圆柱状物体太赫兹三维成像方法与流程

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1.本发明属于太赫兹光谱和成像技术领域，具体涉及一种基于旋转移动平台的圆柱状物体太赫兹三维成像方法。

背景技术：

2.太赫兹波是一种波长介于红外线和微波之间的电磁波，由于处于光子学到电子学的过渡区域，其具有很多独特的属性，如指纹光谱性、低能性、特殊穿透性等。太赫兹波与材料作用会产生独特的吸收谱-指纹普。极性分子，如水分子，非极性分子，如二氧化碳分子，对太赫兹波的吸收有着非常明显的区别，因此太赫兹吸收谱对检验分子特性也有着重要价值。时域太赫兹光谱扫描技术利用高精度延时线将飞秒脉冲的采样时间延长至几十皮秒，并通过硬件预处理来降低噪声。由其产生的时域信号经傅里叶变换得到被检测物质的特征吸收谱，其谱宽可达5thz以上，动态范围可达70db以上。这种频谱性能可满足绝大多数化合物的检测需求，从而为太赫兹时域光谱扫描提供了大量的应用场景。
3.目前太赫兹三维层析成像技术有广阔的发展空间，提高三维层析成像速度与三维层析成像分辨率都是亟待解决的问题。目前已有的三维层析成像算法太赫兹峰峰值强度成像、太赫兹飞行时间成像、太赫兹特定功率谱成像等，都可以进行成像显示，其中基于二维扫描平台的太赫兹三维层析成像扫描最为常见，使用二维扫描平台扫描物体的太赫兹信号进行三维层析成像技术也趋于成熟，但是对于圆柱形曲面物体的太赫兹三维层析成像，二维扫描平台的移动扫描不能满足柱状的三维层析成像，基于此，本发明在二维扫描平台基础上加入旋转移动平台的扫描策略能够满足圆柱状物体的太赫兹三维层析成像。

技术实现要素：

4.本发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种基于旋转移动平台的圆柱状物体太赫兹三维成像方法，解决了现有的圆柱状样品难以进行太赫兹三维层析成像的问题。
5.为了实现上述目的，本发明涉及的圆柱状物体太赫兹三维成像方法，包括以下步骤：
6.(1)通过调整二维扫描移动平台使太赫兹光路焦点对准圆柱状样品一圆形切面外表面上一点，将其作为第一个采集点，旋转移动平台带动圆柱状样品以n度进行步进旋转，每旋转一次增加一个新的采样点，旋转后停留过程中采集卡实时采集对应采样点的太赫兹时域信号同时对采样点进行计数，并将采样点计数实时发送给上位机；
7.(2)上位机根据采样点计数确定完成圆柱状样品一圆形切面的采样后驱动二维扫描移动平台步进距离m，将反射光路焦点对准下一个圆形切面外表面一点；
8.(3)重复步骤(1)-(2)直至完成圆柱状样品待测长度l的所有采样，长度l的圆柱状样品15需要采集x＝l/m个圆形切面，采集360l/(m*n)个点；
9.(4)将同一采样点的多组太赫兹时域信号进行平均处理，每个采样点得到一个平
均太赫兹时域信号；
10.(5)若平均太赫兹时域信号由p个点组成，根据需要对平均太赫兹时域信号进行下采样q倍，平均太赫兹时域信号长度由p压缩到y，y＝p/q；
11.(6)采用每一个圆形切面上的采样点坐标和采样点对应压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩形平面，将所有圆形切面对应的矩形平面对齐构建三维立体数组2y*2y*x，将2y*2y的矩形平面作为视平面，三维立体数组2y*2y*x作为体数据集，基于处理得到的数据进行三维层析成像。
12.所述2y*2y的矩形平面构建具体过程为：
13.(501)首先采用每一个圆形切面压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩阵，矩阵中的内接圆由该圆形切面上采样点坐标构成，
14.(502)将内接圆分成360/n等分，每一等分线上的点即对应采样点的太赫兹时域信号，根据光线投影算法将360/n条步骤(5)处理后的太赫兹时域信号插值到构建的矩阵中，根据光线投影算法的差值过程可知，远离内接圆圆心的地方数值稀疏，接近内接圆圆心的地方数据稠密存在重合情况，根据光线投影算法对接近圆心的地方进行多次累加取平均，对于远离圆心存在缺失的地方使用三次样条插值法进行插值。
15.设定构建的2y*2y的正方形图像左上角为坐标为(0,0)点，右下角为坐标为(y,y),步骤(6)中圆形切面上的采样点坐标(x,y)通过对下面计算的x和y的取整得到：
[0016][0017][0018]
其中cords＝(1,2,
…
,y)从1到y长度y的数组。
[0019]
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
[0020]
1、太赫兹三维层析成像结合了二维扫描平台与旋转移动平台实现圆柱形物体太赫兹信号的采集，基于光线投影算法将采集的太赫兹数据进行视平面和体数据的构建，实现圆柱形物体太赫兹三维层析成像。
[0021]
2、通过对采集点实时计数确定完成柱状样品一个圆形切面的采集。
[0022]
3、采用光线投影算法实现体素构建，三次样条插值法很好的补充了光线投影算法构建体素的缺失值。
附图说明：
[0023]
图1是实施例1涉及的太赫兹三维层析成像系统结构示意图。
[0024]
图2旋转移动平台移动后的信号采集示意图。
[0025]
图3为三维层析软件成像示意图。
具体实施方式：
[0026]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0027]
实施例1
[0028]
如图1所示，本实施例涉及的圆柱状物体的太赫兹三维成像方法，包括以下步骤：
[0029]
采用太赫兹三维层析成像系统进行数据采集，如图1所示，太赫兹三维层析成像系统包括现有太赫兹三维层析成像系统和旋转移动平台13，旋转移动平台13与二维扫描移动平台14连接，圆柱状样品15固定在旋转移动平台13上，旋转移动平台13用于带动圆柱状样品15以n度进行步进旋转采集圆柱状样品15圆形切面一圈的太赫兹数据，二维扫描移动平台14用于带动旋转移动平台13和圆柱状样品15左右移动，从采样点一个圆形切面移动到下一个圆形切面。
[0030]
所述旋转移动平台13包括飞秒激光器1、分束器2、光学振荡延迟线3、偏压源4、太赫兹发射天线5、太赫兹探测天线10、反射光路、信号发生和采集处理单元11(包括采集卡)、上位机12和二维扫描移动平台14。第一准直透镜6、第一聚焦透镜7、第二聚焦透镜8和第二准直透镜9构成反射光路。飞秒激光器1产生的飞秒脉冲激光经过分束器2分束，一束为泵浦光，另一束为探测光，在偏压源4的作用下，泵浦光直接聚焦于太赫兹发射天线5产生太赫兹脉冲，太赫兹脉冲依次经过第一准直透镜6和第一聚焦透镜7后照射在采样点上，反射回的携带采样点信息的太赫兹脉冲在依次经过第二聚焦透镜8和第二准直透镜9，聚焦于太赫兹探测天线10，与经过光学振荡延迟线3延迟的探测光相遇，输出光电流信号，由信号发生和采集处理单元11采集。
[0031]
旋转移动平台13与二维扫描移动平台14连接，圆柱状样品15固定在旋转移动平台13上，二维扫描移动平台14的带动旋转移动平台13以设定的距离m左右步进，进而带动圆柱状样品15移动一个步进距离m，旋转移动平台13和信号发生和采集处理单元11连接，采集处理单元11与上位机12连接，旋转移动平台13带动圆柱状样品15以n度进行步进旋转进行采样，旋转后停留过程中信号发生和采集处理单元11采集采样点的太赫兹时域光谱信号，同时对采样点进行计数，将采集的太赫兹时域光谱信号和采样点数发送到上位机，上位机根据采样点数确认完成圆柱状样品15一个圆形切面一圈采样后向二维扫描移动平台14发送控制信号，二维扫描移动平台14以设定的距离m步进，反射光路焦点移动到圆柱状样品15下一个圆形切面。
[0032]
具体采样过程为：
[0033]
(1)通过调整二维扫描移动平台14使反射光路焦点对准圆柱状样品15一圆形切面外表面上一点，将其作为第一个采集点，旋转移动平台13带动圆柱状样品15以n度进行步进旋转，每旋转一次增加一个新的采样点，旋转后停留过程中采集卡实时采集对应采样点的太赫兹时域信号同时对采样点进行计数，如第1采样点，第2采样点，第3采样点
……
，并将采样点计数实时发送给上位机12；
[0034]
(2)上位机12根据采样点计数确定完成圆柱状样品15一圆形切面的采样后驱动二维扫描移动平台14步进距离m，将反射光路焦点对准下一个圆形切面外表面一点；
[0035]
具体地，一个圆形切面的总采样数为360/n，当采样点计数为360/n的整数倍时，即为完成一个圆形切面的采样；
[0036]
(3)重复步骤(1)-(2)直至完成圆圆柱状样品15待测长度l的所有采样；
[0037]
具体地，长度l的圆柱状样品15需要采集x＝l/m个圆形切面，采集360l/(m*n)个
点；
[0038]
(4)将同一采样点的多组太赫兹时域信号进行平均处理，每个采样点得到一个平均太赫兹时域信号；
[0039]
(5)若平均太赫兹时域信号由p个点组成，根据需要对平均太赫兹时域信号进行下采样q倍，平均太赫兹时域信号长度由p压缩到y，y＝p/q；
[0040]
(6)采用每一个圆形切面上采样坐标和采样点压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩形平面，将所有圆形切面对应的矩形平面对齐构建三维立体数组2y*2y*x，将2y*2y的矩形平面作为视平面，三维立体数组2y*2y*x作为体数据集，基于处理得到的数据进行三维层析成像。
[0041]
如图2所示，2y*2y的矩形平面构建具体过程为：首先采用每一个圆形切面压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩阵，矩阵中的内接圆即太赫兹时域信号采集的起始点，即每一次旋转移动平台13每步进移动n度后得到的采样点坐标，将内接圆分成360/n等分，每一等分线上的点即对应采样点的一条太赫兹时域信号，根据光线投影算法将360/n条步骤(5)处理后的太赫兹时域信号插值到构建的矩阵中，根据光线投影算法的差值过程可知，远离内接圆圆心的地方数值稀疏，接近内接圆圆心的地方数据稠密存在重合情况，根据光线投影算法对接近圆心的地方进行多次累加取平均，对于远离圆心存在缺失的地方使用三次样条插值法进行插值。
[0042]
在光线投影算法进行填充的过程中，比如旋转n度后的太赫兹时域信号进行插值，我们首先计算旋转n度后的太赫兹时域信号对应采样点的坐标，其中坐标如下：
[0043][0044][0045]
其中cords＝(1,2,
…
,y)从1到y长度y的数组，我们设定图像坐标系左上角为(0,0)，所以还需要将坐标进行平移变换，变换后的坐标为
[0046][0047][0048]
然后再对x和y的坐标进行取整，将对应的坐标与太赫兹时域信号进行对应，将太赫兹时域信号填充在2y*2y的正方形图像中，设定构建的2y*2y的正方形图像左上角为坐标为(0,0)点，右下角为坐标为(y,y)。
[0049]
三次样条插值法具体地：已知函数f(x)在区间[a,b]上n+1个互异节点，a＝x0《x1《
…
《xn＝b处的函数值为yi＝f(xi),若构造函数s(x)，满足：
[0050]
1.在每个分段小区间[xi,x
i+1
]上，s(x)＝fi(x)都是一个三次方程。
[0051]
2.满足插值条件，即f(xi)＝yi(i＝0,1,
…
,n)。
[0052]
3.曲线光滑，即s(x),s'(x),s”(x)连续。
[0053]
则这个三次方程可以构造成如下形式：
[0054]
y＝aix3+bix2+cix+di，称这个方程为三次样条函数si(x)。从si(x)可以看出每个小区间有四个未知数(ai,bi,ci,di)，有n个小区间，则有4n个未知数，要解出这些未知数，则我
们需要4n个方程来求解。
[0055]
实施例1：
[0056]
数据采集：本实施例采用太赫兹三维层析成像系统与二维扫描移动平台基础上加入旋转移动平台进行数据采集，旋转移动平台进行旋转步进每1度进行步进旋转，在旋转过程中进行步进旋转并停留。在步进停留过程中太赫兹采集卡完成太赫兹时域信号的采集，使用垂直入射式太赫兹采集系统进行圆柱形物体的太赫兹时域信号采集。在旋转移动平台转动过程中，会给采集卡发送采集脉冲，旋转移动平台每旋转1度就会给采集卡发送采集脉冲，并且采集卡自动记录下一标记位置的标记，这样便于后期的数据处理，因为每转动1度采集卡在采集太赫兹时域信号的同时，将此标记位置进行标记，后期直接根据标记位置进行分类。
[0057]
采集卡在同一位置会采集多组信号，对同一个位置采集的多组信号进行平均处理，这样提升了信号的信噪比，有利于后期的三维层析成像。
[0058]
使用的旋转移动平台，步进为1度旋转步进，在旋转移动平台移动一周360度后，二维扫描平台再向前移动0.2mm步进进行圆形物体的下一圈太赫兹信号的采集，采集圆形物体采集10cm长度，太赫兹时域信号的时间长度为120ps，时间采样间隔为0.1ps，所以一条太赫兹时域信号的长度为1200个点。
[0059]
前期数据处理：根据采集圆形物体采集5cm长度，旋转移动平台按步进1度进行转动，转动360度后二维扫描平台控制太赫兹镜头前进0.2mm，一圈采集360个点，共采集5*10/0.2*360＝90000个点。根据采集卡采集的标记位从1到90000，将采集卡采集的太赫兹时域信号分成90000个点，每个点的集合里面有多个时域信号，将每个点的时域信号进行平均处理，平均后的时域信号的信噪比有明显提升。
[0060]
对每一圈采集的360个点构建第一个二维成像平面，由于一个太赫兹时域信号时间长度为120ps，信号长度为1200个点，对信号进行下采样10倍，信号长度由1200压缩到120，构造240*240的矩形平面，将采集到的同一平面一圈360个点的太赫兹时域信号进行插值。
[0061]
在光线投影算法穿插后，对构造二维平面缺失的部分使用三次样条插值法进行插值。这样采集一圈的平面就构造完毕，然后依次对圆形物体下面采集的每一圈进行上述构造，最后将5*10/0.2共250个平面进行构造成三维立体数组240*240*250，基于240*240的矩形平面和三维立体数组240*240*250进行成像。
[0062]
中期算法处理：光线投影方法是基于图像序列的直接体绘制算法。从图像的每一个像素，沿固定方向(通常是视线方向)发射一条光线，光线穿越整个图像序列，并在这个过程中，对图像序列进行采样获取太赫兹时域信号强度，同时依据光线吸收模型将太赫兹时域强度信号进行累加平均，直至光线穿越整个图像序列，最后得到渲染图像。光线投射算法从视点发出一组光线，并遍历整个体数据集，对光线经过的三维数据集上的数据可以间隔均匀地采样，与人类真实视觉相似，适用于透视投影。
[0063]
光线投射算法从视点发出光线到视平面的每一个像素，穿过视平面到达体数据集，对相交体数据进行采样，并对采样点数值采用从前往后的方式混合，将混合后的颜作为该像素的最终数值，从而实现三维重建。
[0064]
算法流程见图2，我们创建太赫兹时域信号长度的2倍作为创建正方形的边长，即
240*240的矩阵。矩阵中的内接圆即太赫兹时域信号采集的起始点，即每一次旋转移动平台每步进移动1度后太赫兹镜头的位置，正方形内部的内接圆外部区域是空白区域没有太赫兹时域信号值，根据旋转移动平台步进1度移动，将内接圆分成360等分，每一等分上的点即一条太赫兹时域信号，根据光线投影算法将360条太赫兹时域信号进行插值到构建的矩阵中，根据光线投影算法的差值过程可知，远离内接圆圆心的地方数值稀疏，接近内接圆圆心的地方数据稠密存在重合情况，根据光线投影算法对接近圆心的地方进行多次累加取平均，对于远离圆心存在缺失的地方使用三次样条插值法进行插值。在光线投影算法进行填充的过程中，比如旋转1度后的太赫兹时域信号进行插值，我们首先计算旋转1度后的太赫兹时域信号各个点的坐标，其中坐标如下：
[0065][0066][0067]
其中cords＝(1,2,
…
,120)从1到120长度120的数组，我们设定图像坐标系左上角为(0,0)，所以还需要将坐标进行平移变换，变换后的坐标为
[0068][0069][0070]
然后再对x和y的坐标进行取整，我们将对应的坐标与太赫兹时域信号进行对应，将太赫兹时域信号填充在240*240的正方形图像中，我们设定构建的240*240的正方形图像左上角为坐标为(0,0)点，右下角为坐标为(240,240)。
[0071]
三次样条插值法：已知函数f(x)在区间[a,b]上n+1个互异节点，a＝x0《x1《
…
《xn＝b处的函数值为yi＝f(xi),若构造函数s(x)，满足：
[0072]
4.在每个分段小区间[xi,x
i+1
]上，s(x)＝fi(x)都是一个三次方程。
[0073]
5.满足插值条件，即f(xi)＝yi(i＝0,1,
…
,n)。
[0074]
6.曲线光滑，即s(x),s'(x),s”(x)连续。
[0075]
则这个三次方程可以构造成如下形式：
[0076]
y＝aix3+bix2+cix+di这种形式，我们称这个方程为三次样条函数si(x)。从si(x)可以看出每个小区间有四个未知数(ai,bi,ci,di)，有n个小区间，则有4n个未知数，要解出这些未知数，则我们需要4n个方程来求解。
[0077]
后期三维层析成像显示：如图3所示，通过光线投影算法与三次样条插值法后的数据使用三维层析软件进行展示，能够清楚的看到圆形物体中间的部分，成像质量很高，还可以进行物体的截断显示与颜渲染显示。
[0078]
光线投影算法的应用解决了体素构建难的问题，对于缺失值的处理使用三次样条插值法很好的解决了光线投影算法构建体素的缺失值处理。
[0079]
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.圆柱状物体太赫兹三维成像方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)通过调整二维扫描移动平台使太赫兹光路焦点对准圆柱状样品一圆形切面外表面上一点，将其作为第一个采集点，旋转移动平台带动圆柱状样品以n度进行步进旋转，每旋转一次增加一个新的采样点，旋转后停留过程中采集卡实时采集对应采样点的太赫兹时域信号同时对采样点进行计数，并将采样点计数实时发送给上位机；(2)上位机根据采样点计数确定完成圆柱状样品一圆形切面的采样后驱动二维扫描移动平台步进距离m，将反射光路焦点对准下一个圆形切面外表面一点；(3)重复步骤(1)-(2)直至完成圆圆柱状样品待测长度l的所有采样，长度l的圆柱状样品15需要采集x＝l/m个圆形切面，采集360l/(m*n)个点；(4)将同一采样点的多组太赫兹时域信号进行平均处理，每个采样点得到一个平均太赫兹时域信号；(5)若平均太赫兹时域信号由p个点组成，根据需要对平均太赫兹时域信号进行下采样q倍，平均太赫兹时域信号长度由p压缩到y，y＝p/q；(6)采用每一个圆形切面上的采样点坐标和采样点对应压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩形平面，将所有圆形切面对应的矩形平面对齐构建三维立体数组2y*2y*x，将2y*2y的矩形平面作为视平面，三维立体数组2y*2y*x作为体数据集，基于处理得到的数据进行三维层析成像。2.根据权利要求1所述的圆柱状物体太赫兹三维成像方法，其特征在于，所述2y*2y的矩形平面构建具体过程为：(501)首先采用每一个圆形切面压缩后的平均太赫兹时域信号构建2y*2y的矩阵，矩阵中的内接圆由该圆形切面上采样点坐标构成；设定构建的2y*2y的正方形图像左上角为坐标为(0,0)点，右下角为坐标为(y,y),步骤(6)中圆形切面上的采样点坐标(x,y)通过对下面计算的x和y的取整得到：坐标(x,y)通过对下面计算的x和y的取整得到：其中cords＝(1,2,
…
,y)从1到y长度y的数组；(502)将内接圆分成360/n等分，每一等分线上的点即对应采样点的太赫兹时域信号，根据光线投影算法将360/n条步骤(5)处理后的太赫兹时域信号插值到构建的矩阵中，根据光线投影算法的差值过程可知，远离内接圆圆心的地方数值稀疏，接近内接圆圆心的地方数据稠密存在重合情况，根据光线投影算法对接近圆心的地方进行多次累加取平均，对于远离圆心存在缺失的地方使用三次样条插值法进行插值。

技术总结

本发明公开了一种圆柱状物体太赫兹三维成像方法，首先采集圆柱状物体圆形切面上采样点的太赫兹数据和坐标，采用每一个圆形切面上的采样点坐标和采样点对应压缩后的平均太赫兹时域信号构建2Y*2Y的矩形平面，将所有圆形切面对应的矩形平面对齐构建三维立体数组2Y*2Y*X，将2Y*2Y的矩形平面作为视平面，三维立体数组2Y*2Y*X作为体数据集，基于处理得到的数据进行三维层析成像。其实现圆柱形物体太赫兹三维层析成像。三维层析成像。三维层析成像。