革命性的太赫茲單像素成像重建技術 填補太赫茲盲點
發布日期:2019-04-29        



在幾乎所有波長下,工程師們都可以利用電磁天線來探測并記錄這些波,并用無線電、微波、紅外、可見光和X射線等頻率創建世界的美妙圖像。

 

但在頻譜中有一個“盲點”。波長在1到0.3毫米之間太赫茲頻率的探測技術,仍處于起步階段。能夠探測這種輻射的設備往往體積較大且昂貴,并且得到的圖像質量較差。因此,這個“盲點”被工程師們稱之為“太赫茲空隙”。

 

為了獲得進入宇宙的新窗口,迫切需要一種更好的方法來捕獲這些波段。

 

據麥姆斯咨詢報道,德國明斯特大學(University of Munster)的Martin Burger及其團隊介紹了一種革命性的新成像技術——壓縮傳感(compressed sensing),更容易捕捉太赫茲空隙電磁頻譜。將這項技術應用于太赫茲波段,或有可能改變我們探究世界和宇宙的方式。

 

太赫茲波可以穿過衣物但不會穿過皮膚或金屬。如果你的眼睛能夠看到太赫茲波,那人們在你眼里都將不可描述。你還能夠看到人們身上攜帶的鑰匙或硬幣,或許還有刀和槍。因此,太赫茲成像具有重要的安防應用價值,更不用說隱私問題了。

 

太赫茲頻率難以探測,因為它們位于微波和紅外光之間,而這些輻射的探測方法之間存在著很大的差異。

 

和無線電波一樣,微波也是通過以所需的頻率來回加速電荷而產生的,在這種情況下,頻率可達約300千兆赫。微波的探測可以反過來利用相同的過程。

 

相比之下,紅外波和可見光類似,是通過使合適材料中的電子在兩個電子層級之間躍遷而產生的。當產生躍遷所需的能量等于紅外光子的能量時,就會產生紅外光。同樣的反向過程也可以探測紅外光子。

 

產生和探測太赫茲波比較困難,因為它們位于微波和紅外之間,這兩種技術都不能很好地應用于太赫茲波段。在太赫茲頻率加速電荷很難。此外,具有所需帶隙以產生太赫茲光子的材料很難找,而那些合格的材料通常必須低溫冷卻。這就是為什么太赫茲探測器往往體積龐大、昂貴且操作困難的原因。

 

不過,Burger及其同事表示,壓縮傳感或能幫助解決這些問題。近年來,這種技術已經風靡成像領域,因為它能夠以單像素記錄高分辨率圖像,即使對于3D成像也是如此。

 

太赫茲單像素成像中成像平面設置示意圖

 

利用截斷振幅流(Truncated Amplitude Flow)和Levenberg-Marquardt方法重建π圖像

 

該技術通過隨機化場景的反射光,然后利用單像素記錄來工作。這種隨機化可以以各種方式完成,但是通常的方案是將光通過一種被稱為空間光調制器的數字陣列,顯示透明和不透明像素的隨機圖案。然后重復隨機化過程并再次記錄光場,多次重復整個過程以產生許多數據點。

 

起初很難看出這是如何產生圖像的,畢竟,光場是隨機的。但數據點并非完全隨機。實際上,每個數據點都與所有其他數據點相關聯,因為它們都來自同一個原始場景。因此,通過找到這種相關性,就可以重新創建原始圖像。

 

事實證明,計算機科學家有各種算法可以進行這種數字運算。其結果是具有一定分辨率的圖像,分辨率取決于像素記錄的數據點的數量。數據越多,分辨率越高。

 

這可以直接應用于太赫茲成像。到目前為止,創建2D圖像的唯一方法是使用太赫茲探測器陣列或來回掃描單個探測器以繪制光場。由于太赫茲探測器的尺寸較大,這兩種技術都不夠令人滿意。

 

但壓縮傳感提供了另一種選擇:使用單個太赫茲探測器通過隨機化太赫茲光的空間光調制器記錄多個數據點。這對于可見光和紅外光很有效,許多團隊已經成功地利用了這項技術。

 

不過,太赫茲波段帶來了一些額外的復雜問題。例如,因為太赫茲波比光波大兩到三個數量級,所以它們更容易發生衍射。這種效應及其它問題引入的畸變,使圖像重建更加困難。Burger及其同事正致力于解決這種圖像重建的挑戰。

 

他們的研究成果令人印象深刻。該團隊展示了顯著提高最終圖像質量的各種技術?!盎詰ハ袼爻上竦難顧醮?,具有減少太赫茲成像測量時間和工作量的巨大潛力,”他們說。

 

但是,未來還有挑戰。問題之一是處理一個以上太赫茲頻率構成的圖像。這種分析特別重要,因為它提供了關于圖像中物質化學組成的光譜信息,例如,結晶粉末到底是面粉還是某種毒品。

 

但這需要不同類型的成像掩模(mask)。因此,挑戰之一在于找到使用最少量掩模創建高光譜圖像的最佳方法。

 

盡管如此,Burger及其團隊樂觀地認為壓縮傳感有望快速發展并最終填補“太赫茲空隙”。


來源:OFweek儀器儀表網
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