基于k空间圆形轨迹采样光电导天线阵列的时域太赫兹波成像技术研究

Terahertz imaging technology has important application aspects in industrial fields such as non-destructive testing, medical diagnostics, safety inspection, and food safety. In order to address the limitations of existing systems, such as slow data acquisition, low signal-to-noise ratio and single imaging mode, in this project, we propose a imaging recontruction technique based on a circular sampling method in k space of with a photoconductive antenna array using time domain terahertz system. The research contents include: firstly, we research, design and use of microfabrication techniques to make a circular photoconductive antenna array for efficient terahertz wave detection; secondly, we explore the dynamic excitation of the antenna array using a spatial light modulator, and exploy multi-channel lock-in amplifiers in order to achieve fast, high signal-to-noise ratio fast data acquisition; thirdly, we develop a hybrid inverse transform algorithm to achieve two modes of image reconstruction methodologies (amplitude and phase) from the transient electric field information collected by the photoconductive array; fourthly, we set up a time-domain terahertz imaging system, and perform imaging experiments. In this project, we combine theoretical analysis, numerical simulation, and experimental verification to achieve a fast terahertz imaging method for practical industrial applications. The imaging method has many advantages, such as no need of raster scan, compact in size, high signal-to-noise ratio, two imaging modes available, and it has broad industrial application prospects.

太赫兹成像技术在无损检测，医疗诊断，安全检查，食品安全等工业领域具有重要的应用需求。针对常规太赫兹成像系统数据采集慢，信噪比低，成像模式单一等关键问题，本课题在基于时域太赫兹波单点扫描成像系统的研究基础上，提出一种基于k空间圆形轨迹采样光电导天线阵列的快速图像重建技术。研究内容包括：①研究并利用微加工技术制作圆形光电导天线阵列，实现高效太赫兹波检测；②探索基于空间光调制器的阵列式动态门控激发技术，并结合多通道锁相放大技术，实现快速、高信噪比数据采集；③针对所采集的瞬态电场信息，开发混合逆变换算法实现两种模式的图像重建技术（幅度及相位）；④搭建时域太赫兹成像系统并进行成像试验。本项目通过理论分析、数值模拟、以及实验验证相结合的方式，形成一种面向工业应用的快速太赫兹成像方式。该成像方式单次激发即可实现k空间全采样，因此无需扫描机械，系统紧凑，信噪比高，支持两种成像模式，具有广阔的工业应用前景。

针对时域太赫兹成像系统数据采集慢，信噪比低，成像模式单一等问题，本项目在单点式光栅扫描采样方法的研究基础上，研究一种基于圆形轨迹采样光电导天线阵列的宽带太赫兹波图像重建技术。通过解码宽带探测波光谱携带的样品空间信息，将单频条件下二维的光栅扫描采样简化为沿圆形轨迹的采样，单次激发即可实现整个样品空间信息的二维加载。然后通过开发混合逆变换算法重建样品图像。项目的研究内容及进展主要分为以下几个部分。①光电导天线阵列的加工与验证。目前我们通过理论分析及数值模拟的方法研究了不同天线结构对太赫兹波探测灵敏度和带宽的影响，获得优化的探测单元结构设计，并利用微加工技术制备出了太赫兹光电导天线阵列，单元信噪比优于70dB；②探索基于空间光调制器的阵列式动态门控激发技术，并结合多通道锁相放大技术，实现快速、高信噪比数据采集；目前我们已经验证此技术方案，实现了对阵列光电导天线的按序选通与门控，并基于Labview实现集成控制；③针对所采集的瞬态电场信息，开发混合逆变换算法重建样品幅度和相位图像；目前，我们已经基于Matlab开发出了幅度和相位的图像重构方案，并探索阐明了影响图像重构质量的因素与进一步优化途径；④搭建时域太赫兹成像系统并验证项目成像方案。目前，我们已经对多种样品进行图像重构实验，验证了项目提出的基于宽带太赫兹波的空间-光谱编码图像重建方案。与传统成像方式不同，本项目采用色散元件将物体的空间信息编码到太赫兹的宽带光谱上，通过解码携带样品空间信息的宽带太赫兹波，从而实现样品图像重构。这样而来，单次激发即可实现整个样品空间信息的二维加载，最后通过一种逆变换算法即可重建样品图像。该实施方案在不影响成像速度的前提下，进一步提高系统的集成度和成本，具有更为直观和贴合实际的工业应用前景。