太赫兹准光高斯波束照射下的三维图像重建技术及研究.pdfVIP

第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集 597 太赫兹准光高斯波束照射下的三维图像重建技术研究 李超1,2谷胜明1,2高翔1,2方广有1,2 (1．中国科学院电子学研究所； 2．中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室) 摘要本文研究了太赫兹波束合成三维图像重建算法。针对太赫兹高斯波束照射的准光学成 像体制，基于波动方程和爆炸反射模型，采用相移算法和距离向外推方法对点目标图象重建进行了 理论研究，得到了点目标三维聚焦成像的解析结果(点分布函数--Point SpreadFunction．PSF)，用于 准确表征太赫兹波束合成聚焦成像的分辨率与系统准光学参数之间的定量关系，对太赫兹成像系统 的设计具有指导意义。在数值仿真的基础上，基于原理实验系统对典型目标和人体模特进行了太赫 兹波束合成成像实验。仿真和实验结果证实了本文理论结果的正确性和有效性。 关键词太赫兹三维图像重建仿真 1 引言 0．1THz一10THz)，该频段在电磁波谱上处于宏观电子学向微观光子学过渡的区域，具有丰富的科学内 涵和广阔的应用前景。太赫兹波在传播、散射、反射、吸收、透射等方面与毫米波、红外、微波存 在显著不同的特点和优点，使得太赫兹成像技术在国防建设、安全检测、材料检测、生物医学成像 等方面，具有重要的应用价值，引起了广泛的研究兴趣。目前，欧美国家的研究所和公司都在积极 开展太赫兹频段的成像原理样机与工程样机的研究，如美国PNNL实验室在2009年研制的 系统【3】，这三个典型的成像系统采用调频连续波或扫频测量的方式实现距离向分辨，在方位向都利 用了聚束镜(凹面镜或透镜等)实现波束的聚焦，并利用一个或多个反射面的转动和摆动实现方位 向的二维波束扫描。也即目前在太赫兹波段已经初步研制的成像系统大都采用了实波束(实孔径)聚焦 成像的体制，较少有采用波束合成(孔径合成)聚焦成像技术。相比于实孔径方法，采用波束合成 实现对目标的聚焦有以下几方面优势：(1)要获得同样的分辨率，实波束成像所需的聚束镜尺寸正比 于成像距离，反比于分辨率，因此不利于实现远距离高分辨率成像。而波束合成聚焦在物理上不需 要大口径的聚束镜，而是通过成像算法实现相应的聚焦功能。(2)实波束成像的有效聚焦范围往往很 小，比如美国JPL实验室2011年研制的实波束成像系统，其成像距离为25m，但有效的聚焦成像范 围仅为25m土1m(景深2m)。而三维波束合成聚焦实质是一种自适应的聚焦成像过程，只要发射功率 和接收机灵敏足够，理论上可实现对任意距离范围的目标实现高分辨率聚焦。(3)对于一些表面比较 598 太赫兹准光高斯波束照射下的三维图像重建技术研究 平整的目标，实波束成像结果中往往伴随暗斑，这是由于平整目标的后向散射截面随入射角的变化 往往存在周期性的零点引起的。这种暗斑的分布在一定程度上影响了对目标的识别。而在波束合成 方法中，恰恰是综合利用目标在不同方向的散射回波来实现聚焦过程的，因此受目标离散分布的散 射截面零点的影响很小，从而避免了暗斑效应。在太赫兹波段，通常采用准光学收发系统来实现太 赫兹信号的发射、传输与接收。本文针对太赫兹波段成像系统的这种特征，研究了高斯波束照射下 的目标聚焦成像算法，得出采用相移法实现点目标三维图像重建的解析表达式，据此分析给出了图 像重建效果与准光学系统参数之间的定量关系，并完成了理论结果的仿真与实验验证，为太赫兹频 段波束合成聚焦成像系统的设计提供理论依据与实验数据。 2爆炸反射模型和相移法目三维图像重建的基本原理 假设成像目标由位于亏=(t，Yi，‘)的N个理想点目标构成，每个点目标都具有相应的散射系数 6i，i=l，2，…Vo我们可以定义一个目标分布函数，它由关于这Ⅳ个理想点目标的狄拉克函数的线性组 合来表示，具体形式如下： o(e’)=∑仃。6(尹’一霉) (1) 事实上，这个目标分布函数就是图像重建算法期望反演得到的理想图像。假设成像目标被位于 尹=(z，Y，Z)的全向发射机发出的球面波照射