太赫兹波技术论文

　　太赫兹波由于其独特的性质例如瞬态性、宽带性与相干性等，而具有非常重要的学术价值和应用前景。下面是学习啦小编整理的太赫兹波技术论文，希望你能从中得到感悟!

　　太赫兹波技术论文篇一

　　太赫兹波的层析成像

　　摘要：太赫兹波由于其独特的性质例如瞬态性、宽带性与相干性等，而具有非常重要的学术价值和应用前景。太赫兹成像技术是太赫兹波研究中的基础和一个重要方面，可广泛应用于无损检测、安全检查、光谱分析与生命科学等领域。本文讨论了基于太赫兹波的层析成像的过程与步骤、层析成像的方式以及相关的图像数据处理方法。

　　关键词：太赫兹波 成像技术 层析成像 图像数据处理

　　中图分类号：O441 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2013)12-0029-02

　　1 引言

　　太赫兹波通常是指介于微波和红外线之间，频率在0.1THz～10THz范围内的电磁波，它在电磁波谱上处于由电子学向光子学过渡的特殊区域。在微观上，太赫兹波是具有量子特征的电磁波;在宏观上，太赫兹波具有类似于微波的穿透能力和类似于光波的方向性，它可以被特定的光学器件反射和聚焦，因此可以在特定的波导中传输[1-3]。

　　太赫兹波具有一些独特性质，例如，太赫兹波对许多介电材料和非极性材料具有较强的穿透能力，可以穿透有机织物、塑料、陶瓷、木材等，因此可以用来对物品进行质量检查或者用于安全检查;太赫兹波的光子能量较低，适合于对生物组织进行活体检查，它不会对生物组织产生有害的电离损伤，不会破坏被检测的物体;太赫兹波可以作为无线通信系统中的载波，与微波频段的电磁波相比它具有很高的频率和带宽，工作在太赫兹频段的雷达可以获得较高的方向性、增益和分辨率。

　　对太赫兹波进行研究的一个重要方面是太赫兹成像技术。通过使用太赫兹波对物体进行辐射，可测量出物体中的材料对太赫兹波的吸收率，进而反映出空间密度分布，并且还可以通过使用位相测量来得到折射率的空间分布[4-6]。利用这一特点，并与断层扫描原理相结合，可以实现层析成像，并获得被测物体的二维或三维结构的信息。与其他波段的成像技术相比，太赫兹成像所得到的图像的分辨率和景深都有明显的增加。可以把太赫兹成像分为太赫兹实时成像、太赫兹层析成像、太赫兹近场成像等多种类型，其中太赫兹层析成像的特点是可以获得物体的三维结构的信息。

　　2 层析成像

　　太赫兹层析成像技术类似于基于X射线的层析成像。通过利用太赫兹波的特性例如对电介质的穿透性，并使用层析重构算法，可以实现对物体内部结构的二维和三维成像。利用强度和延迟时间不相同的太赫兹波发射脉冲，使用层析成像可以使得物体的内部结构直观的显现出来。

　　2.1 太赫兹波层析成像的过程

　　使用太赫兹波的层析成像，可以对物体的复杂的内部结构进行研究。太赫兹波层析成像的过程如图1所示。

　　首先，太赫兹波的光束被抛物镜或透镜聚焦，然后通过被测物体;由被测物体所透射的波形被记录，并获得透过被测物体的太赫兹波的波形。如果把被测物体放置于一个旋转台上，并实现平移和旋转，使太赫兹波以不同位置和不同角度穿透被测物体，通过采用层析重构算法对透过被测物体的太赫兹波进行分析，例如，计算被测物体对太赫兹波吸收率的空间分布，从而可以实现对被测物体的位于不同高度的截面的重构，并得到物体的三维结构图。

　　因此，使用此式可以由直接测量来获得被测物体在高度z时的截面图;通过连接在各个高度z时的截面图，就可以获得被测物体的三维结构图。

　　对太赫兹波，它的波长与一般的射线的波长不同，例如比X射线的波长要高上七个数量级，太赫兹波在物体内部就不是严格的按照直线来进行传播的。当利用太赫兹波进行层析成像时，会发生衍射和散射效应。若直接利用如上的针对射线的层析成像方式进行太赫兹的层析成像，由于这种衍射和散射效应会造成图像的失真例如图像模糊或变形。理论分析结果表明[7，8]：在一些近似的条件下，当太赫兹波穿过物体时它的复相位的改变等于成像物体的折射率沿电磁波传播路径上的积分，即通过探测器检测到的太赫兹波的强度可以表示成物体的特征参数路径上的积分，因此在这种情况下就可以利用针对射线的层析成像方式来进行太赫兹波的图像重建和层析成像。

　　2.2 太赫兹波层析成像的方式

　　太赫兹波层析成像的方式主要有两种：透射和反射。透射方式是太赫兹波与被测物体的截面处于同一个平面，获取的投影信息是被测物体的介质对太赫兹波的吸收效应所产生的。透射方式的具体实施方法主要有平行扫描、扇形扫描和锥束扫描，其中锥束扫描可用于三维图像的重建。反射方式是太赫兹波与被测物体的截面相交，获取的投影信息是被测物体的介质对太赫兹波的反射效应所产生的。对透射方式和反射方式，一般可以根据应用对象的特性即被测物体的性质来选择相应的一种方式。

　　在透射方式时，层析成像的理论基础是由被称为投影定理的结论所给出，即当入射的平面波照射到成像物体时，在垂直于它的传播方向的直线上所得到的投影值的傅里叶变换等于目标函数的傅里叶变换沿与探测器平行的方向过原点的片段。因此可以按如下的步骤通过使用透射方式来获得物体的断层图像：(a)采集对物体的在不同角度上的投影;(b)计算各个角度的投影的一维傅里叶变换，这里的一个一维傅里叶变换就是物体断层的二维傅里叶变换的一个切片;把这些切片组合起来，以构成被测物体的断层图像的二维傅里叶变换;(c)使用傅里叶逆变换来进行图像的重建。

　　由于针对透射式的层析成像装置易于实现，因此人们以前主要集中于对透射式的研究。但对于太赫兹波反射较强的物质，则需要使用反射式层析成像，特别是对于较厚并且对太赫兹波段不透明的物质，使用反射式成像是一种重要的检测手段。

　　对反射式的层析成像，物质的反射式吸收谱(特别是振动和转动跃迁)与透射式时的波谱不同，对物质的吸收特征的提取以及对光学性质的测量比透射式更复杂，此时的色散与吸收关系只能通过同时获取相位和振幅才能得到。此外，对成像质量的改善需要提高整个系统的信噪比，并采用一些数据处理技术例如小波变换等。 　　2.3 太赫兹波层析成像的图像数据处理

　　随着人们对太赫兹层析成像技术研究的日益深入，对太赫兹波图像的质量也提出了更高的要求。太赫兹波图像具有如下方面的特点：(1)太赫兹波的波长为毫米量级，分辨率也为毫米量级，与红外图像和可见光图像比较，太赫兹波图像的分辨率较低。(2)一些太赫兹波图像存在明显的干涉条纹，这是由多路太赫兹波在探测器内相干叠加的结果。(3)太赫兹成像对水分是极其敏感的，在空间中的水分会对太赫兹波产生吸收作用，因此会造成太赫兹图像的对比度低以及视觉效果模糊等。

　　图像数据处理是对数字图像进行分析与处理的过程，着重强调如何获取图像、如何采取措施(例如进行图像之间的变换等)使所获得的图像满足人的视觉理解的要求等。针对原始的太赫兹图像可能存在的质量问题，可以利用如下的图像数据处理步骤对其进行分析与改善，以提高太赫兹图像的使用价值：(a)对原始的太赫兹图像中的噪声进行分析，获得噪声的来源与特征，并选择较佳的去噪算法对太赫兹图像进行去噪处理，以达到较好的去噪效果。例如，对太赫兹图像可以采用灰度分析与直方图分析，来滤除图像中的噪声。(b)使用图像复原算法提高太赫兹图像的分辨率。(c)使用图像增强算法以提高太赫兹图像的对比度以及图像的边缘;使用图像分割算法以分割图像中的感兴趣区域，并实现对被测物体的目标识别。(d)可以在太赫兹图像的处理中使用小波变换，它的一个主要特点是可以将太赫兹信号在时间和频率域上展开，不但可得到太赫兹信号的频谱情况，还能获得各频率之间的相对时间延迟。使用小波变换可以进行太赫兹图像的去噪、边缘检测和图像融合等操作。例如，基于小波变换的太赫兹图像融合主要包含如下步骤：对每一幅源图像进行配准;对每一幅图像进行适当层次的小波变换，获得其小波分解结构;采用融合算子对各分解层分别进行融合处理，获得融合后的小波金字塔，对该小波金字塔进行小波逆变换，即可得到融合图像。

　　3 结语

　　在太赫兹层析成像中，根据被测物体的类型，可以选取不同的探测物理量，以获得物体的吸收率、折射率以及物体中材料的三维分布。影响太赫兹层析成像的质量的因素主要有层析成像的硬件系统的组成与构建、图像重建算法、图像的空间分辨率以及对图像数据进行处理的方法等。层析成像作为太赫兹成像的一个重要方面，其方法与成像系统的研究，将有助于太赫兹成像技术的进一步应用。

　　参考文献

　　[1]M.Jewariya，E.Abraham，T.Kitaguchi.Fast three-dimensional terahertz computed tomography using real-time line projection of intense terahertz pulse[J].Optics Express，2013，21(2)：2423-2433.

　　[2]S.Mukherjee，J.Federici，P.Lopes.Elimination of Fresnel reflection boundary effects and beam steering in pulsed terahertz computed tomography[J].Journal of Infrared Millimeter and Terahertz Waves，2013，34(9)：539-555.

　　[3]M.Imamura，S.Nishina.Terahertz wave computed tomography[J].Review of Laser Engineering，2012，40(7)：502-507.

　　[4]B.Recur，A.Younus，S.Salort.Investigation on reconstruction methods applied to 3D terahertz computed tomography[J].Optics Express，2011，19(6)：5105-5117.

　　[5]陈翟.太赫兹波及光学过程层析成像技术研究[D].杭州：浙江大学，2005.

　　[6]郑德伟.连续太赫兹波层析成像实验研究[D].成都：电子科技大学，2011.

　　[7]许景周，张希成.太赫兹科学技术与应用[M].北京：北京大学出版社，2007.

　　[8]S.Wang，X.C.Zhang.Pulsed terahertz tomography[J].Journal of Physics D：Applied Physics，2004，37：R1 R36.

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