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采用太赫兹成像,从层状结构中提取隐藏信息
发布时间:2023-11-20 21:41:13 阅读:401

来源:Thamarasee Jeewandara,美国物理学家组织网(Phys.org);太赫兹研发网 余郑璟博士 编译

通过太赫兹成像的信息提取过程示意图。
通过THz-TDS在光栅扫描的反射模式下进行测量。由数十个脉冲组成的反射信号提供了样本的飞行时间和反射率信息,可用于后续的地层重建和各层内的横向成像。
来源:《科学进展》,doi:10.126/ciadv.adg8435

    层状结构的无创检测对于时间分辨成像方法来说是具有挑战性的,其中分辨率和对比度可能会因层间反射和散射的显著信号衰减而受损。

    在一份《科学进展》(Science Advances)的新报告中,崔玉清(音译)与来自中国、英国和美国的制造系统工程、电气与计算机工程以及化学领域的科学家团队一起,介绍了一种基于太赫兹时域光谱的方法——通过精细分辨率和宽带光谱来衰减极限,从而可以从分层结构中提取隐藏的结构与内容信息。

    为了实现这一点,他们研究了反射太赫兹脉冲的局部对称特性,以确定每层的位置,并增强了图像对比度,以证明其优越的性能。科学家们注意到在26层亚波长中所提取的字母字符。这项工作使崔玉清与他的同事们能够在超低信噪比下,准确地重建结构与高对比度的成像,以检查文物、涂层和复合材料的内部结构。

    太赫兹时域光谱(THz-TDS)

    由于太赫兹波段的非离子性质和非极性电介质的高度透明性,科学家通常在太赫兹波段进行成像。太赫兹时域光谱是一种具有三维成像的无损光谱检测方法,利用太赫兹电磁辐射的短脉冲来检测样品的性质。与适合于检查层状结构(如培养物、药物和复合结构)的X射线断层扫描与超声技术相比,该方法提供了更为精细的分辨率和宽带光谱特征。

信号分析和反射模型。(A) 从分层样本反射的太赫兹时域信号的示例。纵轴表示反射电场的振幅,单位为任意单位(a.u.),横轴表示飞行时间。橙色虚线表示信号包络。插图显示了参考信号和反射信号之间的比较,说明后者与前者相比有多弱。参考脉冲的峰间值为7.6。(B) 周期介质叠层中的反射模型。黄色和棕色分别表示奇数索引层和偶数索引层。黑色箭头表示通过12层(m=6)的太赫兹波的一些可能路径。(C) 在不同反射率ρ下,单个与多个反射振幅的比值。
来源:《科学进展》(Science Advances),doi:10.126/ciadv.adg8435

    然而,由于该方法的亚毫瓦功率太弱,无法穿透深层材料进行信息提取,因此该方法在广泛的实际应用中可能会面临挑战。这也伴随着大量小脉冲的信噪比下降,从而使成像难以检测太赫兹脉冲的位置和振幅。在这项工作中,由于超低的信噪比,崔玉清与他的同事们提出了一种从层状结构中提取隐藏信息的新方法。该方法提供了一种具有高图像对比度与深刻穿透深度的创新检测方法来检测层状结构。

    测量设置和框架处理

    该团队引入了一对设置在反射几何结构中的光电导天线的实验,用以测量写了字母而组成的30层纸。通过透镜发射的太赫兹脉冲,集中在样品上,而反射的太赫兹信号则由源自各种界面的脉冲序列组成,以捕获和反射太赫兹信号并提供飞行时间和反射率信息。

    科学家们进行了信号分析和物理解释,同时也注意到由于仪器的共焦设置、水蒸气吸收和纸堆中的透射吸收而导致的信号衰减。崔玉清与他的团队探索了信号分析和反射模型。

(A) 每层的太赫兹图像。该方法成功地获得了具有高对比度和一致性的层图像。带有字母“Z”的最后一页的图像如图5B所示。图像被单独归一化,平均值被设置为0.4。(B) 每个层的太赫兹信号的估计SNR。SNR定义为20log10(as/An)。信号振幅As是根据相邻的正峰值和负峰值之间的差的一半来计算的,噪声振幅An是根据峰值周围的九点邻域的SD来计算的。(C) 使用峰值SNR(PSNR)评估太赫兹图像质量。根据THz图像和二值化光学图像之间的归一化均方误差来计算PSNR。
来源:《科学进展》(Science Advances),doi:10.126/ciadv.adg8435

    层结构重建

    为了用THZ-TDS技术来检测层状样品,该团队使用脉位重建层结构,还理解了进行横向成像的适当时间框架。虽然就脉位的适当提取可以部分地决定了图像质量,但复杂的太赫兹信号却可以经历几十层结构的反射。崔玉清与他的团队还开发了一种被称为“局部对称峰值发现”的脉冲提取算法。

    科学家们比较了不同脉冲提取技术的结果。根据脉冲序列的峰值发现,他们成功地从点云中提取了层界面,从而以重建这个层状样本的结构。之后,他们通过在相应的脉冲中提取振幅信息,从而获得不同层内的横向太赫兹图像。

    该团队使用一种称为“脉冲邻域平均成像方法”的平均振幅太赫兹成像方法,从具有数十层的结构中获得高对比度的太赫兹图像,图像具有良好的一致性与成像质量。该团队通过在22层纸堆的第3层至第19层上写出的9个单词来进行探索和检测,从而来验证他们所提出方法的有效性。团队还进行了太赫兹成像,以清楚地识别所有单词。

(A) 出土的兵马俑以及对真人大小兵马俑的保护。(B) 兵俑碎片的结构重建和厚度测量。(C) 底部表面的太赫兹成像。太赫兹图像中的高振幅区域表示孔隙或脱胶。
来源:《科学进展》(Science Advances),doi:10.126/ciadv.adg8435

    解读文化遗产的应用

    崔玉清与他的同事们接下来检查了具有分层结构的壁画或油画等文物,以检测艺术品的内部缺陷与隐藏的油漆层,从而收集结构的隐藏信息。该团队完成了这项工作,并评估了针对中国西安8000名秦始皇兵马俑结构与老化条件的研究潜力,从而可以更好的去保护和修复这些兵马俑。该团队所提出的方法成功地检查了兵马俑的结构、内部缺陷和隐藏内容,以获得具有丰富文化遗产价值的隐藏信息。

    通过这种方式,崔玉青和同事们使用太赫兹脉冲与脉冲邻域平均成像,以获得噪声消除高、对比度又很强烈的太赫兹图像。他们所提出的框架可以用高分辨率与对比度从亚波长分层纸中提取隐藏的结构与内容信息,从而在不造成损坏的情况下,达到了检测古代文献的水平。该方法成像质量十分精细,可用于解决具体的实际问题。

 
 

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