發(fā)布時間：2020-05-20 22:20

【摘要】：太赫茲波是介于毫米波和遠紅外波之間的電磁波,能穿透很多介電材料,且穿透能力優(yōu)于紅外波。成像原理相同時,太赫茲成像的分辨率比微波成像的分辨率高。相比于X射線成像,低密度材料在太赫茲成像中的對比度更高。因此太赫茲成像可以作為現(xiàn)有成像技術的補充,應用于無損檢測和人體安檢等領域。太赫茲成像系統(tǒng)的景深越長,分辨率越高,則該成像系統(tǒng)的性能越好。傳統(tǒng)的連續(xù)太赫茲波成像系統(tǒng)中,探測樣品的波束為高斯波束,必須權衡瑞利距離和波束寬度,難以同時滿足長景深和高分辨率。近年來,太赫茲結構化波束的發(fā)展為該問題提供了有效的解決方案。比如,太赫茲零階貝塞爾波束和加速艾利波束等結構化波束具有無衍射特性,可以在較長傳播范圍內(nèi)保持較小的光斑尺寸。此外,如果這兩種波束的其中一部分被遮擋或者扭曲,它們可以在傳播過程中具有自修復特性。因此這兩種結構化波束可以用于擴展成像系統(tǒng)的景深,而成像系統(tǒng)的分辨率不會因為景深擴展受影響。本文研究了太赫茲零階貝塞爾波束和加速艾利波束的產(chǎn)生、這兩種結構化波束對成像系統(tǒng)的景深擴展,以及重建算法對連續(xù)太赫茲波計算機層析成像(Computed Tomography,CT)的重建圖像質(zhì)量的影響。主要內(nèi)容概括如下:(1)基于角譜理論對太赫茲零階貝塞爾波束和加速艾利波束的產(chǎn)生過程進行了數(shù)值仿真。設計并制作了適用于0.3 THz的衍射元件、一維(One-Dimensional,1D)立方相位板和二維(Two-Dimensional,2D)立方相位板。首先使用衍射元件產(chǎn)生了0.3THz的零階貝塞爾波束,并與錐透鏡產(chǎn)生的零階貝塞爾波束進行了對比。結果表明衍射元件可以有效提升太赫茲零階貝塞爾波束的轉換效率。使用1D立方相位板和2D立方相立方板與相應的傅里葉變換透鏡結合,分別產(chǎn)生了1D加速艾利波束和2D加速艾利波束。(2)構造了一套傳統(tǒng)的基于高斯波束的連續(xù)太赫茲波二維透射成像裝置并研究了該成像裝置的景深和橫向分辨率,然后在頻域?qū)ν干鋱D像進行濾波,消除了數(shù)據(jù)采集過程中樣品和探測器的相對平移引入的噪聲。最后,將零階貝塞爾波束和2D加速艾利波束引入到該太赫茲透射成像中,研究了基于這兩種結構化波束的成像系統(tǒng)的橫向分辨率和景深。(3)設計了一套傳統(tǒng)的基于高斯波束的連續(xù)太赫茲波二維反射成像裝置并研究了該成像裝置的景深和橫向分辨率,然后用衍射元件將太赫茲零階貝塞爾波束引入到反射成像裝置中。比較了基于零階貝塞爾波束和高斯波束的兩個太赫茲反射成像系統(tǒng)的景深和分辨率。結果表明基于零階貝塞爾波束的連續(xù)太赫茲波二維反射成像系統(tǒng)不僅具有顯著擴展的長景深,而且具有良好的抗干擾能力。(4)設計了一套傳統(tǒng)的基于高斯波束的太赫茲CT實驗裝置,并采集了樣品的投影數(shù)據(jù)。使用基于壓縮感知的凸算法和其他多種算法處理投影數(shù)據(jù)分別獲得了重建圖像,結果表明基于壓縮感知的凸算法能有效的消除重建圖像中的射線偽影,而且不會引入其它失真。進一步,通過數(shù)值仿真分析了基于高斯波束的太赫茲CT的成像過程。最后研究了基于零階貝塞爾波束和基于高斯波束的太赫茲CT獲取的投影數(shù)據(jù)和重建圖像的差異。
【圖文】：

太赫茲(Terahertz，THz)波是指頻率位于 0.1~ 10THz，波長介于 30μm ~ 3m的電磁波，在某些場合特指頻率為 0.3~3THz 的電磁波，如圖 1-1 所示。自然有大量的太赫茲輻射源，比如我們身邊絕大多數(shù)物體的熱輻射都是太赫茲波。2 80 年代之前，由于太赫茲發(fā)射源的發(fā)射功率較低、太赫茲探測器的探測靈敏度赫茲波并沒有得到深入的研究，而太赫茲波段兩側的紅外波和微波已經(jīng)被廣泛通信、光譜、成像等眾多領域。20 世紀 80 年代之后，超快光電子技術為太赫的發(fā)射和探測提供了可用的技術、低尺度半導體技術為連續(xù)太赫茲波提供了可射和探測方法。太赫茲波段的長波方向是從傳統(tǒng)電磁學（電子學）領域發(fā)展起來它的短波方向是從光學領域發(fā)展起來的。在這兩個領域中，電磁波發(fā)射源的工、操縱電磁波的元器件、電磁波和物質(zhì)相互作用的物理表述都有很大的不同；赫茲波發(fā)射源，從光學領域發(fā)展的光電導天線發(fā)射太赫茲脈沖，而從電子學領的耿氏二極管發(fā)射連續(xù)太赫茲波。

圖 1-2 環(huán)縫法產(chǎn)生零階貝塞爾光束[7]階貝塞爾光束的原理如圖 1-3 所示[6]，高斯光束 xp ik ，其中，0k nk sin /n ， =arcsin n的折射率， k =2 / 是光波波數(shù)， 是光波波長塞爾光束的無衍射傳播距離max 0z /tan ，其束的束腰半徑。
【學位授予單位】：華中科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：O441.4;TP391.41

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