太赫茲時(shí)域脈沖成像的三維重建

丁芳媚，唐粹偉，周 俊，郭田田，李秋勇，孫定仟

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 四川 成都 610054）

太赫茲時(shí)域脈沖成像的三維重建

丁芳媚，唐粹偉，周 俊，郭田田，李秋勇，孫定仟

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 四川 成都 610054）

太赫茲（Terahertz）脈沖成像技術(shù)是太赫茲科學(xué)與技術(shù)中的重要應(yīng)用領(lǐng)域。飛秒激光的發(fā)展使得光導(dǎo)天線成為穩(wěn)定、可靠的太赫茲脈沖輻射源，為太赫茲成像技術(shù)奠定了較好的基礎(chǔ)。該文基于Matlab軟件，以太赫茲時(shí)域脈沖三維成像算法及應(yīng)用為中心，研究太赫茲脈沖掃描成像數(shù)據(jù)處理算法，通過(guò)對(duì)太赫茲反射成像時(shí)域脈沖波形的特定參數(shù)和峰位時(shí)間延遲進(jìn)行處理，嘗試實(shí)現(xiàn)三維成像；同時(shí)利用Matlab的GUI界面設(shè)計(jì)太赫茲脈沖成像數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗(yàn)證。

THz反射成像；時(shí)域脈沖；Matlab；三維成像；GUI界面

太赫茲波（Terahertz wave）是指頻率在0.1～10 THz之間的電磁波。該波段位于毫米波和紅外之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過(guò)渡的重要區(qū)域［1］。在20世紀(jì)80年代前期，由于技術(shù)手段的原因，導(dǎo)致THz波段的開(kāi)發(fā)利用基本上處于空白的狀態(tài)。而在這之后的近20年間，由于超快光學(xué)、半導(dǎo)體、電子學(xué)和微加工等科技的發(fā)展，太赫茲波的產(chǎn)生和探測(cè)技術(shù)也逐漸成熟［2］。由于太赫茲波輻射對(duì)于很多介電材料和非極性液體有良好的穿透性，因此太赫茲波可以對(duì)不透明物體進(jìn)行透視成像［3］。由于太赫茲波的低光子能量，使得太赫茲波擁有了一個(gè)很有吸引力的應(yīng)用前景就是作為X射線成像和超聲波成像等技術(shù)的補(bǔ)充，用于安全檢查或在質(zhì)量控制中進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)的新技術(shù)［3］。另外太赫茲對(duì)許多分子和材料呈現(xiàn)出的獨(dú)特吸收，色散和反射等特性，使得當(dāng)寬帶太赫茲射線從這些樣品上經(jīng)過(guò)時(shí)，太赫茲波會(huì)從中提取出豐富的光譜指紋信息［3］。通過(guò)和已知的指紋譜進(jìn)行對(duì)比，就能對(duì)識(shí)別物質(zhì)的組成，這就是太赫茲波的波譜分辨能力［2］。近年來(lái)太赫茲波在國(guó)防、工業(yè)、半導(dǎo)體、通信及生物醫(yī)學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域得到了較快的發(fā)展和應(yīng)用［4］。

1 脈沖太赫茲波成像系統(tǒng)的基本原理

利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)可以獲得被測(cè)樣品與太赫茲波作用之后的攜帶有樣品信息的太赫茲時(shí)域波形［5］。通過(guò)傅里葉變換，可以獲得樣品的太赫茲頻譜，從而可以獲得樣品的強(qiáng)度和相位信息［1］。在太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中加一個(gè)二維電動(dòng)平移臺(tái)，控制待測(cè)樣品在太赫茲波的焦平面上進(jìn)行二維逐點(diǎn)掃描，同時(shí)記錄反射太赫茲波的強(qiáng)度和相位的二維信息，經(jīng)過(guò)頻譜分析，可以獲得各個(gè)頻率下樣品上各點(diǎn)的相位信息和幅值信息，從而重構(gòu)樣品的圖像。

太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)，它所獲取的數(shù)據(jù)集合實(shí)際是三維時(shí)空的數(shù)據(jù)（二維空間（x，y）軸向和一維時(shí)間軸向）。利用該三維數(shù)據(jù)集合可得到一系列樣品的太赫茲圖像。另外由于在一個(gè)時(shí)間點(diǎn)上的太赫茲圖像所包含的信息量很少，所以通常要獲取整個(gè)三維的數(shù)據(jù)集合。而太赫茲圖像的重構(gòu)通常就是基于太赫茲時(shí)域波形的特定參數(shù)或峰位的延遲時(shí)間。圖1為實(shí)驗(yàn)原理圖及反射模式成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，其中包括支架和鏡頭。

圖1 實(shí)驗(yàn)原理圖和反射模式實(shí)驗(yàn)設(shè)備

2 Matlab軟件在三維重建中的應(yīng)用

Matlab提供了20類圖像處理函數(shù)，涵蓋了圖像處理包括近期研究成果在內(nèi)的幾乎所有的技術(shù)方法，是學(xué)習(xí)和研究圖像處理人員難得的寶貴資料和加工工具箱［6－12］。

Matlab軟件環(huán)境提供了各種矩陣運(yùn)算、操作和圖像顯現(xiàn)工具［11］。在三維重建方面，使用的數(shù)據(jù)量相對(duì)較大，同時(shí)涉及大量的矩陣、光線、色彩、陰影和觀察視角的計(jì)算。利用Matlab軟件中的圖像處理函數(shù)、工具箱操作，可以大大簡(jiǎn)化研究過(guò)程。

2.1 數(shù)據(jù)提取

［TPIdata］＝TVLread（fnameTVL）；

fnameTVL是任意帶‘.tvl’后綴的文件名。

輸出變量TPIdata是以下結(jié)構(gòu)數(shù)組：

NumRows——2D掃描區(qū)域行數(shù)；

NumCols——2D掃描區(qū)域列數(shù)；

tt——大小為［n，1］的列矩陣，包含時(shí)域坐標(biāo)數(shù)據(jù)（單位：mm）；

Ref——大小為［n，1］的列矩陣，包含reference時(shí)域波形數(shù)據(jù)；

baseline——大小為［n，1］列矩陣，baseline時(shí)域波形數(shù)據(jù)；

Filter——大小為［n，1］列矩陣，包含用戶在ScanAcquire中定義的濾波函數(shù)時(shí)域波形數(shù)據(jù)；

Samp——大小為［n，N］矩形矩陣，每列包含2D掃描區(qū)域中采集的N條時(shí)域波形中的一條數(shù)據(jù)；

XYZ——大小為［3，N］矩形矩陣，每列包含每個(gè)樣品波形采集時(shí)的（x，y，z）坐標(biāo)信息；

refMax——reference波形的最大幅值；

Zrange——時(shí)域窗口的長(zhǎng)度（單位：mm）；

flags——一些二進(jìn)制數(shù)示：振幅是否歸一化，是否進(jìn)行baseline減除，等等；

TVLread——默認(rèn)對(duì)樣品及參考波形進(jìn)行baseline減除，并對(duì)最大參考信號(hào)幅值進(jìn)行歸一化。

2.2 原始掃描數(shù)據(jù)作圖和三維切片顯示

圖2（a）是其中一個(gè)采樣點(diǎn)的時(shí)域波形，利用Matlab將該點(diǎn)采樣數(shù)據(jù)用plot函數(shù)畫出；圖2（b）是用Matlab的slice函數(shù)進(jìn)行樣本的切片顯示。

X、Y、NM1分別表示3個(gè)坐標(biāo)軸；Z表示空間該點(diǎn)的值；Xs、Ys、NMs表示平行各坐標(biāo)軸的切平面的位置。

圖2 時(shí)域波形和樣本時(shí)間切片

2.3 時(shí)域波形轉(zhuǎn)換和三維成像

圖3（a）為該時(shí)域波形轉(zhuǎn)化的矩形波，通過(guò)比較時(shí)域波形中的各點(diǎn)數(shù)據(jù)，提取各分界面上反射點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并將轉(zhuǎn)化前后的時(shí)域波形畫一起，方便比較，其中矩形高度代表反射強(qiáng)度，矩形寬度表示介質(zhì)的相對(duì)寬度。

圖3 （b）為slice函數(shù)的x軸和y軸的切片疊合圖及z軸即時(shí)間切片疊合圖，能看出芯片部分內(nèi)部輪廓。

2.4 內(nèi)部結(jié)構(gòu)分離圖

結(jié)構(gòu)分離圖雖然可以清晰地區(qū)分出不同的等值面，并對(duì)這些等值面進(jìn)行空間分離，但是該三維成像的方法，只提取樣品中的部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行繪圖。通過(guò)對(duì)isovalue值的設(shè)定，得到同一反射值的不同反射面。這種三維重建的方法只能體現(xiàn)樣品的部分結(jié)構(gòu)特征。如圖4所示，為等值面的空間結(jié)構(gòu)分離圖。

圖4 等值面的兩個(gè)視角圖

2.5 空間最大反射面

太赫茲波對(duì)于很多介電材料和非極性液體有良好的穿透性，但太赫茲波對(duì)金屬有很大的反射系數(shù)，因此遇見(jiàn)金屬，太赫茲波的大部分能量都會(huì)被反射回去，利用太赫茲的反射強(qiáng)度大小，可以做出太赫茲反射最大的空間曲面。如圖5所示，展現(xiàn)了物體內(nèi)部反射系數(shù)大的物體輪廓。

圖5 空間最大反射面的兩個(gè)視角圖

3 Matlab的GUI界面功能實(shí)現(xiàn)

通過(guò)GUI對(duì)太赫茲脈沖成像數(shù)據(jù)分析平臺(tái)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)［13－14］。根據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式調(diào)用數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理得到處理后的數(shù)據(jù)。對(duì)處理后的數(shù)據(jù)進(jìn)行三維圖像重構(gòu)，并顯示在圖形坐標(biāo)軸中。最后，通過(guò)調(diào)用一個(gè)成像數(shù)據(jù)文件驗(yàn)證該界面的可用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)導(dǎo)入采樣數(shù)據(jù)并對(duì)其分類，形成各種對(duì)應(yīng)的Matlab矩陣，再通過(guò)Matlab函數(shù)和語(yǔ)言程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的可視化處理，將采樣數(shù)據(jù)以圖片形式還原物體基本信息。這就要求理解采樣數(shù)據(jù)所反映的物體信息，并能通過(guò)Matlab對(duì)已知數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取其中有用信息，通過(guò)不斷調(diào)試和改進(jìn)程序，基本實(shí)現(xiàn)三維重建。Matlab作為一款數(shù)據(jù)圖像處理軟件，提供了比較完備的科學(xué)計(jì)算可視化函數(shù)和強(qiáng)大的編程功能。通過(guò)各種仿真、重建，為各類實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的支撐。

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3D Reconstruction of Terahertz Time－domain Pulse Imaging

DING Fangmei，TANG Cuiwei，ZHOU Jun，Guo Tiantian
（School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Terahertz pulse imaging technology is an important application field in Terahertz science and technology.The development of Femtosecond Laser makes optical antenna of terahertz pulse radiation source a stable and reliable terahertz pulse radiation source，which lays a good foundation for terahertz imaging technology.Based on Matlab software，this paper focus on terahertz pulse time－domain pulse three－dimensional imaging algorithms and its application.We study the terahertz pulse scanning imaging data processing algorithm，and try to realize three dimensional imaging through the terahertz time－domain reflection imaging specific parameters of pulse waveform and the peak time delay processing.At the same time，using the Matlab GUI interface designs the terahertz pulse imaging data analysis platform，the experimental data can be analyzed and validated.

THz reflection imaging；time domain pulse；Matlab software；3D imaging；GUI interface

TN015

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.014

2015－05－26；修改日期：2015－06－16

全國(guó)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金項(xiàng)目資助。

丁芳媚（1992－），女，本科，電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)。