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太赫兹波三维成像技术研究进展

2023-03-10 17:25:18

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太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。

太赫兹波三维成像技术研究进展

 

1 引言

太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。但是,传统的太赫兹波二维成像技术只能反映样品的表面或整体信息,无法满足内部信息观测的需求。

三维成像技术是获取样品内部信息的有效手段之一,自提出以来,在微波、可见光、红外与太赫兹波等领域得到了验证。太赫兹波三维成像技术得到了迅速的发展,根据三维成像系统的结构以及原理,太赫兹三维成像技术分为透射式和反射式两种方式。

2 太赫兹计算机辅助层析

2.1 CT成像原理

太赫兹CT的概念来源于X射线CT,其基本原理与X射线CT相似,即:样品置于一个二维移动平台带动的旋转平台上进行透射式扫描样品每旋转一个角度则进行一次线投影扫描,得到的数据在以投影角度为横坐标,投影位置的强度为纵坐标如图1,称为正弦图。以若干个投影角度对头部模型进行投影,将得到的数据通过一定的算法处理,可以重建出样品一个切面的分布信息,利用三维建模即可得到样品的空间分布信息。

2.2 研究进展

由于超短太赫兹脉冲在频域具有宽带性,采用THz­TDS系统能够实现太赫兹光谱层析。成像系统以及对火鸡骨的成像结果如图2所示。太赫兹CT的成功实现预示着其在无损探伤、生产过程诊断及监控等方面的巨大潜力。

太赫兹光谱层析的成功实现极大地增加了CT成像所能获取的信息量,能够对样品的内部成分进行精确识别及定位,这是太赫兹CT相比于X射线CT的一大优势。成像时间过长成为限制太赫兹CT扩大其应用范围的主要因素之一。采用二维离散小波变换原理导出的逆拉东算法对感兴趣区域的投影数据进行处理,可以在较少投影角的情况下实现对样品的局部成像,有效地减少了基于THz-TDS系统的CT成像时间)。系统原理图如下,

3 反射式太赫兹层析

基于透射式的太赫兹CT技术井不适用于所有样品和环境,对于吸收系数高的样品,太赫兹波在样品内部具有一定的穿透深度却无法完全穿透样品,特别是在样品无法旋转等特殊情况下,太赫兹CT难以进行探测。反射式层析技术可以对太赫兹波穿透深度范围内的样品进行成像,有效地解决上述问题。相比透射式的太赫兹CT技术,反射式太赫兹层析技术由于避免了样品旋转而具有更快的成像速度。

3.1 太赫兹飞行时间层析

当太赫兹脉冲入射到样品中后,会在不同深度发生反射,根据反射脉冲峰值的时间延迟可以得出折射率的深度分布信息,由此可以重建出样品折射率的三维分布。这种层析技术有3个前提假设:

l)样品的散射及衍射忽略不计;

2)样品内部的多次反射忽略不计;

3)每一层的折射率均匀不变。

因此,该方法适用于结构层次分明的样品。特别是,由于飞行时间层析的纵向分辨率取决于太赫兹波的脉冲宽度,其通常为几十微米的量级,相比透射式太赫兹层析,太赫兹飞行时间层析技术最大的优势是纵向分辨率极高。在水污染检测、艺术品成像、缺陷探测、药片包层分析等方面有着广泛的应用。

3.2 太赫兹光学相干层析

光学相干层析成像是在光学相干干涉的基础上发展起来的一种光学成像技术。通过移动参考镜的位置来调节参考光的光程,从而控制样品不同深度的反射光与参考光干涉,通过干涉强度图像获取样品的深度信息。由于参考光与样品反射光的光程差在相干长度范围内才会发生干涉, 因此其纵向分辨率取决于光的相干长度,

3.3 太赫兹调频连续波雷达成像

太赫兹FMCW雷达成像是利用外差探测的原理测量光波传输延时从而得出样品距离或深度。光波由分束器分为信号光及参考光,信号光经样品反射回探测器,参考光直接入射探测器,信号光波和参考光波的频率均被调制而随时间变化,因此两束光在探测处混频后产生拍频信号fb,样品距离可以由探测到的拍频fb得出。FMCW技术的纵向分辨率由频率范围决定,与亳米波相比,其具有更高的分辨率,有望应用于高精度测距、相位灵敏探测、远距离安检等实际场合中。

4 其它太赫兹三维成像技术

4.1 太赫兹断层合成层析

断层合成层析最早于20廿纪30年代应用在X射线成像中,是一种类似于计算机辅助层析的技术。不同的是,这种技术只需要儿个投影角度就可以完成重建,其投影角度通常在-50°50°之间,成像速度较快。其成像原理如下图所示。

4.2 太赫兹衍射层析

太赫兹衍射层析是利用太赫兹平面波射入样品后的衍射场分布来提取样品折射率的分布信息。根据傅立叶衍射理论,当平面波照射在样品上时,测量平面前向散射场的傅立叶变换与样品函数的三维频域傅立叶变换在移位半球上的值成正比。由此可以将测量平面的分布与样品的分布函数联系起来,通过算法重建样品的三维分布。实验系统如下图所示。相比太赫兹CT,太赫兹衍射层析的成像速度更快.但由于缺乏有效的重建算法,它的成像质量较差。

4.3 太赫兹菲涅尔透镜层析

菲涅尔透镜的焦距具有与入射光波频率成正比的特性,当改变入射光波频率时,可以实现样品不同深度信息的成像。由于菲涅尔透镜本身的衍射特性, 基于菲涅尔透镜的三维成像技术对吸收系数的分布比对折射率的分布更为敏感,且不包含光谱信息。

4.4 太赫兹三维数字全息

数字全息技术是随着计算机的迅猛发展而出现的,通常使用CCD相机记录光的相位及强度,再经过计算机重建样品信息。由于太赫兹波的波长较长,其成像质量的提高受限于衍射。而太赫兹全息成像不仅可以记录每个频率下对应的相位与振幅信息,还包含其他的散射信息。因此可以通过对光束传播行为的数值计算获得任意平面上的光场分布,从而消除了衍射的影响。典型的太赫兹三维数字全息实验系统如下图所示。

4.5 合成孔径雷达

合成孔径雷达是一种二维成像系统,其发射线性调频信号实现距离向的高分辨率,并利用回波的多谱勒相位变化合成等效的大孔径天线来获取高的方位分辨率。2010年,合成孔径雷达成像技术开始应用在太赫兹波段,目前合成孔径雷达正经历着从二维成像向三维成像的发展,采用干涉合成孔径雷达等方法可以实现对目标的三维成像,以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源来获取三维信息。

5 未来的研究方向

未来的太赫兹三维成像技术发展受到太赫兹源探测器及相关功能器件的影响,包括高功率可调谐、稳定性好的太赫兹源,高灵敏度、动态范围大的太赫兹波探测器以及损耗低的波导、偏振、聚焦等器件。随着成像系统的优化改进以及重建算法的突破性进展,太赫兹三维成像技术将朝着高速、高分辨率、小型化、实用化的研究方向发展。


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太赫兹波三维成像技术研究进展
太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。
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太赫兹波三维成像技术研究进展

2023-03-10 17:25:18

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太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。

太赫兹波三维成像技术研究进展

 

1 引言

太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。但是,传统的太赫兹波二维成像技术只能反映样品的表面或整体信息,无法满足内部信息观测的需求。

三维成像技术是获取样品内部信息的有效手段之一,自提出以来,在微波、可见光、红外与太赫兹波等领域得到了验证。太赫兹波三维成像技术得到了迅速的发展,根据三维成像系统的结构以及原理,太赫兹三维成像技术分为透射式和反射式两种方式。

2 太赫兹计算机辅助层析

2.1 CT成像原理

太赫兹CT的概念来源于X射线CT,其基本原理与X射线CT相似,即:样品置于一个二维移动平台带动的旋转平台上进行透射式扫描样品每旋转一个角度则进行一次线投影扫描,得到的数据在以投影角度为横坐标,投影位置的强度为纵坐标如图1,称为正弦图。以若干个投影角度对头部模型进行投影,将得到的数据通过一定的算法处理,可以重建出样品一个切面的分布信息,利用三维建模即可得到样品的空间分布信息。

2.2 研究进展

由于超短太赫兹脉冲在频域具有宽带性,采用THz­TDS系统能够实现太赫兹光谱层析。成像系统以及对火鸡骨的成像结果如图2所示。太赫兹CT的成功实现预示着其在无损探伤、生产过程诊断及监控等方面的巨大潜力。

太赫兹光谱层析的成功实现极大地增加了CT成像所能获取的信息量,能够对样品的内部成分进行精确识别及定位,这是太赫兹CT相比于X射线CT的一大优势。成像时间过长成为限制太赫兹CT扩大其应用范围的主要因素之一。采用二维离散小波变换原理导出的逆拉东算法对感兴趣区域的投影数据进行处理,可以在较少投影角的情况下实现对样品的局部成像,有效地减少了基于THz-TDS系统的CT成像时间)。系统原理图如下,

3 反射式太赫兹层析

基于透射式的太赫兹CT技术井不适用于所有样品和环境,对于吸收系数高的样品,太赫兹波在样品内部具有一定的穿透深度却无法完全穿透样品,特别是在样品无法旋转等特殊情况下,太赫兹CT难以进行探测。反射式层析技术可以对太赫兹波穿透深度范围内的样品进行成像,有效地解决上述问题。相比透射式的太赫兹CT技术,反射式太赫兹层析技术由于避免了样品旋转而具有更快的成像速度。

3.1 太赫兹飞行时间层析

当太赫兹脉冲入射到样品中后,会在不同深度发生反射,根据反射脉冲峰值的时间延迟可以得出折射率的深度分布信息,由此可以重建出样品折射率的三维分布。这种层析技术有3个前提假设:

l)样品的散射及衍射忽略不计;

2)样品内部的多次反射忽略不计;

3)每一层的折射率均匀不变。

因此,该方法适用于结构层次分明的样品。特别是,由于飞行时间层析的纵向分辨率取决于太赫兹波的脉冲宽度,其通常为几十微米的量级,相比透射式太赫兹层析,太赫兹飞行时间层析技术最大的优势是纵向分辨率极高。在水污染检测、艺术品成像、缺陷探测、药片包层分析等方面有着广泛的应用。

3.2 太赫兹光学相干层析

光学相干层析成像是在光学相干干涉的基础上发展起来的一种光学成像技术。通过移动参考镜的位置来调节参考光的光程,从而控制样品不同深度的反射光与参考光干涉,通过干涉强度图像获取样品的深度信息。由于参考光与样品反射光的光程差在相干长度范围内才会发生干涉, 因此其纵向分辨率取决于光的相干长度,

3.3 太赫兹调频连续波雷达成像

太赫兹FMCW雷达成像是利用外差探测的原理测量光波传输延时从而得出样品距离或深度。光波由分束器分为信号光及参考光,信号光经样品反射回探测器,参考光直接入射探测器,信号光波和参考光波的频率均被调制而随时间变化,因此两束光在探测处混频后产生拍频信号fb,样品距离可以由探测到的拍频fb得出。FMCW技术的纵向分辨率由频率范围决定,与亳米波相比,其具有更高的分辨率,有望应用于高精度测距、相位灵敏探测、远距离安检等实际场合中。

4 其它太赫兹三维成像技术

4.1 太赫兹断层合成层析

断层合成层析最早于20廿纪30年代应用在X射线成像中,是一种类似于计算机辅助层析的技术。不同的是,这种技术只需要儿个投影角度就可以完成重建,其投影角度通常在-50°50°之间,成像速度较快。其成像原理如下图所示。

4.2 太赫兹衍射层析

太赫兹衍射层析是利用太赫兹平面波射入样品后的衍射场分布来提取样品折射率的分布信息。根据傅立叶衍射理论,当平面波照射在样品上时,测量平面前向散射场的傅立叶变换与样品函数的三维频域傅立叶变换在移位半球上的值成正比。由此可以将测量平面的分布与样品的分布函数联系起来,通过算法重建样品的三维分布。实验系统如下图所示。相比太赫兹CT,太赫兹衍射层析的成像速度更快.但由于缺乏有效的重建算法,它的成像质量较差。

4.3 太赫兹菲涅尔透镜层析

菲涅尔透镜的焦距具有与入射光波频率成正比的特性,当改变入射光波频率时,可以实现样品不同深度信息的成像。由于菲涅尔透镜本身的衍射特性, 基于菲涅尔透镜的三维成像技术对吸收系数的分布比对折射率的分布更为敏感,且不包含光谱信息。

4.4 太赫兹三维数字全息

数字全息技术是随着计算机的迅猛发展而出现的,通常使用CCD相机记录光的相位及强度,再经过计算机重建样品信息。由于太赫兹波的波长较长,其成像质量的提高受限于衍射。而太赫兹全息成像不仅可以记录每个频率下对应的相位与振幅信息,还包含其他的散射信息。因此可以通过对光束传播行为的数值计算获得任意平面上的光场分布,从而消除了衍射的影响。典型的太赫兹三维数字全息实验系统如下图所示。

4.5 合成孔径雷达

合成孔径雷达是一种二维成像系统,其发射线性调频信号实现距离向的高分辨率,并利用回波的多谱勒相位变化合成等效的大孔径天线来获取高的方位分辨率。2010年,合成孔径雷达成像技术开始应用在太赫兹波段,目前合成孔径雷达正经历着从二维成像向三维成像的发展,采用干涉合成孔径雷达等方法可以实现对目标的三维成像,以合成孔径雷达复数据提取的相位信息为信息源来获取三维信息。

5 未来的研究方向

未来的太赫兹三维成像技术发展受到太赫兹源探测器及相关功能器件的影响,包括高功率可调谐、稳定性好的太赫兹源,高灵敏度、动态范围大的太赫兹波探测器以及损耗低的波导、偏振、聚焦等器件。随着成像系统的优化改进以及重建算法的突破性进展,太赫兹三维成像技术将朝着高速、高分辨率、小型化、实用化的研究方向发展。


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太赫兹波三维成像技术研究进展
太赫兹波成像是太赫兹科学技术最主要的应用之一,当前已发展出了透射式、 反射式、衰减全反射、近场成像等主动成像技术以及被动成像技术,并在无损探伤、爆炸物检测、文物研究、安检、药品检测等方面,尤其是生物医学方面如对皮肤癌、脑胶质瘤、乳腺癌的检测应用方面取得了巨大的进展。
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