成像特性比較 - 脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像特性的比較

4、脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像特性的比較

分辨率是成像系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，光學(xué)系統(tǒng)成像的分辨率與光的波長成反比，與光的頻率成正比。所以理論上高頻太赫茲波的成像分辨率要高。而連續(xù)波太赫茲源的硬件技術(shù)所限，很難做到高頻率單頻的連續(xù)波源，這也是太赫茲成像技術(shù)的瓶頸之一。目前國內(nèi)有0.2THz，0.4THz耿氏二極管振蕩器源和0.59～0.71THz可調(diào)返波管源。就現(xiàn)狀來看，脈沖太赫茲波成像比連續(xù)波太赫茲成像在分辨率上有一定的優(yōu)勢。

對直徑分別為1.2mm，2.3mm和3.6mm的銅制圓孔在脈沖系統(tǒng)下進(jìn)行成像實驗得到各自圖像，如圖4（a）～（c）所示。用二維平移臺對其進(jìn)行逐點掃描，掃描點數(shù)為38pixel×38pixel，實驗外部條件是濕度為20.2%，溫度為21.0℃。掃描采集到38pixel×38pixel個［X，Y］矩陣，它們每一個代表掃描的一個點的時域信息。然后用自己編寫的Labview程序進(jìn)行時域振幅成像。脈沖系統(tǒng)下1.2mm，2.3mm，3.6mm圓孔的像都可以看到，說明系統(tǒng)分辨率在1.2mm以下，脈沖系統(tǒng)的光斑很小，通過狹縫法測量出其光斑大小為1.0mm。

圖4不同直徑圓孔的時域振幅太赫茲成像圖

在連續(xù)波系統(tǒng)下對圓孔陣列進(jìn)行掃描成像，如圖5所示。小孔孔徑從右向左依次遞減（6.0mm，5.5mm，5.0mm，4.5mm，4.0mm，3.5mm，3.0mm，2.5mm，2.0mm）?？梢阅：乜吹綇挠覕?shù)第8排2.5mm孔徑的圓孔，但是第9排2.0mm孔徑的圓孔難以看清，所以連續(xù)波系統(tǒng)對于圓孔的辨別能力大約在2.5mm。

圖5圓孔陣列的連續(xù)波太赫茲成像圖

為了測量連續(xù)波系統(tǒng)分辨率，對一個鋁制扇形模板成像，相鄰兩個刀刃間提供了無數(shù)個寬度。圖像中能夠分開每個刀刃之間的最小距離就是其系統(tǒng)分辨率。通過成像實驗，如圖6所示，連續(xù)波系統(tǒng)的分辨率為2.6mm。與連續(xù)波成像相比在成像分辨率上脈沖成像占有明顯的優(yōu)勢。

對于兩個系統(tǒng)的噪聲比較，連續(xù)波系統(tǒng)得到的圖像上有明顯的條紋，這是由于該系統(tǒng)多路反射在探測器相干疊加的結(jié)果及電動平移臺的振動影響所造成的。脈沖系統(tǒng)的噪聲主要是斬波器的機(jī)械噪聲和電子噪聲，與連續(xù)波系統(tǒng)的噪聲相比很小。

圖6扇形模板（a）及扇形模板太赫茲圖像與測量值（b）

在成像速度上連續(xù)波系統(tǒng)有明顯的優(yōu)勢。掃描上面的脈沖圖像時，對于一組鎖相積分時間設(shè)為10ms的38pixel×38pixel點的數(shù)據(jù)，所需時間大約為13h以上，用連續(xù)波系統(tǒng)掃描的面積要大幾十倍的圖像卻只用了十幾分鐘。掃描速度上的優(yōu)勢為連續(xù)波對大面積的物體無損檢測提供了可能。

由于截然不同的機(jī)制，兩種系統(tǒng)得到的圖像數(shù)據(jù)是完全不同的。在連續(xù)波系統(tǒng)中，只以矩陣形式儲存強(qiáng)度信息，可以直接轉(zhuǎn)變?yōu)閳D像。而脈沖系統(tǒng)的數(shù)據(jù)非常復(fù)雜，因此要求更先進(jìn)的處理方法而使之被充分利用。下面用自己開發(fā)的Labview程序，先將38pixel×38pixel個時域數(shù)據(jù)同時轉(zhuǎn)化為頻域數(shù)據(jù)，再對頻域數(shù)據(jù)成像，即可以得到不同頻率下物體的像。以孔徑為2.6mm的銅孔為例，如圖7所示。從圖中可以看到，選擇頻譜中不同頻率成分的振幅值所成的圖像的對比度存在較大的差異。在頻率較低時，成像的對比度較差，這是由于空間衍射極限造成的，如第一排小于0.5THz的3個像，高頻部分由于相應(yīng)的波長較短，因此應(yīng)該能夠獲得更高的空間分辨率。而且不難看出在0.96THz處像對比度最好，因為1.0THz附近能量較大。這種方法也為識別不同成分的物體提供了一種新的多波長光譜成像方法。由于物體成分不同，它們在太赫茲波段的吸收峰的位置也不同，所以可以用不同頻率的像區(qū)別幾種成分的物體。脈沖系統(tǒng)信息量豐富可以做多光譜成像研究，而只有強(qiáng)度信息的連續(xù)波成像是無法做到的。

圖7直徑為2.6mm的銅孔在不同頻率下的振幅成像

以損失景深、時域和頻域信息為代價，連續(xù)波系統(tǒng)是一個緊湊、簡便、快速成像的系統(tǒng)。因為它不需要抽運探測成像，連續(xù)波系統(tǒng)的光路復(fù)雜性與脈沖系統(tǒng)相比大大降低，而且它不需要時間延遲掃描，因此掃描速度也非?？臁?/p>

在航天泡沫材料（SOFI）等無損檢測應(yīng)用中，連續(xù)波技術(shù)提供了更為有效的結(jié)果，它可以很好地檢測并辨別空缺和分層兩種主要的缺陷，與脈沖系統(tǒng)相比，其結(jié)果有較高的分辨率。

對上面提到的兩個成像系統(tǒng)的成像機(jī)理、系統(tǒng)分辨率、系統(tǒng)噪聲、成像速度、信息量、價格、復(fù)雜性、便攜性及其應(yīng)用總結(jié)如表1所示。

表1兩種成像系統(tǒng)的對比

5、結(jié)論

脈沖太赫茲波成像與連續(xù)波太赫茲成像各有特點和優(yōu)勢，有很好的互補(bǔ)性，要視具體的應(yīng)用來選擇、構(gòu)建最佳的成像方案。脈沖太赫茲時域測量系統(tǒng)能夠提供成像物體的光譜信息，甚至折射率色散，這是連續(xù)波系統(tǒng)不能提供的信息。連續(xù)波系統(tǒng)具有較高的輻射功率，系統(tǒng)簡單、價格低、成像速度快、使用方便的特點。如果掃描的物體比較大而又只需要檢測缺陷或者透射性質(zhì)，選擇連續(xù)波系統(tǒng)較好。但如果探測的物體比較精細(xì)，要求系統(tǒng)有較高的分辨率并獲得物體的光譜信息，則需使用脈沖成像方法。