摘要：太赫兹（THz）辐射在天文、生物、计算机、通信等科学领域有着巨大的应用价值。然而目前在THz时域光谱与成像研究中遇到的困难和问题，阻碍了太赫兹技术的研究。针对这些困难和问题，提出了一套太赫兹时域光谱分析与成像系统的设计方案和部分实现。利用软件工程技术、自动控制技术、数字图像处理技术、计算机图形技术针对THz设备系统和信号进行设置、控制、处理、加工、显示、存储、识别和检索。该设计方案的提出与实现将会在THz分析方法和应用领域中取得突破，促进了交叉学科的发展，为我国的国防建设和科技创新贡献力量。

   关键词：太赫兹，太赫兹时域光谱，太赫兹成像.

1. 引言

   太赫兹（Terahertz，简称THz）波是指频率在（0.1-10）THz范围内的电磁波。这一曾被称为“THz空白”的电磁波段领域，近几年来取得了许多进展，成为一个引人注意的前沿领域[1]。超快激光技术不仅为THz波的产生提供了稳定可靠的激发光源，而且为其探测提供了有效的手段，从而促进了THz辐射的机理研究、检测技术和应用技术的蓬勃发展[2]。

   与其它波段的电磁波相比，THz电磁波具有如下特点[3]：（1）在应用方面相对于其它波段的电磁波，具有非常强的互补特征。(2)利用THz波通过特有的光谱特征识别有机分子。(3)THz波的典型脉宽在亚皮秒量级，不但可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，而且通过取样测量技术，能够防止背景辐射噪音的干扰。(4)THz波具有很高的时间和空间相干性。(5)THz波的光子能量低。THz波的这些特点决定了发展THz技术的重要意义。

   现阶段对太赫兹波的研究可分为对太赫兹波本身的研究和太赫兹波的应用研究。其中太赫兹波的应用研究包括利用频谱的应用研究、利用时域谱的应用研究、太赫兹波的成像和太赫兹波在生物技术和信息技术领域的应用[3]。THz可以探测其它射线不可探测的材料内部缺陷和隐藏物，可以进行安全的无损检测，可以用于区分如毒品等材料的结构和种类。THz波在国土安全检测、国防、无损检测特别是航空航天材料的检测与评估、生物医学成像、半导体物理与器件研究、通信、天文等领域，都有着极其重要的现实应用和潜在应用前景。

   首都师范大学“THz光谱与成像实验室”在THz应用与成像方面走在国内的最前沿，率先在国内建立起了一套具有较高应用价值的透射式逐点扫描THz辐射成像装置。根据第11届全国光电技术与系统年会会议论文集统计，THz专题组中一共发表THz研究与应用的论文27篇，其中22篇的论文作者属于首都师范大学“THz光谱与成像实验室”［4］。

   然而THz时域光谱技术的发展历史较短，实验技术方面不够成熟，对THz光谱解析的理论也还处于探索阶段，THz成像还是一项新兴的技术，在国内更是刚刚起步。这些目前在THz时域光谱与成像研究中遇到的困难和问题，阻碍了太赫兹技术的研究。本文针对这些困难和问题，提出了一套太赫兹时域光谱分析与成像系统的设计方案和部分实现。

1. 光学系统

   图1是成像系统的实验装置图。激光光源是一台自锁模钛：蓝宝石飞秒激光器，脉冲宽度为100飞秒，中心波长选择在810纳米，重复频率为80MHz。飞秒脉冲被分光棱镜(CBS)分为激发光和探测光两部分。激发光通过一时间延迟台后被聚焦，并以45°角照射在<100>取向的InAs晶体上，产生光生载流子，在晶体表面引发超快光致丹倍（Dember）电场，从而加速载流子运动并产生THz辐射。窄带半导体晶体InAs中为THz成像提供了较高功率的辐射源。产生的THz辐射经两对离轴抛物面镜（PM）准直和聚焦，最后透过一个1mm厚的高阻硅薄片，汇聚在<110>-ZnTe电光探测晶体上。THz电场调制电光晶体的折射率椭球，也就是发生了电光效应。另一方面，对于同时到达探测晶体的探测光，由于探测晶体的折射率椭球随着THz电场的变化而变化，使得透射的探测光的偏振特性随之变化。被调制的探测光经过四分之一波片（QWP）和渥拉斯顿棱镜（PBS）后，被一对光电二极管探测，得到的差分信号经过锁相放大器放大和计算机同步采集，得到THz辐射信号。实验中样品被安放在一个二维平移台上（扫描范围25毫米×25毫米），置于第二个抛物面镜的焦点处（焦斑直径约为1.1毫米）。

2. 计算机系统

   图1所示的光路图中被调制的探测光最终被一对光电二极管探测，这种成像方式为逐点扫描式THz时域光谱成像技术，这种方法优点是信噪比相对较高，成像质量相对较好。缺点也较为明显，它的数据获取时间较长。另一种成像方式是THz的CCD成像技术，这种成像方式可以解决数据获取时间较长的问题，用数字摄像机代替一对光电二极管。利用计算机自动启动和控制数字摄像机，自动设置数字摄像机的各种参数；对泵浦光路中的斩波器进行参数设置并使其与摄像机同步；按照预先设置好的步骤和时序控制泵浦光路的延迟平台以便对THz采样，控制被测样品的旋转平台以便取得THz断层扫描；对锁相放大器等太赫兹系统的其它设备进行相应的设置、控制、运行和管理。

3. 软件系统

3.1 软件需求
   太赫兹时域光谱分析与成像的软件系统需求主要包括如下几点：a) 太赫兹时域光谱信号数据的采集、读入和为进行图像显示而进行的数据转换。b) 太赫兹时域光谱谱线的显示。c) 利用快速傅里叶变换（FFT）、小波变换等分析工具进行太赫兹信号的分析和被测物体的识别。d) 各种设备的控制，包括斩波器控制，采集同步，分频器控制，平移台控制，旋转台控制。e) 解决太赫兹图像的饱和问题，CCD的控制与CCD的抗损毁。f) 太赫兹逐点扫描和CCD图像显示。g) 断层成像（CT显示）。h) 三维重建。i) 时域信号三维显示。

3.2 软件架构设计
   软件的需求中需要大量的图像处理工作，因此需要合理的软件架构设计。利用Command设计模式可以有效地管理这些图像处理算法，让整个图像处理程序的架构看起来比较合理，使用起来比较简单，维护起来更加方便。

   软件使用Visual C++.NET开发，Visual C++.NET集成的微软GDI+（Graphic Device Interface Plus）技术，是Microsoft Windows XP、Microsoft Windows Server2003操作系统的图形引擎，是早期的图像设备接口GDI的继任者，对GDI的很多功能进行了优化，并提供了新的附加功能。

   对于一些较为复杂的算法，为了简单方便，提高开发效率，使用Matlab来实现某些难度较大的算法。然后利用Matlab与Visual C++混合编程的方法最终实现整个软件的融合。

3.3 软件复用
   大学所属研究机构中由于人员（博士、硕士研究生）流动产生任务交接和成果继承的问题（软件复用问题）。以往承担各类项目大多数基于开源代码库、GDI和GDI+，对图像处理的接口不统一也产生了软件复用问题。此外，THz原始数据在处理过程中，会遇到不同数据类型之间的转换、通用图像和图形格式与THz专用格式之间的转换问题。

   目前解决的方法是创建可复用的类XBitmap，类XBitmap基于微软的GDI+技术，它的设计采用Adapter（适配器）设计模式，封装GDI+类Bitmap的对象，根据原始数据的特点，构造类XBitmap的成员变量，XBitmap类的成员函数接口设计和类Bitmap的成员函数接口尽量保持一致，且这些成员函数被设计成虚函数，利用面向对象语言的多态性便于在今后的程序继承XBitmap类，根据不同需求升级程序。

3.4 系统部分实现
   目前已实现了设计方案的部分内容，简要介绍如下：
   对于THz逐点扫描成像，图1所示实验装置对样品进行逐点扫描之后，可以得到样品各个点的光谱数据。对应于样品图像上的每一个点，都会产生一个光谱数据文件。每一个数据文件的命名规则是axby.txt，其中a、b为变量，a代表该点x的坐标值，b代表该点y的坐标值，此外还可以得到一个没有样品的参考光谱数据文件reference.txt，为进行时域光谱分析之用。在对应于每一点的光谱数据文件中，数据分为两列，一列记录的是时间，一列记录的是时间对应的时域光谱值。同一样品图像的每一个点的样品光谱数据文件和参考光谱数据文件必须放在相同的路径中。根据用户提供的图像高度、图像宽度和光谱数据文件所在的路径，由于数据文件的命名是有规则的，所以可以循环依次打开用户指定路径的光谱数据文件，读取某一点的所有原始光谱数据，同时记录该点所有原始光谱数据的最大值max和最小值min。有三种THz逐点扫描图像可供用户扫描，分别是时域峰峰值图、时域最大峰值图、时域最小峰值图。根据用户所选的索引，如果用户选择的是时域峰峰值图，则将max-min的值赋予该点对应二维数组data的位置上；如果用户选择的是时域最大峰值图，则将max的值赋予该点对应二维数组data的位置上；如果用户选择的是时域最小峰值图，则将min的值赋予该点对应二维数组data的位置上。这样循环，直到所有的光谱数据文件都读完，二维数组data的数据被填满。然后从刚被填满数据的二维数组data中分别找出该数组中的最小值和最小值，将最小值映射到灰度值0，最大值映射到灰度值255，其余的值线性映射到相应的灰度值（即时域光谱值越小，颜色越黑；时域光谱值越大，颜色越白）。

   对于THz CCD成像，系统目前采用的摄象头为RoperScientific公司的CoolSnap_ES型号机型。故对其软件控制部分采用厂家配置的PVCAM专用摄象机库。可对摄象头进行单桢采集图象，摄象头增益，量化等级，成像时间，快门的打开延迟和关闭延迟等属性的设置和获取。由于飞秒激光器激发的激光能量过强，直接打至CCD的镜头上，容易造成CCD的饱和，若长时间饱和，仪器有损坏的危险。故在成像过程中若每幅图象上亮度达到饱和的象素点数目超过阈值且累积一段时间，系统自动关闭快门达到自保护的目的。

   在THz信号处理方面，利用FFT将THz光谱从时域信号转换到频域信号，再对光谱进行分析。利用小波变换将THz光谱从时域信号转换到时频域信号，再对光谱进行分析，并进行图像匹配。原信号经过小波变换处理后可得到每个点的一个二维图（在时频上的能量图），通过图像匹配的方法，可将被测物体的光谱图与数据库中的各种物体的光谱图逐点匹配，相似度达到一定阈值即可识别被测物体。

   在CT显示、三维重建方面，目前采用的方法是每隔某个特定的角度a，绕目标物体旋转拍摄N张二维平面照片 (m×n)；依次读取第k幅图像的第i行（k=1,…,N；i=1,…,m）作为第i个矩阵的第k列，最后得到m个n×N的投影矩阵；对每一个投影矩阵进行radon逆变换，最后生成m幅CT断层图像；将断层图像的层数作为第三维，对序列断层图像进行三维重建。

   THz成像系统中用到了平移台和旋转台两种控制台。平移台有两种，分别为RS232与GPIB通讯接口。目前使用的是RS232平移台，平移台在此项目中的主要作用是控制光程，即通过调整平移台的位移改变探测光的光程；旋转台主要用于旋转被测物体，使得THZ光可以从各个角度全方位进行探测。平移台和旋转台都是通过软件来进行自动控制。

4. 结束语

   本文提出的系统设计方案和实现将继承首都师范大学“THz光谱与成像实验室”已有的研究成果，重用首都师范大学“机器视觉与图像处理实验室”在信号处理方面以往的成果，并统一整合了太赫兹研究领域诸如太赫兹逐点成像、太赫兹CCD成像、系统控制、太赫兹系统电气标准和规范、太赫兹信号处理、图像处理、断层成像、三维重建等各项技术，将会在THz分析方法和应用领域中取得突破，促进了交叉学科的发展，为我国的国防建设和科技创新贡献力量。

参 考 文 献

[1] P.H.Siegel, Terahertz technology, IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology, 50, 910(2002).
[2] 岳伟伟. 氨基酸分子的THz时域光谱研究. 首都师范大学硕士学位论文, 2005.5.
[3] 张兴宁. 太赫兹应用技术研究. 浙江大学硕士学位论文, 2005.2.
[4] 张以谟. 光电技术与系统文选. 电子工业出版社, 2005.8