專利名稱：太赫茲二維面陣掃描成像方法及實現(xiàn)該方法的成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光成像控制領(lǐng)域，具體涉及一種太赫茲掃描成像方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
太赫茲輻射(Terahertz，簡稱THz)通常指的是頻率在0. I-IOTHz范圍內(nèi)的電磁輻 射，可以穿透大多數(shù)非金屬非極性物質(zhì)，如紙張、信封、背包等，同時具有較低的光子能量， 不會像X射線那樣對生物體產(chǎn)生有害電離和傷害。因此太赫茲輻射成像在醫(yī)學(xué)檢查、安全 檢測和食品監(jiān)測等方面具有巨大的應(yīng)用前景。
利用太赫茲輻射源、單元探測器、二維平移臺、數(shù)據(jù)采集卡和計算機可以對目標(biāo)進 行逐點掃描成像，成像精度較高，但是限于探測器尺寸、掃描步長以及掃描器運行速度，每 次只能掃描一個點，這樣對大尺寸物體的成像時間會很長；利用太赫茲激光器、面陣探測 器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機可以進行面陣成像，每次可以對目標(biāo)的一定區(qū)域進行實時的快速 成像，但限于面陣探測器尺寸和光斑大小，只能對小目標(biāo)進行成像?，F(xiàn)有的太赫茲成像控制方法主要應(yīng)用于逐點掃描成像和面陣掃描，每次掃描只需 處理單個數(shù)據(jù)點或者對小目標(biāo)進行單幅成像，而無需進行圖像拼接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)的逐點掃描成像只能處理單個數(shù)據(jù)點造成的成像時間 過長的問題，和現(xiàn)有技術(shù)的面陣掃描成像只能對小物體快速成像的問題，提出一種太赫茲 二維面陣掃描成像方法及實現(xiàn)該方法的成像系統(tǒng)。太赫茲二維面陣掃描成像方法，具體過程如下
步驟一、設(shè)置重疊寬度Λ成像目標(biāo)的水平位移量Cl和豎直位移量C2，具體過程為根 據(jù)面陣探測器的中心有效范圍a X力、成像目標(biāo)的成像區(qū)域的長度1、成像目標(biāo)的成像區(qū)域 的寬度『和成像目標(biāo)長度方向在面陣探測器上所占的像素數(shù)/7和成像目標(biāo)寬度方向在面陣 探測器上所占的像素數(shù)q確定成像目標(biāo)的水平位移量cl和豎直位移量Cl ； 步驟二、移動成像目標(biāo)，使成像目標(biāo)處于成像初始位置；
步驟三、采集面陣探測器上光斑的選擇區(qū)域范圍為X ib+2d)的成像目標(biāo)的部 分太赫茲子圖像；
步驟四、在與面陣探測器的光探測面平行的、成像目標(biāo)所在二維平面內(nèi)，沿一個方向水 平移動成像目標(biāo)，移動距離為一個水平位移量Cl，面陣探測器和數(shù)據(jù)采集卡延時時間Λ獲 得另一幅成像目標(biāo)的部分太赫茲子圖像；然后將獲得的所述部分太赫茲子圖像和與其相鄰 的成像目標(biāo)的部分太赫茲子圖像按照邊界重疊寬度J拼接；
步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四，直到獲得完整單行成像目標(biāo)的圖像； 步驟六、在與面陣探測器的光探測面平行的、成像目標(biāo)所在二維平面內(nèi)，沿豎直方向移 動成像目標(biāo)，移動距離為一個豎直位移量c2,面陣探測器和數(shù)據(jù)采集卡延時時間T,返回執(zhí) 行步驟三、四，完成另一完整單行成像目標(biāo)的圖像的采集與拼接；步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六，對成像目標(biāo)進行成像的逐行掃描，直到獲得成像目標(biāo)的完整 圖像。實現(xiàn)太赫茲二維面陣掃描成像方法的成像系統(tǒng)，它由太赫茲激光器、光學(xué)系統(tǒng)、面 陣探測器、二維平移臺、步進電機控制器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機組成，在所述光學(xué)系統(tǒng)的兩 端沿所述光學(xué)系統(tǒng)光軸分別設(shè)置太赫茲激光器和面陣探測器，使太赫茲激光器發(fā)出的光束 同時垂直于光學(xué)系統(tǒng)的主面和面陣探測器的光探測面，二維平移臺設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)和面陣 探測器之間，成像目標(biāo)放置在二維平移臺上，使太赫茲激光器發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照 射在成像目標(biāo)上，并且經(jīng)過成像目標(biāo)的透射光覆蓋在面陣探測器的光探測面上，面陣探測 器的電信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的信號輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡的信號輸出端與計算機的 信號輸入端相連，計算機的信號輸出端與步進電機控制器的信號輸入端相連，步進電機控 制器用于控制二維平移臺在二維平面內(nèi)移動。上述成像系統(tǒng)中的二維平移臺用于裝載成像目標(biāo)，進而實現(xiàn)成像目標(biāo)的二維運 動。本發(fā)明的成像系統(tǒng)利用太赫茲激光器、光學(xué)系統(tǒng)、面陣探測器、二維平移臺、步進電機控 制器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機進行二維面陣掃描成像，每次對成像目標(biāo)的某一區(qū)域進行成像， 最后將各個子圖拼接起來，可以有效擴大成像目標(biāo)尺寸，提高成像速度。要獲得成像目標(biāo)的圖像，需要對二維平移臺和數(shù)據(jù)采集卡進行控制，并對數(shù)據(jù)進 行處理和存儲。根據(jù)面陣探測器的光探測面面積，將成像目標(biāo)劃分成多個小區(qū)域，然后逐一 對每個小區(qū)域進行成像，最后對所有小區(qū)域成的像進行拼接，獲得目標(biāo)的整個圖像。在成像 光源固定的情況下，移動二維平移臺到達合適的初始位置，并在成像過程中完成對目標(biāo)的 完整掃描，同時需要控制面陣探測器的工作時序，并通過數(shù)據(jù)采集卡采集探測數(shù)據(jù)，以及進 行數(shù)據(jù)的處理、圖像的拼接和實時顯示以及存儲。


圖1為太赫茲二維面陣掃描成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為面陣探測器的中心有效范圍的示意圖。圖3為太赫茲二維面陣掃描成像方法的流程圖。
具體實施例方式具體實施方式
一、結(jié)合圖3說明本實施方式，太赫茲二維面陣掃描成像方法，具 體過程如下
步驟一、設(shè)置重疊寬度Λ成像目標(biāo)6的水平位移量cl和豎直位移量c2，具體過程為 根據(jù)面陣探測器2的中心有效范圍a X力、成像目標(biāo)6的成像區(qū)域的長度1、成像目標(biāo)6的成 像區(qū)域的寬度『和成像目標(biāo)6長度方向在面陣探測器2上所占的像素數(shù)/7和成像目標(biāo)6寬 度方向在面陣探測器2上所占的像素數(shù)g確定成像目標(biāo)6的水平位移量cl和豎直位移量 c2 ；
步驟二、移動成像目標(biāo)6，使成像目標(biāo)6處于成像初始位置；
步驟三、采集面陣探測器2上光斑的選擇區(qū)域范圍為X ib+2d)的成像目標(biāo)6 的部分太赫茲子圖像；
步驟四、在與面陣探測器2的光探測面平行的、成像目標(biāo)6所在二維平面內(nèi)，沿一個方 向水平移動成像目標(biāo)6，移動距離為一個水平位移量cl，面陣探測器2和數(shù)據(jù)采集卡4延時時間r，獲得另一幅成像目標(biāo)6的部分太赫茲子圖像；然后將獲得的所述部分太赫茲子圖像 和與其相鄰的成像目標(biāo)6的部分太赫茲子圖像按照邊界重疊寬度J拼接； 步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四，直到獲得完整單行成像目標(biāo)6的圖像； 步驟六、在與面陣探測器2的光探測面平行的、成像目標(biāo)6所在二維平面內(nèi)，沿豎直方 向移動成像目標(biāo)6，移動距離為一個豎直位移量c2，面陣探測器2和數(shù)據(jù)采集卡4延時時間 Λ返回執(zhí)行步驟三、四，完成另一完整單行成像目標(biāo)6的圖像的采集與拼接；
步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六，對成像目標(biāo)6進行成像的逐行掃描，直到獲得成像目標(biāo)6的 完整圖像。1)中心有效范圍aX力=PyrocamIII熱像儀的面陣探測范圍為12. 4mmX 12.4mm，每 幀數(shù)據(jù)是大小為124X 124的二維數(shù)組，由于光斑在面陣探測器2上的能量分布不均勻，而 且無法覆蓋整個探測器，因此每幀圖像的邊緣不準(zhǔn)確，噪聲較大，因此需要對每幀數(shù)據(jù)進行 處理，根據(jù)每次成像實驗時探測光斑的大小設(shè)置選擇區(qū)域范圍a和力，即只選擇中心區(qū)域大 小為a X力的二維數(shù)組，而將其他數(shù)據(jù)作為噪聲舍掉，如圖2所示，光斑的橫向尺寸和縱向尺 寸比較接近，所以通常情況下a動；
2)實際尺寸1和像素數(shù)/7由于光學(xué)系統(tǒng)7不是絕對的平行光路，而且存在透鏡組合， 所以在面陣探測器2上得到的成像目標(biāo)6圖像尺寸和成像目標(biāo)6的實際尺寸1并不一致；
3)掃描步長c掃描步長c為每一次二維平移臺3移動的距離，單位mm ；
4)重疊區(qū)域由于成像光斑不均勻，所以圖像在拼接過程中會出現(xiàn)對比度變化劇烈 的拼縫，從而影響成像質(zhì)量，所以需要對各子圖的拼接邊界進行處理，讓相鄰子圖都包含寬 度為J個像素的目標(biāo)區(qū)域；
5)η幀圖像疊加由于太赫茲激光器1在成像過程中存在波動，影響圖像質(zhì)量，因此需 要對成像目標(biāo)6的同一區(qū)域采集η幅子圖像，相加后取平均值，從而減小激光器波動對圖像 質(zhì)量的影響；
6)掃描行數(shù)e，掃描列數(shù)根據(jù)目標(biāo)的實際尺寸1和掃描步長c確定掃描的范圍，即 掃描整個目標(biāo)所需要移動的步數(shù)，根據(jù)這兩個參數(shù)可以確定最終圖像的大小ae X辦/ ；
7)采集時間間隔T成像過程中，面陣探測器2采集數(shù)據(jù)的頻率為48Hz，但是二維平移 臺3受步進電機控制器8控制的移動速度有限，需要等待二維平移臺3移動到指定位置時 才能夠進行數(shù)據(jù)采集，所以數(shù)據(jù)的采集時間間隔r (單位ms)與掃描步長c成正比。
具體實施方式
二、本實施方式是對具體實施方式
一中步驟一的進一步說明，步驟 一中所述的水平位移量Cl和豎直位移量c2分別為
成像目標(biāo)6的水平位移量cl=a X///7，成像目標(biāo)6的豎直位移量c2= 力XrA7。
具體實施方式
三、本實施方式對具體實施方式
一或二中面陣探測器2的中心有效 范圍aX力的說明，面陣探測器2的中心有效范圍a功。
具體實施方式
四、本實施方式對具體實施方式
一、二或三中步驟一的進一步說明， 步驟三所述的采集一幅成像目標(biāo)6的部分太赫茲子圖像的具體過程如下
步驟三一、多次采集太赫茲激光器1照射在成像目標(biāo)6上形成的太赫茲圖像，獲得η幀 圖像；
步驟三二、根據(jù)面陣探測器2的中心有效范圍a X力提取出步驟三一獲得的η幀圖像的 有效數(shù)據(jù)，并將η幀圖像的有效數(shù)據(jù)按像素點進行疊加處理獲得疊加數(shù)據(jù)，所述有效數(shù)據(jù)為a X力的二維數(shù)組； 步驟三三、將步驟三二獲得的疊加數(shù)據(jù)取平均值，按像素點組成成像目標(biāo)6的部分太 赫茲子圖像。
具體實施方式
五、本實施方式是對具體實施方式
一中步驟四的進一步說明，步驟 四中所述的將獲得的所述部分太赫茲子圖像和與其相鄰的成像目標(biāo)6的部分太赫茲子圖 像按照邊界重疊寬度J拼接的過程具體為
面陣探測器2實際成像時光斑的選擇區(qū)域范圍為C^iW) X (力力 /)，其中i/為重疊區(qū) 域，即相鄰兩幅部分太赫茲子圖像都包含寬度為J個像素的目標(biāo)區(qū)域；
將相鄰成像目標(biāo)6部分的太赫茲子圖像的重疊寬度i/圖像按像素點進行疊加處理獲得 疊加數(shù)據(jù)；并將疊加數(shù)據(jù)取平均值，按像素點完成相鄰圖像的拼接。
具體實施方式
六、本實施方式是對具體實施方式
一中步驟九的進一步說明，步驟 七中實現(xiàn)成像目標(biāo)6的逐行掃描的掃描方式為“之”字形逐行掃描方式或者為蛇形逐行掃 描方式。
具體實施方式
七、結(jié)合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的太赫茲二維面陣 掃描成像系統(tǒng)是實現(xiàn)本發(fā)明所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法的一種成像系統(tǒng)，它由太 赫茲激光器1、光學(xué)系統(tǒng)7、面陣探測器2、二維平移臺3、步進電機控制器8、數(shù)據(jù)采集卡4和 計算機5組成，在所述光學(xué)系統(tǒng)7的兩端沿所述光學(xué)系統(tǒng)7光軸分別設(shè)置太赫茲激光器1 和面陣探測器，使太赫茲激光器1發(fā)出的光束同時垂直于光學(xué)系統(tǒng)7的主面和面陣探測器 2的光探測面，二維平移臺3設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)7和面陣探測器2之間，成像目標(biāo)6放置在二 維平移臺3上，使太赫茲激光器1發(fā)出的光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)7照射在成像目標(biāo)6上，并且經(jīng) 過成像目標(biāo)6的透射光覆蓋在面陣探測器2的光探測面上，面陣探測器2的電信號輸出端 與數(shù)據(jù)采集卡4的信號輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡4的信號輸出端與計算機5的信號輸入端 相連，計算機5的信號輸出端與步進電機控制器8的信號輸入端相連，步進電機控制器8用 于控制二維平移臺3在二維平面內(nèi)移動。本實施方式中的二維平移臺3用于承載成像目標(biāo)6，并通過計算機5、步進電機控 制器8控制二維平移臺3運動，進而實現(xiàn)了成像目標(biāo)6的二維運動。所述計算機5還用于 實現(xiàn)圖像的采集控制，以及圖像的拼接。數(shù)據(jù)采集卡4用于在計算機5的控制下實現(xiàn)面陣 探測器2獲得的圖像信號的采集。面陣探測器2采用PyrocamIII熱像儀；數(shù)據(jù)采集卡4采 用PCI-1710數(shù)據(jù)采集卡；步進電機控制器8采用SC100型步進電機控制器。
權(quán)利要求
太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于具體過程如下步驟一、設(shè)置重疊寬度d、成像目標(biāo)(6)的水平位移量c1和豎直位移量c2，具體過程為根據(jù)面陣探測器(2)的中心有效范圍a×b、成像目標(biāo)(6)的成像區(qū)域的長度l、成像目標(biāo)(6)的成像區(qū)域的寬度w和成像目標(biāo)(6)長度方向在面陣探測器(2)上所占的像素數(shù)p和成像目標(biāo)(6)寬度方向在面陣探測器(2)上所占的像素數(shù)q確定成像目標(biāo)(6)的水平位移量c1和豎直位移量c2；步驟二、移動成像目標(biāo)(6)，使成像目標(biāo)(6)處于成像初始位置；步驟三、采集面陣探測器(2)上光斑的選擇區(qū)域范圍為(a+2d)×(b+2d)的成像目標(biāo)(6)的部分太赫茲子圖像；步驟四、在與面陣探測器(2)的光探測面平行的、成像目標(biāo)(6)所在二維平面內(nèi)，沿一個方向水平移動成像目標(biāo)(6)，移動距離為一個水平位移量c1，面陣探測器(2)和數(shù)據(jù)采集卡(4)延時時間T，獲得另一幅成像目標(biāo)(6)的部分太赫茲子圖像；然后將獲得的所述部分太赫茲子圖像和與其相鄰的成像目標(biāo)(6)的部分太赫茲子圖像按照邊界重疊寬度d拼接；步驟五、重復(fù)執(zhí)行步驟四，直到獲得完整單行成像目標(biāo)(6)的圖像；步驟六、在與面陣探測器(2)的光探測面平行的、成像目標(biāo)(6)所在二維平面內(nèi)，沿豎直方向移動成像目標(biāo)(6)，移動距離為一個豎直位移量c2，面陣探測器(2)和數(shù)據(jù)采集卡(4)延時時間T，返回執(zhí)行步驟三、四，完成另一完整單行成像目標(biāo)(6)的圖像的采集與拼接；步驟七、重復(fù)執(zhí)行步驟六，對成像目標(biāo)(6)進行成像的逐行掃描，直到獲得成像目標(biāo)(6)的完整圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于步驟一中所述的 水平位移量cl和豎直位移量c2分別為成像目標(biāo)(6)的水平位移量cl=aX///7，成像目標(biāo)(6)的豎直位移量c2=力XrA7。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于面陣探測器(2) 的中心有效范圍a功。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于步驟三所述的采 集一幅成像目標(biāo)(6)的部分太赫茲子圖像的具體過程如下步驟三一、多次采集太赫茲激光器(1)照射在成像目標(biāo)(6)上形成的太赫茲圖像，獲得 η幀圖像；步驟三二、根據(jù)面陣探測器(2)的中心有效范圍a X力提取出步驟三一獲得的η幀圖像 的有效數(shù)據(jù)，并將η幀圖像的有效數(shù)據(jù)按像素點進行疊加處理獲得疊加數(shù)據(jù)，所述有效數(shù) 據(jù)為a X力的二維數(shù)組；步驟三三、將步驟三二獲得的疊加數(shù)據(jù)取平均值，按像素點組成成像目標(biāo)(6)的部分 太赫茲子圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于步驟四中所述的 將獲得的所述部分太赫茲子圖像和與其相鄰的成像目標(biāo)(6)的部分太赫茲子圖像按照邊 界重疊寬度J拼接的過程具體為面陣探測器⑵實際成像時光斑的選擇區(qū)域范圍為C^iW) X (力力況)，其中i/為重疊 區(qū)域，即相鄰兩幅部分太赫茲子圖像都包含寬度為J個像素的目標(biāo)區(qū)域；將相鄰成像目標(biāo)(6)部分的太赫茲子圖像的重疊寬度i/圖像按像素點進行疊加處理獲 得疊加數(shù)據(jù)；并將疊加數(shù)據(jù)取平均值，按像素點完成相鄰圖像的拼接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法，其特征在于步驟七中實現(xiàn)成 像目標(biāo)(6)的逐行掃描的掃描方式為“之”字形逐行掃描方式或者為蛇形逐行掃描方式。
7.實現(xiàn)權(quán)利要求1所述的太赫茲二維面陣掃描成像方法的成像系統(tǒng)，其特征在于它由 太赫茲激光器(1)、光學(xué)系統(tǒng)(7)、面陣探測器(2)、二維平移臺(3)、步進電機控制器(8)、數(shù) 據(jù)采集卡(4)和計算機(5)組成，在所述光學(xué)系統(tǒng)(7)的兩端沿所述光學(xué)系統(tǒng)(7)光軸分 別設(shè)置太赫茲激光器(1)和面陣探測器，使太赫茲激光器(1)發(fā)出的光束同時垂直于光學(xué) 系統(tǒng)(7)的主面和面陣探測器(2)的光探測面，二維平移臺(3)設(shè)置在光學(xué)系統(tǒng)(7)和面 陣探測器(2)之間，成像目標(biāo)(6)放置在二維平移臺(3)上，使太赫茲激光器(1)發(fā)出的光 束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)(7)照射在成像目標(biāo)(6)上，并且經(jīng)過成像目標(biāo)(6)的透射光覆蓋在面陣 探測器(2)的光探測面上，面陣探測器(2)的電信號輸出端與數(shù)據(jù)采集卡(4)的信號輸入 端相連，數(shù)據(jù)采集卡(4)的信號輸出端與計算機(5)的信號輸入端相連，計算機(5)的信號 輸出端與步進電機控制器⑶的信號輸入端相連，步進電機控制器⑶用于控制二維平移 臺(3)在二維平面內(nèi)移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成像系統(tǒng)，其特征在于面陣探測器(2)采用PyrocamIII熱像儀。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的成像系統(tǒng)，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡(4)采用PCI-1710數(shù) 據(jù)采集卡。
10.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的成像系統(tǒng)，其特征在于步進電機控制器(8)采用SC100 型步進電機控制器。
全文摘要
太赫茲二維面陣掃描成像方法及實現(xiàn)該方法的成像系統(tǒng)，涉及一種太赫茲掃描成像方法及系統(tǒng)。解決了現(xiàn)有技術(shù)的逐點掃描成像只能處理單個數(shù)據(jù)點造成的成像時間過長的問題，和現(xiàn)有技術(shù)的面陣掃描成像只能對小物體快速成像的問題，本發(fā)明利用太赫茲激光器、光學(xué)系統(tǒng)、面陣探測器、二維平移臺、步進電機控制器、數(shù)據(jù)采集卡和計算機進行二維面陣掃描成像，在成像光源固定的情況下，移動二維平移臺到達合適的初始位置，并在成像過程中完成對目標(biāo)的完整掃描，每次對成像目標(biāo)的某一區(qū)域進行成像，最后將各個子圖拼接起來，要獲得成像目標(biāo)的圖像，需要對二維平移臺和數(shù)據(jù)采集卡進行控制，并對數(shù)據(jù)進行處理和存儲。適用于大尺寸、高速的目標(biāo)成像。
文檔編號G01V8/10GK101806748SQ201010132060
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月25日
發(fā)明者丁勝暉, 姚睿, 李琦, 王騏 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)