CN205844166U - 一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置，包括：同时实现透射和反射的掩模板，第一、第二太赫兹波探测器型号相同；携带有成像物体信息的太赫兹波经过掩模板被调制，掩模板与成像物体在光路中平行放置；第一、第二太赫兹波探测器分别接收经过掩模板透射和反射的太赫兹辐射；将第一、第二太赫兹波探测器接收到的辐射强度数组分别对应相加并处理，得到归一化后的透射和反射辐射强度数组；归一化后的透射强度数组与反射强度数组对应相减并处理，得到抑制输出波动与外界干扰的测试数据；测试数据输入压缩感知恢复程序即可得到重构图像。本实用新型在太赫兹压缩感知成像的采样阶段就最大程度减小外界条件影响，提高了成像质量。

Description

一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置

技术领域

本实用新型涉及太赫兹波探测领域，尤其涉及一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz，1THz＝10¹²Hz)辐射是指频率从0.1THz到10THz，相应的波长从3毫米到30微米，介于毫米波与红外光之间频谱范围相当宽的电磁波谱区域。太赫兹辐射在电磁波谱中所处的特殊位置赋予了其一系列特殊的性质，这使得太赫兹技术可以应用到生物医学检测、物质特性研究、安检等方向。太赫兹波相关技术在过去二十年取得了较快发展，其中太赫兹波成像作为其研究热点之一更是取得了一系列成果。随着太赫兹波成像技术的不断成熟，逐点扫描式和阵列式成像的速度、灵敏度和空间分辨率逐渐提升。然而逐点扫描式成像速度慢与阵列式成像灵敏度较低的问题仍然没有得到较好的解决，太赫兹成像领域对快速且具有高灵敏度的成像方法有着迫切的需求。

压缩感知是一种充分利用信号稀疏性或可压缩性的全新信号采集、编解码理论，能够在采样率远小于香农-奈奎斯特采样定理下实现信号的采样。2006年，美国莱斯大学研制出了第一款基于压缩感知的成像样机，被称为“单像素相机”，它只利用一个探测器就能够实现二维图像信号的采集。基于压缩感知的太赫兹波成像是一种能够在保证灵敏度的前提下有效降低采样率，提高成像速度的新型太赫兹成像技术。常见的压缩感知成像过程是将太赫兹波均匀化后覆盖成像物体，透过成像物体的太赫兹波携带物体信息，然后太赫兹辐射由掩模板上的掩模矩阵调制，探测器接收调制后的强度或相位信息。

为了得到成像物体准确的全局信息，需要太赫兹辐射均匀的覆盖成像物体，但是太赫兹辐射一般服从高斯分布。太赫兹波段的均匀化器件匮乏，虽然扩束会导致辐射分布相对均匀，但仍然无法较好满足辐射均匀化的要求。如果以分布不均匀的太赫兹辐射成像，这相当于在成像物体上添加了一个辐射分布矩阵，而高斯分布是不易稀疏的，所以成像结果不会是简单的成像物体与辐射分布的叠加，而是会出现重建的误差甚至错误。

此外，现阶段的太赫兹辐射源的稳定性还有待进一步提高，难以满足长时间测量的要求，而太赫兹辐射源的波动性和太赫兹热辐射探测器受外界环境影响产生的温度漂移，会导致成像结果产生误差的可能性剧增或直接产生较大误差。

当前，通过改进恢复算法从残缺或被噪声污染的采样信号中恢复出原信号的方法，也取得了一定效果，然而该途径只能在干扰小到一定条件下以一定的概率较好的恢复出信号。所以现阶段急需一种能够在信号采样阶段就能消除或减小噪声和其它影响的方法。

实用新型内容

本实用新型提供了一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置，本实用新型克服了现有采样方法的不足，在太赫兹波压缩感知成像的采样阶段就最大程度减小外界条件影响，提高成像质量，详见下文描述：

一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置，所述装置包括：太赫兹波聚焦透镜，所述装置还包括：

同时实现透射和反射的掩模板、第一太赫兹波探测器以及第二太赫兹波探测器，

所述第一太赫兹波探测器以及所述第二太赫兹波探测器的型号相同，所述太赫兹波聚焦透镜设置在所述掩模板与所述第一太赫兹波探测器之间；

携带有成像物体信息的太赫兹波经过所述掩模板、并被所述掩模板调制，所述掩模板与成像物体在光路中平行放置；

所述第一太赫兹波探测器以及所述第二太赫兹波探测器分别接收经过所述掩模板透射和反射的太赫兹辐射；

将所述第一太赫兹波探测器接收到的辐射强度数组、分别与所述第二太赫兹波探测器接收到的辐射强度数组对应相加并处理，得到归一化后的透射和反射辐射强度数组；

归一化后的透射强度数组与反射强度数组对应相减并处理，得到抑制输出波动与外界干扰的测试数据；

将测试数据输入压缩感知恢复程序即可得到重构图像。

本实用新型提供的技术方案的有益效果是：

1、双路探测器分别接收调制后透射和反射的太赫兹辐射，相比于单路探测器，等同于提高了调制深度，能够提高信号信噪比，改善恢复图像的质量；

2、采用两个相同型号探测器同时进行透射和反射辐射的采集，可以有效减小辐射源的波动性对成像数据的影响，提高图像恢复的准确度；

3、将透射接收的辐射强度与反射探测到的辐射强度相减，能够减小相邻像素间的辐射分布的不均匀、及其它外部干扰(如温度、振动等)的影响，提高了恢复图像的质量。

4、本实用新型采用双路探测器同时采集太赫兹波压缩感知成像中的透射和反射辐射，具有装置简易、数据处理简单、噪声抑制效果好的优点。

附图说明

图1为基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置的结构示意图；

图2为成像物体图(a)、以及对比效果图(b和c)。

附图中，各部件表示的列表如下：

1：可以同时实现透射和反射的掩模板； 2：太赫兹波聚焦透镜；

3：第一太赫兹波探测器； 4：第二太赫兹波探测器。

其中，第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器4的型号相同。

掩模板1中标B部分表示太赫兹波可以透过，透射的辐射由太赫兹波聚焦透镜2汇聚到第一太赫兹波探测器4；

掩模板1中标A部分表示对太赫兹波高反(抛光或表面镀金处理)，反射的太赫兹辐射由第二太赫兹波探测器4接收。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

参见图1，一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置，包括：可以同时实现透射和反射的掩模板1、太赫兹波聚焦透镜2、第一太赫兹波探测器3以及第二太赫兹波探测器4。

其中，第一太赫兹波探测器3以及第二太赫兹波探测器4的型号相同，太赫兹波聚焦透镜2设置在掩模板1与第一太赫兹波探测器3之间。

具体实现时，太赫兹源产生太赫兹波输出，太赫兹波以一定的角度入射成像物体1，携带有成像物体信息的太赫兹波经过掩模板1并被掩模板1调制，掩模板1与成像物体在光路中平行放置。

第一太赫兹波探测器3以及第二太赫兹波探测器4分别接收经过掩模板1透射和反射的太赫兹辐射，将第一太赫兹波探测器3以及第二太赫兹波探测器4分别采集到的辐射强度求和，对其归一化就可以消除辐射源的波动对成像结果的影响。

将第一太赫兹波探测器3以及第二太赫兹波探测器4接收到的辐射强度对应相减，能够减小辐射强度分布不均匀造成的影响，同时能很大程度上消除随机噪声及背景噪声。

其中，掩模板1能同时实现太赫兹波的透射和反射。金属掩模板1上镂空的部分可以实现太赫兹波的透射，非镂空部分进行抛光或镀金处理，增加对太赫兹波的反射率。总的透射和反射的辐射强度大致趋近1:1。

将最终透射端的第一太赫兹波探测器3接收到的辐射强度数组、分别与反射端第二太赫兹波探测器4接收到的辐射强度数组对应一一相加，相加得到的数组为不同时间的透过成像物体的辐射总强度，在输出没有波动的情况下，该数组中各个元素都应该相等。现将其元素都乘一个系数使其均相等，即得到归一化的总强度，然后得到归一化后的透射和反射辐射强度数组，即得到了消除辐射源输出波动性后的测量数据。

归一化后的透射强度数组与反射强度数组对应相减，即可减小辐射分布不均匀及外界噪声的影响。然后将作差得到的数组输入恢复算法，即可得到抑制输出波动与外界干扰的恢复图像。

其中，上述提到的透射强度数组与反射强度数组对应相加、透射强度数组与反射强度数组对应相减、归一化的步骤、以及恢复算法均是本领域技术人员所公知，本实用新型实施例并未对涉及软件的部分作任何改进，只是直接运用了该些软件。

综上所述，本实用新型实施例提供的基于双像素的提高太赫兹压缩感知成像质量的装置，能够在采样阶段减小外部环境对太赫兹压缩感知成像结果的影响，有效提高成像质量。

实施例2

下面结合图1，对实施例1中的方案、工作原理进行进一步地介绍，详见下文描述：

本实用新型实施例的目的在于提供一种在数据采集阶段减小辐射源的波动性、及噪声对太赫兹波压缩感知成像影响的装置。

太赫兹源产生太赫兹波输出，太赫兹波经过成像物体后，携带有成像物体信息的太赫兹波经过掩模板1(可以同时实现透射和反射)、并被掩模板1调制，掩模板1以一定的角度(30°～75°)放置在太赫兹波路径上，掩模板1的具体倾斜角度由成像物体的尺寸决定，且掩模板1与成像物体在光路中平行放置。

两个相同型号的第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器4分别接收经过掩模板1透射(经过太赫兹波聚焦透镜2)和反射的太赫兹辐射强度，更换掩模矩阵，得到不同的调制并接收对应的太赫兹辐射强度。

其中，压缩感知成像的理论模型(本领域技术人员所公知)为：Y＝AX，A为掩模矩阵，X为成像物体，辐射源的不稳定性表现为U，噪声为N。实际实验过程中得到的测量值Y’＝UAX+N。辐射源的不稳定性对测量的影响是全局性的，相当于在掩模矩阵A前乘了一个系数。外界环境产生的噪声直接作用在探测器上只是让探测器的输出强度产生了波动。若忽略这些因素的影响，直接由A^-1Y’去恢复X，显然得到的是不准确的X。

若采用两个相同型号探测器分别采集透射和反射的太赫兹辐射，透射端的第一太赫兹波探测器3采集得到的辐射Y₁＝U₁AX+N₁，反射端第二太赫兹波探测器4探测到的辐射为Y₂＝U₂AX+N₂，N₁和N₂为噪声干扰。

掩模矩阵中可透射部分(B)和不可透射部分(A)的和一定是矩阵的大小，所以透射端的第一太赫兹波探测器3探测到的辐射强度、与反射端第二太赫兹波探测器4探测到的辐射强度的总和是透过成像物体的辐射总量。

若辐射源输出稳定，则透射端和反射端的辐射强度和总是一个定值。数组Y₁和Y₂求和得到(Y₁+Y₂)，求归一化系数α，使α(Y₁+Y₂)为一个恒定值，这样即消除了辐射源的波动性对测量数据的影响。

因为第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器4的型号相同，且处在相同的测量环境中，所以外界干扰对其产生的影响大小是相等的，N₁＝N₂。将归一化后的Y₁和Y₂作差，即可消除噪声对测量的影响。

综上所述，本实用新型实施例提供的基于双像素的提高太赫兹压缩感知成像质量的装置，克服了现有采样的不足，在太赫兹压缩感知成像的采样阶段就最大程度减小外界条件影响，提高了成像质量。

实施例3

下面结合图2对实施例1和2中的装置进行可行性验证，详见下文描述：

本实验模拟了在噪声情况下一路探测器得到的恢复图像，与本实用新型实施例提到的同时探测透射和反射的太赫兹辐射恢复得到的图像，如图2所示。

其中，图a为成像物体，具体为20×20的字母“H”。图b显示了在2％的随机噪声下，只用一路探测器采集透射辐射然后恢复的图像，其峰值信噪比(peak signal to noiseratio,PSNR)为5.95，图像无法辨识。图c显示的是在2％的随机噪声下，用两路探测器(第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器4)分别采集透射和反射的辐射然后恢复出的图像，其PSNR为23.1。可以看到图像整体对比度有显著提高，边缘线条清晰。第一太赫兹波探测器3、第二太赫兹波探测器4得到的结果不仅仅是两个恢复结果的简单叠加，而是较大程度上抑制了噪声，最大程度的保留了成像物体的信息。

通过上述试验，可以直接的验证本实用新型实施例1和2中装置的可行性，满足了实际应用中的多种需要，提高了成像质量。

本实用新型实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于双像素的提高太赫兹波压缩感知成像质量的装置，其特征在于，所述装置包括：太赫兹波聚焦透镜，其特征在于，所述装置还包括：

同时实现透射和反射的掩模板、第一太赫兹波探测器以及第二太赫兹波探测器；

所述第一太赫兹波探测器以及所述第二太赫兹波探测器的型号相同，所述太赫兹波聚焦透镜设置在所述掩模板与所述第一太赫兹波探测器之间；

携带有成像物体信息的太赫兹波经过所述掩模板、并被所述掩模板调制，所述掩模板与成像物体在光路中平行放置；

所述第一太赫兹波探测器以及所述第二太赫兹波探测器分别接收经过所述掩模板透射和反射的太赫兹辐射；

将所述第一太赫兹波探测器接收到的辐射强度数组、分别与所述第二太赫兹波探测器接收到的辐射强度数组对应相加并处理，得到归一化后的透射和反射辐射强度数组；

归一化后的透射强度数组与反射强度数组对应相减并处理，得到抑制输出波动与外界干扰的测试数据

将测试数据输入压缩感知恢复程序即可得到重构图像。