基于压缩感知的太赫兹时域光谱成像算法研究

论文摘要

太赫兹时域光谱（Terahertz Time-Domain Spectroscopy,THz-TDS）是利用太赫兹脉冲电磁波来反映物质特性的一种新兴光谱技术,在生物医疗和无损探伤等领域都有广泛的应用。THz-TDS成像正成为与超声波、X射线以及核磁共振成像相互补的技术手段,但是THz成像目前存在采集数据量大、成像时间长的问题,严重限制了THz-TDS技术应用的进程。目前对THz快速成像技术的研究主要集中在硬件的改进方面,这样不仅提高了成像成本,而且加大了系统复杂度。另一方面,针对THz特性的成像算法研究较少,还缺少行之有效的THz快速成像算法。本文采用信号的欠采样方法,提出了基于压缩感知的太赫兹光谱与成像算法研究。主要研究工作和创新点如下:（1）研究了适用于THz-TDS信号重构的一维压缩感知算法,提出了基于THz光谱分析特性的重建算法有效性评估方法。利用THz-TDS获取了含水纸板的光谱数据,验证了THz光谱信号的稀疏性,采用压缩感知算法对THz光谱信号进行重建,同时基于物性分析结果对算法评估依据进行了修正,研究结果表明:（a）采用改进的评估方法更能准确地描述重构算法的有效性,确保THz中信息的完整性;（b）采用压缩感知算法,利用27%左右的测量数据就能对原始数据近乎完整重建。研究给出了最小测量次数的计算方法,为快速确定采样率提供理论依据。（2）基于透射式太赫兹时域光谱系统开展了太赫兹二维成像研究。分析并阐明了THz-TDS成像的原理以及其特有的几种成像模式。针对介质材料和生物材料两种物化结构差异较大的样品分别开展了成像实验工作,用实例说明了不同成像模式的效果,验证了THz-TDS系统的有效性和普适性。实验结果表明:（a）THz成像能对XLPE中的气隙缺陷进行有效识别,并且采用时间切片模式能有效地提升成像对比度;（b）THz成像技术能对皮肤烧伤进行辨识,采用飞行时间成像模式可以有效滤除背景噪声,凸显烧伤区域边界。（3）开展了针对THz光谱成像的二维压缩感知成像算法研究。对基于快速哈达玛变换的TVAL3算法展开了分析,对比研究表明:在对二维THz图像的处理当中,相比于OMP算法,TVAL3重建算法有着明显的优势。采用TVAL3算法对THz图像进行处理时,能够仅以近20%的小数据量来对原始图像进行重建,极大地降低了采集数据量。进一步研究表明结合THz光谱的固有特点,采用合适的THz成像模式可以显著提高压缩感知成像算法的处理效果,进一步降低信号采集比率。

论文目录

中文摘要

Abstract

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 太赫兹时域光谱技术

1.2.2 太赫兹成像技术

1.2.3 压缩感知信号理论

1.3 本文主要研究内容

2 太赫兹时域光谱工作原理

2.1 太赫兹波的产生

2.2 太赫兹波的探测

2.3 典型的THZ-TDS系统

2.4 太赫兹波段的材料物理特性分析

2.4.1 THz波在媒质中的传播机理研究

2.4.2 频域计算方法

2.4.3 时域计算方法

2.5 夹层结构样品的物性分析

2.6 本章小结

3 基于压缩感知的THZ光谱信号重构算法研究

3.1 信号的稀疏模型

3.2 欠采样方法

3.3 信号重建算法

3.4 THZ一维光谱信号的获取与物性分析研究

3.4.1 透射式太赫兹时域光谱系统

3.4.2 THz光谱信号的获取

3.4.3 含水介质的物性分析

3.5 针对时域脉冲THZ光谱信号的重构算法研究

3.5.1 THz光谱信号的OMP算法重构

3.5.2 基于材料物性分析的CS重建效果评估

3.5.3 OMP算法采样次数确定条件

3.6 本章小结

4 透射式太赫兹时域光谱成像研究

4.1 太赫兹时域光谱成像

4.1.1 太赫兹成像原理

4.1.2 THz时域/频域成像中常用的特征量

4.1.3 THz-TDS成像中的不同成像模式

4.2 基于THZ成像技术的介质气隙识别

4.2.1THz-TDS成像实验

4.2.2 基于时域方法的物性分析

4.2.3 适用于介质气隙的THz成像方法

4.3 基于THZ成像技术的皮肤烧伤辨识

4.3.1 检测原理与样品制备

4.3.2 皮肤烧伤成像与分析

4.3.3 适用于皮肤烧伤的THz成像方法

4.4 本章小结

5 基于压缩感知的THZ成像算法研究

5.1 基于哈达玛变换的TVAL3 的重构算法

5.1.1 沃尔什-哈达玛变换

5.1.2 TVAL3 还原算法

5.2 OMP与 TVAL3 在太赫兹图像中的应用研究

5.3 基于THZ特性的压缩感知成像算法研究

5.3.1 针对XLPE时间切片成像的THz图像重构

5.3.2 针对皮肤飞行时间成像的THz图像重构

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A 作者在攻读硕士学位期间发表的论文情况

B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目

C 学位论文数据集

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谢声益

导师: 杨帆

关键词: 太赫兹,成像算法,压缩感知,时域光谱,光谱分析

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 重庆大学

分类号: TP391.41;O441.4

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.001266

总页数: 88

文件大小: 4170k

下载量: 26

基于压缩感知的太赫兹时域光谱成像算法研究

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢