医用棉纱布的太赫兹波段透射特性

生物医学诊断是太赫兹成像的重要应用领域。利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)在实验室温湿度条件下研究了用于伤口覆盖的医用棉纱布在0.1 THz～1.34 THz波段的透射特性。结果表明,在该波段,纱布对太赫兹辐射具有良好的透过性,且随频率增加,透射率迅速下降。利用最小二乘拟合得到太赫兹波透射率和纱布层数关系曲线,相关系数达0.996,并由此获得0.37 THz处0.34 mm厚单层纱布对太赫兹波的透射衰减系数约为0.159 7。本研究表明太赫兹光谱成像是包扎情况下烧伤评估、伤口恢复期监测的有效临床工具。     

连续波THz-CT 的折射问题研究

设计了基于返波振荡器的连续波太赫兹CT 成像实验装置,实现了用连续太赫兹波对三维物体的CT 断层成像.虽然可以得到较好的重建图像,但由于折射率大于1.5 的材料对太赫兹射线折射较强而影响成像质量.首先通过对聚四氟乙烯模型进行扫描获得投影数据,并利用滤波反投影算法对投影数据进行重建得到断层图像,然后分析了高折射对投影探测及图像重建的影响.最后对人体牙齿样本进行投影扫描和断层重建,获得的断面图像可以反映牙齿内部结构,但由于牙齿高折射率的影响,成像精度和分辨率有待进一步提高.而且牙釉质的厚度会严重影响太赫兹波在牙齿中的透射深度.研究结果可以为提高连续波太赫兹CT 成像质量提供参考,促进其在医学成像特别是牙齿等骨骼成像中的应用.     

基于太赫兹时域光谱技术的水蒸气传输特性研究

为了评估太赫兹波在空间通信、雷达、遥感等方面的潜在应用,需要研究太赫兹波在大气中的传输特性。由于0.1～2 THz的太赫兹波在大气中传输的主要衰减来自水蒸气,采用太赫兹时域光谱技术(THz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS),在2 m长的太赫兹传输行程中对不同湿度的空气进行了透射光谱测量,获得了水蒸气在0.1～2THz频率范围内的吸收谱、传输率和弱衰减窗口。     

基于光子混频连续太赫兹波的厚度检测

为了将光子混频的连续太赫兹波透射成像系统应用于样品厚度检测中,采用该系统获得的相位信息对样品进行了2维厚度测量。利用两个外腔半导体结构的激光器搭建了基于光子混频的连续太赫兹波透射成像系统,并利用X-Y 2维电动平移台放置样品进行点点扫描成像。该系统可同时获得样品的幅度信息和相位信息,在太赫兹波辐射频率0.47THz时,系统信噪比可达68dB。计算得出的厚度值与实际样品的厚度值最大相差0.02mm;另外还分析了平行平面样品干涉效应和样品不同透射强度对厚度测量的影响。结果表明,样品折射率越高,平行平面干涉效应对厚度测量影响越大;样品透射系数越大,测量精度也越高。当样品太赫兹波透射系数大于0.5时,厚度测量精度优于2.0%。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测

我们提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法。我们从理论上证明了半导体材料对其上传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面的生化薄膜之间的相互作用。通过采用太赫兹时域光谱测量系统,我们从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱。实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长的约百分之一的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰。     

基于亚波长金属孔阵列的光控太赫兹强度调制器

太赫兹波强度调制器对太赫兹技术的发展至关重要。亚波长金属孔阵列可以激发表面等离子激元,增加入射电磁波的透射效率,极大地提高调制器的调制深度。提出了一种基于表面等离子激元的光控太赫兹波强度调制器。首先给出了器件所依赖的基本原理;其次利用传统的微纳加工技术在半绝缘砷化镓衬底上制作出二维亚波长金属孔阵列;最后搭建了太赫兹时域光谱系统,测试了器件样品对太赫兹波的透过率。结果表明:亚波长金属孔阵列可以引起透射率的异常增强,且透射率随着泵浦光强的增大而减小,在特定频率点实现了较高的调制深度。此研究为实现高调制深度的太赫兹波强度调制器提供了参考。     

基于太赫兹等离激元的半导体表面生化薄膜光谱检测（英文）

提出了一种利用太赫兹表面等离激元对放置在半导体表面的生化薄膜进行光谱测量的新方法.从理论上证明了半导体材料对其传输的太赫兹表面等离子体波具有较强的表面束缚性,从而提高太赫兹波与半导体表面生化薄膜之间的相互作用.通过采用太赫兹时域光谱测量系统,从实验上分别得到了洋葱表皮的太赫兹表面等离子体波和自由空间太赫兹波透射波谱.实验结果表明,当测量对象是厚度仅为自由空间太赫兹波波长约1%的单层洋葱表皮时,表面等离子体波的透射波谱与自由空间太赫兹波透射波谱相比具有更加多的特征吸收峰.     

模拟沙尘暴条件下的太赫兹辐射传输研究

使用太赫兹时域光谱技术研究了太赫兹脉冲对模拟沙尘的透射特性,得到不同沙尘条件下信号的透射光谱.同时还进行了沙尘条件下传送成像信号实验,得到比较清晰的像.结果表明太赫兹脉冲能够在沙尘条件下传输太赫兹图像.     

基于太赫兹透射谱的土壤含水量测量

液体水是一种极性液体,对太赫兹波有很强的吸收。土壤含水量的细微变化,会影响透射太赫兹波的特性。建立了一种基于时域太赫兹透射谱的土壤含水量测量方法。提出了土壤太赫兹参数的概念,给出了土壤含水量的计算公式。利用太赫兹时域频谱系统,对土壤样品进行了大量的测量,初步给出了土壤太赫兹参数的数值。通过对比该方法与称重法得到的含水量,表明其准确可行。     

太赫兹成像检测算法研究

由于太赫兹波所处波段位置特殊性以及现阶段太赫兹成像系统性能的限制等,太赫兹波成像质量低,无法满足可视化效果,限制了其发展和应用。结合太赫兹图像模糊特征和灰度信息提出利用灰度特征对太赫兹图像进行图像分割来提高太赫兹图像质量,抑制太赫兹图像背景噪声,保留太赫兹图像目标重要信息,实现太赫兹成像目标检测。实验结果与其他太赫兹图像处理方法结果对比表明,基于灰度特征的图像处理算法可以提高图像清晰度和对比度,实现精确分割,为太赫兹成像在安全检查和医学成像等应用中实现快速检测和提取目标奠定基础。     

Confocal THz Laser Microscope

We transfer the principle of the optical confocal microscope to a far-field THz imaging system based on an optically pumped gas laser emitting radiation at 2.52 THz. This results in a contrast enhancement. To illustrate the image quality improvement, we show THz images of different objects taken with the suggested scheme and compare them to images taken with other systems.     

Terahertz composite imaging method

In order to improve the imaging quality of terahertz(THz) spectroscopy, Terahertz Composite Imaging Method(TCIM) is proposed. The traditional methods of improving THz spectroscopy image quality are mainly from the aspects of de-noising and image enhancement. TCIM breaks through this limitation. A set of images, reconstructed in a single data collection, can be utilized to construct two kinds of composite images. One algorithm, called Function Superposition Imaging Algorithm(FSIA), is to construct a new gray image utilizing multiple gray images through a certain function. The features of the Region Of Interest (ROI) are more obvious after operating, and it has capability of merging ROIs in multiple images. The other, called Multi-characteristics Pseudo-color Imaging Algorithm(McPcIA), is to construct a pseudo-color image by combining multiple reconstructed gray images in a single data collection. The features of ROI are enhanced by color differences. Two algorithms can not only improve the contrast of ROIs, but also increase the amount of information resulting in analysis convenience. The experimental results show that TCIM is a simple and effective tool for THz spectroscopy image analysis.     

Edge extraction and reconstruction of terahertz image using simulation evolutionary with the symmetric fourth order partial differential equation

Terahertz(THz) pulse imaging can be used for biomedicine, material, and food security. However, image quality is lower attributed to the THz time-domain spectroscopy system. Such as, noises and lower space resolution are presented in some THz images. To improve the THz image quality, we proposed a novel method which combining the simulation evolutionary with the symmetric fourth order partial differential equation. The image edge is first detected by using the simulation evolutionary. Then the symmetric fourth order partial differential equation(PDE) is applied on the non-edge image for noise reduction. Finally, the de-noise image is combined with the edge image obtained from the edge detection step. Experiments on four different THz images prove that the proposed method can preserve the edge information during noise reduction.     

小波域马尔可夫随机场在THz 图像处理中的应用

目前THz 自由空间成像面临的挑战主要有大气损耗和水分吸收,辐射功率低,成像要获得高的信噪比,需要有更高功率的辐射源;数据获取时间长;图像质量仍需改善。分析了THz 成像技术的最新发展趋势及国内外发展现状。阐述了利用THz 辐射进行合成孔径成像、THz 压缩感知成像的基本原理,并对两种种成像方法形成的THz 图像的特点进行了分析。应用Wiener2,基于熵标准的ddencmp 选定小波系数阈值降噪法、Donoho 提出的小波系数阈值降噪法以及基于小波系数幅值渐近最优降噪法等图像降噪算法对THz 图像进行处理效果从均方根误差、信噪比、相关系数等方面进行了定性、定量的比较。提出将小波域马尔可夫随机场应用于THz 图像降噪中。主要完成了以下几个方面:对每个小波系数引入两个状态,一个状态对应图像的非平稳区域,如边缘;另一个状态对应图像平稳区。每个状态下的小波系数用高斯分布函数来描述,虽然每个状态下的小波系数服从高斯分布,但每个小波系数的两个状态混合模型服从非高斯分布。然后利用EM（Expectation Maximization）算法估计混合模型中的参数,采用贝叶斯准则初步确定理想图像小波系数的收缩因子。最后将小波域隐马尔可夫模型的降噪算法进行对比试验,仿真结果表明小波域隐马尔可夫模型的降噪算法更具有效性和优异性。     

基于模糊局部信息C均值的太赫兹图像目标检测

为了克服返波管太赫兹连续波成像系统所获取图像存在的对比度低、干涉条纹强等缺陷,较好地区分出目标和背景,避开不规则干涉条纹的干扰,采用基于模糊局部信息C均值的聚类算法用于目标检测,并针对太赫兹图像性质,对其中的隶属度函数进行了改进。结果表明,新的聚类分割算法适用于具有不规则条纹干扰下的太赫兹连续波图像,能较好地提取出图像中的目标,较经典图像聚类算法具有更好的目标检测精度。     

基于对抗生成网络的太赫兹安检图像分割算法

为解决太赫兹成像分辨力低,危险品边缘模糊,无法有效对危险品进行分割的问题,提出一种基于对抗式生成网络与多头注意力机制的新型网络架构,并用于太赫兹安检图像智能分割。通过学习深层鉴别器的特征图优化生成器,获得更加真实的生成图像;引入多头注意力机制提升模型对危险品特征的识别能力。分割太赫兹安检图像的大量实验结果表明,相较于传统卷积神经网络,提出的对抗生成网络在相同深度下具有更好的泛化能力;多头注意力机制的引入强化了模型对危险品特征的学习,在未知危险品类别的情况下同样拥有较好的效果,其交并比(IOU)指标相较ResNet-50提高9.6%,相较ResNet-18提高21.3%,相较U-Net提高12.3%。本文研究有利于图像分割算法更准确、高效地处理太赫兹安检图像,有助于拓宽太赫兹智能安检系统的进一步应用。     

基于梯度变换的太赫兹图像超分辨率重建

为了提高太赫兹图像的质量，克服边缘模糊的缺陷，采用有理分形插值和基于梯度变换的图像超分辨率重建算法相结合的方法对0.25THz，0.50THz和0.75THz图像进行超分辨率重建实验，并对实验结果进行了定量分析，利用基于空间信息熵的直方图匹配技术和双边滤波器对重建算法进行了优化，增强了该方法的适用性。结果表明，对经过插值的太赫兹图像采用基于梯度变换的超分辨率重建方法处理之后，0.25THz，0.50THz和0.75THz图像的边缘强度分别提高了169%，116%和104%，平均梯度分别提高了16%，28%和24%；同时，成像信号频率和强度也会对重建性能产生影响。该方法可以有效恢复太赫兹图像当中的细节信息，锐化图像边缘，提高图像质量且不会出现振铃现象，具有较好的实用价值。     

提高0.14 THz 雷达成像质量的新方法

目前,国际上多个科研小组相继开展了太赫兹逆散射成像方面的研究,已开发出多个太赫兹逆散射成像系统。其电磁散射模型及成像处理方式多借鉴于其他辐射源已经成熟的研究成果,例如:雷达目标散射中心模型及ISAR/SAR, Born/Rytov 近似模型及层析成像。但上述方法直接应用于太赫兹波段将导致成像质量的下降。首先简要介绍了太赫兹雷达成像和太赫兹层析成像之间的关系,在分析两种成像方法特点的基础上,重点研究了大孔径、大带宽条件下的太赫兹逆散射成像,提出了一种基于Range-Doppler 算法的改进成像方法。最后,利用该方法对中物院研制的0.14 THz 雷达样机实验数据进行成像,并给出了典型目标的成像结果,验证了新成像方法的有效性。     

太赫兹成像技术在无损检测中的实验研究

太赫兹成像是一种新兴技术,为了将其应用在无损检测领域,提出了一种基于连续扫描的新型太赫兹成像系统.通过对隐藏的硬币和带小孔的金属板等样品进行检测,得到了清晰的图像.实验结果表明通过本成像系统可以对隐藏的金属样品进行鉴别,其空间分辨率低于0.5 mm.因而本系统可以成功地应用于无损检测.     

基于阈值分割和边缘检测的枪支THz图像识别

针对太赫兹(THz)图像的特点,采用阈值分割和边缘检测等数字图像处理技术将枪支分割出来,然后提取枪支的有效特征,并对人体携带枪支的THz图像进行自动识别和判断.若发现有危险品或可疑物品,则发出警报信号.实验结果表明,该方法能够有效地将人体隐蔽携带的枪支类危险品同钢笔、钥匙、挂饰等人体通常携带的其它物品区别开来,实现了安...