一列，将其索引与值保存，初始化残差值为yM×1，残差值为上一次迭代的残差值减去最相匹配列的值，使用最小二乘法使得残差值最小，清空索引列后再次内积，反复迭代，直至达到预设要求或残差值足够小，最后得出的矩阵再经反变换就可得出原始信号。
图2为64×64的超表面结构振幅型超表面阵列空间调制器阵列，该阵列每个单元都能实现对太赫兹波的穿透与非穿透，当其单元给高电平时，超表面结构使得太赫兹波能够正常穿透，当其所给电压为低电平时，太赫兹波将不能穿过该结构，从而使其实现‘0’，‘1’两种状态的跳变，完成编码效果。
图3为64×64的Hadamard矩阵(即编码矩阵)，其矩阵元素全为‘+1’或‘-1’，表达式为：
H1＝[1]
在该图中白色方块代表着矩阵元素‘+1’，黑色方块代表着矩阵元素‘-1’。由于FPGA 控制不能实现‘+1’和‘-1’的跳变，所以在FPGA逻辑代码控制中将‘1’作‘+1’，‘0’作‘-1’以实现Hadamard矩阵编码效果。
在压缩感知理论中，大量的前人研究表明了Hadamard矩阵作为重构测量矩阵的优越性，不仅有着良好的正交特性和较高的信号恢复信噪比，且能很好地满足RIP(Restricted Isometry Property)性质，对于K-sparse信号x，如果测量矩阵满足以下关系，则称测量矩阵满足K阶 RIP性质。
从能量角度而言，RIP性质代表的是变换后的信号能量不能超过原始信号能量的2倍，关于测量矩阵的RIP性质有许多的研究，已被证明的测量矩阵具有RIP性质的有傅里叶矩阵、随机伯努利矩阵、哈达玛矩阵等，其中Hadamard矩阵恢复图像效果较好，且能很好的满足 RIP性质。
该实例中，选取XILINX公司的ARTIX-7FPGA开发板作为控制系统，开发工具为XILINX 的Vivado设计套件，设计逻辑模块示意图如图4所示，总体分为三个模块，其中clk为时钟信号、rst_n为复位信号，hadamard_64模块主要负责产生64位地址信号，led_hex模块和 HC595_Driver模块通过行寻址将数据传递给64×64调制器的每一行，其间利用数码管显示的方法减少驱动引脚。仿真波形图如图5所示，当指定的计数器计数到达设定值时，一行的行地址信号被传递，直至64行数据发送完毕。
该实施例中选取了正交匹配追踪(OMP)算法作为压缩感知重构算法，其流程图如图6 所示，其算法基于MATLAB实现，首先输入信号测量值y和采样矩阵，把信号作小波变换，把信号做小波变换的目的是增加信号的稀疏度，小波变换压缩比高，压缩速度快，压缩后能保持信号与图象的特征不变，且在传递中可以抗干扰。然后建立恢复空矩阵φk，设定残差值 r开始迭代。将残差值r与观测矩阵Θ作内积λk＝argmax{|<rk,Θj>|}得出最匹配原子，将得到的列信号存储至恢复矩阵φk并记录列位置，观测矩阵Θ中被选中的列信号清零，使用最小二乘法使得残差值最小后更新残差值，判断是否达到迭代阈值或者残差值r小于设定数值，直到迭代结束，再进行小波反变换重建原始信号x＝(φk)-1y。
64×64大小的“SCUT”灰度图像和“lena”灰度图像进行压缩重构实验，如图7所示实验结果，从实验结果给出的参数可知压缩感知可用远低于Nyquist采样理论要求的采样次数进行目标采样，同样能够恢复出目标的原始信号，其中P代表采样率，图所示分别是原始图像和采样数为16、32、48时的恢复图像。PSNR(峰值信噪比)表示最大信号值与噪声强度的比值，是衡量图像质量的重要指标。从实验结果可以看出在采样率为0.25时，已能看清字母SCUT显示和人物的轮廓，在采样率为0.5时图像恢复效果比较明显且图片恢复信噪比良好，符合预期。
MSE是原始图像与处理图像的均方误差，n是处理图像像素的比特数，在这次实验中，n 为8。
本实施例的基于振幅型超表面阵列空间调制的太赫兹压缩成像系统，相比于用DMD编码调制的太赫兹成像系统，极大的减小了成本，且FPGA控制具有动态可调控的优点，使用的正交匹配追踪(OMP)算法和压缩感知原理将压缩和采样集成，且通过小波变换增加了信号的稀疏度，能够减少采样率来大概率精确重构出原始图像。
另外，本实施例的振幅型超表面阵列空间调制器每个单独的单元都可以在‘0’和‘1’两种状态之间切换，每个单元都能通过所给高低电平来实现是否允许太赫兹波穿透的功能，达到一种电控数字开关的作用，而通过对整个振幅型超表面阵列空间调制实行FPGA时序和寻址控制，则可以实现不同的编码效果，这与其他阵列式成像相比减少了DLP系统投影过程，而是直接在调制器上生成不同的编码，如实现哈达玛测量矩阵，使得调制器具有动态调控的功能，哈达玛矩阵任意两列和两行都是相互正交的，这个特性使得图像在压缩重构中有着良好的恢复效果和较高的信噪比，且降低了成本，压缩感知能够使得采样率的减小的同时也能有准确的重构出原始图像。
本实施例还提供一种振幅型超表面太赫兹压缩成像方法，包括以下步骤：
太赫兹波依次穿过透镜后，入射成像物体；穿过所述成像物体的太赫兹波携带有物体的强度信息；
振幅型超表面阵列空间调制器根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；
太赫兹探测接收器接收所述太赫兹波信号，并将所述太赫兹波信号传输至下位机PC端；下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
进一步作为可选的实施方式，所述下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构，包括：
对输入的太赫兹波信号进行小波变换，以增加信号的稀疏度。
本方法实施例与上述的系统实施例在技术特征上具有一一对应的关系，因此具备与系统实施例相同的功能及有益效果。
在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，包括：
太赫兹辐射源，用于产生太赫兹波；
成像物体，太赫兹波穿过透镜后，入射所述成像物体；穿过所述成像物体的太赫兹波携带有物体的强度信息；
振幅型超表面阵列空间调制器，用于根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；
太赫兹探测接收器，用于接收所述太赫兹波信号；
FPGA控制器，与所述振幅型超表面阵列空间调制器连接，用于控制并加载编码矩阵对应的编码信息；
下位机PC端，与所述太赫兹探测接收器连接，用于根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
2.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述振幅型超表面阵列空间调制器和所述成像物体在太赫兹光路中平行放置。
3.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述振幅型超表面阵列空间调制器为64×64阵列，阵列中每个编码单元对应一个独立的超表面片段，所述超表面片段包括可使太赫兹波穿透的第一状态和阻止太赫兹波穿透的第二状态。
4.根据权利要求3所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述FPGA控制器采用基于哈达玛矩阵的测量矩阵编码控制所述振幅型超表面阵列空间调制器上的超表面结构形成哈达玛矩阵，所述哈达玛矩阵由‘+1’、‘-1’两种元素组成。
5.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述编码矩阵为64×64Hadamard编码矩阵，所述编码矩阵由所述FPGA控制器动态寻址控制。
6.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述振幅型超表面太赫兹压缩成像系统还包括抛物面汇聚反射镜；
所述抛物面汇聚反射镜用于将穿过所述振幅型超表面阵列空间调制器的太赫兹波信号进行汇聚并反射至所述太赫兹探测接收器。
7.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述下位机PC端用于采用正交匹配追踪算法对接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
8.根据权利要求1所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像系统，其特征在于，所述透镜包括扩束透镜和聚焦透镜；
所述太赫兹波依次经过扩束透镜和聚焦透镜后，入射所述成像物体。
9.一种振幅型超表面太赫兹压缩成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
太赫兹波依次穿过透镜后，入射成像物体；穿过所述成像物体的太赫兹波携带有物体的强度信息；
振幅型超表面阵列空间调制器根据编码信息对带有物体的强度信息的太赫兹波进行调制，获得太赫兹波信号；
太赫兹探测接收器接收所述太赫兹波信号，并将所述太赫兹波信号传输至下位机PC端；下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构。
10.根据权利要求9所述的一种振幅型超表面太赫兹压缩成像方法，其特征在于，所述下位机PC端根据接收的所述太赫兹波信号进行压缩感知图像重构，包括：
对输入的太赫兹波信号进行小波变换，以增加信号的稀疏度。
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