本發(fā)明涉及太赫茲波探測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雙像素的提高太赫茲波壓縮感知成像質(zhì)量的裝置。

背景技術(shù)：

太赫茲(Terahertz，簡(jiǎn)稱THz，1THz＝10¹²Hz)輻射是指頻率從0.1THz到10THz，相應(yīng)的波長(zhǎng)從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域。太赫茲輻射在電磁波譜中所處的特殊位置賦予了其一系列特殊的性質(zhì)，這使得太赫茲技術(shù)可以應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)、物質(zhì)特性研究、安檢等方向。太赫茲波相關(guān)技術(shù)在過(guò)去二十年取得了較快發(fā)展，其中太赫茲波成像作為其研究熱點(diǎn)之一更是取得了一系列成果。隨著太赫茲波成像技術(shù)的不斷成熟，逐點(diǎn)掃描式和陣列式成像的速度、靈敏度和空間分辨率逐漸提升。然而逐點(diǎn)掃描式成像速度慢與陣列式成像靈敏度較低的問(wèn)題仍然沒(méi)有得到較好的解決，太赫茲成像領(lǐng)域?qū)焖偾揖哂懈哽`敏度的成像方法有著迫切的需求。

壓縮感知是一種充分利用信號(hào)稀疏性或可壓縮性的全新信號(hào)采集、編解碼理論，能夠在采樣率遠(yuǎn)小于香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理下實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣。2006年，美國(guó)萊斯大學(xué)研制出了第一款基于壓縮感知的成像樣機(jī)，被稱為“單像素相機(jī)”，它只利用一個(gè)探測(cè)器就能夠?qū)崿F(xiàn)二維圖像信號(hào)的采集。基于壓縮感知的太赫茲波成像是一種能夠在保證靈敏度的前提下有效降低采樣率，提高成像速度的新型太赫茲成像技術(shù)。常見(jiàn)的壓縮感知成像過(guò)程是將太赫茲波均勻化后覆蓋成像物體，透過(guò)成像物體的太赫茲波攜帶物體信息，然后太赫茲輻射由掩模板上的掩模矩陣調(diào)制，探測(cè)器接收調(diào)制后的強(qiáng)度或相位信息。

為了得到成像物體準(zhǔn)確的全局信息，需要太赫茲輻射均勻的覆蓋成像物體，但是太赫茲輻射一般服從高斯分布。太赫茲波段的均勻化器件匱乏，雖然擴(kuò)束會(huì)導(dǎo)致輻射分布相對(duì)均勻，但仍然無(wú)法較好滿足輻射均勻化的要求。如果以分布不均勻的太赫茲輻射成像，這相當(dāng)于在成像物體上添加了一個(gè)輻射分布矩陣，而高斯分布是不易稀疏的，所以成像結(jié)果不會(huì)是簡(jiǎn)單的成像物體與輻射分布的疊加，而是會(huì)出現(xiàn)重建的誤差甚至錯(cuò)誤。

此外，現(xiàn)階段的太赫茲輻射源的穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步提高，難以滿足長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量的要求，而太赫茲輻射源的波動(dòng)性和太赫茲熱輻射探測(cè)器受外界環(huán)境影響產(chǎn)生的溫度漂移，會(huì)導(dǎo)致成像結(jié)果產(chǎn)生誤差的可能性劇增或直接產(chǎn)生較大誤差。

當(dāng)前，通過(guò)改進(jìn)恢復(fù)算法從殘缺或被噪聲污染的采樣信號(hào)中恢復(fù)出原信號(hào)的方法，也取得了一定效果，然而該途徑只能在干擾小到一定條件下以一定的概率較好的恢復(fù)出信號(hào)。所以現(xiàn)階段急需一種能夠在信號(hào)采樣階段就能消除或減小噪聲和其它影響的方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于雙像素的提高太赫茲波壓縮感知成像質(zhì)量的裝置，本發(fā)明克服了現(xiàn)有采樣方法的不足，在太赫茲波壓縮感知成像的采樣階段就最大程度減小外界條件影響，提高成像質(zhì)量，詳見(jiàn)下文描述：

一種基于雙像素的提高太赫茲波壓縮感知成像質(zhì)量的裝置，所述裝置包括：太赫茲波聚焦透鏡，所述裝置還包括：

同時(shí)實(shí)現(xiàn)透射和反射的掩模板、第一太赫茲波探測(cè)器以及第二太赫茲波探測(cè)器，

所述第一太赫茲波探測(cè)器以及所述第二太赫茲波探測(cè)器的型號(hào)相同，所述太赫茲波聚焦透鏡設(shè)置在所述掩模板與所述第一太赫茲波探測(cè)器之間；

攜帶有成像物體信息的太赫茲波經(jīng)過(guò)所述掩模板、并被所述掩模板調(diào)制，所述掩模板與成像物體在光路中平行放置；

所述第一太赫茲波探測(cè)器以及所述第二太赫茲波探測(cè)器分別接收經(jīng)過(guò)所述掩模板透射和反射的太赫茲輻射；

將所述第一太赫茲波探測(cè)器接收到的輻射強(qiáng)度數(shù)組、分別與所述第二太赫茲波探測(cè)器接收到的輻射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)相加并處理，得到歸一化后的透射和反射輻射強(qiáng)度數(shù)組；

歸一化后的透射強(qiáng)度數(shù)組與反射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)相減并處理，得到抑制輸出波動(dòng)與外界干擾的測(cè)試數(shù)據(jù)；

將測(cè)試數(shù)據(jù)輸入壓縮感知恢復(fù)程序即可得到重構(gòu)圖像。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、雙路探測(cè)器分別接收調(diào)制后透射和反射的太赫茲輻射，相比于單路探測(cè)器，等同于提高了調(diào)制深度，能夠提高信號(hào)信噪比，改善恢復(fù)圖像的質(zhì)量；

2、采用兩個(gè)相同型號(hào)探測(cè)器同時(shí)進(jìn)行透射和反射輻射的采集，可以有效減小輻射源的波動(dòng)性對(duì)成像數(shù)據(jù)的影響，提高圖像恢復(fù)的準(zhǔn)確度；

3、將透射接收的輻射強(qiáng)度與反射探測(cè)到的輻射強(qiáng)度相減，能夠減小相鄰像素間的輻射分布的不均勻、及其它外部干擾(如溫度、振動(dòng)等)的影響，提高了恢復(fù)圖像的質(zhì)量。

4、本發(fā)明采用雙路探測(cè)器同時(shí)采集太赫茲波壓縮感知成像中的透射和反射輻射，具有裝置簡(jiǎn)易、數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單、噪聲抑制效果好的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為基于雙像素的提高太赫茲波壓縮感知成像質(zhì)量的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為成像物體圖(a)、以及對(duì)比效果圖(b和c)。

附圖中，各部件表示的列表如下：

1：可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)透射和反射的掩模板； 2：太赫茲波聚焦透鏡；

3：第一太赫茲波探測(cè)器； 4：第二太赫茲波探測(cè)器。

其中，第一太赫茲波探測(cè)器3、第二太赫茲波探測(cè)器4的型號(hào)相同。

掩模板1中標(biāo)B部分表示太赫茲波可以透過(guò)，透射的輻射由太赫茲波聚焦透鏡2匯聚到第一太赫茲波探測(cè)器4；

掩模板1中標(biāo)A部分表示對(duì)太赫茲波高反(拋光或表面鍍金處理)，反射的太赫茲輻射由第二太赫茲波探測(cè)器4接收。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

參見(jiàn)圖1，一種基于雙像素的提高太赫茲波壓縮感知成像質(zhì)量的裝置，包括：可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)透射和反射的掩模板1、太赫茲波聚焦透鏡2、第一太赫茲波探測(cè)器3以及第二太赫茲波探測(cè)器4。

其中，第一太赫茲波探測(cè)器3以及第二太赫茲波探測(cè)器4的型號(hào)相同，太赫茲波聚焦透鏡2設(shè)置在掩模板1與第一太赫茲波探測(cè)器3之間。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，太赫茲源產(chǎn)生太赫茲波輸出，太赫茲波以一定的角度入射成像物體1，攜帶有成像物體信息的太赫茲波經(jīng)過(guò)掩模板1并被掩模板1調(diào)制，掩模板1與成像物體在光路中平行放置。

第一太赫茲波探測(cè)器3以及第二太赫茲波探測(cè)器4分別接收經(jīng)過(guò)掩模板1透射和反射的太赫茲輻射，將第一太赫茲波探測(cè)器3以及第二太赫茲波探測(cè)器4分別采集到的輻射強(qiáng)度求和，對(duì)其歸一化就可以消除輻射源的波動(dòng)對(duì)成像結(jié)果的影響。

將第一太赫茲波探測(cè)器3以及第二太赫茲波探測(cè)器4接收到的輻射強(qiáng)度對(duì)應(yīng)相減，能夠減小輻射強(qiáng)度分布不均勻造成的影響，同時(shí)能很大程度上消除隨機(jī)噪聲及背景噪聲。

其中，掩模板1能同時(shí)實(shí)現(xiàn)太赫茲波的透射和反射。金屬掩模板1上鏤空的部分可以實(shí)現(xiàn)太赫茲波的透射，非鏤空部分進(jìn)行拋光或鍍金處理，增加對(duì)太赫茲波的反射率。總的透射和反射的輻射強(qiáng)度大致趨近1:1。

將最終透射端的第一太赫茲波探測(cè)器3接收到的輻射強(qiáng)度數(shù)組、分別與反射端第二太赫茲波探測(cè)器4接收到的輻射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)一一相加，相加得到的數(shù)組為不同時(shí)間的透過(guò)成像物體的輻射總強(qiáng)度，在輸出沒(méi)有波動(dòng)的情況下，該數(shù)組中各個(gè)元素都應(yīng)該相等?，F(xiàn)將其元素都乘一個(gè)系數(shù)使其均相等，即得到歸一化的總強(qiáng)度，然后得到歸一化后的透射和反射輻射強(qiáng)度數(shù)組，即得到了消除輻射源輸出波動(dòng)性后的測(cè)量數(shù)據(jù)。

歸一化后的透射強(qiáng)度數(shù)組與反射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)相減，即可減小輻射分布不均勻及外界噪聲的影響。然后將作差得到的數(shù)組輸入恢復(fù)算法，即可得到抑制輸出波動(dòng)與外界干擾的恢復(fù)圖像。

其中，上述提到的透射強(qiáng)度數(shù)組與反射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)相加、透射強(qiáng)度數(shù)組與反射強(qiáng)度數(shù)組對(duì)應(yīng)相減、歸一化的步驟、以及恢復(fù)算法均是本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知，本發(fā)明實(shí)施例并未對(duì)涉及軟件的部分作任何改進(jìn)，只是直接運(yùn)用了該些軟件。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙像素的提高太赫茲壓縮感知成像質(zhì)量的裝置，能夠在采樣階段減小外部環(huán)境對(duì)太赫茲壓縮感知成像結(jié)果的影響，有效提高成像質(zhì)量。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖1，對(duì)實(shí)施例1中的方案、工作原理進(jìn)行進(jìn)一步地介紹，詳見(jiàn)下文描述：

本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供一種在數(shù)據(jù)采集階段減小輻射源的波動(dòng)性、及噪聲對(duì)太赫茲波壓縮感知成像影響的裝置。

太赫茲源產(chǎn)生太赫茲波輸出，太赫茲波經(jīng)過(guò)成像物體后，攜帶有成像物體信息的太赫茲波經(jīng)過(guò)掩模板1(可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)透射和反射)、并被掩模板1調(diào)制，掩模板1以一定的角度(30°～75°)放置在太赫茲波路徑上，掩模板1的具體傾斜角度由成像物體的尺寸決定，且掩模板1與成像物體在光路中平行放置。

兩個(gè)相同型號(hào)的第一太赫茲波探測(cè)器3、第二太赫茲波探測(cè)器4分別接收經(jīng)過(guò)掩模板1透射(經(jīng)過(guò)太赫茲波聚焦透鏡2)和反射的太赫茲輻射強(qiáng)度，更換掩模矩陣，得到不同的調(diào)制并接收對(duì)應(yīng)的太赫茲輻射強(qiáng)度。

其中，壓縮感知成像的理論模型(本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知)為：Y＝AX，A為掩模矩陣，X為成像物體，輻射源的不穩(wěn)定性表現(xiàn)為U，噪聲為N。實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的測(cè)量值Y’＝UAX+N。輻射源的不穩(wěn)定性對(duì)測(cè)量的影響是全局性的，相當(dāng)于在掩模矩陣A前乘了一個(gè)系數(shù)。外界環(huán)境產(chǎn)生的噪聲直接作用在探測(cè)器上只是讓探測(cè)器的輸出強(qiáng)度產(chǎn)生了波動(dòng)。若忽略這些因素的影響，直接由A^-1Y’去恢復(fù)X，顯然得到的是不準(zhǔn)確的X。

若采用兩個(gè)相同型號(hào)探測(cè)器分別采集透射和反射的太赫茲輻射，透射端的第一太赫茲波探測(cè)器3采集得到的輻射Y₁＝U₁AX+N₁，反射端第二太赫茲波探測(cè)器4探測(cè)到的輻射為Y₂＝U₂AX+N₂，N₁和N₂為噪聲干擾。

掩模矩陣中可透射部分(B)和不可透射部分(A)的和一定是矩陣的大小，所以透射端的第一太赫茲波探測(cè)器3探測(cè)到的輻射強(qiáng)度、與反射端第二太赫茲波探測(cè)器4探測(cè)到的輻射強(qiáng)度的總和是透過(guò)成像物體的輻射總量。

若輻射源輸出穩(wěn)定，則透射端和反射端的輻射強(qiáng)度和總是一個(gè)定值。數(shù)組Y₁和Y₂求和得到(Y₁+Y₂)，求歸一化系數(shù)α，使α(Y₁+Y₂)為一個(gè)恒定值，這樣即消除了輻射源的波動(dòng)性對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

因?yàn)榈谝惶掌澆ㄌ綔y(cè)器3、第二太赫茲波探測(cè)器4的型號(hào)相同，且處在相同的測(cè)量環(huán)境中，所以外界干擾對(duì)其產(chǎn)生的影響大小是相等的，N₁＝N₂。將歸一化后的Y₁和Y₂作差，即可消除噪聲對(duì)測(cè)量的影響。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例提供的基于雙像素的提高太赫茲壓縮感知成像質(zhì)量的裝置，克服了現(xiàn)有采樣的不足，在太赫茲壓縮感知成像的采樣階段就最大程度減小外界條件影響，提高了成像質(zhì)量。

實(shí)施例3

下面結(jié)合圖2對(duì)實(shí)施例1和2中的裝置進(jìn)行可行性驗(yàn)證，詳見(jiàn)下文描述：

本實(shí)驗(yàn)?zāi)M了在噪聲情況下一路探測(cè)器得到的恢復(fù)圖像，與本發(fā)明實(shí)施例提到的同時(shí)探測(cè)透射和反射的太赫茲輻射恢復(fù)得到的圖像，如圖2所示。

其中，圖a為成像物體，具體為20×20的字母“H”。圖b顯示了在2％的隨機(jī)噪聲下，只用一路探測(cè)器采集透射輻射然后恢復(fù)的圖像，其峰值信噪比(peak signal to noise ratio,PSNR)為5.95，圖像無(wú)法辨識(shí)。圖c顯示的是在2％的隨機(jī)噪聲下，用兩路探測(cè)器(第一太赫茲波探測(cè)器3、第二太赫茲波探測(cè)器4)分別采集透射和反射的輻射然后恢復(fù)出的圖像，其PSNR為23.1?？梢钥吹綀D像整體對(duì)比度有顯著提高，邊緣線條清晰。第一太赫茲波探測(cè)器3、第二太赫茲波探測(cè)器4得到的結(jié)果不僅僅是兩個(gè)恢復(fù)結(jié)果的簡(jiǎn)單疊加，而是較大程度上抑制了噪聲，最大程度的保留了成像物體的信息。

通過(guò)上述試驗(yàn)，可以直接的驗(yàn)證本發(fā)明實(shí)施例1和2中裝置的可行性，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要，提高了成像質(zhì)量。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說(shuō)明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。