太赫兹时域脉冲层析成像的Matlab实现

唐粹伟, 丁芳媚, 郭田田，孙定仟, 李秋勇，周 俊

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054)

太赫兹时域脉冲层析成像的Matlab实现

唐粹伟, 丁芳媚, 郭田田，孙定仟, 李秋勇，周 俊

(电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054)

该文在透射和反射成像模式下，实现对物体二维成像的关键算法和技术研究。根据太赫兹成像仪采集到的时域太赫兹信号，利用Matlab编程实现二维成像的关键算法，实现对原有功能的补充、完善和扩展。在实际的复杂应用中，对复杂样品进行成像实验，并用所实现的层析成像技术进行图像重现，与实物进行对比，验证程序的正确性和实用性。

太赫兹；层析；成像；Matlab

太赫兹波和其他波段的电磁辐射一样可以用来对物体成像，而且根据太赫兹波的高透性、无损性以及大多物质在太赫兹波段都有指纹谱等特性[1-2]，使太赫兹成像相比其他成像方式更具优势[3-5]。

太赫兹层析成像技术可以获得样本的二维横截面分布图像。目前对太赫兹层析成像技术的研究主要集中在重建图像质量的提高、成像时间的缩短以实现实时成像等方面[6-8]。目前在太赫兹层析成像中对投影数据的获取主要通过点扫描方式获得，需要花费大量时间进行数据测量[9-10]。通过选择合适的图像重建方法可以显著减少所需投影方向数，从而明显缩短太赫兹层析成像所花费时间，具有很重要的意义[11,12]。

1 成像原理

太赫兹扫描成像实验主要是借助英国Teraview公司的TPS 3000型太赫兹光谱仪进行的，成像模式包括透射模式和反射模式。反射式太赫兹脉冲成像系统的光路示意图如图1所示。系统主要包括飞秒激光器、太赫兹波产生部分、太赫兹波探测部分、延迟装置及样品二维平移装置5个部分。

利用THz 源所产生的已知THz 波作为成像射线，经目标透射或反射后记录了其谱信息(包括振幅、相位及复介电常数的空间分布信息)，这些信息经过转换得到相应电信号响应，随后经适当的信号分析处理，最终得到目标的二维或三维图像。

图1 反射型太赫兹脉冲成像系统示意图

太赫兹时域脉冲扫描成像的优势在于：可以通过对不同时间延迟的扫描, 在x-y平面上每一空间点上获得带有样品信息的透射或反射时域波形(数据格式为三维格式:x×y×t)，其中t为时间轴。

2 各种成像显示模式及Matlab实现

成像显示模式(view mode)是指在计算机软件中将采集的时域数据(由单点THz 波形组成)在整个C-Scan窗口呈现出来的形式。不同的显示模式下，凸显出样品信息的重点也不一样。

2.1 时间切片/频域切片

从成像数据文件中提取出来的时域信号为512×N的矩阵，矩阵每一列的数据是每个像素点的时域信号离散值(512个)，而N代表有N个像素点。时域切片成像模式(time slice)是在每一个像素点选取同一时间延迟位置的信息幅值的大小，进行二维图像显示。

频域切片成像模式(freq slice)，是对频域数据而言的。对于每一个像素点的时域数据，对其进行傅里叶变换即可得到该点采集到的信号的频域数据。同样，在每一个像素点选取同一频域位置的信号幅值进行二维显示。

2.2 最大/最小飞行时间

对于x-y平面上的每一个像素点，此模式(time of flight(max))下会呈现最大信号所对应的延迟时间大小的图像。最大信号值处的时间坐标就是最大飞行时间。该模式下图像中每个像素点显示值即为该时间坐标值。通常情况下，由扫描物体前表面反射的信号最强因而会被认为是最大值，样品中表面最高的像素点处信号最先被反射回，因此飞行时间最小；而表面最低的像素点处返回最大值会需要更长的时间。如果表面平坦，这时最强信号对应的激光飞行时间近似为常值。这时，图像为一个无明显变化的图样。

2.3 最大/最小峰值

最大/最小峰值(Max/Min peak size)模式下会呈现每个像素点在单点波形中的最大/小信号值。选取出每个像素点时域信号的最大/小值，即可得到1×N(N为像素点个数)的序列，将此数据用二维图展示出来。一般说来，在吸收度小的像素点上太赫兹波衰减较小，因而，此类像素点中最大峰值较其他像素点较大，反之则较小。

2.4 峰峰值切片

峰峰值切片模式(peak-to-peak in slice)，在每一个像素点都选取相同的时间区间，将区间内的最大、最小时间信号提取出来相减得到该切片内的差值(峰峰值)。将N个像素点的峰峰值结果呈现在x-y二维图像中即是峰峰值切片成像效果图。这种模式下，可以去除空气/物体界面上的强反射波，而只关心样品内部的信息。

2.5 峰峰值

峰峰值模式(peak-to-peak)，是在每个像素点展示整个时域波形上最大值与最小值的差值。在每一个像素点都提取出其时域信号的最大、最小值相减得到该峰峰值。将N个像素点的峰峰值结果呈现在x-y二维图像中即是峰峰值成像效果图。因此，在这个模式下每个像素点都展示其最大值与最小值之间的差值。这种模式下，可以清晰展现样品的轮廓。

2.6 微分/积分

一阶微分信号表现每个时域信号在不同时间点变化的大小，即其变化率，能突出表现信号变化较大的部分。该模式(1st deriv time slice)下选择一个时间点，计算出每个像素点该时间位置下信号的一阶微分，微分值近似于该时间点和下一个时间点间的差值。微分信号表现每个时域信号在不同时间点变化的大小，即其变化率，能突出表现在某一时间切片点信号变化较大的部分。

Matlab实现的具体步骤是，首先选取两个相邻时间切片点的时域数据，让两个时间点的时域信号幅值相减，即得到所要的一阶微分信号。之后，将得到的一阶微分信号进行二维显示即可。

积分切片模式(integrated slice)，在每一个像素点选取相同的时间区间，将区间内的所有时间信号相加得到积分切片值。将1×N个积分结果呈现在x-y二维图像中即是积分成像效果图。该模式相当于将样品物理剖分成小切片，然后对小切片进行成像。这种成像模式的优势在于能在不对样品进行解剖切片的前提下，依次观察样品某一深度某一部分的状态。

2.7 时域/频域差分切片

对于每一个像素点的时域信号，所选时间区间的结束时间位置的信号值减掉起始时间位置处的信号幅值即为所需差值(diff time slice)，将每个像素点处的不同差值组合起来呈现于x-y平面得到二维图像。Matlab实现的具体步骤是，首先选取任意两个时间切片点(自己指定)的时域数据，让两个时间点的时域信号幅值相减，即得到所要的时域差分信号。之后，将得到的时域差分信号进行二维显示即可。

同样，对于每一个像素点的频域信号，所选频率区间的结束频率位置的信号值减去起始频率位置处的信号幅值即为所需差值(diff freq slice)，将每个像素点处的不同差值组合起来呈现于x-y平面得到二维图像。Matlab实现的具体步骤是，首先选取任意两个频率切片点(自己指定)的频域数据，让两个时间点的频域信号幅值相减，即得到所要的频域差分信号。之后，将得到的频域差分信号进行二维显示即可。

3 俯视图和剖面图成像效果

不同的模式下的数据进行进一步的插值函数的处理后，即可得到所需的俯视图和剖面图的成像效果图。除此之外，对比度的调节功能可以手动调节，得到最好最清楚的成像效果。

俯视图就是x-y切面的图像。所测的封转芯片的最小飞行时间的效果图如图2所示。

图2 最小飞行时间成像效果图

剖面图可以手动选择x-t平面或y-t的切面图像。x-t切面成像效果图如图3所示，y-t切面成像效果图如图4所示。

图3 水平切面成像效果图

图4 竖直切面成像效果图

4 GUI设计

利用Matlab自带的GUI界面设计功能，结合前文所述的不同显示模式的原理，加入了时间段选择控件、选择成像点位置控件和控制成像图像对比度的控件，并完成不同控件之间的关联，完成软件的设计，结果如图5所示。

图5 GUI界面图

5 结束语

本文提取每一个数据点的时域波形，首先在时域上通过Matlab编程实现各种成像功能，包括幅值成像、最大/最小值成像、峰峰值成像、最长/最短飞行时间成像和时间片成像等等多种成像显示模式。然后，对时域波形进行傅里叶变换，得到频域波形，在频域上通过Matlab编程实现频域幅值成像。

但是，整个程序中还是缺少对实验中数据进行函数处理的功能，如滤波器处理、幅值成像、相位成像和单频率点成像等，还需继续加强。

太赫兹脉冲成像技术除了普通成像应用，更可用于获取物质光谱、折射率、幅值、相位及样品厚度等信息。太赫兹脉冲成像技术在无损探测、安检、材料分析、医疗等方面用途广泛，是未来国防、科研工作中需要提前占领的制高点。

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Implementation of Terahertz Time-Domain Tomography Using Matlab

TANG Cuiwei, DING Fangmei, GUO Tiantian, SUN Dingqian, LI Qiuyong, ZHOU Jun

(School of Physical Electronic,University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu 610054，China)

In the transmission and reflection imaging modes, we realize the key algorithms and techniques of 2D imaging of objects.According to time-domain Terahertz signals collected by THz imaging instrument, we use MATLAB programming to realize key algorithm for 2D imaging to accomplish the improvement and expansion added to the original function.In the complex practical applications, imaging experiments are performed on complex samples, and the image is reconstructed by using the tomography technology.Compared with the real,the correctness and practicability of the program are verified.

terahertz; tomography; imaging; Matlab

2015-05-14；修改日期:2016-12-02

中央高校基本科研业务费(ZYGX2015J040)。

唐粹伟(1993-)，女，本科，电子信息科学与技术专业。

周俊，副教授，zhoujun123@uestc.edu.cn

TN722.5+8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.041