一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置

1.本发明属于太赫兹连续波层析成像技术领域，尤其涉及一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，简称thz)波段是指频率从100ghz到10thz，频谱尚未被广泛利用的频段，其频谱分布于毫米波与红外光之间。由于太赫波是介于电子学与光学之间，所以其具有很多特别的性质，譬如很多生物大分子在太赫兹频段存在吸收峰，以及生物自身也会产生太赫兹频段的能量，因此可以利用特征共振与吸收对生物进行识别；由于太赫兹波的光子能量很低属于非电离电磁波，对生物照射是不会产生损害，所以可以对生物体进行无损检测；太赫兹波由于其频率较高的特性，对非金属的非极性材料具有较强的穿透能力，故可进行透射式成像。综上，太赫兹在物理科学、生命科学，电子信息和国防科技上都有着广阔的应用前景。
3.太赫兹成像技术起步于上世纪90年代中期，发展至今已经20年的岁月。与x射线成像相比，太赫兹成像对人体不构成危害，还能为软材料提供更好的对比度。与超声波成像相比，完全是非接触式的，且频带更宽，信号中携带的信息更多，更适合测试对声波衰减严重的材料与可见光和红外成像相比，太赫兹辐射对泡沫、陶瓷、塑料、高分子材料、磁性材料等物体的穿透性更强，有时甚至优于超声波，而x射线对这些材料及其内部缺陷过度穿透而无法明显区别；太赫兹成像的工作频段一般在100ghz～3thz，而微波成像多位于40～90ghz，更高的太赫兹频率使其成像分辨率提高了10～50倍，从而能够检测到微波成像无法分辨的微小缺陷综上所述，太赫兹成像技术凭借其安全性、有效性和高分辨率展示出独特优势，且适合探测非金属材料，是一种新型的无损检测补充手段。
4.太赫兹层析成像技术类似于基于x射线的层析成像。通过利用太赫兹波的特性，例如对电介质的穿透性，并使用层析重构算法，可以实现对物体内部结构的二维和三维成像。
5.目前，太赫兹层析成像技术大多基于x射线的ct技术，然而x射线的传播方式并不能完全套用在太赫兹波上，x射线在穿过物质时，都是沿着直线传播，几乎不会发生反射和折射。但是太赫兹波在透射物质时，会在物质表面产生反射和折射，当其以不同入射角入射时，其反射率不同且由折射引起的偏转也不同，这对图像的重建和光束的探测提出了较高的要求。基于上述原因，在太赫兹ct 的前期研究中发现，对复杂且介电常数较高的样品(如火鸡骨、聚四氟乙烯)成像时，其内部结构并不能展现出来，这是由边界的强烈反射与折射所造成。因此，鉴于太赫兹波本身的特性，在对高介电常数物体成像时，由于样品的折射偏移、反射损耗等问题会在很大程度上影响成像质量。由于折射、反射问题的存在，目前太赫兹层析成像大多采用低折射率样品进行研究，很大程度上限制了其应用与发展。


技术实现要素：

6.本发明的技术解决问题：克服太赫兹连续波层析成像在高介电材料下成像效果差
的不足，提供了一种太赫兹连续波波束的修正方法，并将误差分为反射损耗和折射光程差，利用的s参数中的s
11
参数以及相对介电常数与反射系数之间的关系得出物体大概的相对介电常数，再通过判断太赫兹连续波波束是否产生衰减反演出物体的大体轮廓，利用边界与波束的关系得到入射角的大小，根据反射系数与相对介电常数和角度的关系式以及折射角与入射角和介电常数的关系式，计算出理论上未发生折射和反射的光路透过系数s
21
′
，从而进行波束校准。
7.本发明的技术解决方案为：一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置，成像装置包括：
8.太赫兹连续波收发模块，用于产生与接收太赫兹连续波信号，并形成视为射线模型的高斯波束，且同时分别用于处理发射与接收到的太赫兹连续波信号，得到校准与成像需要的s参数s
11
与s
21
，其中s
11
描述的是发射端接收到的太赫兹连续波信号强度与发射的太赫兹连续波信号强度的比值，s
21
描述的是接收端接收到太赫兹连续波信号强度与发射的太赫兹连续波信号强度的比值。
9.太赫兹连续波光路扫描模块，用于将物体进行三维移动，从而形成光束对物体的三维扫描。
10.主控主机模块，用于控制物体进行三维移动以及将扫描到的参数进行矫正处理并使用成像算法对物体进行内部结构的图像重建。
11.本发明另一方面提供的一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法方案如下：
12.s1.初始化设定太赫兹连续波收发模块，使其光路能在成像物体处形成能近似为射线的高斯波束。
13.s2.在成像区域内使用一个能使太赫兹连续波波束全反射的平板垂直于太赫兹连续波的光路放置，并测量此时的参数s
11
，并记为s
11全
。
14.s3.平移旋转成像目标物，使太赫兹连续波波束对成像目标物进行三维扫描并记录下每个位置的参数s
11
和参数s
21
。
15.s4.将s
11
中的最大值记为s
11max
，并默认其为太赫兹连续波波束垂直入射到目标物体表面产生反射的反射系数，利用垂直反射系数与介电常数之间的关系式，可以计算出目标物体的介电常数的大小，并利用(1)的s
11全
对实际的介电常数进行校准，实际的介电常数的具体计算方法如下：
[0016][0017]
s5.将记录下的s
21
分为两类，s
21
等于s
21max
的记为a，其余的s
21
记为b，对于每个角度都能得到b的一个范围宽度将，这个范围宽度两边各减去半个波束宽度，就能得到目标物体实际的范围宽度，再将每个角度的实际范围宽度重叠在一起并取其交集，得到待测目标物体某个截面的一个外接多边形，其边数与角度相关，理论上记录的角度越多，该外接多边形的边数就越多，还原的待测物这一截面的图像就越准确。
[0018]
s6.得到目标物体的外部轮廓和介电常数之后，利用反射系数公式和折射角公式，对物体实际的衰减值进行计算修正，修正方法如下：
[0019][0020]
其中，γ
⊥
为反射损耗，l为实际光程，l
′
为未发生折射的光程，γ
⊥
的计算式为：
[0021][0022]
其中，θi为入射角。
[0023]
s7.最后，利用修正过后的s
21
′
结合成像算法对物体进行内部结构的三维图像重建。
[0024]
所述步骤s2中测量s
11全
的目的是：由于不同的太赫兹连续波层析成像系统设置的光路不同，而太赫兹连续波在空气中产生的损耗不可忽略，1-s
11全
即为太赫兹连续波在反射时的路径损耗，所以利用s
11全
可以在步骤s4中对相对介电常数计算式进行校准处理。
[0025]
所述步骤s5中，s
21
记为a的点的物理意义是太赫兹连续波未在待测物处产生损耗而被接收端接收到的s
21
，故此处的s
21
为最大值，而s
21
记为b的点的物理意义是太赫兹连续波波束至少是某一部分通过了待测物故产生了损耗，故此处的s
21
小于s
21max
。
[0026]
本发明的优势和创新在于：提出了一种太赫兹连续波层析成像波束校准的方法，因为是利用s参数进行修正工作，所以不需要外加其他设备。同时，利用本方法，既可以反演出成像物体的轮廓信息，也可以估算出物体的介电常数的大小。
附图说明
[0027]
图1为本发明的方法流程图；
[0028]
图2为成像系统示意图；
[0029]
图3为本发明的轮廓扫描示意图；
[0030]
图4为误差修正示意图；
[0031]
图5为圆柱例子作用说明示意图。
具体实施方式
[0032]
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
[0033]
如图2所示，根据图2所示的系统图以及图1的流程图，本发明的具体实施步骤如下：
[0034]
(1)将用一个金属面垂直于太赫兹连续波波束放置在三维平移旋转载物台上，打开矢量网络分析仪，测出此时的网络参数s
11
，记为s
11全
。
[0035]
(2)将待测物放入三维平移旋转载物台上，按照一定的步长沿x轴移动记录下每个步长点的网s
11
和s
21
。
[0036]
(3)旋转一定的角度，重复步骤(2)。
[0037]
(4)在记录的所有s
11
中取其最大值，记为s
11max
，默认s
11max
为太赫兹连续波波束垂直入射到待测物上，被测到的反射系数。由垂直入射的反射系数与介电常数之间的关系可以计算出物体介电常数的大小，具体公式如下：
[0038][0039]
其中εr为待测物的相对介电常数。
[0040]
(5)考虑到太赫兹连续波在空气中产生的损耗，利用(1)中金属的全反射测到的s
11全
对(4)中的式子进行修正得到：
[0041][0042]
(6)如图3所示，将记录下的s
21
分为两类，s
21
等于s
21max
的记为a，其余的s
21
记为b，对于每个角度当b刚好跳变到a的时候和一个a刚好跳变到b的两点，记录两个b之间的距离得到一个范围宽度w1，将这个范围宽度两边各减去半个波束宽度r，得到物体实际的范围宽度w2，测量每个角度的实际范围宽度 w2然后将其重叠在一起取其图像交集，可以还原待测物某个截面轮廓的一个外接多边形，其边数与测量的角度个数相关，理论上测量的角度越多，该外接多边形的边数就越多，还原的待测物这一截面的图像轮廓就越准确。
[0043]
(7)如图4所示，还原待测物的截面图像轮廓后，利用波束与截面轮廓的关系，可以算出入射角θi，再由(5)中测算出的εr通过下式：
[0044][0045]
计算出图4中折射角θ
t
的大小。在已知入射角θi，折射角θ
t
，以及截面轮廓的情况下，通过几何计算可以得出折射路径长度l与非折射路径长度l
′
，以及在通过反射系数的计算式可以得到反射损耗：
[0046][0047]
所以最后的修正表达式为：
[0048][0049]
利用得到的s
21
′
描述太赫兹连续波实际在物体中产生的衰减值，并结合层析成像算法对物体进行内部结构的图像重建。
[0050]
图5为圆柱例子作用说明示意图，其中图左的圆形太赫兹层析成像目标物体为圆柱的某个截面成像示意图，由于太赫兹连续波波束在边界处的入射角会接近 90度，导致反射系数和折射角过大，使接收模块端无法接收到太赫兹连续波信号，成像算法会误判此处的衰减极强，从而使成像图形产生边缘效应，此时的圆柱就可能会被误判为一个“杯子”，采用本专利的方法就可以将边缘效应减小或消除，并提高图像质量，达到图右圆形的效果。
[0051]
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种
形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。