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连续太赫兹波层析成像实验研究

郑德伟  
【摘要】:频率处于0.1THz-10THz的电磁辐射被称为太赫兹波,它处于微波向红外线过渡的区域,兼有微波和光学的特性。它可以像微波和光学成像一样,作为成像用的辐射源,所以在太赫兹成像技术中可以方便地借鉴两个频谱范围上采用的成像方式,形成新型的成像方式,做为其他成像方式的有效的补充。由于太赫兹对非极性物体具有很强的穿透性,可以利用它来对物体的内部结构和组成进行成像和无损检测。CT技术就是一种能够获得物体内部结构和物质分布的一种三维成像技术,它广泛应用于各种医学成像中。由于太赫兹具有的穿透性能,这种成像方式也可以应用到太赫兹成像技术中,并且由于太赫兹而且它的光子能量只有4meV,要远小于X射线的光子能量,利用它来对物体进行CT成像不会对物体产生电离损伤,可以作为X射线等成像方式的有效的补充手段。 本文主要使用实验室现有的由爱丁堡公司生产的二氧化碳激光泵浦甲醇气体产生太赫兹激光器和Pyrocom III型热释电相机对太赫兹连续波CT成像技术进行了研究,并根据实验室现有的仪器搭建了一套太赫兹层析成像系统。该成像系统主要由两部分组成:一部分是成像的数据采集部分它主要完成对物体的旋转扫描和数据的采集。它主要由硬件系统和编写的Labview控制和数据采集程序组成。另一部分是编写的Matlab断层图像重建程序。并利用搭建的CT成像系统对不同的物体进行了层析成像的实验,最后获得了物体的断层图像,并利用不同层面的断层图像构建出了成像物体的三维图像。 本论文主要的研究内容和所得成果如下: 1、研究了太赫兹层析成像的理论,对相关的公式进行了推导,并对图像重建的方法进行了研究。根据滤波反投影的原理编写了用于太赫兹层析成像图像重建的Matlab程序,利用该程序实现了从采集的实验数据中对成像物体的断层图像的重建。并采用Phantom头模作为重建对象,做了仿真。 2、对衍射断层成像的理论进行了研究,针对衍射层析图像重建中采用滤波反传播计算量大的问题,借鉴超声断层成像中应用的NUFFT的重建方法用Matlab程序实现了衍射层析图像的重建并利用计算机对Phantom头模进行了重建仿真。 3、研究了在Matlab中实现数据的三维显示的方法。并利用太赫兹层析实验中获得的断层图像,构建了成像物体的三维外形。 4、利用实验室的现有设备,搭建了太赫兹层析成像系统。并在Labview编程环境下,设计了一维和三维层析成像数据采集的控制系统,成功实现了对不同角度的太赫兹连续波投影的采集。 5、利用搭建的太赫兹连续波层析成像系统,对不同的物体做了层析成像的实验,利用自己编写的层析断层图像重建的程序得到了成像物体的断层图像并对实验的结果进行了分析。


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