一種太赫茲調頻連續波光譜成像方法及成像系統

2023-07-01 16:22:32

1.本發明涉及太赫茲成像技術領域，尤其是一種太赫茲調頻連續波光譜成像方法及成像系統。


背景技術：

2.太赫茲波(0.1-10thz，0.03-3mm)位於微波與紅外之間，其兼具微波的高穿透性與紅外的高分辨特性，已廣泛用於材質材料分析、安檢、醫療檢測、大氣遙感等領域。傳統的太赫茲二維成像方法僅能獲取被測物體的二維強度像，無法有效獲取物體內部結構信息。目前，太赫茲三維成像技術已逐漸成為研究熱點，基於頻率調製的太赫茲調頻連續波三維成像技術，由於其小型化、高功率、成像速率快，已廣泛用於多種成像領域。
3.然而現有的太赫茲調頻連續波成像技術，僅能獲取物體在一定帶寬內的綜合頻率響應，無法獲取某個頻點下的成像結果，極大限制了該技術的應用。太赫茲時域光譜成像技術，可獲取物體在超寬頻帶內，每個頻點下的三維結構信息，但其穿透深度有限，成像速率極慢，極大限制了其三維成像應用。太赫茲層析成像技術，借鑑於x射線層析成像，能獲取單頻點下的物體三維結構信息，但其無法得到寬帶信息，且成像精度受限於掃描精度。因此迫切需要一種可獲取連續頻譜下物體信息的太赫茲調頻連續波光譜成像方法和系統。


技術實現要素：

4.有鑑於此，本發明實施例提供一種太赫茲調頻連續波光譜成像方法及成像系統，至少部分解決現有技術中存在的問題。
5.本發明的目的是對現有太赫茲調頻連續波成像技術，難以獲取物體連續點頻下的三維成像信息的問題，提出一種太赫茲調頻連續波光譜成像方法，包括太赫茲輻射源，太赫茲探測器，分束鏡，拋物面反射鏡，被測物體，數據採集卡，旋轉臺，三維平移臺，上位機。
6.其中太赫茲輻射源用於輻射太赫茲線性調頻信號，分束鏡用於入射和反射的太赫茲波束分束，離軸拋物面反射鏡用於太赫茲波束的聚焦和準直，旋轉臺用於被測物體的旋轉，平移臺用於被測物體的方位向移動，數據採集卡用於中頻信號的採集，上位機用於數據自動化採集及成像。
7.為實現本發明目的，按照本發明的另一個方面，提供了一種基於上述太赫茲調頻連續波光譜成像系統的成像算法，具體包括以下步驟：
8.步驟一：根據發射信號s
t
(t)和回波信號s
rf
(t)，經去調頻處理(混頻濾波去噪)後，得到中頻回波信號為s
zf
(t)。
9.步驟二：對中頻信號s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)。
10.步驟三：對s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據
11.步驟四：基於濾波反投影算法對時域光譜數據進行二維重建。
12.步驟五：將重建圖像按高度信息進行拼接，得到連續頻點下的三維成像結果。
13.具體地，一個方面，本發明實施例提供了一種太赫茲調頻連續波光譜成像方法，所
述包括：
14.向被測體發射太赫茲線性調頻信號s
t
(t)，並獲取透射通過所述被測體的回波信號s
rf
(t)；
15.根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)；
16.對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)；
17.對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據
18.基於濾波反投影算法對所述時域光譜數據進行二維重建以獲得二維圖像；以及
19.將重建得到的二維圖像按高度信息進行拼接，以獲得連續頻點下的三維成像結果。
20.根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)包括：
21.根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和回波信號s
rf
(t)，經去調頻處理後，得到中頻回波信號為s
zf
(t)，其中
22.s
t
(t)＝exp[j2π(f0t+1/2kt2+ε(t))]
[0023]srf
(t)＝exp[j2π(f0(t-τ)+1/2k(t-τ)2+ξ(t-τ))]
[0024]szf
(t)＝rect(t)
·
exp[j2π(f0τ+ktτ-1/2kτ2+ε(t)-ξ(t-τ))]
[0025]
並且其中，f0為所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)掃頻的起始頻率，τ為由被測物體引起的回波時延，k＝b/t為調頻斜率，其中b為信號帶寬，t為信號調頻周期，rect(t)為窗函數，ε(t)-ξ(t-τ)為非線性相位。
[0026]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)包括：
[0027]
將反射目標放置於與被測物體相同的位置，採集得到所述反射目標的中頻信號：
[0028][0029]
其中τs為所述反射目標的回波時延τs＝τ；
[0030]
基於相位補償項exp(j2πktτs)，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)：
[0031][0032]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據包括根據下式得到所述時域光譜數據
[0033]szf-c1
＝s
zf-c
·
exp(-j2πf
if
t)
[0034][0035]
其中，f＝f0+k(t-τ)，f
if
＝2k r/c為目標位置所對應頻率，f為當前採樣t時刻所對應的頻點，θ為當前投影角度，h為當前波束照射至物體的高度。
[0036]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述基於濾波反投影算法對所述時域光譜數據進行二維重建以獲得二維圖像包括根據下式獲取所述二維圖像：
[0037][0038]
其中θ為投影角度，s
′
(ω,θ,h)為θ角度下的一維頻譜，即的頻域表徵,h為所述被測物體不同的高度。
[0039]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述方法還包括：
[0040]
向被測體發射太赫茲線性調頻信號s
t
(t)，並獲取所述被測體反射的回波信號s
rf
(t)；
[0041]
根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)；
[0042]
對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)；以及
[0043]
對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行傅立葉變換以獲取所述被測物體的綜合頻率響應。
[0044]
第二方面，本發明實施例提供了一種太赫茲調頻連續波光譜成像系統，包括：
[0045]
太赫茲輻射源，向被測體發射太赫茲線性調頻信號s
t
(t)；
[0046]
第一太赫茲探測器，獲取透射通過所述被測體的回波信號s
rf
(t)；以及
[0047]
數據採集卡，根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)；以及
[0048]
上位機，所述上位機執行以下操作：
[0049]
對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)；
[0050]
對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據
[0051]
基於濾波反投影算法對所述時域光譜數據進行二維重建以獲得二維圖像；以及
[0052]
將重建得到的二維圖像按高度信息進行拼接，以獲得連續頻點下的三維成像結果。
[0053]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述方法還包括：
[0054]
第二太赫茲探測器，所述第二太赫茲探測器獲取所述被測體反射的回波信號s
rf
(t)；並且其中
[0055]
所述上位機對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行傅立葉變換以獲取所述被測物體的綜合頻率響應。
[0056]
第三方面，本發明實施例提供了一種電子設備，該電子設備包括：
[0057]
至少一個處理器；以及，
[0058]
與該至少一個處理器通信連接的存儲器；其中，
[0059]
該存儲器存儲有可被該至少一個處理器執行的指令，該指令被該至少一個處理器執行，以使該至少一個處理器能夠執行根據前述第一方面或者任意實現方式所述的太赫茲調頻連續波光譜成像方法。
[0060]
第四方面，本發明實施例提供了一種非暫態計算機可讀存儲介質，該非暫態計算機可讀存儲介質存儲計算機指令，該計算機指令用於使該計算機執行根據前述第一方面或者任意實現方式所述的太赫茲調頻連續波光譜成像方法。
[0061]
本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：
[0062]
本發明提出一種太赫茲調頻連續波光譜成像系統及成像算法，通過本發明設計的準光系統可同時獲取物體的透射與反射時域光譜信息，通過所提出的成像算法可獲取物體在一定帶寬內連續頻點下物體三維成像結果。與現有的太赫茲調頻連續波系統相比，本發明所提出的太赫茲調頻連續波光譜成像系統及算法可獲取物體在連續太赫茲頻譜下三維成像結果，從而獲取物體更為豐富的內部結構信息，更有利於揭示物體與太赫茲波相互作用機理。
附圖說明
[0063]
為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖。
[0064]
圖1是一種太赫茲調頻連續波光譜成像系統示意圖。
[0065]
圖2是一種太赫茲調頻連續波光譜成像算法流程圖。
[0066]
圖3是一種時域點頻成像原理圖。
[0067]
圖中，1-太赫茲輻射源；2-分束鏡；3-第一離軸拋物面鏡；4-第二離軸拋物面鏡；5-三維平移臺；6-旋轉臺；7-被測物體；8-第三離軸拋物面鏡；9-第四離軸拋物面鏡；10-第一太赫茲探測器；11-第二太赫茲探測器；12-數據採集卡；13-上位機。
具體實施方式
[0068]
下面結合附圖對本發明實施例進行詳細描述。
[0069]
以下通過特定的具體實例說明本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內容輕易地了解本發明的其他優點與功效。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。本發明還可以通過另外不同的具體實施方式加以實施或應用，本說明書中的各項細節也可以基於不同觀點與應用，在沒有背離本發明的精神下進行各種修飾或改變。需說明的是，在不衝突的情況下，以下實施例及實施例中的特徵可以相互組合。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0070]
需要說明的是，下文描述在所附權利要求書的範圍內的實施例的各種方面。應顯而易見，本文中所描述的方面可體現於廣泛多種形式中，且本文中所描述的任何特定結構及/或功能僅為說明性的。基於本發明，所屬領域的技術人員應了解，本文中所描述的一個
方面可與任何其它方面獨立地實施，且可以各種方式組合這些方面中的兩者或兩者以上。舉例來說，可使用本文中所闡述的任何數目個方面來實施設備及/或實踐方法。另外，可使用除了本文中所闡述的方面中的一或多者之外的其它結構及/或功能性實施此設備及/或實踐此方法。
[0071]
還需要說明的是，以下實施例中所提供的圖示僅以示意方式說明本發明的基本構想，圖式中僅顯示與本發明中有關的組件而非按照實際實施時的組件數目、形狀及尺寸繪製，其實際實施時各組件的型態、數量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態也可能更為複雜。
[0072]
另外，在以下描述中，提供具體細節是為了便於透徹理解實例。然而，所屬領域的技術人員將理解，可在沒有這些特定細節的情況下實踐所述方面。
[0073]
首先，參考圖1，描述本發明實施例的太赫茲調頻連續波光譜成像系統，其包括太赫茲輻射源1、分束鏡2、第一離軸拋物面鏡3、第二離軸拋物面鏡4、三維平移臺5、旋轉臺6、被測物體7、第三離軸拋物面鏡8、第四離軸拋物面鏡9、第一太赫茲探測器10、第二太赫茲探測器11、數據採集卡12和上位機13。
[0074]
太赫茲輻射源1用於輻射太赫茲線性調頻信號，其例如可以是半導體太赫茲輻射源、基於光子學的太赫茲輻射、利用自由電子的太赫茲輻射源和基於高能加速器的太赫茲輻射源。在本發明實施例中，太赫茲輻射源1的種類不受限制，只要能夠輻射太赫茲線性調頻信號即可。術語「線性調頻信號」是指持續期間頻率連續線性變化的信號。
[0075]
分束鏡2用於入射和反射的太赫茲波束分束。分束鏡2是一種鍍膜玻璃。在光學玻璃表面鍍上一層或多層薄膜，當一束光投射到鍍膜玻璃上後，通過反射和折射，光束就被分為兩束或更多束。在本發明實施例中，分束鏡2用於對入射和反射的太赫茲波束進行分束。
[0076]
第一離軸拋物面鏡3和第二離軸拋物面鏡4用於太赫茲波束的聚焦和準直。離軸拋物面鏡(offaxis parabolic mirror)可以把平行入射的準直光束/準直太赫茲波聚焦到焦點上，也能夠把點光源發出的太赫茲波或紅外光轉換為平行傳輸的光束。在本發明實施例中，從點光源太赫茲輻射源1發出的太赫茲波通過第一離軸拋物面鏡3被轉換為平行傳輸的光束，平行傳輸的光束入射到第二離軸拋物面鏡4，從而被第二離軸拋物面鏡4聚焦到焦點上。
[0077]
類似地，從焦點上的被測物體7反射的太赫茲波通過第二離軸拋物面鏡4被轉換為平行傳輸的光束，平行傳輸的光束入射到第一離軸拋物面鏡3，從而被第一離軸拋物面鏡3聚焦到焦點上。
[0078]
類似地，從焦點上的被測物體7透射的太赫茲波通過第三離軸拋物面鏡8被轉換為平行傳輸的光束，平行傳輸的光束入射到第四離軸拋物面鏡9，從而被第四離軸拋物面鏡9聚焦到焦點上。
[0079]
應當理解的是，本發明實施例中的第一離軸拋物面鏡3、第二離軸拋物面鏡4、第三離軸拋物面鏡8和第四離軸拋物面鏡9的參數可以相同也可以不同，參數例如可以是焦距或通光孔徑。也就是說，本發明實施例中的第一離軸拋物面鏡3、第二離軸拋物面鏡4、第三離軸拋物面鏡8和第四離軸拋物面鏡9的焦距和通光孔徑可以相同，也可以不同。
[0080]
在本發明中，被測物體7被設置於第二離軸拋物面鏡4的焦點處，並且被測物體7經由平移臺6與旋轉臺5固定，其中旋轉臺5用於被測物體7的旋轉，平移臺6用於被測物體7的
移動，其中移動可以是水平方向的移動也可以是垂直方向的移動。
[0081]
數據採集卡12用於中頻信號的採集，上位機13用於數據自動化採集及成像。術語「中頻信號」是含有被測物體7的回波信息的低頻信號，其本質是含有被測物體7信息的射頻信號與本振信號混頻後的差頻，其中含有被測物體7信息的射頻信號是輻射源輻射出去的太赫茲波透過被測物體7或由被測物體7反射的信號。
[0082]
在本發明實施例中，太赫茲輻射源1輻射出線極化的太赫茲波束，經分束鏡2分束後，直透的太赫茲波束經第一離軸拋物面鏡3準直為平面波，再經第二離軸拋物面鏡4聚焦至被測物體7上，其中平移臺5用於被測物體7的移動，旋轉臺6用於被測物體7的旋轉。在本發明實施例中，術語「線極化」是指場矢量在空間的取向固定不變。
[0083]
透射穿過被測物體7的透射光束經過第三離軸拋物面鏡8準直為平面波，再經第四離軸拋物面鏡9聚焦至第一太赫茲探測器10。
[0084]
經被測物體7反射的反射光束經第二離軸拋物面鏡4和第一離軸拋物面鏡3，再經分束鏡2反射後聚焦至第二太赫茲探測器11。至此，便可得到被測物體7透射與反射的時域中頻信號。
[0085]
以上，描述了本發明實施例的太赫茲調頻連續波光譜成像系統，接下來，參考圖2和圖3，描述基於上述太赫茲調頻連續波光譜成像系統的成像算法，本發明實施例中的成像算法具體包括以下步驟：
[0086]
步驟一：根據發射信號s
t
(t)和回波信號s
rf
(t)，經去調頻處理後，得到中頻回波信號為s
zf
(t)。
[0087]
在本發明實施例中，調頻處理為發射信號s
t
(t)和回波信號s
rf
(t)的混頻頻濾波去噪處理。
[0088]
具體地，太赫茲輻射源1所發射的太赫茲線性調頻信號s
t
(t)的表達式為：
[0089]st
(t)＝exp[j2π(f0t+1/2kt2+ε(t))] (1)
[0090]
第一太赫茲探測器10接收的回波信號s
rf
(t)為：
[0091]srf
(t)＝exp[j2π(f0(t-τ)+1/2k(t-τ)2+ξ(t-τ))] (2)
[0092]
經去調頻處理(混頻濾波)後，得到中頻回波信號s
zf
(t)形式分別為：
[0093]szf
(t)＝rect(t)
·
exp[j2π(f0τ+ktτ-1/2kτ2+ε(t)-ξ(t-τ))]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0094]
其中f0為太赫茲輻射源1發射的太赫茲線性調頻信號掃頻的起始頻率，τ＝2r/c為由被測物體7引起的回波時延，其中r為被測物體7距離第一太赫茲探測器10的距離，c為光速。k＝b/t為調頻斜率，其中b為信號帶寬，t為信號調頻周期，rect(t)為窗函數，ε(t)-ξ(t-τ)為非線性相位。
[0095]
步驟二：對中頻信號s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)。
[0096]
具體地，將強反射目標放置於與被測物體7相同的位置，採集得到此強反射目標的中頻信號：
[0097][0098]
其中τs為強反射目標的回波時延，τs＝τ。
[0099]
藉助於相位補償項exp(j2πktτs)，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)：
[0100][0101]
步驟三：對s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據
[0102]
具體地，藉助於頻移項exp(-j2πf
if
t)，對s
zf-c
(t)進行數字下變頻，即將中頻信號移至基帶，並提取信號包絡，即時域光譜數據
[0103]szf-c1
＝s
zf-c
·
exp(-j2πf
if
t)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0104][0105]
f＝f0+k(t-2r/c)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0106]
其中，f
if
＝2k r/c為目標所在頻率，r為目標距雷達距離，f為當前採樣t時刻所對應的頻點，θ為當前投影角度，其可以對應於旋轉臺6的旋轉角度，h為當前波束照射至物體的高度。
[0107]
步驟四：基於濾波反投影算法對時域光譜數據進行二維重建。
[0108]
具體地，通過旋轉臺6和三維平移臺5，獲取物體在不同方位、不同高度h及不同旋轉角度下的投影數據，基於典型的濾波反投影算法，對物體截面的物函數的o(x,y,h)進行圖像重建：
[0109][0110]
其中θ為投影角度，s
′
(ω,θ,h)為θ角度下的一維頻譜，即的頻域表徵,h為物體不同的高度。
[0111]
步驟五：將重建得到的二維圖像按高度信息進行拼接，便可得到連續頻點下的三維成像結果。
[0112]
具體地，將不同頻率處的二維圖像重建結果進行拼接後，便可得到連續頻點下物體的三維重建結果。
[0113]
至此便可獲取被測物體在連續太赫茲頻點下的高精度、高解析度的三維成像結果，此外對於接收器10得到的回波信號，通過步驟二處理，直接傅立葉變換便可得到在此系統帶寬下物體的綜合頻率響應。
[0114]
也就是說，向被測體發射太赫茲線性調頻信號s
t
(t)，並獲取所述被測體反射的回波信號s
rf
(t)；
[0115]
根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)；
[0116]
對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)；以及
[0117]
對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行傅立葉變換以獲取所述被測物體的綜合頻率響。
[0118]
另外，本發明實施例還提供了一種太赫茲調頻連續波光譜成像系統，包括：
[0119]
太赫茲輻射源，向被測體發射太赫茲線性調頻信號s
t
(t)；
[0120]
第一太赫茲探測器，獲取透射通過所述被測體的回波信號s
rf
(t)；以及
[0121]
數據採集卡，根據所述太赫茲線性調頻信號s
t
(t)和所述回波信號s
rf
(t)得到中頻回波信號為s
zf
(t)；以及
[0122]
上位機，所述上位機執行以下操作：
[0123]
對所述中頻回波信號為s
zf
(t)進行非線性度校準，得到校準後的中頻信號s
zf-c
(t)；
[0124]
對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行數字下變頻，提取時域包絡，得到時域光譜數據
[0125]
基於濾波反投影算法對所述時域光譜數據進行二維重建以獲得二維圖像；以及
[0126]
將重建得到的二維圖像按高度信息進行拼接，以獲得連續頻點下的三維成像結果。
[0127]
根據本發明實施例的一種具體實現方式，所述太赫茲調頻連續波光譜成像系統還包括：
[0128]
第二太赫茲探測器，所述第二太赫茲探測器獲取所述被測體反射的回波信號s
rf
(t)；並且其中
[0129]
所述上位機對所述校準後的中頻信號s
zf-c
(t)進行傅立葉變換以獲取所述被測物體的綜合頻率響應。
[0130]
對於太赫茲調頻連續波光譜成像系統的具體細節可以參考以上對於太赫茲調頻連續波光譜成像方法的描述，在此不再贅述。
[0131]
另外，本發明實施例提供了一種電子設備，該電子設備包括：
[0132]
至少一個處理器；以及，
[0133]
與該至少一個處理器通信連接的存儲器；其中，
[0134]
該存儲器存儲有可被該至少一個處理器執行的指令，該指令被該至少一個處理器執行，以使該至少一個處理器能夠執行以上所述的太赫茲調頻連續波光譜成像方法。
[0135]
另外，本發明實施例提供了一種非暫態計算機可讀存儲介質，該非暫態計算機可讀存儲介質存儲計算機指令，該計算機指令用於使該計算機執行根據以上所述的太赫茲調頻連續波光譜成像方法。
[0136]
以上所述，僅為本發明的具體實施方式，但本發明的保護範圍並不局限於此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術範圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發明的保護範圍之內。因此，本發明的保護範圍應以權利要求的保護範圍為準。