基于压缩感知的爆炸物太赫兹成像在线检测方法研究

Compressed sensing technology was applied to solve the high-dimensional data of terahertz time-domain spectroscopy imaging of online explosive detection in this research. The main contents includes research of terahertz time-domain spectroscopy technology based on compressed sensing, research of terahertz time-domain spectroscopy imaging technology based on compressed sensing, research of specific spectral frequency lossless compression techniques based on compressed sensing. Imaging system was detailed studied and optimized to achieve more than 15 times terahertz time-domain spectroscopy imaging data compression. This study demostrates that data of of terahertz time-domain spectroscopy imaging can be effectively reduced with perceived image quality by compressed sensing and lay the foundation for the development of terahertz time-domain spectroscopy imaging technology toward more actual demand, which has important research significance and application value.

本项目基于太赫兹时域光谱的指纹谱特性，针对太赫兹时域光谱成像的高维数据特点，以邮寄爆炸违禁物品的在线检测为研究对象，将压缩感知理论应用于太赫兹时域光谱成像技术。主要内容研究包括：（1）基于压缩感知理论的太赫兹时域光谱技术研究；（2）基于特定光谱频率的无损压缩技术研究；（3）基于压缩感知的太赫兹时域光谱成像技术研究；（4）在上述研究基础上，通过系统的研究和优化获取适用于太赫兹时域光谱成像技术的压缩感知最优模型，在保证成像质量的同时实现15倍以上的成像数据压缩。该研究阐明压缩感知在保证成像质量和指纹谱特性的同时能有效减少太赫兹时域光谱成像数据量的机理，为太赫兹时域光谱成像技术向更多结合实际需求的方向发展奠定基础，具有重要的研究意义和应用价值。

太赫兹时域光谱成像技术在获取被测物体成像信息的同时更提供了丰富的物质光谱图，可同时检测被测物体的有效成分，可有效应用于邮寄违禁物品的轮廓检测和成分鉴别。本研究基于太赫兹时域光谱技术，系统研究了（1）太赫兹时域光谱的参数计算方法，检测获取了多种物质的太赫兹时域吸收谱，基于密度泛函理论计算计算分析了物质太赫兹吸收峰的振动来源分析；（2）基于多种物质的太赫兹吸收特征峰，建立了太赫兹时域光谱物质的特征数据库，采用最小二乘支持向量机开发了一套基于太赫兹时域吸收谱的物质识别系统，实现了物质的在线检测识别；（3）将压缩感知应用于太赫兹时域光谱技术中，分别研究了基于傅里叶变换和小波变换的太赫兹时域谱的稀疏特性，分析比较了NOMP 重建算法和GP 重建算法的性能，实验结果显示太赫兹时域光谱信号具有较好的稀疏性，在小波基变换和GP 算法的重建下具有较好的信噪比；（4）设计了一套太赫兹二维成像平移台系统，开发了相应的驱动和信号采集模块，较好的实现了0.2mm 分辨率的太赫兹物质检测成像；（5）基于太赫兹时域光谱检测技术，实现了管制刀具模型的太赫兹时域光谱成像轮廓检测和电线缺陷模型的太赫兹时域光谱成像位置检测，实现了基于太赫兹技术实现了胶囊药品的成分检测和识别，研究了基于压缩感知的太赫兹时域光谱成像和基于时域光谱的二次压缩技术。