基于压缩感知的太赫兹时域光谱成像算法研究.pdf

中文摘要 摘 要 太赫兹时域光谱（Terahertz Time-Domain Spectroscopy ，THz-TDS ）是利用太 赫兹脉冲电磁波来反映物质特性的一种新兴光谱技术，在生物医疗和无损探伤等 领域都有广泛的应用。THz-TDS 成像正成为与超声波、X 射线以及核磁共振成像 相互补的技术手段，但是THz 成像目前存在采集数据量大、成像时间长的问题， 严重限制了THz-TDS 技术应用的进程。目前对THz 快速成像技术的研究主要集中 在硬件的改进方面，这样不仅提高了成像成本，而且加大了系统复杂度。另一方 面，针对THz 特性的成像算法研究较少，还缺少行之有效的THz 快速成像算法。 本文采用信号的欠采样方法，提出了基于压缩感知的太赫兹光谱与成像算法 研究。主要研究工作和创新点如下： （1）研究了适用于THz-TDS 信号重构的一维压缩感知算法，提出了基于THz 光谱分析特性的重建算法有效性评估方法。利用THz-TDS 获取了含水纸板的光谱 数据，验证了THz 光谱信号的稀疏性，采用压缩感知算法对THz 光谱信号进行重 建，同时基于物性分析结果对算法评估依据进行了修正，研究结果表明：(a)采用 改进的评估方法更能准确地描述重构算法的有效性，确保THz 中信息的完整性； (b)采用压缩感知算法，利用 27%左右的测量数据就能对原始数据近乎完整重建。 研究给出了最小测量次数的计算方法，为快速确定采样率提供理论依据。 （2 ）基于透射式太赫兹时域光谱系统开展了太赫兹二维成像研究。分析并阐 明了THz-TDS 成像的原理以及其特有的几种成像模式。针对介质材料和生物材料 两种物化结构差异较大的样品分别开展了成像实验工作，用实例说明了不同成像 模式的效果，验证了THz-TDS 系统的有效性和普适性。实验结果表明：(a)THz 成 像能对 XLPE 中的气隙缺陷进行有效识别，并且采用时间切片模式能有效地提升 成像对比度；(b)THz 成像技术能对皮肤烧伤进行辨识，采用飞行时间成像模式可 以有效滤除背景噪声，凸显烧伤区域边界。 3 THz （）开展了针对 光谱成像的二维压缩感知成像算法研究。对基于快速哈 达玛变换的TVAL3 算法展开了分析，对比研究表明：在对二维THz 图像的处理当 OMP TVAL3 TVAL3 THz 中，相比于 算法， 重建算法有着明显的优势。采用 算法对 图像进行处理时，能够仅以近 20% 的小数据量来对原始图像进行重建，极大地降 低了采集数据量。进一步研究表明结合THz 光谱的固有特点，采用合适的THz 成 像模式可以显著提高压缩感知成像算法的处理效果，进一步降低信号采集比率。 关键词： 太赫兹；成像算法；压缩感知；时域光谱；光谱分析 I 英文摘要 Abstract Terahertz Time-Domain Spectroscopy (THz-TDS) is an emerging spectroscopy technology that uses terahertz pulsed electromagnetic waves to reflect material properties. It is widely applied in the fields of biomedicine, non-destructive testing and so on. THz-TDS imaging is becoming a complementary technology to ultrasound imaging X-ray imaging and nucle