空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法

文章针对传统太赫兹时域光谱成像技术存在的扫描时间长以及数据存储量大等问题,提出了一种基于压缩感知理论的空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法。首先通过扫描电机获得目标非等间隔欠采样信号,然后利用压缩感知方法来重构缺失像素点的太赫兹信息。实验结果显示,当压缩比为0.5时,所重构的太赫兹信号与全采样条件下的信号相关性可达99.95%。通过对压缩重建图像的显示分析,时域图像中的缓变区域和频谱成像中的低频信号恢复效果较好。该方法为快速太赫兹光谱成像提供了一种有效的技术手段。

太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测中的应用研究进展

太赫兹辐射以其独特的技术优势,如瞬时性、宽带性、相干性、低能量性、穿透性和吸收性,受到了全世界各国政府、高等院校、科研机构等的高度重视并日趋成为生物医学、材料科学和物理学等领域的新兴研究热点。农作物成分如水分、蛋白、脂肪、淀粉等理论上在太赫兹谱区有较为丰富的吸收;太赫兹波的低辐射特性对农业生物样本检测更为安全;太赫兹波的穿透特性对带包装样本、包衣样本的检测又独具优势;太赫兹时域光谱与成像技术结合还可以进一步对农作物样本的组织形态进行辨别评价,因此太赫兹波技术逐渐成为农作物品质检测领域一项极具应用潜力和应用前景的前沿分析技术。简述了太赫兹时域光谱及成像技术的基本原理,聚焦于太赫兹时域光谱及成像技术在农作物品质检测领域的应用研究现状,对该技术在农作物种子质量鉴别(如品种、转基因和活力)、农作物成分分析(如糖类、水分和淀粉),农作物贮藏品质判别(如新陈度、劣变和虫蚀)以及在农产品安全检测(如农药残留、非法添加物和异物)方面的新近研究工作和进展进行归纳总结,并展望了该技术在农作物品质检测领域的应用前景和发展趋势。

基于太赫兹光谱成像技术的智能处理方法分析

太赫兹图谱的智能处理技术可以将样本的特性提取出来,并有目的地加以分类和识别,能够提高太赫兹成像的准确性,是太赫兹成像技术发展的重要标志和方向。介绍了几种智能处理太赫兹成像技术的方法的基本概念和原理,分析了它们的优缺点,并从实际应用场景出发对空间成分识别、化学模式识别、人工神经网络做了具体的分析及分类。

基于THz时域反射成像技术的玉米种子淀粉分布可视化研究

为无损探究种子成分分布与种子活力变化的内在关系,以玉米种子主要成分淀粉为研究对象,将太赫兹时域反射成像技术与移动窗口相关系数法相结合,无损可视化构建不同活力程度的玉米种子淀粉空间分布图。以郑单958玉米品种为例,实验通过人工老化方式(40℃,100%RH)制备老化0、18、36、54、72 h的种子样本,采用Terapluse 4000太赫兹时域光谱仪及反射成像附件扫描获取不同老化程度的样本和纯玉米淀粉样品的太赫兹光谱图像。以16.35 cm^(-1)下THz图像为基准,采用阈值分割法精确提取种子胚乳、种胚区域,通过对比不同组织区域内THz平均吸光度可得胚乳和种胚光谱明显差异,且胚乳和淀粉纯物质在51.96 cm^(-1)附近存在明显的共同吸收峰。应用移动窗口相关系数法(窗口宽度为20,移动步长为10),逐像素点计算种子太赫兹时域光谱与纯玉米淀粉光谱的-相关系数,并根据相关系数值以及坐标信息绘制伪彩色热力图,可视化构建玉米种子淀粉分布图。实验统计5个老化阶段、6个谱区窗口的淀粉分布图中相关系数>0.8的像素点占比可得:在29.83~67.36 cm^(-1)区间内,种子胚乳和种子区域内的淀粉含量在种子活力下降过程中呈现总体下降趋势,即种子淀粉含量与活力呈现正相关关系。实验结果表明:太赫兹时域光谱反射成像技术结合移动窗口相关系数伪彩色成像分析方法可以初步实现种子活力变化过程中玉米种子淀粉空间分布特性的无损探测,该技术可为深入研究种子化学成分与其自身活力之间的制约关系,无损解析种子生命活动与自身生理生态规律变化提供崭新的视角和方法。

纤维增强复合材料太赫兹成像无损检测

利用太赫兹时域光谱成像技术检测了内含缺陷的玻璃纤维与碳纤维增强复合材料,获得了材料内部缺陷的太赫兹透射图像,从而实现对复合材料样本的无损检测。实验结果表明,太赫兹透射成像技术可检测出多层玻璃纤维复合材料的层间缺陷。但该技术对于碳纤维复合材料中缺陷的检测能力有限,主要是因为碳纤维具有导电特性,导致太赫兹信号对其穿透能力有限。通过对成像模式的调节,太赫兹无损检测技术可对碳纤维材料内部深度约为0.2 mm、宽度为10 mm的缺陷进行成像检测。这为发展准确、灵敏、高效的纤维增强复合材料太赫兹无损检测技术提供了基础实验数据。

太赫兹成像技术的进展

近年来随着光子技术和微电子技术的快速发展,太赫兹成像的应用领域越来越广泛,并在药品食品监测、生物医学成像、器件非接触无损检测、文物艺术品研究等领域取得了不错的成果。从太赫兹波的独特性质开始,总结了相比微波和X射线,太赫兹波在成像方面的优越性能。接着从光源方面,对太赫兹连续波成像和太赫兹脉冲波成像进行了比较,包括系统原理、成像特性以及各自优缺点等方面。之后,针对太赫兹成像技术二十年间的发展,本文重点回顾了太赫兹时域光谱成像技术、焦平面阵列探测成像技术、近场成像技术以及亚采样压缩感知成像技术四种方式,并对其基本原理和发展趋势进行了分析。其中,太赫兹时域光谱技术部分以经典的反射式光谱成像系统为例,重点介绍了光谱成像的基本原理、技术发展趋势及其在制药领域的实用案例,并在此基础上介绍了太赫兹源和太赫兹探测器两种成像关键器件的工作原理。焦平面阵列探测成像技术共介绍了CCD型、 Microbolometer型以及CMOS型三种目前较为成熟的面阵相机。近场成像技术分为孔径成像和尖端散射两大成像类型进行介绍,总结了包括近场照明模式、近场收集模式孔径成像技术以及激光太赫兹发射显微镜和扫描隧道显微镜两种典型的尖端散射近场成像技术,内容涉及系统工作的基本原理、当前研究的进展以及该技术在目前的发展中仍然存在的问题。最后一部分对比太赫兹光谱成像技术使用的光栅扫描采样方式,介绍了能够降低系统采样率的压缩感知成像方法。文中主要分析了光调制器作为亚采样关键器件的改进优化过程,以及研究人员对相关算法的改进。

基于THz-TDS反射成像技术的玉米种子活力无损检测研究

应用太赫兹时域光谱反射成像技术结合广义二维相关光谱法探索玉米种子活力敏感太赫兹波段,并结合支持向量机建立快速无损判别种子活力的分析模型。实验以中地77玉米种子为例,采用人工老化方式(40℃, 100%相对湿度)将种子样本分批老化0, 1, 2, 3, 4天制备不同活力的种子样本,并按照GB/T 3543.4—1995进行种子发芽实验;同时采用Terapluse 4000太赫兹时域光谱仪及反射成像附件采集上述不同老化程度种子样本的太赫兹光谱图像。由于玉米种子的胚乳和种胚的成分差异显著,为探究种子不同组织在老化过程中与活力的相关性,本实验首先采用双高斯滤波器对THz图像中的像素点光谱消噪、峰峰值差分重构图像增强以及阈值分割等预处理无损提取玉米种子不同组织太赫兹吸光度谱。然后以老化天数为扰动量,针对上述提取的样本胚乳和种胚光谱分别作广义二维相关分析,根据实验中同步谱和异步谱中自动峰与交叉峰位置初步解析,可得到与种子活力关系密切的THz波段主要集中在75和36 cm^-1区域,同时75和36 cm^-1处的光谱信息存在强烈的协同变化且变化方向一致。种子活力与老化天数密切相关,因此根据老化天数分别建立了基于胚乳和种胚吸光度谱的五分类支持向量机模型用于种子活力定性判别,但是其判别准确率仅为59.34%和71.28%,表明该模型无法精细划分种子五个活力等级;实验进一步根据GB4401.1—2008以玉米种子发芽率85%为阈值划分活力高低等级,建立二分类种子活力判别模型,可得胚乳和种胚测试集识别准确率分别可达88.61%和91.73%,模型性能显著提升,增强了THz技术用于种子活力无损粗筛的可行性。实验结果表明:太赫兹反射成像技术以其丰富的指纹谱、低能安全以及图谱合一等特性,有望成为单粒种子活力快速无损测定领域一项崭新、有力的补充技术。

陶瓷基复合材料的太赫兹无损检测方法

提出了一种时频域多模式新光谱成像方法,对内含缺陷的4种陶瓷基复合材料(CMC)样本实现了无损检测,形成了检测样本的太赫兹图像库,并引入5个图像质量的客观综合评价指标,通过指标融合处理选出了质量较佳的太赫兹图像。基于尺度不变特征变换与K均值聚类实现了该图像的检索。实验结果证实,该方法可有效地对CMC不同位置处的不同宽度缺陷进行成像检测。