[发明专利]一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置

说明书

本发明公开了一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置，成像装置主要包括：太赫兹连续波收发模块，太赫兹光路扫描模块，主控主机模块，校准方法主要包括以下步骤：首先，初始化设定太赫兹收发模块，使形成近似为射线的高斯波束，并得到能表征反射率的参数S₁₁和透过率的参数S₂₁；然后，测出太赫兹波垂直全反射时的参数S₁₁记为S_11全；太赫兹波束三维扫描成像物体，并记录下每个位置的S₁₁和S₂₁；用S₁₁中的最大值结合介电与反射系数之间的关系，推算出材料的介电；用S₂₁的跳变逼近物体的实际轮廓；利用以上信息推算出物体每个位置的反射率以及折射角和光程差，进而修正S₂₁'；结合扫描修正的S₂₁'和层析成像算法对成像物体进行内部结构的图像重建。

技术领域

本发明属于太赫兹连续波层析成像技术领域，尤其涉及一种高介电材料的太赫兹连续波波束校准方法与成像装置。

背景技术

太赫兹(Terahertz，简称THz)波段是指频率从100GHz到10THz，频谱尚未被广泛利用的频段，其频谱分布于毫米波与红外光之间。由于太赫波是介于电子学与光学之间，所以其具有很多特别的性质，譬如很多生物大分子在太赫兹频段存在吸收峰，以及生物自身也会产生太赫兹频段的能量，因此可以利用特征共振与吸收对生物进行识别；由于太赫兹波的光子能量很低属于非电离电磁波，对生物照射是不会产生损害，所以可以对生物体进行无损检测；太赫兹波由于其频率较高的特性，对非金属的非极性材料具有较强的穿透能力，故可进行透射式成像。综上，太赫兹在物理科学、生命科学，电子信息和国防科技上都有着广阔的应用前景。

太赫兹成像技术起步于上世纪90年代中期，发展至今已经20年的岁月。与X射线成像相比，太赫兹成像对人体不构成危害，还能为软材料提供更好的对比度。与超声波成像相比，完全是非接触式的，且频带更宽，信号中携带的信息更多，更适合测试对声波衰减严重的材料与可见光和红外成像相比，太赫兹辐射对泡沫、陶瓷、塑料、高分子材料、磁性材料等物体的穿透性更强，有时甚至优于超声波，而X射线对这些材料及其内部缺陷过度穿透而无法明显区别；太赫兹成像的工作频段一般在100GHz～3THz，而微波成像多位于40～90GHz，更高的太赫兹频率使其成像分辨率提高了10～50倍，从而能够检测到微波成像无法分辨的微小缺陷综上所述，太赫兹成像技术凭借其安全性、有效性和高分辨率展示出独特优势，且适合探测非金属材料，是一种新型的无损检测补充手段。

太赫兹层析成像技术类似于基于X射线的层析成像。通过利用太赫兹波的特性，例如对电介质的穿透性，并使用层析重构算法，可以实现对物体内部结构的二维和三维成像。

目前，太赫兹层析成像技术大多基于X射线的CT技术，然而X射线的传播方式并不能完全套用在太赫兹波上，X射线在穿过物质时，都是沿着直线传播，几乎不会发生反射和折射。但是太赫兹波在透射物质时，会在物质表面产生反射和折射，当其以不同入射角入射时，其反射率不同且由折射引起的偏转也不同，这对图像的重建和光束的探测提出了较高的要求。基于上述原因，在太赫兹CT 的前期研究中发现，对复杂且介电常数较高的样品(如火鸡骨、聚四氟乙烯)成像时，其内部结构并不能展现出来，这是由边界的强烈反射与折射所造成。因此，鉴于太赫兹波本身的特性，在对高介电常数物体成像时，由于样品的折射偏移、反射损耗等问题会在很大程度上影响成像质量。由于折射、反射问题的存在，目前太赫兹层析成像大多采用低折射率样品进行研究，很大程度上限制了其应用与发展。

发明内容