基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，成像系统包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；升降架上设有升降步进电机，升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，水平旋转步进电机的输出轴连接有U形架。本实用新型专利技术的基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统具有成像稳定性好、成像时间短、成像分辨率高和成像景深大的特点。

【技术实现步骤摘要】
基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统
本技术涉及太赫兹成像
，具体是指一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统。
技术介绍
太赫兹(Terahertz,THz)波在电磁波谱中介于微波和红外波之间，兼具了微波和红外波的特点。太赫兹波能穿透绝大多数介电材料（如：纸张、木材、针织物等）和非极性液体。电磁波谱中的X射线、红外波和微波均被广泛应用于各种成像系统中，针对同种材料，太赫兹波的穿透能力优于红外波；当成像原理相同时，太赫兹成像的分辨率高于微波。太赫兹波具有极低的光子能量，不会引起有害的电离反应，相比于X射线成像系统具有安全性。因此太赫兹成像可以作为现有成像技术的补充，应用于无损检测、安全检查和医疗诊断等领域。2002年，张希成院士首先结合X射线CT技术和太赫兹成像技术提出了太赫兹计算机层析成像（ComputerTomography,CT）系统。现有的太赫兹波CT均采用了会聚的线形波束对样品进行光栅扫描，采集数据的具体方式如下：太赫兹发射源出射的太赫兹波束首先经过凸透镜或离轴抛物面镜被会聚成入射到样品上的一个面，通过样品的透射波束再次经过凸透镜或离轴抛物面镜被会聚到探测器中。样品被固定在包含两个直线步进电机和一个旋转步进电机的位移平台上，要想获得样品的3D图像，需要样品在与波束传播方向垂直的平面内进行二维平移和样品与波束之间的相对旋转。2019年，中国技术专利申请CN110057786A设计了一种基于太赫兹波的成像系统，基于该系统可以实现二维太赫兹透射成像、基于二维Radon变换和基于三维Radon变换的三维层析成像。这种集成化设计有效降低了成像系统的制作成本，减少了成像系统的占用空间。以上涉及的太赫兹波CT成像系统采用光栅扫描方式进行数据采集。具体实施方式又可以分为等距离间隔和等时间间隔两类。如果按等距离间隔进行数据采集，则需要样品和波束每一次相对平移都停止下来采集一次数据，耗时非常久。因此常用的实施方式为等时间间隔进行数据采集，即便如此，耗时依然是限制太赫兹CT推广的一个关键因素（比如获取一个横截面的投影数据耗时45min）。此外，步进电机的加速和减速会导致采集的投影数据与理想投影数据产生错位。样品与波束的相对平移会导致成像系统不稳定。采用振镜替换直线步进电机可以有效地减少数据采集时间，但振镜振动依然存在加速和减速过程，得到的投影数据与理想投影数据间依然存在错位。现有的成像系统器件繁多、结构复杂，搭建系统所需成本较高。2020年，中国技术专利申请CN111208095A提出扇形束太赫兹CT，不仅能有效提升系统的稳定性，消除重建图像与真实物体之间的错位，而且能显著地减少成像时间。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，具有成像稳定性好、成像时间短、成像分辨率高和成像景深大的特点。本技术可以通过以下技术方案来实现：本技术公开了一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；升降架上设有升降步进电机，升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，水平旋转步进电机的输出轴连接有U形架，太赫兹发射源固定在U形架的左侧，波束转换单元、太赫兹探测阵列从左到右依次固定在U形架的右侧，U形架带动太赫兹发射源、波束转换单元和太赫兹探测阵列同步转动。进一步地，波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，第一衍射光学元件为准直式光学元件，第二衍射光学元件为会聚式光学元件，准直式光学元件、会聚式光学元件为具有聚焦功能的衍射光学元件或柱面镜。进一步地，太赫兹层析成像系统还包括数据采集卡、步进电机控制器和控制模块，步进电机控制器同时与升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机电连接，数据采集卡与太赫兹探测阵列电连接，控制模块同时与数据采集卡、步进电机控制器电连接。进一步地，太赫兹探测阵列水平放置，并且太赫兹探测阵列中心与太赫兹波束的中心轴线垂直相交。进一步地，太赫兹探测阵列为光电式探测器件。本技术的另一个方面在于保护一种上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的成像方法，包括以下步骤：S1、太赫兹发射源发射的太赫兹波束入射到样品台的样品上；S2、穿过样品的透射波束被波束转换单元会聚成扇形波束；S3、太赫兹探测阵列探测扇形波束的光强信息，并将光强信息转换为光电流信号；S4、数据采集卡将该光电流信号转换成电压信号；S5、数据采集卡根据电压信号得到样品在角度的投影数据；S6、通过垂直轴旋转步进电机控制样品绕垂直方向旋转，重复步骤S1-S5，可得到样品在某个截面的投影数据；S7、通过水平轴旋转步进电机控制发射源和探测阵列在水平方向上旋转角度，重复S1-S6，获得样品不同值的二维投影矩阵，将所有二维矩阵沿竖直方向叠加，获得三维投影矩阵。进一步地，垂直轴旋转步进电机旋转的角度间隔从1度到45度可调，旋转范围360°可调；进一步地，水平轴旋转步进电机旋转的角度间隔从1度到15度可调，旋转范围在[−90°，90°]内可调。本技术的另一方面在于保护上述基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统的操作方法，包括以下步骤：A1、参数设定：升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机设定位于零位，将样品固定在样品台上，根据用户所需成像精度在控制模块上设置水平轴旋转步进电机的初始位置，垂直轴旋转步进电机的旋转范围设为360°，同时设置水平轴旋转步进电机与垂直轴旋转步进电机的旋转步长。A2、电机复位：控制模块13通过步进电机控制器12控制升降步进电机、水平轴旋转步进电机、垂直轴旋转步进电机移动到初始位置；A3、初次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制垂直轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，同时通过数据采集卡实时采集透射光强值；A4.二次旋转测量：控制模块通过步进电机控制器控制水平轴旋转步进电机以设定的步长和范围旋转，重复步骤3，水平轴旋转步进电机绕x方向旋转到设定的旋转范围后停止；A5、数据处理:利用滤波反投影法或者其他计算机层析成像重建算法处理采集到的数据重建样品的三维图像。本技术一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，具有如下的有益效果：第一、成像稳定性高，锥形太赫兹波束能完全覆盖样品，因此不需要太赫兹波束与样品间的相对平移，能有效提升成像系统的稳定性；第二、成像时间短，使用探测阵列探测通过样品的透射波束，可有效减少成像时间。例如，以样品台平面为xz平面，现有的基于三维Radon变换的三维层析成像需要样品与太赫兹波束在x方向上有相对平移，而本技术中不需要样品与太赫兹波束在这以方向上有相对平移。假设需要对90mm×90m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，其特征在于：/n所述样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；/n所述波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；/n所述升降架上设有升降步进电机，所述升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，所述水平轴旋转步进电机的输出轴连接有U形架，所述太赫兹发射源固定在U形架的左侧，所述波束转换单元、太赫兹探测阵列从左到右依次固定在U形架的右侧，所述U形架带动太赫兹发射源、波束转换单元和太赫兹探测阵列同步转动。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，包括沿太赫兹波束光路传输方向设置的太赫兹发射源、样品台、波束转换单元、太赫兹探测阵列、支撑架、升降架，其特征在于：
所述样品台通过垂直轴旋转步进电机设置在支撑架上；
所述波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件；
所述升降架上设有升降步进电机，所述升降步进电机的输出轴上连接有水平轴旋转步进电机，所述水平轴旋转步进电机的输出轴连接有U形架，所述太赫兹发射源固定在U形架的左侧，所述波束转换单元、太赫兹探测阵列从左到右依次固定在U形架的右侧，所述U形架带动太赫兹发射源、波束转换单元和太赫兹探测阵列同步转动。


2.根据权利要求1所述的基于三维Radon变换的太赫兹层析成像系统，其特征在于：所述波束转换单元包括第一衍射光学元件和第二衍射光学元件，所述第一衍射光学元件为准直式光学元件，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昌勇，牛丽婷，刘智城，何颖君，李天乐，朱伟玲，
申请(专利权)人：广东石油化工学院，
类型：新型
国别省市：广东;44