本發(fā)明涉及太赫茲數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域，尤其涉及一種基于反射時(shí)域波形加窗的太赫茲成像方法。

背景技術(shù)：

太赫茲(terahertz，簡稱thz)波是指頻率在0.1-10thz的電磁波。由于太赫茲波可以穿透大多數(shù)非極性物質(zhì)，因此可對不透明的非極性物質(zhì)進(jìn)行成像，檢測其內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)和缺陷。太赫茲時(shí)域光譜反射成像技術(shù)是一種典型的太赫茲成像技術(shù)。目前，傳統(tǒng)的太赫茲時(shí)域光譜反射成像技術(shù)是通過二維掃描臺的移動(dòng)，首先獲取從樣本每一空間點(diǎn)上反射的太赫茲時(shí)域波形，然后對完整的太赫茲時(shí)域波形進(jìn)行傅立葉變換，獲得每一空間點(diǎn)的頻域波形，最后通過選取時(shí)域或頻域波形中的不同物理量，獲得不同的太赫茲圖像。傳統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜反射成像算法存在以下缺點(diǎn)：(1)太赫茲反射時(shí)域波形是由不同時(shí)延下太赫茲波在樣本中不同界面的反射脈沖組成，通常情況下，樣本上表面的反射脈沖沒有包含任何缺陷信息，但它的幅值卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它界面的反射脈沖幅值，在對完整的反射時(shí)域波形進(jìn)行傅立葉變換時(shí)，樣本上表面的反射脈沖將起到主導(dǎo)作用，會淹沒樣本內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)和缺陷信息。(2)太赫茲反射時(shí)域波形經(jīng)過傅立葉變換后每一個(gè)頻率分量在頻域?qū)?yīng)一個(gè)頻點(diǎn)，但每一個(gè)頻率分量在時(shí)域則覆蓋整個(gè)時(shí)間軸，因此傅立葉變換無法反映某個(gè)頻率分量發(fā)生在時(shí)間軸的哪個(gè)時(shí)域段，即傅立葉變換無任何時(shí)域定位性能。因此樣本的頻域信號失去了時(shí)間信息，無法區(qū)分樣本內(nèi)部不同界面處反射脈沖，即無法分層體現(xiàn)樣本內(nèi)部不同界面處的結(jié)構(gòu)和深度信息。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服傳統(tǒng)太赫茲時(shí)域光譜反射成像算法對樣本內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)和缺陷檢測的不足，提供一種基于反射時(shí)域波形加窗的太赫茲成像方法，能夠改善樣本內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測效果。

本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

基于反射時(shí)域波形加窗的太赫茲成像方法,包括以下步驟：

(1)設(shè)置太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)工作在反射模式下，調(diào)整太赫茲鏡頭，使樣本中間深度位置處于最佳焦平面處。對樣本進(jìn)行太赫茲反射成像掃描，獲得樣本掃描平面內(nèi)每一空間點(diǎn)的太赫茲反射時(shí)域波形；

(2)對樣本的太赫茲反射時(shí)域波形進(jìn)行分析，獲得樣本上表面反射脈沖在完整反射時(shí)域波形中的位置；

(3)去除樣本所有空間點(diǎn)的太赫茲反射時(shí)域波形的上表面反射脈沖，并用上表面反射脈沖周圍鄰域的振幅值來代替去除部分的振幅值，獲得新的太赫茲反射時(shí)域波形；

(4)利用新獲取的太赫茲反射時(shí)域波形進(jìn)行太赫茲c掃描水平成像；

(5)分析太赫茲c掃描水平成像結(jié)果，獲取缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域的太赫茲反射時(shí)域波形；

(6)對缺陷區(qū)域處進(jìn)行太赫茲b掃描截面成像，分析太赫茲b掃描截面成像結(jié)果，可初步確定樣本中存在缺陷的深度位置及個(gè)數(shù)；

(7)結(jié)合太赫茲b掃描截面成像結(jié)果，分析缺陷區(qū)域和非缺陷區(qū)域反射時(shí)域波形的組成成分，確定缺陷處的反射脈沖在反射時(shí)域波形中的位置及個(gè)數(shù)；

(8)根據(jù)太赫茲反射時(shí)域波形的分析結(jié)果，對反射時(shí)域波形進(jìn)行加窗處理，獲得不同時(shí)域段信號；

(9)對每一段時(shí)域信號分別進(jìn)行太赫茲c掃描水平成像,即太赫茲切片成像；

(10)分析太赫茲切片成像結(jié)果，得到樣本內(nèi)部缺陷的面積及個(gè)數(shù)。

作為優(yōu)選實(shí)施方式，其特征在于：

在步驟(4)中，太赫茲c掃描水平成像是指選取時(shí)域或頻域中的不同參數(shù)對樣本進(jìn)行平面太赫茲二維成像。

在步驟(5)中，太赫茲b掃描截面成像是指對樣本的某一切面進(jìn)行成像，橫坐標(biāo)代表樣本水平或垂直位置，縱坐標(biāo)代表樣本深度位置。

在步驟(6)中,計(jì)算缺陷的深度位置采用反射模式下時(shí)延差法，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中d為缺陷距樣本上表面的距離，c為真空中光速，n為待測樣本折射率，δt為缺陷界面的反射脈沖與樣本上表面反射脈沖之間的時(shí)延差。

在步驟(8)中，根據(jù)反射脈沖的位置，沿著時(shí)域信號移動(dòng)窗函數(shù)，獲得不同時(shí)域段信號。

在步驟(10)中計(jì)算缺陷面積的方法為:缺陷區(qū)域總的像素個(gè)數(shù)乘以單個(gè)像素面積，單個(gè)像素面積為b×b，其中b為掃描臺步進(jìn)。

本發(fā)明的有益效果在于：首先，去除了樣本上表面反射脈沖對樣本內(nèi)部不同界面反射脈沖的影響，即去除了樣本表面信息，重點(diǎn)突出了樣本內(nèi)部的結(jié)構(gòu)信息；其次，對太赫茲反射時(shí)域波形進(jìn)行“加窗分析”和“局部頻譜分析”，選取每一段時(shí)域或頻域信號的不同參數(shù)進(jìn)行太赫茲c掃描水平成像，即對樣本內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息進(jìn)行分層切片成像，突出了樣本內(nèi)部不同界面處的信息。此方法不僅能對樣本內(nèi)部信息進(jìn)行切片成像分析，還能更好的抑制噪聲，有效地提高了太赫茲波對樣本內(nèi)部層間結(jié)構(gòu)和缺陷的檢測能力。

附圖說明

圖1為基于反射時(shí)域波形加窗的太赫茲成像方法流程圖。

圖2為太赫茲反射時(shí)域光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為采用傳統(tǒng)太赫茲成像算法得到的樣本成像信息圖。

圖4為去除樣本上表面反射脈沖后采用傳統(tǒng)太赫茲成像算法得到的樣本成像信息圖。

圖5(a)為參考信號反射時(shí)域波形。

圖5(b)為缺陷區(qū)域與非缺陷區(qū)域太赫茲反射時(shí)域波形圖。

圖6(a)為樣本x＝25時(shí)列截面成像圖。

圖6(b)為樣本x＝68時(shí)列截面成像圖。

圖7(a)為反射時(shí)域波形30-37ps時(shí)域段的切片成像圖。

圖7(b)為反射時(shí)域波形48-53ps時(shí)域段的切片成像圖。

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，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

在詳細(xì)說明本發(fā)明的太赫茲成像方法前，首先介紹一下本發(fā)明采用的美國zomega公司生產(chǎn)的太赫茲時(shí)域光譜反射成像系統(tǒng)。如圖1、圖2所示，系統(tǒng)中飛秒激光器1的中心波長為1560nm，脈沖寬度為80-90fs，波形采樣率為500hz,功率為20-30mw，最大時(shí)延為110ps,時(shí)間分辨率為0.05ps，頻率分辨率為11ghz。整個(gè)系統(tǒng)的工作原理：首先，一束太赫茲飛秒激光器1發(fā)射的脈沖信號經(jīng)過分束鏡2分為兩束，較強(qiáng)的一束作為泵浦光，經(jīng)過時(shí)間延遲控制單元3入射到太赫茲發(fā)射器4上產(chǎn)生太赫茲短脈沖；然后經(jīng)過離軸拋物面鏡5的聚焦和準(zhǔn)直，傳輸?shù)教綔y聚焦，即樣本9的位置處；另一束較弱的光作為探測光，經(jīng)過多個(gè)太赫茲透鏡7、8，傳輸?shù)綐颖?的位置處，來探測太赫茲脈沖的瞬時(shí)電場的振幅，調(diào)整掃描太赫茲脈沖和探測光之間的時(shí)間延遲來獲取太赫茲電場強(qiáng)度隨時(shí)間變化的波形，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)11。結(jié)合x-y二維掃描臺10，可以實(shí)現(xiàn)對樣本的反射成像掃描。太實(shí)驗(yàn)過程中，為了避免空氣中水蒸氣的影響，將太赫茲發(fā)射器4、接收器6及待測樣本9放置于充有干燥空氣的密封罩內(nèi)。

實(shí)施例1：

實(shí)驗(yàn)所用的樣本是哈爾濱玻璃鋼研究院制造的環(huán)氧玻璃纖維板，它的主要成分是玻璃纖維和環(huán)氧樹脂，其中纖維含量在60-70％左右，由多層單向玻璃纖維布按0/90°的方向交叉鋪層，經(jīng)層壓成型工藝制成。其中，每層玻璃纖維布的厚度為0.2mm，整個(gè)樣本大小為100mm(長)*100mm(寬)*3mm(高)。在距離玻璃纖維板上表面0.9mm(3mm*30％)的深度均勻地埋有大小為20mm(長)*20mm(寬)*0.1mm(高)的正方形聚四氟乙烯、20mm(直徑)*0.1mm(高)的圓形聚四氟乙烯、20mm(邊長)*0.1mm(高)的等邊三角形聚四氟乙烯、20mm(相對兩角間的距離)*0.1mm(高)的五角星形聚四氟乙烯。在距離纖維板上表面1.8mm(3mm*60％)的深度均勻地埋有大小為10mm(長)*10mm(寬)*0.1mm(高)的正方形聚四氟乙烯、10mm(直徑)*0.1mm(高)的圓形聚四氟乙烯、10mm(邊長)*0.1mm(高)的等邊三角形聚四氟乙烯、10mm(相對兩角間的距離)*0.1mm(高)的五角星形聚四氟乙烯。同樣形狀處于不同深度的大小缺陷的水平中心對齊，樣本的上下表面平整，從樣本表面完全看不出內(nèi)部結(jié)構(gòu)及缺陷。

(1)開啟激光器和計(jì)算機(jī)等，設(shè)置太赫茲時(shí)域光譜成像系統(tǒng)的工作模式為反射模式，將待測樣本置于如圖2所示的檢測位置上，設(shè)置掃描步進(jìn)為1mm，掃描面積為100*100mm²，啟動(dòng)二維掃描臺，獲得樣本掃描平面內(nèi)所有空間點(diǎn)的太赫茲反射時(shí)域波形。

(2)對完整的太赫茲反射時(shí)域波形進(jìn)行傅立葉變換，采用0-5thz頻率點(diǎn)振幅成像，選擇成像信息效果較好的0.26thz振幅成像，如圖3所示。

(3)去除樣本所有空間點(diǎn)的太赫茲反射時(shí)域波形的上表面反射脈沖，并用上表面反射脈沖周圍鄰域的振幅值來代替去除部分的振幅值，獲得新的太赫茲反射時(shí)域波形。

(4)對新的太赫茲反射時(shí)域波形采用與步驟(2)同樣的成像算法，結(jié)果如圖4所示。圖4樣本的內(nèi)部缺陷成像效果明顯比圖3好,我們可以觀察到隱藏在第一層大聚四氟乙烯缺陷下的小聚四氟乙烯缺陷,能夠初步判定缺陷的水平位置。

(5)獲取不含缺陷區(qū)域中像素點(diǎn)位置(13,13)、含有一層缺陷區(qū)域中像素點(diǎn)位置(19,34)和含兩層缺陷區(qū)域中像素點(diǎn)位置(24,25)的完整反射時(shí)域波形，如圖5所示。圖5(a)的參考信號是在焦點(diǎn)放置金屬板測反射時(shí)域波形。

(6)對圖4中的x＝25，x＝68進(jìn)行列截面成像，結(jié)果如圖6所示。從圖6中可以觀察樣本內(nèi)部有兩個(gè)明顯的反射界面，樣本上表面到第一層大聚四氟乙烯缺陷的時(shí)延差為δt1＝13ps，樣本上表面到第二層小聚四氟乙烯缺陷的時(shí)延差為δt2＝28ps，由公式計(jì)算得到第一層大聚四氟乙烯缺陷的深度為0.91mm，第二層小聚四氟乙烯缺陷的深度為1.96mm，與預(yù)埋缺陷的深度位置基本一致。

(7)結(jié)合圖5的反射時(shí)域波形和圖6的截面成像分析，對于非缺陷區(qū)域，太赫茲反射時(shí)域波形的組成如下：

ar＝ar1+ar4

其中，ar1對應(yīng)空氣與樣本上表面的界面反射脈沖，在時(shí)域波形中處于18-25ps的位置,ar4對應(yīng)樣本下表面與空氣的界面反射脈沖，在時(shí)域波形中處于59-67ps的位置。

對于只含有單層缺陷的區(qū)域，太赫茲反射時(shí)域波形的組成如下：

ar'＝ar1+ar2+ar4

其中，ar2是玻璃纖維板與大聚四氟乙烯缺陷上表面的反射脈沖和大聚四氟乙烯缺陷下表面與玻璃纖維板的反射脈沖的疊加，因?yàn)槿毕莸暮穸刃∮谔掌潟r(shí)域光譜成像系統(tǒng)的深度分辨率，故在時(shí)域波形中表現(xiàn)為疊加脈沖ar2，在時(shí)域波形中處于30-37ps的位置。

對于含有兩層缺陷的區(qū)域，太赫茲反射時(shí)域波形的組成如下：

ar”＝ar1+ar2+ar3+ar4

其中,ar3是玻璃纖維板與小聚四氟乙烯缺陷上表面的反射脈沖和小聚四氟乙烯缺陷下表面與玻璃纖維板的反射脈沖的疊加,在時(shí)域波形中處于48-53ps的位置。在樣本所有空間點(diǎn)的時(shí)域波形中，上表面反射脈沖延時(shí)68ps左右均出現(xiàn)了一個(gè)小脈沖峰，對比參考信號，我們認(rèn)為此處的脈沖為系統(tǒng)信息，與樣本信息無關(guān)。

(8)根據(jù)反射脈沖的組成成分對完整反射時(shí)域波形加窗，在此實(shí)施例中選擇高斯窗函數(shù)，根據(jù)樣本內(nèi)部不同界面的反射脈沖位置和寬度調(diào)整窗函數(shù)的中心和寬度獲得不同時(shí)域段信號。

(9)對截取的不同時(shí)域段信號進(jìn)行太赫茲c掃描水平成像。在此實(shí)施例中，我們截取了30-37ps和48-53ps的時(shí)域信號，采用每一時(shí)域段的最大峰值進(jìn)行切片成像，結(jié)果如圖7所示。

(10)根據(jù)圖7分析缺陷大小，大正方形缺陷面積約為20*20mm²左右，小正方形缺陷面積約為10*10mm²左右；大三角形的邊長約為20mm,小三角形的邊長約為10mm；大圓形缺陷的直徑約為20mm,小圓形缺陷的直徑約為10mm；大五角星形相對兩角間的距離約為20mm,小五角星形相對兩角間的距離約為10mm；太赫茲成像檢測缺陷大小與預(yù)埋缺陷大小基本一致。