[发明专利]一种三维太赫兹成像方法及其成像系统

说明书

本发明公开了一种三维太赫兹成像方法，具体涉及一种频域太赫兹相干层析成像方法。宽带太赫兹波被分成探测波和参考波，探测波被聚焦成点波束或线波束入射到被测物体上，参考波则是被原路反射回。不同频率的探测波入射到物体的不同深度处发生背向散射，背向散射回的携带物体深度信息的探测波与参考波的光程差恒定发生干涉；干涉信号经光栅分频后聚焦到线阵型或者面阵型太赫兹探测器上，探测器的不同像元探测不同频率和不同位置的干涉信号的振幅信息；对被测物体进行一维或者二维平面的连续扫描并实时采集扫描的相干信息，最终得到物体的全部三维结构数据。该方法可以显著提高太赫兹三维成像的速度并且可以在高信噪比的情况下获得高的纵向分辨率。

技术领域

本发明涉及一种三维太赫兹成像方法，具体涉及一种频域太赫兹相干层析成像方法，特别是涉及一种并行频域太赫兹相干层析成像的方法。

背景技术

太赫兹波(太赫兹)是指频率在0.l～10太赫兹频段内(波长3mm～30μm)的电磁波，处于宏观经典理论向微观量子理论的频域过渡区，因此兼备电子学和光子学的双重特征。太赫兹波对于金属等高电导率材料具有很强的反射特性；对于大多数极性分子，如水、氨气等，具有很强的吸收性；而对于很多非金属材料和非极性物质有较好的穿透特性，它能够透过泡沫、塑料、橡胶、树脂等高分子复合材料，以及绝缘、绝热等可见光和红外光、甚至超声波都无法透过的材料，因此太赫兹探测技术具有广泛的应用前景。

太赫兹探测技术的应用主要集中在太赫兹成像领域，根据探测太赫兹辐射形式的不同，可以将太赫兹成像大致分为太赫兹脉冲成像和太赫兹连续波成像两大类。对于太赫兹脉冲辐射成像，主要采用点扫描的太赫兹时域谱方法，但是太赫兹时域谱点扫描成像的成像速度慢，无法实现实时成像，分辨率取决于扫描步距和光斑尺寸，很难大幅提高，因此这种成像方式的发展在很多应用中受到限制。太赫兹连续波成像是一种根据被测物体反射或透射波的强度信息获得图像的成像方式，其基本原理是组成被测物体的各种材料及内部结构会对太赫兹波产生不同的散射作用，影响太赫兹波的强度分布，反映到物体的图像上显示为明暗(即强度)的不同，据此可推出物体内部形状、缺陷或损伤位置。连续太赫兹波源可获得相对较高的输出功率，所以仅靠强度信息也能够获得足够的信噪比，满足成像应用的需要。实现太赫兹连续波成像的一种有效方式是利用太赫兹焦平面阵列成像，其无需对被测物体进行二维扫描就能直接获取整个被测物体的振幅信息，从而获得被测物体的二维图像，可以克服太赫兹时域谱点扫描成像扫描时间过长的缺点。

对于被测物体的二维成像技术，由于其只能得到被测物体截面或者表面信息，无法得到被测物体完整内部形貌，因此这种成像方式在很多应用中都受到限制。被测物体的三维(三维)图像则可以获取比二维图像更丰富的分布信息，所以太赫兹三维成像技术是目前太赫兹成像技术的研究热点。获取被测物体太赫兹三维图像的成像方式主要有太赫兹全息成像、太赫兹合成孔径成像、太赫兹计算机辅助层析成像、太赫兹相干层析成像等。太赫兹全息成像技术有许多不足之处，例如无法提供被测物体的精确折射率信息，而且由于依赖多重散射和衍射效应，图像的信噪比非常低下；而利用利用几个角度投影切片合成图像的太赫兹计算机辅助层析成像技术则分辨率较低，而且不适于大尺寸和非轴对称性物体的检测。

相对于其他几种成像方法，太赫兹相干层析成像方法对材料内部的孔隙、裂纹和粘接的夹层、分层等缺陷尤其是三维空间分布具备卓越的检出效果。太赫兹相干层析成像方法是利用太赫兹波的低相干性，通过测量被测物体不同深度层面的背向反射或散射信号与参考波的干涉强度信息获知被测物体的三维结构。一种太赫兹相干层析成像过程方法是移动参考臂的参考镜，而来自被测物体不同层的反射波只有与参考臂的光程匹配时才能发生干涉，因此通过移动参考臂的参考镜达到对被测物体进行扫描的目的，这种太赫兹相干层析成像方法被称为时域太赫兹相干层析成像方法。时域太赫兹相干层析成像方法需要通过移动参考臂的参考镜改变参考臂的光程长度才可以获得时间域的干涉强度分布，而深度信息则需要对输出光谱进行傅里叶变换得到频域图像来获得。这种成像方法需要进行横向二维和纵向深度扫描，成像时间较长，而且只有当参考臂与探测臂的光程差小于相干长度时才会发生干涉，这对扫描系统的扫描定位精度提出了很高的要求。