2013年第4期空间电子技术SPACE ELECTＲONIC TECHNOLOGY太赫兹成像系统的研究①向博，王龙，孟洪福，窦文斌（东南大学毫米波国家重点实验室，南京210096）摘要：文章介绍了工作在375GHz的太赫兹成像系统，成像系统由3个透镜、返波管源、倍频器、戈莱盒、金属线栅和示波器等部分构成。
并用硬币做了太赫兹反射成像实验以验证成像系统效果。
太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度。
实验结果表明成像效果良好，并采用非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。
关键词：太赫兹成像；返波管；非线性频谱外推法D O I：10．3969/j．issn．1674-7135．2013．04．0150引言太赫兹信号具有很强的穿透力，太赫兹成像技术广泛应用于材料检测、非破坏性测试、安全扫描和医疗领域等［1］。
太赫兹成像技术主要包括时域光谱成像、层析成像、全息成像和连续波成像等［2 9］。
时域光谱成像系统在电场的时域波形中提取反映样品信息的数据进行成像。
大体可以分为两类：振幅成像，主要反映了样品的厚度和吸收特性；相位成像，主要反映了样品厚度及其折射率信息［10］。
有很多论文研究时域成像，工作带宽高，成像分辨率较高，但是扫描时间较长。
相对于时域光谱成像，连续太赫兹成像只检测电磁波透过样品或经样品反射后的强度信息，不具备提供相位信息的能力，但是，连续太赫兹成像系统具有较高的辐射功率、系统简单、价格低、成像速度较快、使用方便的特点。
对于扫描物体比较大而又只需要检测缺陷或者透射性质，连续太赫兹成像具有明显的优势。
文献［8］报道了该方法用于检测美国航空航天局（NASA）的绝缘层结构内部缺陷。
连续太赫兹成像采用的波源主要有气体激光器［6］、耿氏振荡器［11］和返波管［4］等。
采用返波管作为太赫兹波源具有体积小、结构紧凑、功率较大和调频范围大等优点。
文章介绍在连续太赫兹成像方面做的研究工作，成像系统的构建主要包括硬件组成、数据采集控制软件和图像数据处理。
太赫兹信号照射到硬币上，逐点扫描硬币，检测经反射的太赫兹信号，提取出其信号幅度，得到了硬币太赫兹图像。
实验结果表明成像效果良好，并采用灰度调整非线性频谱外推算法对原始图像进行处理，提高了图像可视性。
1成像实验系统1．1成像原理太赫兹成像基本原理是基于电磁波穿透目标物体后或经目标物体反射的强度分布，它能反映目标物体的介电特性的差别，包括损伤、干湿、表面形状和缺陷等造成的介电特性的差别。
1．2系统结构连续太赫兹成像设置方案如图1（a）所示。
毫米波波源采用Microtech Instruments公司设计的返波管（型号：QS2-1500），该返波管配上ˑ2、ˑ3、ˑ6或ˑ9的VDI公司设计的倍频器能产生连续可调频率覆盖范围为111GHz 1．5THz的单频点太赫兹波源，文章设计的验证实验采用三倍频器倍频输出375GHz的太赫兹。
倍频器输出的太赫兹信号经对角喇叭辐射出高斯束，经透镜变换和汇聚照射到被成像目标物体上。
由目标物体反射后的太赫兹信号经戈莱盒检测其幅度大小。
透镜用聚四氟乙烯制成，焦距为60mm，F数为1；被成像物体目标放置在透镜2的焦点处，固定在二维扫描的装置上，如图1（a）所示。
太赫兹波束被频率为23Hz的斩波器调56①收稿日期：2013-10-08。
基金项目：国家自然科学基金（编号：61101020）；高等学校博士学科点专项科研基金（编号：20110092120012）。
制，以便戈莱盒检测；二维步进电动平移扫描架设水平移动为x轴、垂直移动为y轴，平移轴的最小步进为0．025mm，重复定位精度为0．005mm，二维步进电动平移扫描架控制器通过ＲS232串口与计算机相连接，并由计算机命令实现xy面机械自动扫描；太赫兹接收机采用Microtech Instruments公司设计的戈莱盒，具有常温工作、高灵敏度、检波效率高和工作频段宽等优点。
经实验对比，在同等功率太赫兹信号输入，戈莱盒比热释电检测器灵敏度高得多，输出的交流电压峰峰值大10倍之多，采用Agilent公司研发的示波器MSO6052A对戈莱盒输出的交流信号进行峰峰值采样，由于MSO6052A具有网络通信接口，故计算机能通过网络读取示波器的信号峰峰值。
太赫兹信号入射到非绝对光滑的金属表面，反射的电磁波极性会发生改变，根据入射波和反射波的极化不同，利用金属线栅即可实现入射波和反射波信号分离。
实验场景如图1（b）所示。
被成像物体悬挂在步进电动平移扫描架上在xy面进行s形来回逐点扫描，且计算机每点读取示波器的峰峰值。
（a）装置示意图（b）实验场景图1太赫兹成像系统1．3数据采集软件设计太赫兹成像系统数据采集软件主要包括步进电动平移扫描架的控制和示波器数据读取两部分，软件设计采用Microsoft Visual Basic6．0。
控制计算机用串口通信协议ＲS232实现对步进电动平移扫描架的控制。
把计算机与示波器（型号：Agilent MSO6052A）用100M网络连接，根据NI公司开发的VISA（Virtual Instrument Software Architecture）协议进行二次应用开发即可从示波器读出交流信号的峰峰值。
软件自动控制扫描架的移动并且在相对应的坐标获取信号峰峰值，从而实现整个成像系统的数据自动采集。
2实验结果为了验证太赫兹反射成像系统，用硬币作为金属样品进行成像实验，放置于图1（a）所示的目标物体位置处。
把硬币固定在电动平移扫描架上，硬币的光学照片如图2（a）所示。
金属线栅与入射太赫兹信号电场极化方向垂直，因此入射电磁波能穿透金属线栅。
太赫兹信号经过透镜2变换汇聚后照射到硬币上，经硬币反射且电磁波极化方向发生改变再次经过透镜2变换，反射波照射到金属线栅上，由于反射波极化方向与线栅同向，发生反射穿透透镜3汇聚到戈莱盒从而检测出太赫兹信号强度。
（a）光学照片（b）375GHz的太赫兹照片图2硬币照片与图2（a）对应的太赫兹图像如图2（b）所示，五角硬币扫描范围为20mmˑ20mm，扫描步进为66空间电子技术2013年第4期0．25mm。
一元硬币扫描范围为30mmˑ30mm，扫描步进为0．5mm。
相对于硬币上的字符，375GHz的太赫兹信号波长还是较长，因此硬币上较大的字符清晰可见，较小字符模糊。
由于太赫兹成像系统限制造成图像高频成分退化，若能有效地利用毫米波原始图像的信息，拓展出图像中被抑制的高频分量，降低噪声的影响，就能提高成像质量。
2000年Greenspan H等人提出了非线性频谱外推算法［12］对图像进行处理。
采用非线性频谱外推算法处理得到的太赫兹图像如图3所示。
对比图2（b），非线性频谱外推算法处理后的图像对比度和图形轮廓有所提高。
图3非线性频谱外推算法图像3结论文章应用返波管、透镜、戈莱盒、金属线栅、示波器和步进电动平移扫描架等设备构建了一套连续太赫兹反射成像系统。
运用VB6．0开发了一套成像自动采集处理软件。
文中给出了太赫兹反射成像原理框图，并采用硬币作为成像目标物体进行了太赫兹成像实验，绘制了硬币太赫兹图像。
用非线性频谱外推算法对原始图像进行了处理，提高了太赫兹图像的清晰度。
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