阅读说明：本技术 一种图像重建方法及反射式太赫兹鬼成像系统 (Image reconstruction method and reflective terahertz ghost imaging system ) 是由 吴衡 吴基标 陈梅云 程良伦 王涛 王卓薇 于 2020-07-31 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种图像重建方法及反射式太赫兹鬼成像系统,方法包括：根据读取至光调制器中的预置散斑图序列对预置激光束进行调制,并将调制后的激光束投射至有效调制区域,得到激光光斑；根据激光光斑对太赫兹波场进行激光调制,得到调制后的太赫兹波束,并将太赫兹波束投射至目标物体上,获取反射太赫兹波束；获取反射太赫兹波束对应的太赫兹波强度值,组合得到太赫兹波强度序列；采用预置全变分优化模型根据太赫兹波强度序列重建目标图像矩阵,得到目标物体图像。本申请能够解决现有太赫兹成像技术中的图像质量较差,且抗干扰能力较弱的技术问题。(The application discloses an image reconstruction method and a reflective terahertz ghost imaging system, wherein the method comprises the following steps: modulating a preset laser beam according to a preset speckle pattern sequence read into the optical modulator, and projecting the modulated laser beam to an effective modulation area to obtain a laser spot; performing laser modulation on a terahertz wave field according to laser spots to obtain a modulated terahertz wave beam, and projecting the terahertz wave beam onto a target object to obtain a reflected terahertz wave beam; acquiring terahertz wave intensity values corresponding to the reflected terahertz wave beams, and combining to obtain a terahertz wave intensity sequence; and reconstructing a target image matrix according to the terahertz wave intensity sequence by adopting a preset total variation optimization model to obtain a target object image. The terahertz imaging device and the terahertz imaging method can solve the technical problems that the image quality in the existing terahertz imaging technology is poor, and the anti-interference capability is poor.)

一种图像重建方法及反射式太赫兹鬼成像系统

技术领域

本申请涉及太赫兹成像技术领域，尤其涉及一种图像重建方法及反射式太赫兹鬼成像系统。

背景技术

太赫兹(THz)成像技术是利用THz射线照射目标物，通过目标物的透射或反射射线获取目标物信息，进而实现成像；与低频成像技术相比，THz频率更高、波长更短，所以成像时具有更高的空间分辨率；与红外和更高频率成像技术相比，太赫兹辐射能透过很多常见材料，例如纸制品、胶体、粉末等，可以对这些常见材料进行内部成像。因此，太赫兹成像技术在安全监测、生物医学探测、航空航天工业等领域具有重要研究价值。

常用的太赫兹成像技术主要有两种：逐点扫描和阵列成像。逐点扫描成像需要对目标物多次扫描获取信息，然后重建图像，这种方式比较耗时，成像分辨率较低；阵列成像克服了逐点扫描的速度慢的缺陷，但是成像设备较复杂，成本很高。现有的太赫兹成像技术中缺陷导致图像质量较差，而且抗干扰能力较弱，无法适用于适应更多的实际应用需求。

发明内容

本申请提供了一种图像重建方法及反射式太赫兹鬼成像系统，用于解决现有太赫兹成像技术中的图像质量较差，且抗干扰能力较弱的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种图像重建方法，包括：

根据读取至光调制器中的预置散斑图序列对预置激光束进行调制，并将调制后的激光束投射至有效调制区域，得到激光光斑，所述预置散斑图序列包括散斑图，所述有效调制区域位于预置光控太赫兹波调制器上；

根据所述激光光斑对太赫兹波场进行激光调制，得到调制后的太赫兹波束，并将所述太赫兹波束投射至目标物体上，获取反射太赫兹波束；

获取所述反射太赫兹波束对应的太赫兹波强度值，组合得到太赫兹波强度序列，所述太赫兹波强度序列与所述散斑图为预置对应关系；

采用预置全变分优化模型根据所述散斑图和所述太赫兹波强度序列重建目标图像矩阵，得到目标物体图像。

优选地，所述根据读取至光调制器中的预置散斑图序列对预置激光束进行调制，并将调制后的激光束投射至有效调制区域，得到激光光斑，之前还包括：

根据预置Hadamard矩阵生成散斑图矩阵，得到初始散斑图序列，所述初始散斑图序列包括所述散斑图矩阵；

对所述散斑图矩阵依次进行分解和排序操作，得到所述预置散斑图序列。

优选地，所述采用预置全变分优化模型根据所述散斑图和所述太赫兹波强度序列重建目标图像矩阵，得到目标物体图像，包括：

将所述散斑图和所述太赫兹波强度序列分别进行差值计算，得到散斑图变化量序列和太赫兹波强度变化量序列；

将所述散斑图变化量序列进行列重构处理，得到传感矩阵；

根据所述传感矩阵和所述太赫兹波强度变化量序列构建预置全变分优化模型；

通过所述预置全变分优化模型求解目标图像列向量，并所述目标图像列向量重构为所述目标图像矩阵，得到所述目标物体图像。

优选地，所述预置全变分优化模型为：

其中，δ为正则化系数，δ＞0，D为所述传感矩阵，Z为所述目标图像列向量，α为N×1维稀疏列向量，且Z＝Ψα，Ψ为N×N维的稀疏转换矩阵，ΔB为所述太赫兹波强度变化量序列。

本申请第二方面提供了一种反射式太赫兹鬼成像系统，用于执行第一方面所述的任一项图像重建方法，包括：激光光源、激光扩束镜、可变光阑、反光镜、光调制器、太赫兹波源、太赫兹波扩束器、光控太赫兹波调制器、太赫兹波投影透镜、太赫兹波会聚镜和太赫兹波强度探测器；

所述激光扩束镜、所述可变光阑和所述反光镜依次安装在所述激光光源的正前方，且激光扩束镜光轴、可变光阑光轴和激光光源光轴处于同一轴线上，所述反光镜的中心位于所述可变光阑光轴上；

所述光调制器的中心在所述反光镜反射光束的中心轴上，用于接收所述反光镜反射光束，且所述光调制器的中心轴与所述激光光源光轴平行；

所述太赫兹波扩束器、所述光控太赫兹波调制器、所述太赫兹投影透镜依次安装于所述太赫兹波源的正前方，且太赫兹波扩束器光轴、光控太赫兹波调制器光轴、太赫兹投影透镜中心轴和目标物体中心轴与太赫兹波源光轴处于同一轴线上，所述光控太赫兹波调制器用于接收所述光调制器的激光光斑和所述太赫兹扩束器的太赫兹光束，且所述太赫兹光束完全覆盖所述激光光斑；

所述太赫兹波会聚镜中心轴与所述目标物体反射的太赫兹反射光束的中心轴重合，且所述太赫兹波会聚镜位于所述太赫兹波强度探测器的正前方，所述太赫兹波强度探测器用于获取所述太赫兹反射光束的太赫兹波强度信息。

优选地，还包括：投影透镜；

所述投影透镜位于所述光调制器和所述光控太赫兹波调制器之间，用于将所述激光光斑投射至所述光控太赫兹波调制器的有效调制区域。

优选地，还包括：主控模块；

所述主控模块分别与所述光调制器和所述太赫兹波强度探测器相连，用于为所述光调制器提供预置散斑图序列，向所述太赫兹波强度探测器发送获取太赫兹波强度信息的指令。

从以上技术方案可以看出，本申请实施例具有以下优点：

本申请中，提供了一种图像重建方法，包括：根据读取至光调制器中的预置散斑图序列对预置激光束进行调制，并将调制后的激光束投射至有效调制区域，得到激光光斑，预置散斑图序列包括散斑图，有效调制区域位于预置光控太赫兹波调制器上；根据激光光斑对太赫兹波场进行激光调制，得到调制后的太赫兹波束，并将太赫兹波束投射至目标物体上，获取反射太赫兹波束；获取反射太赫兹波束对应的太赫兹波强度值，组合得到太赫兹波强度序列，太赫兹波强度序列与散斑图为预置对应关系；采用预置全变分优化模型根据散斑图和太赫兹波强度序列重建目标图像矩阵，得到目标物体图像。

本申请提供的一种图像重建方法，采用调制后的激光调制太赫兹波场，实现了对不可见太赫兹波束的调制，由于激光调制简单可行，因此，增强了太赫兹波调制的灵活性，同时增强了成像的抗干扰能力；预置散斑图序列不仅可以在奈奎斯特采样的情况下实现图像重建，还能够在低于奈奎斯特采样的情况下进行高质量图像重建，并且，通过预置全变分优化模型可以有效去除图像中的噪声干扰，增强图像细节特征，能够进一步地提升重建图像的质量，因此，本申请能够解决现有太赫兹成像技术中的图像质量较差，且抗干扰能力较弱的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例提供的一种图像重建方法的一个流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种反射式太赫兹鬼成像系统的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的有效调制区域激光调制示意图；

附图标记：

激光光源101、激光扩束镜102、可变光阑103、反光镜104、光调制器105、投影透镜106、太赫兹波源107、太赫兹波扩束器108、光控太赫兹波调制器109、太赫兹波投影透镜110、目标物体111、太赫兹波会聚镜112、太赫兹波强度探测器113、主控模块114、激光光斑201、太赫兹光束202、散斑图203、有效调制区域204。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

为了便于理解，请参阅图1，本申请提供的一种图像重建方法的实施例一，包括：

步骤101、根据读取至光调制器中的预置散斑图序列对预置激光束进行调制，并将调制后的激光束投射至有效调制区域，得到激光光斑，预置散斑图序列包括散斑图，有效调制区域位于预置光控太赫兹波调制器上。

需要说明的是，预置散斑图序列是根据Hadamard矩阵得到的，根据预置散斑图序列调制预置激光束使得本实施例的方法不论是等于还是低于奈奎斯特采样的情况下都能实现高质量图像的重建。调制后的激光束投影至光控太赫兹波调制器的有效调制区域可形成激光光斑。预置散斑图序列是由散斑图构成。

步骤102、根据激光光斑对太赫兹波场进行激光调制，得到调制后的太赫兹波束，并将太赫兹波束投射至目标物体上，获取反射太赫兹波束。

需要说明的是，激光光斑在有效调制区域上被太赫兹波束覆盖，调整波束完全覆盖在激光光斑上，从而实现对太赫兹波场的调制，得到调制成功的太赫兹波束。采用调制后的太赫兹波束照射目标物体，获取其反射回的反射太赫兹波束就能够反应目标物体的信息，反射太赫兹波束是重建目标物体图像的关键信息。

步骤103、获取反射太赫兹波束对应的太赫兹波强度值，组合得到太赫兹波强度序列，太赫兹波强度序列与散斑图为预置对应关系。

需要说明的是，本实施例可以在低于奈奎斯特采样的情况下进行图像重建，也就是获取太赫兹波强度值的总次数K小于散斑图总数2N，其中，0＜K≤2N，且K为偶数，但是光调制器中每次加载一副散斑图，就能够获取到对应的一个太赫兹波强度序列B，表示为B＝[B₁,B₂,...,B_k,...B_K]，也就是太赫兹波强度序列与散斑图一一对应。

步骤104、采用预置全变分优化模型根据散斑图和太赫兹波强度序列重建目标图像矩阵，得到目标物体图像。

需要说明的是，根据获取的太赫兹波强度序列数量确定散斑图的数量，预置散斑图序列中其他的散斑图丢弃；将散斑图和太赫兹波强度序列进行差值计算、矩阵重构、建模、优化求解以及目标图像列向量的形式变换就可以得到重建的目标物体图像。预置全变分优化模型能够有效去噪，更有利于图像的重建，提升重建图像质量。

本实施例提供的一种图像重建方法，采用调制后的激光调制太赫兹波场，实现了对不可见太赫兹波束的调制，由于激光调制简单可行，因此，增强了太赫兹波调制的灵活性，同时增强了成像的抗干扰能力；预置散斑图序列不仅可以在奈奎斯特采样的情况下实现图像重建，还能够在低于奈奎斯特采样的情况下进行高质量图像重建，并且，通过预置全变分优化模型可以有效去除图像中的噪声干扰，增强图像细节特征，能够进一步地提升重建图像的质量，因此，本实施例能够解决现有太赫兹成像技术中的图像质量较差，且抗干扰能力较弱的技术问题。

进一步地，步骤101之前还包括：根据预置Hadamard矩阵生成散斑图矩阵，得到初始散斑图序列，初始散斑图序列包括散斑图矩阵；对散斑图矩阵依次进行分解和排序操作，得到预置散斑图序列。

需要说明的是，可以通过计算机生成一个N×N的Hadamard矩阵，表示如下：

其中，N＝2^m，m＞0是正整数，Η₂可以表示为：

将Hadamard矩阵H_N中第i行H_i转换为初始散斑图矩阵：

其中，初始散斑图矩阵P_i(x,y)的尺寸为

reshape()是把一个行向量转化为矩阵，i＝1,2,...,N，

为正整数；组合初始散斑图矩阵，就可以得到初始散斑图序列：

P＝[P₁(x,y),P₂(x,y),...,P_i(x,y),...,P_N(x,y)]；

对散斑图矩阵进行分解可以表示为：

P_i(x,y)＝A_i(x,y)-B_i(x,y)；

根据上式表述，可以得到：

B_i(x,y)＝1-A_i(x,y)；

把A_i(x,y)和B_i(x,y)表达式中的1均变为255，然后同4连通域法，计算A_i(x,y)和B_i(x,y)中以255为中心的连通域数量，分别记作a_i和b_i，那么初始散斑图矩阵P_i(x,y)分解后能总的连通域数量为c_i，记作c_i＝a_i+b_i；此时可知有连通域数量序列c＝[c₁,c₂,...,c_i,...,c_N]，在初始散斑图序列P与连通域序列c中，散斑图矩阵P_i(x,y)与c_i位置一一对应；将连通域序列c进行升序排列，对应的初始散斑图序列P以同样的规律进行排序，仍然保持序列中的元素位置一一对应；将排序后的初始散斑图序列P中的元素记为Q_i(x,y)；按照这样的方法就可以得到新的散斑图序列，即预置散斑图序列Q：

其中，

其中，j＝1,2,...,N，经过分解、排序处理后得到的预置散斑图序列Q中的散斑图总数为2N。

进一步地，步骤104包括：将散斑图和太赫兹波强度序列分别进行差值计算，得到散斑图变化量序列和太赫兹波强度变化量序列；将散斑图变化量序列进行列重构处理，得到传感矩阵；根据传感矩阵和太赫兹波强度变化量序列构建预置全变分优化模型；通过预置全变分优化模型求解目标图像列向量，并目标图像列向量重构为目标图像矩阵，得到目标物体图像。

需要说明的是，在得到的预置散斑图序列Q中选取与太赫兹波强度序列元素数据量相同的散斑图矩阵，即K个，其余的丢弃，将选取的预置散斑图序列和太赫兹波强度序列分别进行差值计算，可以得到散斑图变化量序列ΔQ和太赫兹波强度变化量序列ΔB，表示如下：

ΔB＝[B₁-B₂,...,B_k-B_k-1,...,Β_K-B_K-1]；

经过差值计算，ΔQ中的散斑图矩阵和ΔB中的太赫兹波强度值个数均为K/2。将散斑图变化量序列中第n个散斑图矩阵ΔQ_n进行重构，得到一个N×1的列向量D_n，重构过程是将矩阵中的第二列取出接到第一列的尾部，第三列取出接到第二列的尾部，以此类推；将散斑图变化量序列中所有的散斑图矩阵进行同样的操作，得到相同维度的列向量，组合这些列向量就可以得到传感矩阵D：

D＝[D₁,D₂,...,D_n...,D_K]^T；

其中，T表示转置。

通过传感矩阵D和太赫兹波强度变化量序列ΔB构建预置全变分优化模型；预置全变分优化模型表示为：

其中，δ为正则化系数，δ＞0，D为传感矩阵，Z为目标图像列向量，α为N×1维稀疏列向量，且Z＝Ψα，Ψ为N×N维的稀疏转换矩阵。通过对α进行最小化迭代计算，就可以得到目标图像的列向量Z，将Z进行结构变换，转化为的目标图像矩阵Z(x,y)，即为重构得到的目标物体的图像，但是还需要进行归一化处理，才能输出重构的图像，归一化处理的方式如下：

Z'(x,y)＝Z(x.y)/Z_max；

其中，Z_max表示列向量Z中的最大值。Z'(x,y)即为重建得到的目标物体图像。

为了便于理解，请参阅图2，本申请还提供了一种反射式太赫兹鬼成像系统的实施例，包括：用于执行上述方法实施例中任一项图像重建方法，其特征在于，包括：激光光源101、激光扩束镜102、可变光阑103、反光镜104、光调制器105、太赫兹波源107、太赫兹波扩束器108、光控太赫兹波调制器109、太赫兹波投影透镜110、太赫兹波会聚镜112和太赫兹波强度探测器113。

激光扩束镜102、可变光阑102和反光镜104依次安装在激光光源101的正前方，且激光扩束镜光轴、可变光阑光轴和激光光源光轴处于同一轴线上，反光镜的中心位于可变光阑光轴上；

光调制器105的中心在反光镜104反射光束的中心轴上，用于接收反光镜反射光束，且光调制器105的中心轴与激光光源光轴平行；

太赫兹波扩束器108、光控太赫兹波调制器109、太赫兹投影透镜110依次安装于太赫兹波源107的正前方，且太赫兹波扩束器光轴、光控太赫兹波调制器光轴、太赫兹投影透镜中心轴和目标物体中心轴与太赫兹波源光轴处于同一轴线上，光控太赫兹波调制器109用于接收光调制器105的激光光斑和太赫兹扩束器108的太赫兹光束，且太赫兹光束完全覆盖激光光斑；

太赫兹波会聚镜中心轴与目标物体111反射的太赫兹反射光束的中心轴重合，且太赫兹波会聚镜112位于太赫兹波强度探测器113的正前方，太赫兹波强度探测器113用于获取太赫兹反射光束的太赫兹波强度信息。

需要说明的是，请参阅图2，反射式太赫兹鬼成像系统的调制过程为：首先，在单光路的激光光源101的正前方设置激光扩束镜102、可变光阑103和反光镜104，对激光进行必要的处理，激光扩束镜102能够将单光路激光扩增成多束，更便于覆盖散斑图，可变光阑103用于控制、调节激光光束的粗细，反光镜104能够将激光反射至光调制器105上，该光调制器105上存在已经加载好的Hadamard散斑图序列，用于调制激光光束，得到激光光斑；光调制器105将调制好的激光光斑投射至光控太赫兹波调制器109上，请参阅图3，其中包括有效调制区域204，散斑图203，太赫兹光束202和激光光斑201；光控太赫兹波调制器109上除了包括激光光斑201，还包括太赫兹波源107经过太赫兹波扩束器108发射而来的太赫兹光束202，太赫兹光束202需要完全覆盖完激光光斑201，从而在光控太赫兹波调制器109上实现太赫兹波场的调制；将调制成功的太赫兹波束通过太赫兹波投影透镜110投射至目标物体111上，目标物体111就会反射太赫兹波束，反射的太赫兹波束具有一定的角度，会经过太赫兹波会聚镜112到达太赫兹波强度探测器113，太赫兹波强度探测器113根据反射太赫兹波束的强度信息，得到相应的太赫兹波强度值，一副散斑图对应于一个太赫兹波强度序列，太赫兹波强度序列中包括多个太赫兹波强度值。

进一步地，还包括：投影透镜106；投影透镜106位于光调制器105和光控太赫兹波调制器109之间，用于将激光光斑201投射至光控太赫兹波调制器109的有效调制区域204。

进一步地，还包括：主控模块114；主控模块114分别与光调制器105和太赫兹波强度探测器113相连，用于为光调制器105提供预置散斑图序列，向太赫兹波强度探测器109发送获取太赫兹波强度信息的指令。主控模块114可以是计算机，用于协助调制过程。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以通过一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。