基于Compressive sensing理论的单探测器太赫兹成像技术

由于太赫兹辐射的透视性、安全性及其光谱分辨能力，使太赫兹技术在空间探测、安全检测、化学和生物制剂的检测以及医疗诊断等各方面有着广泛的应用前景。.本项目提出了一种基于近年来新的Compressive sensing理论，采用单点太赫兹探测器实现二维太赫兹成像的新技术。CS理论基于信号的稀疏特性，通过随机采样模板将高维信号压缩投影到低维空间，再将一系列低维信号恢复出原信号。在本项目中，Thz光束通过目标物体后，在目标物体和单点探测器的聚焦透镜之间加有随机模板，并利用一组随机模板（数百幅）成像。模板由随机分布的透光和不透光的方格组成。从模板透射出来的Thz光束聚焦在单点Thz探测器上，经单通道A/D采样后，通过相应的图像恢复算法，即可恢复目标物体的成像。优化的压缩恢复算法可加快太赫兹成像。该技术具有空间分辨率高，均匀性好，不需目标物体或扫描源移动，只需单点探测器，体积小，成本低等特点。

由于太赫兹辐射的透视性、安全性及其光谱分辨能力，使太赫兹技术在空间探测、安全检测、化学和生物制剂的检测以及医疗诊断等各方面有着广泛的应用前景。.　　本项目提出了一种移动随机模板的单太赫兹探测器压缩成像方法。首先，研究了大气分子和常见水凝物对太赫兹的衰减情况，分析了水凝物对太赫兹波的影响,给出了大气分子的太赫兹波吸收谱线和太赫兹波大气窗口。.　　然后对压缩传感理论进行了系统研究，在信号的稀疏表示方面，研究对比了5种信号的稀疏表示方法，针对光学成像系统，提出了2种测量矩阵的生成方法，并进行了可行性验证；在稀疏重构算法方面，研究对比了3类主流稀疏信号重构算法，包括OMP、CoSaMP、BPDN、GPSR、Min-TV等算法。.　　重点研究单探测器太赫兹压缩成像的稀疏方法及恢复算法，研究了多种恢复算法的准确性以及峰值信噪比与采样次数的关系，并检验了各恢复算法对噪声的敏感性。提出了一种窗口平移随机模板获取方法以及将其引入单探测器成像的方法，通过基于压缩传感理论的单探测器成像方案数字仿真，验证了此方法的可行性，为后续的物理实验提供了理论依据。.　　在此基础上，进行了基于移动随机模板的单太赫兹探测器压缩成像系统设计。 THz光束通过目标物体后，在目标物体和聚焦透镜之间加有随机模板，模板由随机分布的透光和不透光的方格组成，从模板透射出来的THz光束聚焦在单点THz探测器上，经光学锁相环滤波、放大后，由数据采集单元获取，并通过串口传递给上位机。采集的数据通过相应的图像恢复算法处理后，即可恢复目标物体的像。该系统采用软体PCB作为随机测量模板，并设计了相应的自动换模机构。它主要由返波振荡器、光斩轮、透镜组、自动换模板机构、电机驱动器、热释电探测器、光学斩波器、锁相放大器、数据采集单元、计算机等部分组成。. 通过与首都师范大学THz实验室进行合作，我们进行了多组物理成像实验，并针对实验结果和仿真数据做了对比分析，验证了移动随机模板单探测器THz成像系统设计方案的正确性及可行性。该技术具有空间分辨率高，不需目标物体或扫描源移动，只需单点探测器，体积小，成本低等特点，目前还存在成像质量不够理想、时间长等不足，有待今后继续研究。.　　发表国内会议论文1篇，国内EI索引期刊1篇，申请并获授权国家发明专利1项，实用新型专利2项，指导培养硕士研究生3人。