CN115752725A - 一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法及系统 - Google Patents

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李羿璋
刘陵玉
郭永斌
徐文青
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Abstract

本发明提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法及系统,涉及太赫兹成像技术领域,该方法包括:获取太赫兹时域脉冲采样信号;对太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将时域信号与所建立的点扩散函数的时域形式进行解卷积运算,得到图像重建信号;根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。通过该方式,能够更好的消除太赫兹波束失真引起的图像模糊,提高太赫兹成像系统的横向分辨率和重建图像质量。

Description

一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法及系统
技术领域
本发明属于太赫兹成像技术领域,尤其涉及一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息,不必然构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
太赫兹波位于微波与近红外之间,频率范围100GHz~10THz,波长3mm~30μm,又称为远红外或亚毫米波。相比于其他电磁波,太赫兹波具有光子能量低、穿透力强、厚度分辨率高等特点,因此,太赫兹波非常适合用于安全、无接触、高分辨的无损检测技术。
太赫兹成像是通过太赫兹辐射源发射一定强度的太赫兹信号并照射到被测物体,利用太赫兹探测器接收被测物的反射波或者透射波,通过成像系统对探测器探测到的振幅和相位信息进行分析处理,得到被照射物体的图像。太赫兹成像系统可以对包括塑料、陶瓷、纸张、生物组织等非金属材料进行检测,并且可以有效地进行三维成像。
太赫兹成像技术的大多数应用领域都对成像分辨率比较敏感,可以通过提高太赫兹成像系统的分辨率实现应用价值的提升。现阶段,科研人员主要采用基于算法和基于光学的方法提高太赫兹成像系统的分辨率。基于算法的太赫兹成像系统分辨率提高方法包括互相关函数(卷积函数)方法、边沿整形方法、盲反卷积方法、高通误差函数滤波方法和反卷积方法等。基于光学的太赫兹成像系统分辨率提高方法包括宽孔径非球面太赫兹透镜方法、固态侵入成像技术、介质立方体方法和宽带隙材料方法。
但是,基于算法的太赫兹成像系统分辨率提高方法并未充分系统自身的成像特征,是一种数据后处理方法,未能充分发挥系统的成像潜力;并且基于光学的太赫兹成像系统分辨率提高方法需要增加额外光学器件,提高了系统复杂度,且在许多情况下降低了信号信噪比。
发明内容
为了解决上述问题,本发明提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法及系统,用以提高太赫兹成像系统的横向分辨率和重建图像质量。
为了实现上述目的,本发明主要包括以下几个方面:
第一方面,本发明实施例提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,包括:
获取太赫兹时域脉冲采样信号;
对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数的时域形式进行解卷积运算,得到图像重建信号;
根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
在一种可能的实施方式中,通过太赫兹时域光谱系统扫描样品,并在每一个采样点采集多组太赫兹时域脉冲数据,取平均后得到所述太赫兹时域脉冲采样信号。
在一种可能的实施方式中,对每一个采样点的太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换,得到频谱;使用频域高通滤波器滤除掉频谱的低频数据,以及使用频域低通滤波器滤除掉频谱的高频数据,之后进行傅里叶逆变换得到时域信号;其中,高通滤波转折频率低于低通滤波转折频率。
在一种可能的实施方式中,高通滤波截止频率为0.3THz,低通滤波截止频率为1.5THz。
在一种可能的实施方式中,所述点扩散函数表示为:
Figure BDA0003936864190000031
其中,z表示光轴径向位置坐标,f表示频率,Iref表示参考波束强度,ρ表示z平面的波束半径,NA表示数值孔径,k表示与截断比和辐照度水平有关的因子,a表示调整因子,c表示光速,α表示与频率相关的吸收系数。
在一种可能的实施方式中,将时域信号i(x,y)与点扩散函数的时域形式PSF(x,y)进行解卷积运算,得到重建图像信号,所述图像重建信号为:
o(x,y)=i(x,y)*-1PSF(x,y);
其中,(x,y)表示与z轴正交的样品采样平面横向坐标,*-1表示解卷积运算符。
在一种可能的实施方式中,根据所述太赫兹时域光谱系统的发射天线、样品、接收天线相互之间的位置关系,确定太赫兹脉冲波的飞行时间。
第二方面,本发明实施例提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像系统,包括:
获取模块,用于获取太赫兹时域脉冲采样信号;
处理模块,用于对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数进行解卷积运算,得到图像重建信号;
成像模块,用于根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
第三方面,本发明实施例提供一种计算机设备,包括:处理器、存储器和总线,所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令,当计算机设备运行时,所述处理器与所述存储器之间通过总线通信,所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如上述第一方面和第一方面任一种可能的实施方式中所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤。
第四方面,本发明实施例提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器运行时执行如上述第一方面和第一方面任一种可能的实施方式中所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤。
以上一个或多个技术方案存在以下有益效果:
本发明提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,通过综合利用太赫兹时域光谱成像系统点扩散函数、太赫兹时域和频域处理方法,获取太赫兹时域脉冲采样信号;对太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号,以抑制低频和高频噪声干扰;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数的时域形式进行解卷积运算,得到图像重建信号;根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像,这样能够更好的消除太赫兹波束失真引起的图像模糊,提高太赫兹成像系统的横向分辨率和重建图像质量。
并且,太赫兹时域光谱系统对样品的每一个采样点进行多次测量,然后取平均以显著降低太赫兹脉冲采样信号的噪底,提高信号信噪比,降低图像噪声。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明实施例一所提供的太赫兹时域光谱仪器结构的结构示意图;
图2是本发明实施例所提供的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
实施例一
典型的太赫兹时域光谱系统由超快脉冲激光器、太赫兹发射器、太赫兹探测器及时间延迟控制器等组成。系统发射太赫兹脉冲与样品发生相互作用,测量作用后的太赫兹电场强度随时间的变化曲线,计算出样品的太赫兹强度及相位信息。针对不同的样品、不同的测试要求、不同的太赫兹波与样品的作用方式,可以采用透射式、反射式、差分式、椭扁式等不同的探测模式。
太赫兹时域光谱仪器的结构图如图1所示,太赫兹时域光谱仪器包括超快激光器、分束器、反射镜、光延迟器、光电导发射天线、光电导接收天线和处理器。超快激光器发出超短光脉冲,经过分束器分成两束,其中一束经过光电导发射天线转换为太赫兹脉冲波发射到被测物表面,另一束经过反射镜进入光延迟器。处理器可以控制光延迟器实现步进延迟,使光延迟器输出信号与光电导接收天线接收的太赫兹反射回波沿时间轴扫描相干,然后利用等效采样原理得到太赫兹反射回波数字信号。在本实施例中,太赫兹时域脉冲有效频带为60GHz~3THz,平均输出功率65mW。
现有的基于算法的太赫兹成像系统分辨率提高方法是一种数据后处理方法,并未充分利用太赫兹成像系统自身的成像特征;基于光学的太赫兹成像系统分辨率提高方法需要增加额外光学器件,提高了系统复杂度,且在许多情况下降低了信号信噪比,是一种事倍功半的方法。
基于此,本发明实施例提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,包括:
S101:获取太赫兹时域脉冲采样信号。
在具体实施中,利用太赫兹时域光谱仪器获取太赫兹时域脉冲采样信号。可选的,通过太赫兹时域光谱系统扫描样品,并在每一个采样点采集多组太赫兹时域脉冲数据,取平均后得到所述太赫兹时域脉冲采样信号。太赫兹时域光谱系统发射太赫兹脉冲波的重复频率通常可以达到100MHz以上,即使对每个采样点的重复采集次数达到几百上千次,对成像速度影响也不大。多次测量取平均可以显著降低太赫兹脉冲采样信号的噪底,提高信号信噪比,降低图像噪声。
S102:对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数的时域形式进行解卷积运算,得到图像重建信号。
在具体实施中,首先对太赫兹时域脉冲采样信号进行频域高通滤波处理,具体为,对每一个采样点的太赫兹时域脉冲采样信号首先进行傅里叶变换,得到频域数据,然后使用频域高通滤波器,滤掉频谱的低频数据,可以消除低频噪声对成像的不利影响。
进一步的,对太赫兹时域脉冲采样信号进行频域低通滤波处理,用于抑制高频噪声。这里,高通滤波转折频率与低通滤波转折频率需要相互配合,使高通滤波转折频率低于低通滤波转折频率,并且工作带宽能够覆盖大多数信号有效成分。现有常见太赫兹时域光谱仪器的工作频带通常为0.1~2.0THz,离低频极限和高频极限越近,噪声越严重,因此靠近0.1THz和2.0THz的频谱中噪声占比较大。并且,为体现太赫兹时域光谱仪器带宽大的优势,通常保留至少大于0.5THz频宽的频谱数据。可选的,高通滤波截止频率通常选择为0.3THz,低通滤波截止频率通常选择为1.5THz。
针对太赫兹时域光谱系统建立点扩散函数模型,该点扩散函数模型PSF(z,f)表达式为:
Figure BDA0003936864190000081
其中,z表示光轴径向(太赫兹波传播方向)位置坐标,f表示频率,Iref表示参考波束强度,ρ表示z平面的波束半径,NA表示数值孔径,k表示与截断比和辐照度水平有关的因子,a表示调整因子,c表示光速,α表示与频率相关的吸收系数。Iref、NA、ρ、k均为太赫兹时域光谱系统光学参数,主要由发射天线、样品、接收天线物理参数以及相对位置确定,a和α为太赫兹时域光谱系统测试参数,可以通过实验测定方法得到。
将滤波处理后的频域采样信号进行傅里叶逆变换,重新得到时域信号i(x,y),然后与点扩散函数模型的时域形式PSF(x,y)进行解卷积运算,得到重建图像信号。其中,点扩散函数模型的时域形式PSF(x,y)由频域形式PSF(z,f)经过傅里叶逆变换得到,图像重建信号为:
o(x,y)=i(x,y)*-1PSF(x,y);
其中,(x,y)表示与z轴正交的样品采样平面横向坐标,*-1表示解卷积运算符。
S103:根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
在具体实施中,对太赫兹时域光谱系统的所有采样点,都进行上述步骤的处理,得到完整的图像重建信号。根据太赫兹时域光谱系统发射天线、样品、接收天线相互之间的位置关系,得到飞行时间。基于完整的图像重建信号和飞行时间,获得横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
本发明实施例所提出的方法流程图如图2所示,通过综合利用太赫兹时域光谱成像系统点扩散函数、太赫兹时域和频域处理方法,对样品的每一个采样点进行多次测量,然后取平均降低信号噪声,在频域进行低通和高通滤波处理,同时抑制低频和高频噪声干扰,并且与基于太赫兹时域光谱系统的物理参数建立的点扩散函数进行解卷积运算,能够更好的消除太赫兹波束失真引起的图像模糊,提高太赫兹成像系统的横向分辨率和重建图像质量。
实施例二
本发明实施例还提供一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像系统,包括:
获取模块,用于获取太赫兹时域脉冲采样信号;
处理模块,用于对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数进行解卷积运算,得到图像重建信号;
成像模块,用于根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
本实施例提供的横向高分辨太赫兹时域光谱成像系统用于实现前述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,因此横向高分辨太赫兹时域光谱成像系统中的具体实施方式可见前文中的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的实施例部分,在此不再进行赘述。
实施例三
本发明实施例还提供一种计算机设备,所述计算机设备包括处理器、存储器和总线。
所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令,当计算机设备运行时,所述处理器与所述存储器之间通过总线通信,所述机器可读指令被所述处理器执行时,可以执行如上述图2所示方法实施例中的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤,具体实现方式可参见方法实施例,在此不再赘述。
实施例四
基于同一发明构思,本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程,是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成,所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,可包括如上述各方法的实施例的流程。其中,所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory,ROM)或随机存储记忆体(RandomAccessMemory,RAM)等。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,包括:
获取太赫兹时域脉冲采样信号;
对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数的时域形式进行解卷积运算,得到图像重建信号;
根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
2.如权利要求1所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,通过太赫兹时域光谱系统扫描样品,并在每一个采样点采集多组太赫兹时域脉冲数据,取平均后得到所述太赫兹时域脉冲采样信号。
3.如权利要求2所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,对每一个采样点的太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换,得到频谱;使用频域高通滤波器滤除掉频谱的低频数据,以及使用频域低通滤波器滤除掉频谱的高频数据,之后进行傅里叶逆变换得到时域信号;其中,高通滤波转折频率低于低通滤波转折频率。
4.如权利要求3所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,高通滤波截止频率为0.3THz,低通滤波截止频率为1.5THz。
5.如权利要求2所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,所述点扩散函数表示为:
Figure FDA0003936864180000011
其中,z表示光轴径向位置坐标,f表示频率,Iref表示参考波束强度,ρ表示z平面的波束半径,NA表示数值孔径,k表示与截断比和辐照度水平有关的因子,a表示调整因子,c表示光速,α表示与频率相关的吸收系数。
6.如权利要求5所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,将时域信号i(x,y)与点扩散函数的时域形式PSF(x,y)进行解卷积运算,得到重建图像信号,所述图像重建信号为:
o(x,y)=i(x,y)*-1PSF(x,y);
其中,(x,y)表示与z轴正交的样品采样平面横向坐标,*-1表示解卷积运算符。
7.如权利要求2所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法,其特征在于,根据所述太赫兹时域光谱系统的发射天线、样品、接收天线相互之间的位置关系,确定太赫兹脉冲波的飞行时间。
8.一种横向高分辨太赫兹时域光谱成像系统,其特征在于,包括:
获取模块,用于获取太赫兹时域脉冲采样信号;
处理模块,用于对所述太赫兹时域脉冲采样信号进行傅里叶变换得到频谱,所述频谱经过高通滤波和低通滤波处理后进行傅里叶逆变换,得到时域信号;建立点扩散函数,将所述时域信号与所建立的点扩散函数进行解卷积运算,得到图像重建信号;
成像模块,用于根据扫描区域内各采样点的图像重建信号和太赫兹脉冲波的飞行时间,确定横向高分辨太赫兹时域光谱图像。
9.一种计算机设备,其特征在于,包括:处理器、存储器和总线,所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令,当计算机设备运行时,所述处理器与所述存储器之间通过总线通信,所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至7任一项所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序,所述计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至7任一项所述的横向高分辨太赫兹时域光谱成像方法的步骤。
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