太赫茲波技術論文
太赫茲波由於其獨特的性質例如瞬態性、寬頻性與相干性等，而具有非常重要的學術價值和應用前景。下面是小編整理的，希望你能從中得到感悟!
篇一
太赫茲波的層析成像
摘要：太赫茲波由於其獨特的性質例如瞬態性、寬頻性與相干性等，而具有非常重要的學術價值和應用前景。太赫茲成像技術是太赫茲波研究中的基礎和一個重要方面，可廣泛應用於無損檢測、安全檢查、光譜分析與生命科學等領域。本文討論了基於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的影象資料處理方法。
關鍵詞：太赫茲波 成像技術 層析成像 影象資料處理
中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416***2013***12-0029-02
1 引言
太赫茲波通常是指介於微波和紅外線之間，頻率在0.1THz～10THz範圍內的電磁波，它在電磁波譜上處於由電子學向光子學過渡的特殊區域。在微觀上，太赫茲波是具有量子特徵的電磁波;在巨集觀上，太赫茲波具有類似於微波的穿透能力和類似於光波的方向性，它可以被特定的光學器件反射和聚焦，因此可以在特定的波導中傳輸[1-3]。
太赫茲波具有一些獨特性質，例如，太赫茲波對許多介電材料和非極性材料具有較強的穿透能力，可以穿透有機織物、塑料、陶瓷、木材等，因此可以用來對物品進行質量檢查或者用於安全檢查;太赫茲波的光子能量較低，適合於對生物組織進行活體檢查，它不會對生物組織產生有害的電離損傷，不會破壞被檢測的物體;太赫茲波可以作為無線通訊系統中的載波，與微波頻段的電磁波相比它具有很高的頻率和頻寬，工作在太赫茲頻段的雷達可以獲得較高的方向性、增益和解析度。
對太赫茲波進行研究的一個重要方面是太赫茲成像技術。通過使用太赫茲波對物體進行輻射，可測量出物體中的材料對太赫茲波的吸收率，進而反映出空間密度分佈，並且還可以通過使用位相測量來得到折射率的空間分佈[4-6]。利用這一特點，並與斷層掃描原理相結合，可以實現層析成像，並獲得被測物體的二維或三維結構的資訊。與其他波段的成像技術相比，太赫茲成像所得到的影象的解析度和景深都有明顯的增加。可以把太赫茲成像分為太赫茲實時成像、太赫茲層析成像、太赫茲近場成像等多種型別，其中太赫茲層析成像的特點是可以獲得物體的三維結構的資訊。
2 層析成像
太赫茲層析成像技術類似於基於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的穿透性，並使用層析重構演算法，可以實現對物體內部結構的二維和三維成像。利用強度和延遲時間不相同的太赫茲波發射脈衝，使用層析成像可以使得物體的內部結構直觀的顯現出來。
2.1 太赫茲波層析成像的過程
使用太赫茲波的層析成像，可以對物體的複雜的內部結構進行研究。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，然後通過被測物體;由被測物體所透射的波形被記錄，並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於一個旋轉臺上，並實現平移和旋轉，使太赫茲波以不同位置和不同角度穿透被測物體，通過採用層析重構演算法對透過被測物體的太赫茲波進行分析，例如，計算被測物體對太赫茲波吸收率的空間分佈，從而可以實現對被測物體的位於不同高度的截面的重構，並得到物體的三維結構圖。
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;通過連線在各個高度z時的截面圖，就可以獲得被測物體的三維結構圖。
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量級，太赫茲波在物體內部就不是嚴格的按照直線來進行傳播的。當利用太赫茲波進行層析成像時，會發生衍射和散射效應。若直接利用如上的針對射線的層析成像方式進行太赫茲的層析成像，由於這種衍射和散射效應會造成影象的失真例如影象模糊或變形。理論分析結果表明[7，8]：在一些近似的條件下，當太赫茲波穿過物體時它的復相位的改變等於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度可以表示成物體的特徵引數路徑上的積分，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行太赫茲波的影象重建和層析成像。
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於同一個平面，獲取的投影資訊是被測物體的介質對太赫茲波的吸收效應所產生的。透射方式的具體實施方法主要有平行掃描、扇形掃描和錐束掃描，其中錐束掃描可用於三維影象的重建。反射方式是太赫茲波與被測物體的截面相交，獲取的投影資訊是被測物體的介質對太赫茲波的反射效應所產生的。對透射方式和反射方式，一般可以根據應用物件的特性即被測物體的性質來選擇相應的一種方式。
在透射方式時，層析成像的理論基礎是由被稱為投影定理的結論所給出，即當入射的平面波照射到成像物體時，在垂直於它的傳播方向的直線上所得到的投影值的傅立葉變換等於目標函式的傅立葉變換沿與探測器平行的方向過原點的片段。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影象：***a***採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立葉變換，這裡的一個一維傅立葉變換就是物體斷層的二維傅立葉變換的一個切片;把這些切片組合起來，以構成被測物體的斷層影象的二維傅立葉變換;***c***使用傅立葉逆變換來進行影象的重建。
由於針對透射式的層析成像裝置易於實現，因此人們以前主要集中於對透射式的研究。但對於太赫茲波反射較強的物質，則需要使用反射式層析成像，特別是對於較厚並且對太赫茲波段不透明的物質，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，物質的反射式吸收譜***特別是振動和轉動躍遷***與透射式時的波譜不同，對物質的吸收特徵的提取以及對光學性質的測量比透射式更復雜，此時的色散與吸收關係只能通過同時獲取相位和振幅才能得到。此外，對成像質量的改善需要提高整個系統的信噪比，並採用一些資料處理技術例如小波變換等。 2.3 太赫茲波層析成像的影象資料處理
隨著人們對太赫茲層析成像技術研究的日益深入，對太赫茲波影象的質量也提出了更高的要求。太赫茲波影象具有如下方面的特點：***1***太赫茲波的波長為毫米量級，解析度也為毫米量級，與紅外影象和可見光影象比較，太赫茲波影象的解析度較低。***2***一些太赫茲波影象存在明顯的干涉條紋，這是由多路太赫茲波在探測器內相干疊加的結果。***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生吸收作用，因此會造成太赫茲影象的對比度低以及視覺效果模糊等。
影象資料處理是對數字影象進行分析與處理的過程，著重強調如何獲取影象、如何採取措施***例如進行影象之間的變換等***使所獲得的影象滿足人的視覺理解的要求等。針對原始的太赫茲影象可能存在的質量問題，可以利用如下的影象資料處理步驟對其進行分析與改善，以提高太赫茲影象的使用價值：***a***對原始的太赫茲影象中的噪聲進行分析，獲得噪聲的來源與特徵，並選擇較佳的去噪演算法對太赫茲影象進行去噪處理，以達到較好的去噪效果。例如，對太赫茲影象可以採用灰度分析與直方圖分析，來濾除影象中的噪聲。***b***使用影象復原演算法提高太赫茲影象的解析度。***c***使用影象增強演算法以提高太赫茲影象的對比度以及影象的邊緣;使用影象分割演算法以分割影象中的感興趣區域，並實現對被測物體的目標識別。***d***可以在太赫茲影象的處理中使用小波變換，它的一個主要特點是可以將太赫茲訊號在時間和頻率域上展開，不但可得到太赫茲訊號的頻譜情況，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行太赫茲影象的去噪、邊緣檢測和影象融合等操作。例如，基於小波變換的太赫茲影象融合主要包含如下步驟：對每一幅源影象進行配準;對每一幅影象進行適當層次的小波變換，獲得其小波分解結構;採用融合運算元對各分解層分別進行融合處理，獲得融合後的小波金字塔，對該小波金字塔進行小波逆變換，即可得到融合影象。
3 結語
在太赫茲層析成像中，根據被測物體的型別，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佈。影響太赫茲層析成像的質量的因素主要有層析成像的硬體系統的組成與構建、影象重建演算法、影象的空間解析度以及對影象資料進行處理的方法等。層析成像作為太赫茲成像的一個重要方面，其方法與成像系統的研究，將有助於太赫茲成像技術的進一步應用。
參考文獻
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