成像特性比较 - 脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像特性的比较

4、脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像特性的比较

分辨率是成像系统的一个重要参数，光学系统成像的分辨率与光的波长成反比，与光的频率成正比。所以理论上高频太赫兹波的成像分辨率要高。而连续波太赫兹源的硬件技术所限，很难做到高频率单频的连续波源，这也是太赫兹成像技术的瓶颈之一。目前国内有0.2THz，0.4THz耿氏二极管振荡器源和0.59～0.71THz可调返波管源。就现状来看，脉冲太赫兹波成像比连续波太赫兹成像在分辨率上有一定的优势。

对直径分别为1.2mm，2.3mm和3.6mm的铜制圆孔在脉冲系统下进行成像实验得到各自图像，如图4（a）～（c）所示。用二维平移台对其进行逐点扫描，扫描点数为38pixel×38pixel，实验外部条件是湿度为20.2%，温度为21.0℃。扫描采集到38pixel×38pixel个［X，Y］矩阵，它们每一个代表扫描的一个点的时域信息。然后用自己编写的Labview程序进行时域振幅成像。脉冲系统下1.2mm，2.3mm，3.6mm圆孔的像都可以看到，说明系统分辨率在1.2mm以下，脉冲系统的光斑很小，通过狭缝法测量出其光斑大小为1.0mm。

图4不同直径圆孔的时域振幅太赫兹成像图

在连续波系统下对圆孔阵列进行扫描成像，如图5所示。小孔孔径从右向左依次递减（6.0mm，5.5mm，5.0mm，4.5mm，4.0mm，3.5mm，3.0mm，2.5mm，2.0mm）。可以模糊地看到从右数第8排2.5mm孔径的圆孔，但是第9排2.0mm孔径的圆孔难以看清，所以连续波系统对于圆孔的辨别能力大约在2.5mm。

图5圆孔阵列的连续波太赫兹成像图

为了测量连续波系统分辨率，对一个铝制扇形模板成像，相邻两个刀刃间提供了无数个宽度。图像中能够分开每个刀刃之间的最小距离就是其系统分辨率。通过成像实验，如图6所示，连续波系统的分辨率为2.6mm。与连续波成像相比在成像分辨率上脉冲成像占有明显的优势。

对于两个系统的噪声比较，连续波系统得到的图像上有明显的条纹，这是由于该系统多路反射在探测器相干叠加的结果及电动平移台的振动影响所造成的。脉冲系统的噪声主要是斩波器的机械噪声和电子噪声，与连续波系统的噪声相比很小。

图6扇形模板（a）及扇形模板太赫兹图像与测量值（b）

在成像速度上连续波系统有明显的优势。扫描上面的脉冲图像时，对于一组锁相积分时间设为10ms的38pixel×38pixel点的数据，所需时间大约为13h以上，用连续波系统扫描的面积要大几十倍的图像却只用了十几分钟。扫描速度上的优势为连续波对大面积的物体无损检测提供了可能。

由于截然不同的机制，两种系统得到的图像数据是完全不同的。在连续波系统中，只以矩阵形式储存强度信息，可以直接转变为图像。而脉冲系统的数据非常复杂，因此要求更先进的处理方法而使之被充分利用。下面用自己开发的Labview程序，先将38pixel×38pixel个时域数据同时转化为频域数据，再对频域数据成像，即可以得到不同频率下物体的像。以孔径为2.6mm的铜孔为例，如图7所示。从图中可以看到，选择频谱中不同频率成分的振幅值所成的图像的对比度存在较大的差异。在频率较低时，成像的对比度较差，这是由于空间衍射极限造成的，如第一排小于0.5THz的3个像，高频部分由于相应的波长较短，因此应该能够获得更高的空间分辨率。而且不难看出在0.96THz处像对比度最好，因为1.0THz附近能量较大。这种方法也为识别不同成分的物体提供了一种新的多波长光谱成像方法。由于物体成分不同，它们在太赫兹波段的吸收峰的位置也不同，所以可以用不同频率的像区别几种成分的物体。脉冲系统信息量丰富可以做多光谱成像研究，而只有强度信息的连续波成像是无法做到的。

图7直径为2.6mm的铜孔在不同频率下的振幅成像

以损失景深、时域和频域信息为代价，连续波系统是一个紧凑、简便、快速成像的系统。因为它不需要抽运探测成像，连续波系统的光路复杂性与脉冲系统相比大大降低，而且它不需要时间延迟扫描，因此扫描速度也非常快。

在航天泡沫材料（SOFI）等无损检测应用中，连续波技术提供了更为有效的结果，它可以很好地检测并辨别空缺和分层两种主要的缺陷，与脉冲系统相比，其结果有较高的分辨率。

对上面提到的两个成像系统的成像机理、系统分辨率、系统噪声、成像速度、信息量、价格、复杂性、便携性及其应用总结如表1所示。

表1两种成像系统的对比

5、结论

脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像各有特点和优势，有很好的互补性，要视具体的应用来选择、构建最佳的成像方案。脉冲太赫兹时域测量系统能够提供成像物体的光谱信息，甚至折射率色散，这是连续波系统不能提供的信息。连续波系统具有较高的辐射功率，系统简单、价格低、成像速度快、使用方便的特点。如果扫描的物体比较大而又只需要检测缺陷或者透射性质，选择连续波系统较好。但如果探测的物体比较精细，要求系统有较高的分辨率并获得物体的光谱信息，则需使用脉冲成像方法。