【摘要】：近年來,伴隨國內(nèi)外太赫茲(Terahertz,簡稱:THz)技術(shù)的快速發(fā)展,THz成像檢測技術(shù)在無損檢測、材料科學(xué)、反恐安檢、物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、航空航天等眾多領(lǐng)域均展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景。針對THz主動成像技術(shù)在無損檢測、以及人體安檢領(lǐng)域的重大應(yīng)用前景,我們研究了可靠實用的主動成像系統(tǒng)。對用于THz無損檢測的主動成像系統(tǒng),為充分利用低頻THz信號穿透性強(qiáng)但空間分辨率較低,而高頻THz信號空間分辨率高但穿透性較弱的特點,我們提出了高低雙波段THz無損檢測儀的方案,通過圖像融合技術(shù)實現(xiàn)了高分辨率與強(qiáng)穿透性的充分融合從而提升了 THz無損檢測儀的檢測能力。針對圖像中出現(xiàn)的干涉條紋影響成像質(zhì)量問題,通過頻域濾波實現(xiàn)干涉消除從而優(yōu)化了成像質(zhì)量。最終研制的系統(tǒng)由低頻110.4 GHz和高頻220.8 GHz兩個波段的本振源及超外差檢測器組成,成像結(jié)果顯示系統(tǒng)可達(dá)到的空間分辨率達(dá)3 mm。我們利用該系統(tǒng)對泡沫隔熱材料與金屬板黏合面粘接質(zhì)量展開了檢測,并檢測了不同材質(zhì)中的預(yù)埋缺陷。結(jié)果表明,系統(tǒng)能穿透泡沫隔熱材料并獲得材料與金屬板黏合處的二維THz圖像,從圖像中能清晰地分辨出不同特征的缺陷。該研究結(jié)果不僅證明了 THz波成像在質(zhì)量檢測和材料無損檢測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用前景,也證明了多波段融合在THz主動成像技術(shù)領(lǐng)域的有效性。同時,我們也重點研究了可用于人體安檢的雙焦點THz像方掃描主動成像系統(tǒng),在研究過程中我們發(fā)現(xiàn),利用工程光學(xué)中場曲及像散的相關(guān)理論,在保持經(jīng)典系統(tǒng)(卡塞格林或格里高利)結(jié)構(gòu)不變的情況下,通過簡單的面型參數(shù)變換或成像距離的變化即可實現(xiàn)雙焦點成像的效果,從而可優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)整個視場的成像分辨率。該方法與基于幾何光學(xué)光線追蹤的傳統(tǒng)雙焦點成像系統(tǒng)實現(xiàn)方法相比,計算過程簡單,實現(xiàn)方便,可根據(jù)設(shè)計人員實際情況調(diào)整雙焦點大小,唯一美中不足的是不能在面型中增加高次項以進(jìn)一步優(yōu)化成像效果,考慮到THz成像系統(tǒng)的工作波長,實際應(yīng)用時無明顯影響�；谏鲜龇椒�,我們利用THz連續(xù)波源及相應(yīng)檢測器,研制了一套最快掃描速度1秒/幀,距離8 m處成像視場覆蓋50 cm×100 cm的雙焦點反射天線格里高利成像系統(tǒng)。當(dāng)系統(tǒng)工作頻率為220 GHz時,系統(tǒng)全視場范圍內(nèi)的分辨率均優(yōu)于3 cm(最優(yōu)點分辨率達(dá)到2.5 cm),全視場范圍內(nèi)的表現(xiàn)明顯優(yōu)于初始經(jīng)典系統(tǒng)(分辨率4.45 cm)。該主動成像系統(tǒng)不僅驗證了所述方法的可行性而且在國內(nèi)首次實現(xiàn)了利用雙焦點格里高利系統(tǒng)對人體主軀干的成像。當(dāng)驗證系統(tǒng)工作頻率提高到650 GHz時,類比220 GHz時的參數(shù),理論上最優(yōu)點分辨率應(yīng)達(dá)到0.85 cm,最差點的分辨率應(yīng)優(yōu)于1.02 cm,實際測試驗證發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)全視場范圍內(nèi)的分辨率只優(yōu)于2.5 cm(最優(yōu)點分辨率達(dá)到1 cm),分析認(rèn)為可能是由于系統(tǒng)加工及裝調(diào)精度不夠?qū)е路直媛蕫夯?同時所使用的源與檢測器無法通過相位信息提升圖像信噪比導(dǎo)致無法通過點擴(kuò)散函數(shù)更精確表示系統(tǒng)分辨率。我們針對不同應(yīng)用場景所研制的THz主動成像系統(tǒng)均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),證明了 THz主動成像在無損檢測、人體安檢等方面巨大的應(yīng)用潛力。在本文的最后我們也針對THz主動成像技術(shù)的進(jìn)一步實用化,提出了一些可能的改進(jìn)思路及方法。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O441;TP391.41
【圖文】：

ＴＨｚ源是煙霧等環(huán)境下的理想成像光源。需要特別指出的是，由于金屬的高電逡逑導(dǎo)率使其在ＴＨｚ頻段反射特性極強(qiáng)；另外，水的極性很強(qiáng)，水汽對ＴＨｚ波吸收逡逑明顯，是ＴＨｚ在大氣傳輸中衰減的主要因素，圖１－２展示了邋ＴＨｚ波在不同大氣逡逑條件下的衰減特性。在實際ＴＨｚ波段的設(shè)備研制過程中，需要充分考慮這兩個逡逑因素并加以合理利用或規(guī)避。逡逑＂ＥＥ１邐＼邐Ｉ邐１逡逑．＿？螓邋ｎｔｃｒ邋邐Ｍ邐Ｉ邐Ｉ逡逑…｜邐Ｊ邐Ｘ＂邐］逡逑＇＂ｉｔｏ邐＼邋ｉｒ逡逑Ｉ邋ｉｐｑｕａｃＮ邋（ＣｉＨ／！逡逑圖１－２邋ＴＨｚ波在不同大氣條件下的衰減特性［１４］逡逑２逡逑

在使用肖特基二極管做頻率為１００－１２０邋ＧＨｚ的直接檢測時，ＮＥＰ可達(dá)到逡逑５ｘｌ（Ｔ１２Ｗ／ＨＺ１／２［４５］。當(dāng)肖特基二極管作為直接檢測工作在０．７５－０．９ＴＨＺ時，電壓逡逑響應(yīng)也可達(dá)到２５００邋Ｖ／Ｗ邋［４６］。圖１－４展示了常見外差檢測器系統(tǒng)簡圖，其中％為逡逑入射信號，化0為本地振蕩信號。逡逑本地信號ＬＯ逡逑’＼Ａ／’邋＼邋八八／＾Ｃ＾邋混頻器．逡逑圖１＿４外差檢測器系統(tǒng)簡圖逡逑在特定的應(yīng)用條件下，使用直接檢測式檢測器還是外差檢測式檢測器是需要逡逑通過系統(tǒng)論證分析的。一般來講，相干檢測器具有更高的頻譜分辨率［４７］？［５０］，逡逑／／Ｖ？１０５－丨０６，但工作在ＴＨｚ波段的相千檢測器還需要本振源；而非相干檢逡逑測器則可以在更寬的頻譜范圍內(nèi)工作，在背景噪聲較低的時候它能提供的空間分逡逑６逡逑

在可見光波段，成像主要依靠物體漫反射，而在ＴＨｚ波段，成像主要依靠反逡逑射，此時，光線在被測物上的入射角和被測物體表面的凹凸變化都會對成像結(jié)果逡逑造成很大影響。圖１－５顯示了邋ＴＨｚ成像中物體的入射角度變化以及表面起伏對結(jié)逡逑果的影響［１４］。圖ａ為系統(tǒng)能完全獲取反射后的入射信號時的情況，可以看到被逡逑測物成像的輪廓很清晰；圖ｂ為入射信號經(jīng)反射后完全無法被成像系統(tǒng)接收的情逡逑況，此時雖然有被測物，但實際成像結(jié)果卻無法檢測到被測物。圖ｃ為同一被測逡逑物通過旋轉(zhuǎn)特定角度，部分原來成像時看得到和看不到的區(qū)域互換了。該實驗表逡逑明，同一被測物的ＴＨｚ主動成像結(jié)果外形輪廓也可能有較大差別。通過將多個擺逡逑放在不同地點照射角度不同的ＴＨｚ源信號直接照射到被測物表面上是這個問題逡逑９逡逑

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本文編號：2785567