太赫兹时域脉冲成像的三维重建

丁芳媚，唐粹伟，周 俊，郭田田，李秋勇，孙定仟

（电子科技大学 物理电子学院 四川 成都 610054）

太赫兹时域脉冲成像的三维重建

丁芳媚，唐粹伟，周 俊，郭田田，李秋勇，孙定仟

（电子科技大学 物理电子学院 四川 成都 610054）

太赫兹（Terahertz）脉冲成像技术是太赫兹科学与技术中的重要应用领域。飞秒激光的发展使得光导天线成为稳定、可靠的太赫兹脉冲辐射源，为太赫兹成像技术奠定了较好的基础。该文基于Matlab软件，以太赫兹时域脉冲三维成像算法及应用为中心，研究太赫兹脉冲扫描成像数据处理算法，通过对太赫兹反射成像时域脉冲波形的特定参数和峰位时间延迟进行处理，尝试实现三维成像；同时利用Matlab的GUI界面设计太赫兹脉冲成像数据分析平台，对实验数据进行分析验证。

THz反射成像；时域脉冲；Matlab；三维成像；GUI界面

太赫兹波（Terahertz wave）是指频率在0.1～10 THz之间的电磁波。该波段位于毫米波和红外之间，是宏观电子学向微观光子学过渡的重要区域［1］。在20世纪80年代前期，由于技术手段的原因，导致THz波段的开发利用基本上处于空白的状态。而在这之后的近20年间，由于超快光学、半导体、电子学和微加工等科技的发展，太赫兹波的产生和探测技术也逐渐成熟［2］。由于太赫兹波辐射对于很多介电材料和非极性液体有良好的穿透性，因此太赫兹波可以对不透明物体进行透视成像［3］。由于太赫兹波的低光子能量，使得太赫兹波拥有了一个很有吸引力的应用前景就是作为X射线成像和超声波成像等技术的补充，用于安全检查或在质量控制中进行无损检测的新技术［3］。另外太赫兹对许多分子和材料呈现出的独特吸收，色散和反射等特性，使得当宽带太赫兹射线从这些样品上经过时，太赫兹波会从中提取出丰富的光谱指纹信息［3］。通过和已知的指纹谱进行对比，就能对识别物质的组成，这就是太赫兹波的波谱分辨能力［2］。近年来太赫兹波在国防、工业、半导体、通信及生物医学等多个领域得到了较快的发展和应用［4］。

1 脉冲太赫兹波成像系统的基本原理

利用太赫兹时域光谱系统可以获得被测样品与太赫兹波作用之后的携带有样品信息的太赫兹时域波形［5］。通过傅里叶变换，可以获得样品的太赫兹频谱，从而可以获得样品的强度和相位信息［1］。在太赫兹时域光谱系统中加一个二维电动平移台，控制待测样品在太赫兹波的焦平面上进行二维逐点扫描，同时记录反射太赫兹波的强度和相位的二维信息，经过频谱分析，可以获得各个频率下样品上各点的相位信息和幅值信息，从而重构样品的图像。

太赫兹时域光谱成像系统，它所获取的数据集合实际是三维时空的数据（二维空间（x，y）轴向和一维时间轴向）。利用该三维数据集合可得到一系列样品的太赫兹图像。另外由于在一个时间点上的太赫兹图像所包含的信息量很少，所以通常要获取整个三维的数据集合。而太赫兹图像的重构通常就是基于太赫兹时域波形的特定参数或峰位的延迟时间。图1为实验原理图及反射模式成像的实验设备，其中包括支架和镜头。

图1 实验原理图和反射模式实验设备

2 Matlab软件在三维重建中的应用

Matlab提供了20类图像处理函数，涵盖了图像处理包括近期研究成果在内的几乎所有的技术方法，是学习和研究图像处理人员难得的宝贵资料和加工工具箱［6－12］。

Matlab软件环境提供了各种矩阵运算、操作和图像显现工具［11］。在三维重建方面，使用的数据量相对较大，同时涉及大量的矩阵、光线、色彩、阴影和观察视角的计算。利用Matlab软件中的图像处理函数、工具箱操作，可以大大简化研究过程。

2.1 数据提取

［TPIdata］＝TVLread（fnameTVL）；

fnameTVL是任意带‘.tvl’后缀的文件名。

输出变量TPIdata是以下结构数组：

NumRows——2D扫描区域行数；

NumCols——2D扫描区域列数；

tt——大小为［n，1］的列矩阵，包含时域坐标数据（单位：mm）；

Ref——大小为［n，1］的列矩阵，包含reference时域波形数据；

baseline——大小为［n，1］列矩阵，baseline时域波形数据；

Filter——大小为［n，1］列矩阵，包含用户在ScanAcquire中定义的滤波函数时域波形数据；

Samp——大小为［n，N］矩形矩阵，每列包含2D扫描区域中采集的N条时域波形中的一条数据；

XYZ——大小为［3，N］矩形矩阵，每列包含每个样品波形采集时的（x，y，z）坐标信息；

refMax——reference波形的最大幅值；

Zrange——时域窗口的长度（单位：mm）；

flags——一些二进制数示：振幅是否归一化，是否进行baseline减除，等等；

TVLread——默认对样品及参考波形进行baseline减除，并对最大参考信号幅值进行归一化。

2.2 原始扫描数据作图和三维切片显示

图2（a）是其中一个采样点的时域波形，利用Matlab将该点采样数据用plot函数画出；图2（b）是用Matlab的slice函数进行样本的切片显示。

X、Y、NM1分别表示3个坐标轴；Z表示空间该点的值；Xs、Ys、NMs表示平行各坐标轴的切平面的位置。

图2 时域波形和样本时间切片

2.3 时域波形转换和三维成像

图3（a）为该时域波形转化的矩形波，通过比较时域波形中的各点数据，提取各分界面上反射点的数据，并将转化前后的时域波形画一起，方便比较，其中矩形高度代表反射强度，矩形宽度表示介质的相对宽度。

图3 （b）为slice函数的x轴和y轴的切片叠合图及z轴即时间切片叠合图，能看出芯片部分内部轮廓。

2.4 内部结构分离图

结构分离图虽然可以清晰地区分出不同的等值面，并对这些等值面进行空间分离，但是该三维成像的方法，只提取样品中的部分数据进行绘图。通过对isovalue值的设定，得到同一反射值的不同反射面。这种三维重建的方法只能体现样品的部分结构特征。如图4所示，为等值面的空间结构分离图。

图4 等值面的两个视角图

2.5 空间最大反射面

太赫兹波对于很多介电材料和非极性液体有良好的穿透性，但太赫兹波对金属有很大的反射系数，因此遇见金属，太赫兹波的大部分能量都会被反射回去，利用太赫兹的反射强度大小，可以做出太赫兹反射最大的空间曲面。如图5所示，展现了物体内部反射系数大的物体轮廓。

图5 空间最大反射面的两个视角图

3 Matlab的GUI界面功能实现

通过GUI对太赫兹脉冲成像数据分析平台进行布局设计［13－14］。根据数据存储方式调用数据，然后将数据分别进行处理得到处理后的数据。对处理后的数据进行三维图像重构，并显示在图形坐标轴中。最后，通过调用一个成像数据文件验证该界面的可用性。

4 结束语

通过导入采样数据并对其分类，形成各种对应的Matlab矩阵，再通过Matlab函数和语言程序实现对数据的可视化处理，将采样数据以图片形式还原物体基本信息。这就要求理解采样数据所反映的物体信息，并能通过Matlab对已知数据进行处理，提取其中有用信息，通过不断调试和改进程序，基本实现三维重建。Matlab作为一款数据图像处理软件，提供了比较完备的科学计算可视化函数和强大的编程功能。通过各种仿真、重建，为各类实验提供了强有力的支撑。

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3D Reconstruction of Terahertz Time－domain Pulse Imaging

DING Fangmei，TANG Cuiwei，ZHOU Jun，Guo Tiantian
（School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Terahertz pulse imaging technology is an important application field in Terahertz science and technology.The development of Femtosecond Laser makes optical antenna of terahertz pulse radiation source a stable and reliable terahertz pulse radiation source，which lays a good foundation for terahertz imaging technology.Based on Matlab software，this paper focus on terahertz pulse time－domain pulse three－dimensional imaging algorithms and its application.We study the terahertz pulse scanning imaging data processing algorithm，and try to realize three dimensional imaging through the terahertz time－domain reflection imaging specific parameters of pulse waveform and the peak time delay processing.At the same time，using the Matlab GUI interface designs the terahertz pulse imaging data analysis platform，the experimental data can be analyzed and validated.

THz reflection imaging；time domain pulse；Matlab software；3D imaging；GUI interface

TN015

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.014

2015－05－26；修改日期：2015－06－16

全国高校创新创业基金项目资助。

丁芳媚（1992－），女，本科，电子信息科学与技术专业。