基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，為實現室溫下太赫茲輻射強度分布的快速高靈敏度探測，并能夠根據需要對輻射強度分布實現不同分辨率的成像，本實用新型采用的技術方案是：基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測方法和裝置，包括擴束透鏡組、掩模板、一維電動位移平臺、太赫茲功率計或能量計、聚焦透鏡、計算機的裝置，所述的擴束透鏡組由焦距分別為50mm的凹透鏡和100mm的凸透鏡組成，所述凹透鏡、凸透鏡對1-3THz范圍高透；所述掩模板為金屬薄片上按0、1二值組成的矩陣，1對應為鏤空的方孔；掩模板被固定到一維電動位移平臺上。本實用新型主要應用于太赫茲波探測場合。
【專利說明】
基于壓縮感知的太赫茲福射強度分布探測裝置
技術領域
[0001] 本實用新型設及太赫茲波探測技術，具體講，設及基于壓縮感知的太赫茲福射強 度分布探測裝置。
【背景技術】
[0002] 太赫茲(Terahedz，簡稱1'化，11'化=1〇12化)福射是指頻率從0.11'化到101'化，相應 的波長從3毫米到30微米，介于毫米波與紅外光之間頻譜范圍相當寬的電磁波譜區(qū)域。太赫 茲福射在電磁波譜中所處的特殊位置賦予了其一系列特殊的性質，運使得太赫茲技術可W 應用到生物醫(yī)學檢測、物質特性研究、安檢等方向。太赫茲福射潛在的廣闊應用前景促使其 福射源技術快速發(fā)展，太赫茲波段的福射能量探測技術也逐漸成熟，而相應的對福射強度 分布的探測手段卻還停留在最初的逐點掃描和太赫茲相機兩種方法。逐點掃描方法簡單易 行，只需二維位移平臺、太赫茲福射功率計或能量計等實驗室基礎設備就能實現。但其存在 著平臺二維移動所導致的成像速度慢的缺點，加之使用該方法需要對每一點的強度進行逐 個探測，運要求太赫茲福射源的能量和強度分布在較長時間內保持穩(wěn)定，若要得到較高分 辨率圖像則要求探測器具有較高的靈敏度，然而運些要求是現階段的太赫茲福射源和探測 器所難W達到的，所W此方法的應用范圍受到了一定的限制。太赫茲波段的CCD和CMOS相機 則可W實現實時成像，然而其探測靈敏度較低，運就對福射源的輸出功率提出了較高要求， 加之高昂的價格，運使得它很難被應用到一般的太赫茲波研究當中。
[0003] 壓縮感知是一種充分利用信號稀疏性或可壓縮性的全新信號采集、編解碼理論， 它突破了傳統(tǒng)香農-奈奎斯特采樣定理的束縛。該理論表明，當信號具有稀疏性或可壓縮性 時，通過采集少量的信號投影值就可實現信號的準確或近似重構。壓縮感知理論是W已有 的盲源分離和稀疏分解理論為基礎建立的。盲源分離為壓縮感知理論提供了在未知源信號 的情況下通過測量編碼值實現信號重構的思路;稀疏分解中的具體算法則被應用到壓縮感 知重構過程。采用壓縮感知理論的太赫茲福射強度分布探測方法則只需要引入用于光調制 的掩模測量矩陣，更換掩模板過程僅需一維移動，在原信號20 %-30 %采樣率下實現采樣， 整個采集過程可縮短至8秒，配合紅外熱福射探測器Bolometer可實現pW量級的功率探測， 且可通過調整掩模板掩模孔徑尺寸和透鏡組合得到不同分辨率的成像結果。該方法具有小 型化、易于制作、低成本、時間短、靈敏度高的優(yōu)點。

【發(fā)明內容】

[0004] 為克服現有技術的不足，實現室溫下太赫茲福射強度分布的快速高靈敏度探測， 并能夠根據需要對福射強度分布實現不同分辨率的成像。
[0005] 為此，本實用新型采用的技術方案是:基于壓縮感知的太赫茲福射強度分布探測 裝置，包括擴束透鏡組、掩模板、一維電動位移平臺、太赫茲功率計或能量計、聚焦透鏡，所 述的擴束透鏡組由焦距分別為50mm的凹透鏡和100mm的凸透鏡組成，所述凹透鏡、凸透鏡對 1-3??Ζ范圍高透;所述掩模板為金屬薄片上按0、1二值組成的矩陣，1對應為縷空的方孔;掩 模板被固定到一維電動位移平臺上；聚焦透鏡為對1-3??Ζ范圍高透的凸透鏡；福射光束經 過擴束透鏡組后得到擴束后的光束，一維電動位移平臺移動方向與光路所在方向垂直，因 而擴束后的光束垂直通過掩模板，透過掩模板的福射能量由一焦距為100mm的凸透鏡匯聚 到探測器。
[0006] 透鏡組合實現分辨率的調節(jié)，具體包括:采用焦距為50mm的平凹鏡和焦距為100mm 的平凸鏡組合實現光斑的2倍擴束，實現分辨率為250WI1的成像分辨率;或未加透鏡組合時 的分辨率為500μπι;或光斑較大，采用焦距為150mm的平凹鏡和焦距為50mm的平凸鏡組合，貝U 實現1.5mm的成像分辨率。
[0007] 所述金屬掩模板為150mm X 30mm X 0.1mm的不誘鋼片上按0、1二值組成的20X99矩 陣，1對應為縷空大小為0.45mm X 0.45mm的方孔，0對應部分不縷空，包含80個20 X 20的矩 陣，每移動一列光路中形成不同的調制矩陣。
[0008] 所述位移平臺為可由計算機編程控制且定位精度高于0.05mm的一維電動位移平 臺。
[0009] 所述探測器為可探測波長范圍從10皿到5000皿對應30THZ到60細Z的靈敏度達到 pW量級的熱福射測量計bolometer。
[0010] 本實用新型的特點及有益效果是：
[0011] 本實用新型的優(yōu)點在于:一、將掩模板共用，簡化了掩模板制作過程、減小更換掩 模板過程光路準直誤差、縮短了更換掩模板時間；二、克服了傳統(tǒng)逐點掃描成像由二維機械 移動所導致的速度慢、時間長的缺點，采用本方法可W使整個光斑成像時間縮短至8秒;Ξ、 改善了太赫茲相機靈敏度低的問題，配合紅外熱福射探測器Bolometer可實現pW量級的功 率探測，大大提高了采樣靈敏度。本實用新型專利采用壓縮感知的方法實現太赫茲福射強 度的分布，具有低采樣率、較短采樣時間、裝置簡易、易于調整分辨率、高靈敏度的優(yōu)點。該 方法可W推廣應用于不同波段的福射強度分布測量。
【附圖說明】：
[0012] 圖1為掩模板構成示意圖。
[001引對應為縷空大小為0.45mm X 0.45mm的方孔（圖中白色部分），0則對應非縷空部分 (圖中黑色部分），1對應的部分太赫茲福射可完全透過，0對應的部分太赫茲福射無法透過， 不同的0、1組合形成矩陣實現對太赫茲福射的調制。
[0014] 圖2為太赫茲福射強度分布探測示意圖。
[0015] 圖中：1.太赫茲源;2.擴束透鏡組凹透鏡;3.擴束透鏡組凸透鏡;4.掩模板;5. -維 電動位移平臺；6.聚焦透鏡;7.太赫茲探測器;8.計算機。
【具體實施方式】
[0016] 本實用新型的目的在于提供一種快速的太赫茲福射強度分布的探測方法?；趬?縮感知理論設計快速更換的掩模板，每個掩模矩陣與下一個矩陣共用其一部分，僅移動一 列即可得到新的掩模矩陣，縮短了更換掩模板時間。采用本方法可在特定掩模板的基礎上， 僅使用一維移動平臺和太赫茲福射功率計，就能實現太赫茲福射強度分布的快速高靈敏度 探測，利用不同分辨率的掩模板和不同的透鏡組合可W對福射強度分布實現不同分辨率的 成像。同時，該方法還可w推廣應用于不同波段的福射強度分布測量。
[0017]本實用新型提出了基于壓縮感知的快速簡易的太赫茲福射強度分布探測方案。壓 縮感知理論是一種新的能夠在采樣的同時實現壓縮的理論框架，其實現包括Ξ個過程:信 號的稀疏表示，測量矩陣的選取和信號重構。壓縮感知理論的前提條件是信號具有稀疏性 或可壓縮性，而一般圖形和信號都存在連續(xù)性，滿足可壓縮的條件。W-維信號為例，只考 慮長度為N的離散實值信號X，記為11￡[1，2，...，則。由信號理論可知^能夠用一組4了=[化， 恥，...，Φν]的線性組合表示，貝U
1式中a與X為NX 1矩陣，X為原信號，a為其對應的 稀疏基上的系數，Ψ為所選擇的稀疏基，為NXN矩陣。當信號X在某個基上僅有K化<<N)個非 零系數(其余系數為零或趨于零)時，則稱該基為信號X的稀疏基。測量過程中并不是直接測 量稀疏信號X本身，而是將信號X投影到一組測量向量Φ二[妍馬，…，粉]上，得到測量值 柄=林，該〉。Φ為測量矩陣，對應測量過程中的掩模矩陣，y對應探測器測得的能量值。即
[001 引 y=巫 x=巫 Wa=0a (1)
[0019] 式中Θ =ΦΨ，Φ為MXN矩陣，y為MX1階矩陣，Θ為MXN矩陣。K<M?N，（1)式的逆 問題是一個病態(tài)問題，所W無法由y的Μ個測量值來解出X。但X被稀疏化后只有K個非零系 數，如果得知了運Κ個系數就可W較好重構出原信號X。為了保證算法的收斂性，使得X能夠 由Μ個測量值準確地恢復，式(1)中矩陣Θ必須滿足受限等距特性(RIP)準則，即對于任意具 有嚴格K稀疏(可壓縮情況時，要求是3K)的矢量V。矩陣Θ都能保證如下不等式成立
[0020]
向
[0021] RIP準則的一種等價的情況是測量矩陣Φ和稀疏矩陣Ψ滿足不相關性的要求。
[0022] 當測量矩陣Φ滿足RIP準則時，壓縮感知理論能夠通過對式（1)的逆問題的求解得 到稀疏系數曰，再由χ=Ψ3得到原信號。而要求解（1)式的逆問題最直接的方法就是1〇范數 (向量中非零元素的個數)求解，通過1〇范數求解其最優(yōu)-解為
[0023]
廣足y=巫 Ψβ (3)
[0024] 其求解是一個NP-hard問題，運和稀疏分解在數學上是同樣的問題。Donoho等于 2006年提出，h最小范數在一定條件下和1〇最小范數具有等價性，可得到相同的解。那么（3) 式就可W轉化為11范數下的最優(yōu)化問題
[0025]
滿足y=巫 Wa (4)
[0026] 最小范數下最優(yōu)化問題又稱為基追蹤(BP)，其常用實現算法有：匹配追蹤法和凸 松弛法。凸松弛法中的最小全變分法重構結果精確且具有魯棒性，可W有效的解決壓縮重 構的問題，但存在著運算速度慢的缺點，而結合了增強型拉格朗日函數和交替最小化方法 的最小全變分法(TVAL3)則通過交替最小化方法尋找增強型拉格朗日模型的最小值，再由 最速下降法進行迭代，更新拉格朗日乘子大大加快了迭代速度。本實用新型采用了TVAL3算 法，可在0.3s內完成圖像的重構。
[0027] 高斯二維分布是一種能量較集中不易稀疏化的分布，但對它作離散余弦變換可W 將較大系數集中到左邊區(qū)域，然后就可W完成圖像的壓縮。掩模板是將一系列的〇、1組成的 掩模矩陣按順序排列在了金屬板上，1對應為大小為0.45mm X 0.45mm的縷空方孔，0則對應 非縷空部分，1對應的部分太赫茲福射可W完全透過，0對應的部分太赫茲福射無法透過，不 同的〇、1組合形成矩陣實現對太赫茲福射的調制。每個掩模矩陣(ηΧη)與下一個共用其中 的n-1/n，位移平臺只需W相應的步進(分辨率)移動，即可實現掩模板的更換，從而實現對 太赫茲福射的不同調制。壓縮感知的引入，則使得采樣數大大減少，進而可W用一維平臺替 代二維平臺，進一步縮短了成像時間。本實用新型中擴束透鏡組合為1-3??Ζ高透，焦距分別 為50mm的凹透鏡和100mm的凸透鏡，該組合配合前述掩模板可W實現250μηι分辨率。擴束倍 數的增加直接導致成像分辨率的線性增加，對較發(fā)散的福射分布則可W采用縮束透鏡組合 測量福射強度的分布。
[0028] 本實用新型通過下述技術方案加 W實現，包括太赫茲福射源1，掩模板4和位移平 臺5,太赫茲能量計7。將掩模矩陣的0、1序列制作在一個金屬片上，由電腦控制載有掩模板 的一維位移平臺移動并采集對應的能量，采集完成后將數據導入ΜΑ化ΑΒ的TVAL3算法中即 可重構出相應的圖像。
[0029] 本實用新型的目的在于提供一種快速且簡易的太赫茲福射強度分布的探測方法， 可W實現太赫茲福射強度分布的快速高靈敏度探測，利用定制分辨率的掩模板和不同的透 鏡組合對福射強度分布實現不同分辨率的成像。
[0030] 本實用新型的實施方案是:太赫茲源產生太赫茲波輸出，根據福射源光斑的大小 和期望得到的分辨率選擇透鏡組合，實驗中光斑大小為4mm，擴束透鏡組由焦距分別為50mm 的凹透鏡和100mm的凸透鏡組成，太赫茲福射經過透鏡組合后得到發(fā)散角小的光束。掩模板 被固定到一維電動位移平臺上，平臺移動方向與光路所在方向垂直，擴束后的光束經過掩 模板，透過掩模板的福射能量由一焦距為100mm的凸透鏡匯聚到探測器。通過計算機控制位 移平臺的移動和采集過程，掩模板每移動一步（0.5mm)，探測器采集對應的能量，平臺W 0.5mm為步進移動79次，即更換掩模板79次，探測器處可采集到80個對應的強度值。運80個 強度值組成一個80X 1的矩陣，該矩陣對應方程(4)中的y，測量矩陣-Φ和稀疏矩陣-Ψ已 知，由TVAL3恢復算法即可算出a,由χ=Ψβ可得到原信號X。只需20%的采樣率，可W實現快 速光強度分布探測
[0031 ] TVAL3算法的具體過程如下:其理論模型為
[0032]
爾足y=巫 Wa=0a (5)
[0033] 其中，Dia是對a的橫向和縱向進行離散梯度計算
[0034] 為了得到a的精確估計，在(5)式中引入一個松弛變量：
[003引
馬足y = Θa and D巧=wi (6)
[0036] 式(6)對應的拉格朗日增強型函數為：
[0037]
[0038] 求解最小增強型拉格朗日數值問題
[0039]
[0040] 上式是凸優(yōu)化問題，具有不可微和非線性特性使得求解不容易，為此對a和wi采用 交替最小化法迭代求解
[0化2] 在得到Mafk+U-akl |2足夠小時，停止迭代，得到曰。
【主權項】
1. 一種基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，其特征是，包括擴束透鏡組、掩 模板、一維電動位移平臺、太赫茲功率計或能量計、聚焦透鏡，所述的擴束透鏡組由焦距分 別為50mm的凹透鏡和I OOmm的凸透鏡組成，所述凹透鏡、凸透鏡對I-3THZ范圍高透;所述掩 模板為金屬薄片上按〇、1二值組成的矩陣，1對應為鏤空的方孔;掩模板被固定到一維電動 位移平臺上；聚焦透鏡為對l-3THz范圍高透的凸透鏡；輻射光束經過擴束透鏡組后得到擴 束后的光束，一維電動位移平臺移動方向與光路所在方向垂直，因而擴束后的光束垂直通 過掩模板，透過掩模板的輻射能量由一焦距為IOOmm的凸透鏡匯聚到探測器。2. 如權利要求1所述的基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，其特征是，采用 焦距為50mm的平凹鏡和焦距為IOOmm的平凸鏡組合實現光斑的2倍擴束，實現分辨率為250μ m的成像分辨率;或未加透鏡組合時的分辨率為500μπι;或光斑較大，采用焦距為150mm的平 凹鏡和焦距為50mm的平凸鏡組合，則實現1.5mm的成像分辨率。3. 如權利要求1所述的基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，其特征是，所述 金屬掩模板為150mm X 30mm X 0.1 mm的不銹鋼片上按0、1二值組成的20 X 99矩陣，1對應為鏤 空大小為〇. 45mm X 0.45mm的方孔，0對應部分不鏤空，包含80個20 X 20的矩陣，每移動一列 光路中形成不同的調制矩陣。4. 如權利要求1所述的基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，其特征是，所述 位移平臺為可由計算機編程控制且定位精度高于〇. 〇5mm的一維電動位移平臺。5. 如權利要求1所述的基于壓縮感知的太赫茲輻射強度分布探測裝置，其特征是，所述 探測器為可探測波長范圍從IOym到5000μπι對應30THz到60GHz的靈敏度達到pW量級的熱輻 射測量計bolometer。
【文檔編號】G01J1/00GK205483257SQ201620041890
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年1月18日
【發(fā)明人】王與燁, 段攀, 徐德剛, 閆超, 劉宏翔, 徐文韜, 唐隆煌, 鐘凱, 姚建銓
【申請人】天津大學