基于壓縮感知的太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及太赫茲波探測技術(shù)，具體講，涉及基于壓縮感知的太赫茲輻射強(qiáng)度分 布探測方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲(Terahertz，簡稱ΤΗζ，1ΤΗζ = 1012Hz)福射是指頻率從0.1 THz到ΙΟΤΗζ，相應(yīng) 的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當(dāng)寬的電磁波譜區(qū)域。太赫 茲輻射在電磁波譜中所處的特殊位置賦予了其一系列特殊的性質(zhì)，這使得太赫茲技術(shù)可以 應(yīng)用到生物醫(yī)學(xué)檢測、物質(zhì)特性研究、安檢等方向。太赫茲輻射潛在的廣闊應(yīng)用前景促使其 輻射源技術(shù)快速發(fā)展，太赫茲波段的輻射能量探測技術(shù)也逐漸成熟，而相應(yīng)的對輻射強(qiáng)度 分布的探測手段卻還停留在最初的逐點掃描和太赫茲相機(jī)兩種方法。逐點掃描方法簡單易 行，只需二維位移平臺、太赫茲輻射功率計或能量計等實驗室基礎(chǔ)設(shè)備就能實現(xiàn)。但其存在 著平臺二維移動所導(dǎo)致的成像速度慢的缺點，加之使用該方法需要對每一點的強(qiáng)度進(jìn)行逐 個探測，這要求太赫茲輻射源的能量和強(qiáng)度分布在較長時間內(nèi)保持穩(wěn)定，若要得到較高分 辨率圖像則要求探測器具有較高的靈敏度，然而這些要求是現(xiàn)階段的太赫茲輻射源和探測 器所難以達(dá)到的，所以此方法的應(yīng)用范圍受到了一定的限制。太赫茲波段的CCD和CMOS相機(jī) 則可以實現(xiàn)實時成像，然而其探測靈敏度較低，這就對輻射源的輸出功率提出了較高要求， 加之高昂的價格，這使得它很難被應(yīng)用到一般的太赫茲波研究當(dāng)中。
[0003] 壓縮感知是一種充分利用信號稀疏性或可壓縮性的全新信號采集、編解碼理論， 它突破了傳統(tǒng)香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理的束縛。該理論表明，當(dāng)信號具有稀疏性或可壓縮性 時，通過采集少量的信號投影值就可實現(xiàn)信號的準(zhǔn)確或近似重構(gòu)。壓縮感知理論是以已有 的盲源分離和稀疏分解理論為基礎(chǔ)建立的。盲源分離為壓縮感知理論提供了在未知源信號 的情況下通過測量編碼值實現(xiàn)信號重構(gòu)的思路;稀疏分解中的具體算法則被應(yīng)用到壓縮感 知重構(gòu)過程。采用壓縮感知理論的太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測方法則只需要引入用于光調(diào)制 的掩模測量矩陣，更換掩模板過程僅需一維移動，在原信號20 %-30 %采樣率下實現(xiàn)采樣， 整個采集過程可縮短至8秒，配合紅外熱輻射探測器Bolometer可實現(xiàn)pW量級的功率探測， 且可通過調(diào)整掩模板掩?？讖匠叽绾屯哥R組合得到不同分辨率的成像結(jié)果。該方法具有小 型化、易于制作、低成本、時間短、靈敏度高的優(yōu)點。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，實現(xiàn)室溫下太赫茲輻射強(qiáng)度分布的快速高靈敏度探測， 并能夠根據(jù)需要對輻射強(qiáng)度分布實現(xiàn)不同分辨率的成像。
[0005] 為此，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:基于壓縮感知的太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測裝置， 包括擴(kuò)束透鏡組、掩模板、一維電動位移平臺、太赫茲功率計或能量計、聚焦透鏡、計算機(jī)的 裝置，所述的擴(kuò)束透鏡組由焦距分別為50mm的凹透鏡和100mm的凸透鏡組成，所述凹透鏡、 凸透鏡對1-3THZ范圍高透;所述掩模板為金屬薄片上按0、1二值組成的矩陣，1對應(yīng)為鏤空 的方孔;掩模板被固定到一維電動位移平臺上;聚焦透鏡為對l-3THz范圍高透的凸透鏡;輻 射光束經(jīng)過擴(kuò)束透鏡組后得到擴(kuò)束后的光束，一維電動位移平臺移動方向與光路所在方向 垂直，因而擴(kuò)束后的光束垂直通過掩模板，透過掩模板的福射能量由一焦距為l〇〇mm的凸透 鏡匯聚到探測器，計算機(jī)控制位移平臺的移動和數(shù)據(jù)采集過程，掩模板每移動一步，功率計 或能量計采集對應(yīng)的能量，并將采集到的信號上傳至計算機(jī)數(shù)據(jù)采集卡。
[0006] 透鏡組合實現(xiàn)分辨率的調(diào)節(jié)，具體包括:采用焦距為50mm的平凹鏡和焦距為100mm 的平凸鏡組合實現(xiàn)光斑的2倍擴(kuò)束，實現(xiàn)分辨率為250μπι的成像分辨率;或未加透鏡組合時 的分辨率為500μπι;或光斑較大，采用焦距為150mm的平凹鏡和焦距為50mm的平凸鏡組合，則 實現(xiàn)1.5mm的成像分辨率。
[0007] 所述金屬掩模板為150mm X 30mm X 0.1mm的不銹鋼片上按0、1二值組成的20X99矩 陣，1對應(yīng)為鏤空大小為0 · 45mm X 0 · 45mm的方孔，0對應(yīng)部分不鏤空，包含80個20 X 20的矩 陣，每移動一列光路中形成不同的調(diào)制矩陣。
[0008] 所述位移平臺為可由計算機(jī)編程控制且定位精度高于0.05mm的一維電動位移平 臺。
[0009] 所述探測器為可探測波長范圍從ΙΟμπι到5000μπι對應(yīng)30THZ到60GHz的靈敏度達(dá)到 pW量級的熱福射測量計bolometer。
[0010] 基于壓縮感知的太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測方法，太赫茲源產(chǎn)生太赫茲波輸出，根 據(jù)輻射源光斑的預(yù)估大小和期望得到的分辨率選擇透鏡組合，太赫茲輻射經(jīng)過透鏡組合后 得到擴(kuò)束后的光束，掩模板被固定到一維電動位移平臺上，一維電動位移平臺移動方向與 光路所在方向垂直，從而擴(kuò)束后的光束垂直經(jīng)過掩模板，利用凸透鏡將透過掩模板的福射 能量匯聚到功率計或能量計，通過計算機(jī)控制位移平臺的移動和采集過程，掩模板每移動 一步，能量計采集對應(yīng)的能量，探測到的能量值組成一個數(shù)組，將其輸入到MATLAB程序進(jìn)行 TVAL3算法處理，即恢復(fù)得到對應(yīng)的圖像。
[0011] 本發(fā)明的特點及有益效果是：
[0012] 本發(fā)明專利的優(yōu)點在于:一、將掩模板共用，簡化了掩模板制作過程、減小更換掩 模板過程光路準(zhǔn)直誤差、縮短了更換掩模板時間；二、克服了傳統(tǒng)逐點掃描成像由二維機(jī)械 移動所導(dǎo)致的速度慢、時間長的缺點，采用本方法可以使整個光斑成像時間縮短至8秒;三、 改善了太赫茲相機(jī)靈敏度低的問題，配合紅外熱福射探測器Bolometer可實現(xiàn)pW量級的功 率探測，大大提高了采樣靈敏度。本發(fā)明專利采用壓縮感知的方法實現(xiàn)太赫茲輻射強(qiáng)度的 分布，具有低采樣率、較短采樣時間、裝置簡易、易于調(diào)整分辨率、高靈敏度的優(yōu)點。該方法 可以推廣應(yīng)用于不同波段的輻射強(qiáng)度分布測量。
【附圖說明】：
[0013]圖1為掩模板構(gòu)成示意圖。
[0014] 對應(yīng)為鏤空大小為0.45mm X 0.45mm的方孔（圖中白色部分），0則對應(yīng)非鏤空部分 (圖中黑色部分），1對應(yīng)的部分太赫茲輻射可完全透過，0對應(yīng)的部分太赫茲輻射無法透過， 不同的0、1組合形成矩陣實現(xiàn)對太赫茲輻射的調(diào)制。
[0015] 圖2為太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測示意圖。
[0016] 圖中：1.太赫茲源;2.擴(kuò)束透鏡組凹透鏡;3.擴(kuò)束透鏡組凸透鏡;4.掩模板;5. -維 電動位移平臺；6.聚焦透鏡;7.太赫茲探測器;8.計算機(jī)。
【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明的目的在于提供一種快速的太赫茲輻射強(qiáng)度分布的探測方法?；趬嚎s感 知理論設(shè)計快速更換的掩模板，每個掩模矩陣與下一個矩陣共用其一部分，僅移動一列即 可得到新的掩模矩陣，縮短了更換掩模板時間。采用本方法可在特定掩模板的基礎(chǔ)上，僅使 用一維移動平臺和太赫茲輻射功率計，就能實現(xiàn)太赫茲輻射強(qiáng)度分布的快速高靈敏度探 測，利用不同分辨率的掩模板和不同的透鏡組合可以對輻射強(qiáng)度分布實現(xiàn)不同分辨率的成 像。同時，該方法還可以推廣應(yīng)用于不同波段的輻射強(qiáng)度分布測量。
[0018] 本發(fā)明提出了基于壓縮感知的快速簡易的太赫茲輻射強(qiáng)度分布探測方案。壓縮感 知理論是一種新的能夠在采樣的同時實現(xiàn)壓縮的理論框架，其實現(xiàn)包括三個過程:信號的 稀疏表示，測量矩陣的選取和信號重構(gòu)。壓縮感知理論的前提條件是信號具有稀疏性或可 壓縮性，而一般圖形和信號都存在連續(xù)性，滿足可壓縮的條件。以一維信號為例，只考慮長 度為N的離散實值信號X，記為ne[l，2, . . .，N]。由信號理論可知X能夠用一組Φτ=[Φι, Φ2, . . . ,Φν]的線性組合表示，則
式中a與X為NX 1矩陣，X為原信號，a為其對應(yīng)的 稀疏基上的系數(shù)，Ψ為所選擇的稀疏基，為NXN矩陣。當(dāng)信號X在某個基上僅有K(K〈〈N)個非 零系數(shù)(其余系數(shù)為零或趨于零)時，則稱該基為信號X的稀疏基。測量過程中并不是直接測 量稀疏信號X本身，而是將信號X投影到一組測量向量Φ =[約肩，…，％]上，得到測量值 凡,=〈χ,〇。Φ為測量矩陣，對應(yīng)測量過程中的掩模矩陣，y對應(yīng)探測器測得的能量值。即
[0019] y=?x=?Wa=0a (1)
[0020] 式中0=(&屯，(&為1\~矩陣，7為1\1階矩陣，0為1\~矩陣。1(〈]\1〈〈1(1)式的逆 問題是一個病態(tài)問題，所以無法由y的Μ個測量值來解出X。但X被稀疏化后只有Κ個非零系 數(shù)，如果得知了這Κ個系數(shù)就可以較好重構(gòu)出原信號X。為了保證算法的收斂性，使得X能夠 由Μ個測量值準(zhǔn)確地恢復(fù)，式(1)中矩陣Θ必須滿足受限等距特性(RIP)準(zhǔn)則，即對于任意具 有嚴(yán)格K稀疏(可壓縮情況時，要求是3K)的矢量V。矩陣Θ都能保證如下不等式成立
[0021]
(2)
[0022] RIP準(zhǔn)則的一種等價的情況是測量矩陣Φ和稀疏矩陣Ψ滿足不相關(guān)性的要