太赫茲波技術(shù)論文

　　太赫茲波由于其獨(dú)特的性質(zhì)例如瞬態(tài)性、寬帶性與相干性等，而具有非常重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的太赫茲波技術(shù)論文，希望你能從中得到感悟!

　　太赫茲波技術(shù)論文篇一

　　太赫茲波的層析成像

　　摘要：太赫茲波由于其獨(dú)特的性質(zhì)例如瞬態(tài)性、寬帶性與相干性等，而具有非常重要的學(xué)術(shù)價值和應(yīng)用前景。太赫茲成像技術(shù)是太赫茲波研究中的基礎(chǔ)和一個重要方面，可廣泛應(yīng)用于無損檢測、安全檢查、光譜分析與生命科學(xué)等領(lǐng)域。本文討論了基于太赫茲波的層析成像的過程與步驟、層析成像的方式以及相關(guān)的圖像數(shù)據(jù)處理方法。

　　關(guān)鍵詞：太赫茲波 成像技術(shù) 層析成像 圖像數(shù)據(jù)處理

　　中圖分類號：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416(2013)12-0029-02

　　1 引言

　　太赫茲波通常是指介于微波和紅外線之間，頻率在0.1THz～10THz范圍內(nèi)的電磁波，它在電磁波譜上處于由電子學(xué)向光子學(xué)過渡的特殊區(qū)域。在微觀上，太赫茲波是具有量子特征的電磁波;在宏觀上，太赫茲波具有類似于微波的穿透能力和類似于光波的方向性，它可以被特定的光學(xué)器件反射和聚焦，因此可以在特定的波導(dǎo)中傳輸[1-3]。

　　太赫茲波具有一些獨(dú)特性質(zhì)，例如，太赫茲波對許多介電材料和非極性材料具有較強(qiáng)的穿透能力，可以穿透有機(jī)織物、塑料、陶瓷、木材等，因此可以用來對物品進(jìn)行質(zhì)量檢查或者用于安全檢查;太赫茲波的光子能量較低，適合于對生物組織進(jìn)行活體檢查，它不會對生物組織產(chǎn)生有害的電離損傷，不會破壞被檢測的物體;太赫茲波可以作為無線通信系統(tǒng)中的載波，與微波頻段的電磁波相比它具有很高的頻率和帶寬，工作在太赫茲頻段的雷達(dá)可以獲得較高的方向性、增益和分辨率。

　　對太赫茲波進(jìn)行研究的一個重要方面是太赫茲成像技術(shù)。通過使用太赫茲波對物體進(jìn)行輻射，可測量出物體中的材料對太赫茲波的吸收率，進(jìn)而反映出空間密度分布，并且還可以通過使用位相測量來得到折射率的空間分布[4-6]。利用這一特點(diǎn)，并與斷層掃描原理相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)層析成像，并獲得被測物體的二維或三維結(jié)構(gòu)的信息。與其他波段的成像技術(shù)相比，太赫茲成像所得到的圖像的分辨率和景深都有明顯的增加。可以把太赫茲成像分為太赫茲實(shí)時成像、太赫茲層析成像、太赫茲近場成像等多種類型，其中太赫茲層析成像的特點(diǎn)是可以獲得物體的三維結(jié)構(gòu)的信息。

　　2 層析成像

　　太赫茲層析成像技術(shù)類似于基于X射線的層析成像。通過利用太赫茲波的特性例如對電介質(zhì)的穿透性，并使用層析重構(gòu)算法，可以實(shí)現(xiàn)對物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的二維和三維成像。利用強(qiáng)度和延遲時間不相同的太赫茲波發(fā)射脈沖，使用層析成像可以使得物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)直觀的顯現(xiàn)出來。

　　2.1 太赫茲波層析成像的過程

　　使用太赫茲波的層析成像，可以對物體的復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。太赫茲波層析成像的過程如圖1所示。

　　首先，太赫茲波的光束被拋物鏡或透鏡聚焦，然后通過被測物體;由被測物體所透射的波形被記錄，并獲得透過被測物體的太赫茲波的波形。如果把被測物體放置于一個旋轉(zhuǎn)臺上，并實(shí)現(xiàn)平移和旋轉(zhuǎn)，使太赫茲波以不同位置和不同角度穿透被測物體，通過采用層析重構(gòu)算法對透過被測物體的太赫茲波進(jìn)行分析，例如，計算被測物體對太赫茲波吸收率的空間分布，從而可以實(shí)現(xiàn)對被測物體的位于不同高度的截面的重構(gòu)，并得到物體的三維結(jié)構(gòu)圖。

　　因此，使用此式可以由直接測量來獲得被測物體在高度z時的截面圖;通過連接在各個高度z時的截面圖，就可以獲得被測物體的三維結(jié)構(gòu)圖。

　　對太赫茲波，它的波長與一般的射線的波長不同，例如比X射線的波長要高上七個數(shù)量級，太赫茲波在物體內(nèi)部就不是嚴(yán)格的按照直線來進(jìn)行傳播的。當(dāng)利用太赫茲波進(jìn)行層析成像時，會發(fā)生衍射和散射效應(yīng)。若直接利用如上的針對射線的層析成像方式進(jìn)行太赫茲的層析成像，由于這種衍射和散射效應(yīng)會造成圖像的失真例如圖像模糊或變形。理論分析結(jié)果表明[7，8]：在一些近似的條件下，當(dāng)太赫茲波穿過物體時它的復(fù)相位的改變等于成像物體的折射率沿電磁波傳播路徑上的積分，即通過探測器檢測到的太赫茲波的強(qiáng)度可以表示成物體的特征參數(shù)路徑上的積分，因此在這種情況下就可以利用針對射線的層析成像方式來進(jìn)行太赫茲波的圖像重建和層析成像。

　　2.2 太赫茲波層析成像的方式

　　太赫茲波層析成像的方式主要有兩種：透射和反射。透射方式是太赫茲波與被測物體的截面處于同一個平面，獲取的投影信息是被測物體的介質(zhì)對太赫茲波的吸收效應(yīng)所產(chǎn)生的。透射方式的具體實(shí)施方法主要有平行掃描、扇形掃描和錐束掃描，其中錐束掃描可用于三維圖像的重建。反射方式是太赫茲波與被測物體的截面相交，獲取的投影信息是被測物體的介質(zhì)對太赫茲波的反射效應(yīng)所產(chǎn)生的。對透射方式和反射方式，一般可以根據(jù)應(yīng)用對象的特性即被測物體的性質(zhì)來選擇相應(yīng)的一種方式。

　　在透射方式時，層析成像的理論基礎(chǔ)是由被稱為投影定理的結(jié)論所給出，即當(dāng)入射的平面波照射到成像物體時，在垂直于它的傳播方向的直線上所得到的投影值的傅里葉變換等于目標(biāo)函數(shù)的傅里葉變換沿與探測器平行的方向過原點(diǎn)的片段。因此可以按如下的步驟通過使用透射方式來獲得物體的斷層圖像：(a)采集對物體的在不同角度上的投影;(b)計算各個角度的投影的一維傅里葉變換，這里的一個一維傅里葉變換就是物體斷層的二維傅里葉變換的一個切片;把這些切片組合起來，以構(gòu)成被測物體的斷層圖像的二維傅里葉變換;(c)使用傅里葉逆變換來進(jìn)行圖像的重建。

　　由于針對透射式的層析成像裝置易于實(shí)現(xiàn)，因此人們以前主要集中于對透射式的研究。但對于太赫茲波反射較強(qiáng)的物質(zhì)，則需要使用反射式層析成像，特別是對于較厚并且對太赫茲波段不透明的物質(zhì)，使用反射式成像是一種重要的檢測手段。

　　對反射式的層析成像，物質(zhì)的反射式吸收譜(特別是振動和轉(zhuǎn)動躍遷)與透射式時的波譜不同，對物質(zhì)的吸收特征的提取以及對光學(xué)性質(zhì)的測量比透射式更復(fù)雜，此時的色散與吸收關(guān)系只能通過同時獲取相位和振幅才能得到。此外，對成像質(zhì)量的改善需要提高整個系統(tǒng)的信噪比，并采用一些數(shù)據(jù)處理技術(shù)例如小波變換等。 　　2.3 太赫茲波層析成像的圖像數(shù)據(jù)處理

　　隨著人們對太赫茲層析成像技術(shù)研究的日益深入，對太赫茲波圖像的質(zhì)量也提出了更高的要求。太赫茲波圖像具有如下方面的特點(diǎn)：(1)太赫茲波的波長為毫米量級，分辨率也為毫米量級，與紅外圖像和可見光圖像比較，太赫茲波圖像的分辨率較低。(2)一些太赫茲波圖像存在明顯的干涉條紋，這是由多路太赫茲波在探測器內(nèi)相干疊加的結(jié)果。(3)太赫茲成像對水分是極其敏感的，在空間中的水分會對太赫茲波產(chǎn)生吸收作用，因此會造成太赫茲圖像的對比度低以及視覺效果模糊等。

　　圖像數(shù)據(jù)處理是對數(shù)字圖像進(jìn)行分析與處理的過程，著重強(qiáng)調(diào)如何獲取圖像、如何采取措施(例如進(jìn)行圖像之間的變換等)使所獲得的圖像滿足人的視覺理解的要求等。針對原始的太赫茲圖像可能存在的質(zhì)量問題，可以利用如下的圖像數(shù)據(jù)處理步驟對其進(jìn)行分析與改善，以提高太赫茲圖像的使用價值：(a)對原始的太赫茲圖像中的噪聲進(jìn)行分析，獲得噪聲的來源與特征，并選擇較佳的去噪算法對太赫茲圖像進(jìn)行去噪處理，以達(dá)到較好的去噪效果。例如，對太赫茲圖像可以采用灰度分析與直方圖分析，來濾除圖像中的噪聲。(b)使用圖像復(fù)原算法提高太赫茲圖像的分辨率。(c)使用圖像增強(qiáng)算法以提高太赫茲圖像的對比度以及圖像的邊緣;使用圖像分割算法以分割圖像中的感興趣區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)對被測物體的目標(biāo)識別。(d)可以在太赫茲圖像的處理中使用小波變換，它的一個主要特點(diǎn)是可以將太赫茲信號在時間和頻率域上展開，不但可得到太赫茲信號的頻譜情況，還能獲得各頻率之間的相對時間延遲。使用小波變換可以進(jìn)行太赫茲圖像的去噪、邊緣檢測和圖像融合等操作。例如，基于小波變換的太赫茲圖像融合主要包含如下步驟：對每一幅源圖像進(jìn)行配準(zhǔn);對每一幅圖像進(jìn)行適當(dāng)層次的小波變換，獲得其小波分解結(jié)構(gòu);采用融合算子對各分解層分別進(jìn)行融合處理，獲得融合后的小波金字塔，對該小波金字塔進(jìn)行小波逆變換，即可得到融合圖像。

　　3 結(jié)語

　　在太赫茲層析成像中，根據(jù)被測物體的類型，可以選取不同的探測物理量，以獲得物體的吸收率、折射率以及物體中材料的三維分布。影響太赫茲層析成像的質(zhì)量的因素主要有層析成像的硬件系統(tǒng)的組成與構(gòu)建、圖像重建算法、圖像的空間分辨率以及對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法等。層析成像作為太赫茲成像的一個重要方面，其方法與成像系統(tǒng)的研究，將有助于太赫茲成像技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用。

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