基于面阵探测器的连续太赫兹数字全息三维成像研究

It is important for the application of single-frequency continuous-wave (CW) Terahertz (THz) 3D imaging in the non-destructive inspection and biomedicine domains when an array detector is used to realize CW 2.52 THz digital holographic 3D imaging. Our research group has realized the 2D reconstruction of 2.52 THz digital holography in the world for the first time. Based on this, the project aims at obtaining clear 3D reconstructed images by integrating theory with practice. The 3D imaging mechanisms of 2.52 THz off-axis and Gabor inline digital holography are investigated based on the emulation and experimental results. Then the relationship of the image quality, the imaging distance and the object size in the 3D imaging of Gabor inline digital holography is obtained, and the relationship of the image quality, the imaging distance and the incident angle in the 3D imaging of off-axis digital holography is also achieved. The emulation includes the simulation of the THz digital holographic recording and reconstruction processes. Meanwhile, a series of reconstruction algorithms are also simulated. The THz 3D imaging method and reconstruction algorithm based on the compressed sensing (CS) theory are proposed, and the digital image processing methods are also improved. All these make the axial resolution of the 3D imaging system reach the millimeter order.

采用面阵探测器实现连续2.52太赫兹数字全息三维成像，对单频连续太赫兹三维成像在无损检测和生物医学等应用具有重要的意义。本项目以本课题组在国际上首次实现2.52太赫兹数字全息二维重建图像为基础，理论与实验相结合，旨在获得清晰的基于面阵探测器的三维重构图像。理论上，根据太赫兹数字全息记录过程的模拟和再现过程各种重建算法的仿真，结合实验结果，深入研究离轴和Gabor同轴2.52太赫兹数字全息三维成像机理，给出Gabor同轴数字全息三维成像质量与成像距离和物体大小的关系，给出离轴数字全息三维成像质量与成像距离和离轴角度的关系。提出基于压缩感知理论的太赫兹三维成像及重构处理方法，同时改进数字图像处理方法，最终使三维成像系统轴向分辨率达到毫米量级。

太赫兹数字全息三维成像是太赫兹成像与数字全息技术的结合，弥补了可见光全息成像技术中材料不透明等不足。此技术可用于无损检测等领域。基于我们于国际首次获得二维连续2.52太赫兹数字全息成像的基础，本项目对太赫兹数字全息三维成像开展了理论和实验研究。实验上，于国际率先获得了清晰的连续2.52太赫兹伽栢同轴数字全息三维断层图像，实测轴向分辨率高于6mm，横向分辨率高于0.4mm。采用了峰值信噪比（PSNR）和平均结构相似度（MSSIM）的客观评价标准，理论计算给出了此三维成像系统参数（如轴向间隔、初始位置）及再现算法参数（如迭代次数等）对重建结果影响曲线。提出了基于压缩感知方法的改进的三维再现算法，提高了实际再现图像的可视性。同时，研究了此系统的二维性能和再现及图像处理性能。提出了基于相位恢复的3种改进的二维全息再现算法，图像对比度不断得到提高。为进一步提高图像质量，提出了基于统计、小波变换和灰度变换等多种图像去噪方法，采用主客观结合评价方法，验证了每种方法的适用性。利用自制的0.4mm和0.6mm分辨率板实验研究了横向分辨率与记录距离的关系，实验结果与理论计算结果接近。实验研究了横向位置与成像质量的关系，并验证了所提算法抑制了孔径效应且整幅图像对比度也有所提高。另外，针对记录位置不易准确测量，对真实2.52太赫兹伽栢同轴数字全息图应用五种自动聚焦判别函数自动聚焦；通过截取再现像目标提高判别精度。本项目的研究将有助于推动太赫兹全息三维成像的实际应用。