CN114757921A - 一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法及系统 - Google Patents
一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法及系统。包括：太赫兹收发一体机、聚焦光路透镜组件、成像物体、三维位移台和电子计算机。太赫兹波由收发一体机发出，经聚焦光路透镜组件折射后照射到成像物体，经由成像物体反射后原光路返回并聚焦到焦点，由焦点处的太赫兹收发一体机接收信号并测量其强度和相位。成像物体沿光轴在不同的特定位置上多次成像后，得到多幅复值图像。复值图像经复数域上圆构造法估算背景杂波信号并予以去除，从而恢复图像。本发明通过少量的多幅图像就可很好的估算出背景杂波信号，获得清晰无条纹的太赫兹图像，优于传统的平均值法及背景消去法，实现更好的太赫兹图像条纹噪声去除。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹成像领域，具体说是一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法及系统。
背景技术
太赫兹波是指频率在0.1-10THz频段的电磁波辐射。太赫兹波由于其处于电磁波谱的特殊位置而具有一系列独特的特性，并在生物医学探测、物质特性检测等领域得到广泛的应用。如：太赫兹光子能量低，具有非电离特性，可以实现无损检测；太赫兹对许多非金属材料具有穿透能力，可用于安全检查中的隐蔽物检测。然而，在所获得的太赫兹强度图像中常存在不必要的条纹干扰。该条纹干扰会使得成像图像清晰度下降，甚至淹没应有的目标信号。探究条纹干扰的成因并提出快速且低成本的去条纹成像方法在太赫兹成像领域有着极其迫切的需求。
太赫兹图像中的条纹源于目标信号与相干干扰信号的干涉。相干干扰信号，也称为杂波信号，常由成像系统或样品放置时产生的额外反射引入。对于同一收发端构成的太赫兹反射成像系统，聚焦抛物面镜的使用可以获得更小的成像光斑及更高的成像分辨率，但同时也带来了额外反射干扰信号，该干扰信号可来源于抛物面镜、光学支架等成像装置的反射。成像装置反射能量若大于目标反射波能量，就使得所成图像受严重干涉条纹噪声干扰无法辨认。去除条纹干扰本质上即需去除该光学成像系统额外反射产生的背景杂波信号。因此研究该背景杂波信号抑制方法对太赫兹反射测量具有十分重要的意义。
已有的杂波信号抑制技术中背景消去法具有原理简单、计算复杂度低等优点。该算法首先采集不包含目标的背景信息，然后将含目标的探测回波与背景信号相消。但在实际探测环境中常常难以提前获取背景信息。平均值法通过多次测量取平均值可以有效抑制背景杂波，但所需测量次数较多。所以现阶段亟需一种低成本且能较好估算背景杂波并去除的太赫兹成像方法。
发明内容
针对上述技术不足，本发明提供一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法。该方法使用可同时测量信号幅度及相位信息的太赫兹连续波成像系统，在光轴上焦点前后一定范围内获取若干复值图片，通过复数域上的圆构造法估计背景杂波信号强度并予以去除，从而恢复出平整清晰的图像。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，包含以下步骤：
S1、在三维坐标系原点设置太赫兹收发一体机，沿太赫兹波发射方向设置聚焦光路透镜组件，并在透镜组件的焦点处设置成像物体；
S2、根据光斑大小计算焦点前后的移动阈值范围，控制成像物体在移动阈值范围内以设定的步长间距先、后移动至若干采样点；在每个点位控制太赫兹收发一体机向成像物体发射太赫兹波，控制成像物体在其所在平面内按照预设轨迹运动，并采集一系列的成像物体经由太赫兹波照射后反射的复值序列；
S3、将一系列的复值序列拼接成对应若干采样点的太赫兹图像，依次对同一像素坐标的不同点位采集的复值序列值，采用复数域上圆构造法提取强度信号，再重建成像物体经由太赫兹波照射的清晰幅度图像，实现条纹干涉杂波的滤除。
所述控制成像物体在其所在平面内按照预设轨迹运动包括：通过三维位移台调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置。
所述使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置，用于生成复像素矩阵。
所述三维位移台在x-y二维平面内移动的步长间距为所恢复图像的单行或单列的宽度值，单个采样点完成滑动照射和采集的窗口大小等同于最终恢复图像的复值像素矩阵。
所述根据光斑大小计算焦点前后的移动阈值范围包括：当成像物体在光轴上移动时，根据瑞利方法，要求预设焦点位置前后范围内弥散斑大小变化不超过四分之一波长，计算焦点前后的移动阈值范围，采样位置数K大于3。
所述圆构造法为：将一系列图像中同一像素点的不同采样点位的复值序列值表达在复数平面上，利用最小二乘法进行圆拟合，拟合所得的圆心作为背景杂波信号，圆半径为成像物体反射太赫兹波强度。
一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像系统，包括：太赫兹收发一体机、聚焦光路透镜组件、成像物体、三维位移台和电子计算机；
所述太赫兹收发一体机设在三维坐标系原点，所述聚焦光路透镜组件、像物体依次设置在太赫兹波发射方向上；所述太赫兹收发一体机发射太赫兹波、采集所述成像物体经由太赫兹波照射后反射的复值序列；
所述三维位移台包括伺服电机、驱动器、x轴横向直线运动模组和y轴纵向直线运动模组和z轴太赫兹波发射方向运动模组，所述成像物体固定在横向运动模组上，通过伺服电机驱动横向直线运动模组和纵向直线运动模组运动，从而调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置，通过伺服电机驱动z轴太赫兹波发射方向运动模组改变驻留在z轴上所述的各个步长间距的采样位置；所述驱动器通过通讯接口与电子计算机连接；
电子计算机内部包括存储部和处理部，存储部存储有程序，处理部加载程序执行如上所述的方法的步骤。
所述聚焦光路透镜组件为沿太赫兹方波发射方向依次设置的N个凹面反射镜，使得太赫兹波依次经过前一个凹面反射镜反射进下一个凹面反射镜，并最终聚焦于成像物体。
所述前N-1个为准直抛物面镜，第N个为汇聚抛物面镜。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明采用了光轴上多点位置图像测量方式，通过特定位置少量的复值图片数即可估计背景杂波信号强度，获得无条纹噪声图片。优于传统的平均值法及背景消去法，实现更好的太赫兹图像条纹噪声去除。
附图说明
图1是本发明的总体结构图；
图2是复数域圆构造法的算法流程图；
图3是复数域源构造法示意图；
图4是本发明实例光学原图。
图5是本发明实例测量图及不同处理方法结果对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示为本发明一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像系统结构示意图，该成像系统能实现电控金属样品沿光轴移动并在一系列特定光轴位置以二维扫描的方式成像，以及控制太赫兹收发天线获取一系列的成像物体经由太赫兹波反射得到信号的强度值及相位值，并由电子计算机6按照算法程序自动完成太赫兹图像的恢复。包括：太赫兹收发一体机1、将太赫兹球面波准直为平面波的准直抛物面镜2、将平面波聚焦的汇聚抛物面镜3、成像物体4，三维位移台5，电子计算机6。
其中成像物体4安装在三维位移台5上，通过电控程序可以精确控制成像物体移动的步长，并编程实现了成像物体在光轴方向平移，在太赫兹收发一体机1的天线端同步读取太赫兹波反射信号的强度值和相位值。成像物体初次置于汇聚抛物面镜的焦点处，二维扫描成像后，三维位移台5带动成像物体沿光轴朝远离汇聚抛物面镜3方向移动，移动范围内弥散斑大小变化应不超过四分之一波长，焦点前后移动范围可通过高斯光束模型通过计算得到，每次移动后以同样的二维扫描方式成像。移动次数K应大于3。完成后可获得K张同一目标不同采样位置的二维复值图像测量数据。二维扫描方式为通过调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置。
所述三维位移台5包括伺服电机、驱动器、x轴横向直线运动模组和y轴纵向直线运动模组和z轴太赫兹波发射方向运动模组，所述成像物体固定在横向运动模组上，通过伺服电机驱动横向直线运动模组和纵向直线运动模组运动，从而调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置，通过伺服电机驱动z轴太赫兹波发射方向运动模组改变驻留在z轴上所述的各个步长间距的采样位置；所述驱动器通过通讯接口与电子计算机6连接。
具体的成像过程为：由太赫兹收发天线1产生一定频率的太赫兹波，通过准直抛物面镜2将太赫兹球面波准直为均匀化的平面波，再通过汇聚抛物面镜3将平面波聚焦于成像物体上，包含物体信息的反射太赫兹波再经过准直抛物面镜3和汇聚抛物面镜2汇聚到太赫兹收发天线。成像物体在光轴上焦点前后一定范围内的预设多个位置上进行二维扫描。通过读取太赫兹收发天线的幅度和相位值获取不同光轴位置的二维扫描太赫兹反射强度和相位测量值。测量值通过复数域圆构造法处理后，估算出背景杂波信号并去除，最终获得太赫兹图像。
为了抑制背景杂波信号以利于去除图像条纹，本发明采用了复数域圆构造法对采集的数据进行了处理。如图2所示为该算法的流程图。具体步骤如下：
1.根据接收到的幅度值和相位值构造复值信号
{Es(k,i,j)}为图像中坐标(i,j)处的像素点在光轴第k个位置上测量所得的一系列复值信号，k＝1,2,...,K。图像大小为M×N，图像行号i＝1,2,...,M，列号j＝1,2,...,N。
2.对每个坐标(i,j)，将Es(k,i,j)在复数平面上用散点表征，第k个散点的横坐标为复数Es(k,i,j)的实部，纵坐标为复数Es(k,i,j)的虚部。
3.对每个坐标(i,j)，如图3所示用最小二乘法对复平面上的散点{Es(k,i,j)}进行圆拟合，拟合后的圆心Ec(i,j)为复值形式的杂波信号。圆半径为坐标(i,j)处目标反射信号强度|EF(i,j)|。
4.根据|EF(i,j)|形成太赫兹图像，重建成像物体经由太赫兹波照射的清晰幅度图像，实现条纹干涉杂波的滤除。
实例验证
为对比验证本发明的太赫兹成像系统抑制背景杂波信号方法的有效性和优越性，我们使用本发明的太赫兹成像系统对一个金属刀片进行了太赫兹成像，如图4为成像物体的原始光学图片。图5(a)为根据光学图片采用阈值法得到的真值图，图5(b)为测量所得的单幅太赫兹图像，图5(c)-(e)为使用多图幅度值平均值法恢复的太赫兹图像，使用图像数量分别为3、10、40。图5(f)-(h)为使用复数域圆构造法恢复的太赫兹图像。其中图(f)-(h)为在光轴上的移动间隔为0.4mm的条件下，分别采用数量为3、10、40张图片恢复的效果。为了从客观上比较算法的成像质量，我们利用光学真值图5(a)将图片分为刀片区域Ωt和背景区域Ωb，分别统计这两个区域的均方差及均值
其中X(i,j)为图像的灰度值，Num(Ωp)为区域内的像素点数。然后构造归一化均方误差函数：NMSE＝(σt+σb)/(μt-μb)，σt,σb分别为成像物体的刀片区域及背景区域均方差值，μt,μb分别为成像物体的刀片区域及背景区域均值。从公式中可以看出，NMSE的值越小，区域内部数值方差小同时背景与成像目标对比度大，代表该区域越清晰平滑。单幅原始测量图的NMSE值为14.37。平均值法和复数域圆构造法所复原图像的归一化均方误差函数NMSE对比如下表，表中K为参加计算的图片数量。
从恢复的太赫兹图像质量上及表中各项数值表明，使用复数域圆构造法只要测较少的图即可恢复成像物体刀片轮廓。图片数量较少时，背景区域噪声点较多。随着图片数量增加，背景噪声点逐渐减少，图片更为清晰。验证了本发明成像方法能从较少数量的图片中恢复高质量图像的优势。
以上所述是本发明的实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、在三维坐标系原点设置太赫兹收发一体机，沿太赫兹波发射方向设置聚焦光路透镜组件，并在透镜组件的焦点处设置成像物体；
S2、根据光斑大小计算焦点前后的移动阈值范围，控制成像物体在移动阈值范围内以设定的步长间距先、后移动至若干采样点；在每个点位控制太赫兹收发一体机向成像物体发射太赫兹波，控制成像物体在其所在平面内按照预设轨迹运动，并采集一系列的成像物体经由太赫兹波照射后反射的复值序列；
S3、将一系列的复值序列拼接成对应若干采样点的太赫兹图像，依次对同一像素坐标的不同点位采集的复值序列值，采用复数域上圆构造法提取强度信号，再重建成像物体经由太赫兹波照射的清晰幅度图像，实现条纹干涉杂波的滤除。
2.根据权利要求1所述的一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，所述控制成像物体在其所在平面内按照预设轨迹运动包括：通过三维位移台调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，所述使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置，用于生成复像素矩阵。
4.根据权利要求2所述的一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，所述三维位移台在x-y二维平面内移动的步长间距为所恢复图像的单行或单列的宽度值，单个采样点完成滑动照射和采集的窗口大小等同于最终恢复图像的复值像素矩阵。
5.根据权利要求1所述的一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，所述根据光斑大小计算焦点前后的移动阈值范围包括：当成像物体在光轴上移动时，根据瑞利方法，要求预设焦点位置前后范围内弥散斑大小变化不超过四分之一波长，计算焦点前后的移动阈值范围，采样位置数K大于3。
6.根据权利要求1所述的一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像方法，其特征在于，所述圆构造法为：将一系列图像中同一像素点的不同采样点位的复值序列值表达在复数平面上，利用最小二乘法进行圆拟合，拟合所得的圆心作为背景杂波信号，圆半径为成像物体反射太赫兹波强度。
7.一种基于复数域圆构造法的太赫兹抑制条纹干涉成像系统，其特征在于，包括：太赫兹收发一体机、聚焦光路透镜组件、成像物体、三维位移台和电子计算机；
所述太赫兹收发一体机设在三维坐标系原点，所述聚焦光路透镜组件、像物体依次设置在太赫兹波发射方向上；所述太赫兹收发一体机发射太赫兹波、采集所述成像物体经由太赫兹波照射后反射的复值序列；
所述三维位移台包括伺服电机、驱动器、x轴横向直线运动模组和y轴纵向直线运动模组和z轴太赫兹波发射方向运动模组，所述成像物体固定在横向运动模组上，通过伺服电机驱动横向直线运动模组和纵向直线运动模组运动，从而调整所述成像物体在x-y二维平面的位置，使得太赫兹波逐行逐列地照着在成像物体的每一个像素位置，通过伺服电机驱动z轴太赫兹波发射方向运动模组改变驻留在z轴上所述的各个步长间距的采样位置；所述驱动器通过通讯接口与电子计算机连接；
电子计算机内部包括存储部和处理部，存储部存储有程序，处理部加载程序执行如权利要求1-6任意一项所述的方法的步骤。
8.根据权利要求7所述的一种基于数据选择的太赫兹压缩成像优化系统，其特征在于，所述聚焦光路透镜组件为沿太赫兹方波发射方向依次设置的N个凹面反射镜，使得太赫兹波依次经过前一个凹面反射镜反射进下一个凹面反射镜，并最终聚焦于成像物体。
9.根据权利要求8所述的一种基于数据选择的太赫兹压缩成像优化系统，其特征在于，所述前N-1个为准直抛物面镜，第N个为汇聚抛物面镜。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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