CN107144546A - 基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，包括以下内容：采用反射模式下的太赫兹时域光谱成像***，对样本进行扫描，获得样本扫描平面内每一空间点的反射时域波形，对完整的反射时域波形进行去除样本上表面反射脉冲操作后，进行太赫兹C扫描水平成像，提取缺陷区域和非缺陷区域的反射时域波形，并对缺陷区域进行太赫兹B扫描截面成像，结合两者信息，分析样本内含缺陷的个数及深度位置，对反射时域波形进行加窗处理后采用太赫兹C扫描水平成像,即对样本进行分层切片成像，更直观地分析样本内部不同层间的缺陷形状和面积。此方法有效地提高了太赫兹波对样本内部层间结构和隐藏缺陷的检测能力。
Description
技术领域
本发明涉及太赫兹数据处理领域，尤其涉及一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法。
背景技术
太赫兹(Terahertz，简称THz)波是指频率在0.1-10THz的电磁波。由于太赫兹波可以穿透大多数非极性物质，因此可对不透明的非极性物质进行成像，检测其内部层间结构和缺陷。太赫兹时域光谱反射成像技术是一种典型的太赫兹成像技术。目前，传统的太赫兹时域光谱反射成像技术是通过二维扫描台的移动，首先获取从样本每一空间点上反射的太赫兹时域波形，然后对完整的太赫兹时域波形进行傅立叶变换，获得每一空间点的频域波形，最后通过选取时域或频域波形中的不同物理量，获得不同的太赫兹图像。传统太赫兹时域光谱反射成像算法存在以下缺点：(1)太赫兹反射时域波形是由不同时延下太赫兹波在样本中不同界面的反射脉冲组成，通常情况下，样本上表面的反射脉冲没有包含任何缺陷信息，但它的幅值却远远大于其它界面的反射脉冲幅值，在对完整的反射时域波形进行傅立叶变换时，样本上表面的反射脉冲将起到主导作用，会淹没样本内部层间结构和缺陷信息。(2)太赫兹反射时域波形经过傅立叶变换后每一个频率分量在频域对应一个频点，但每一个频率分量在时域则覆盖整个时间轴，因此傅立叶变换无法反映某个频率分量发生在时间轴的哪个时域段，即傅立叶变换无任何时域定位性能。因此样本的频域信号失去了时间信息，无法区分样本内部不同界面处反射脉冲，即无法分层体现样本内部不同界面处的结构和深度信息。
发明内容
本发明的目的在于克服传统太赫兹时域光谱反射成像算法对样本内部层间结构和缺陷检测的不足，提供一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，能够改善样本内部层间结构和缺陷的检测效果。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法,包括以下步骤：
(1)设置太赫兹时域光谱成像***工作在反射模式下，调整太赫兹镜头，使样本中间深度位置处于最佳焦平面处。对样本进行太赫兹反射成像扫描，获得样本扫描平面内每一空间点的太赫兹反射时域波形；
(2)对样本的太赫兹反射时域波形进行分析，获得样本上表面反射脉冲在完整反射时域波形中的位置；
(3)去除样本所有空间点的太赫兹反射时域波形的上表面反射脉冲，并用上表面反射脉冲周围邻域的振幅值来代替去除部分的振幅值，获得新的太赫兹反射时域波形；
(4)利用新获取的太赫兹反射时域波形进行太赫兹C扫描水平成像；
(5)分析太赫兹C扫描水平成像结果，获取缺陷区域和非缺陷区域的太赫兹反射时域波形；
(6)对缺陷区域处进行太赫兹B扫描截面成像，分析太赫兹B扫描截面成像结果，可初步确定样本中存在缺陷的深度位置及个数；
(7)结合太赫兹B扫描截面成像结果，分析缺陷区域和非缺陷区域反射时域波形的组成成分，确定缺陷处的反射脉冲在反射时域波形中的位置及个数；
(8)根据太赫兹反射时域波形的分析结果，对反射时域波形进行加窗处理，获得不同时域段信号；
(9)对每一段时域信号分别进行太赫兹C扫描水平成像,即太赫兹切片成像；
(10)分析太赫兹切片成像结果，得到样本内部缺陷的面积及个数。
作为优选实施方式，其特征在于：
在步骤(4)中，太赫兹C扫描水平成像是指选取时域或频域中的不同参数对样本进行平面太赫兹二维成像。
在步骤(5)中，太赫兹B扫描截面成像是指对样本的某一切面进行成像，横坐标代表样本水平或垂直位置，纵坐标代表样本深度位置。
在步骤(6)中,计算缺陷的深度位置采用反射模式下时延差法，其数学表达式为：其中d为缺陷距样本上表面的距离，c为真空中光速，n为待测样本折射率，Δt为缺陷界面的反射脉冲与样本上表面反射脉冲之间的时延差。
在步骤(8)中，根据反射脉冲的位置，沿着时域信号移动窗函数，获得不同时域段信号。
在步骤(10)中计算缺陷面积的方法为:缺陷区域总的像素个数乘以单个像素面积，单个像素面积为b×b，其中b为扫描台步进。
本发明的有益效果在于：首先，去除了样本上表面反射脉冲对样本内部不同界面反射脉冲的影响，即去除了样本表面信息，重点突出了样本内部的结构信息；其次，对太赫兹反射时域波形进行“加窗分析”和“局部频谱分析”，选取每一段时域或频域信号的不同参数进行太赫兹C扫描水平成像，即对样本内部结构信息进行分层切片成像，突出了样本内部不同界面处的信息。此方法不仅能对样本内部信息进行切片成像分析，还能更好的抑制噪声，有效地提高了太赫兹波对样本内部层间结构和缺陷的检测能力。
附图说明
图1为基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法流程图。
图2为太赫兹反射时域光谱成像***的结构示意图。
图3为采用传统太赫兹成像算法得到的样本成像信息图。
图4为去除样本上表面反射脉冲后采用传统太赫兹成像算法得到的样本成像信息图。
图5(a)为参考信号反射时域波形。
图5(b)为缺陷区域与非缺陷区域太赫兹反射时域波形图。
图6(a)为样本X＝25时列截面成像图。
图6(b)为样本X＝68时列截面成像图。
图7(a)为反射时域波形30-37ps时域段的切片成像图。
图7(b)为反射时域波形48-53ps时域段的切片成像图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述。
在详细说明本发明的太赫兹成像方法前，首先介绍一下本发明采用的美国Zomega公司生产的太赫兹时域光谱反射成像***。如图1、图2所示，***中飞秒激光器1的中心波长为1560nm，脉冲宽度为80-90fs，波形采样率为500Hz,功率为20-30mW，最大时延为110ps,时间分辨率为0.05ps，频率分辨率为11GHz。整个***的工作原理：首先，一束太赫兹飞秒激光器1发射的脉冲信号经过分束镜2分为两束，较强的一束作为泵浦光，经过时间延迟控制单元3入射到太赫兹发射器4上产生太赫兹短脉冲；然后经过离轴抛物面镜5的聚焦和准直，传输到探测聚焦，即样本9的位置处；另一束较弱的光作为探测光，经过多个太赫兹透镜7、8，传输到样本9的位置处，来探测太赫兹脉冲的瞬时电场的振幅，调整扫描太赫兹脉冲和探测光之间的时间延迟来获取太赫兹电场强度随时间变化的波形，传输到计算机11。结合X-Y二维扫描台10，可以实现对样本的反射成像扫描。太实验过程中，为了避免空气中水蒸气的影响，将太赫兹发射器4、接收器6及待测样本9放置于充有干燥空气的密封罩内。
实施例1：
实验所用的样本是哈尔滨玻璃钢研究院制造的环氧玻璃纤维板，它的主要成分是玻璃纤维和环氧树脂，其中纤维含量在60-70％左右，由多层单向玻璃纤维布按0/90°的方向交叉铺层，经层压成型工艺制成。其中，每层玻璃纤维布的厚度为0.2mm，整个样本大小为100mm(长)*100mm(宽)*3mm(高)。在距离玻璃纤维板上表面0.9mm(3mm*30％)的深度均匀地埋有大小为20mm(长)*20mm(宽)*0.1mm(高)的正方形聚四氟乙烯、20mm(直径)*0.1mm(高)的圆形聚四氟乙烯、20mm(边长)*0.1mm(高)的等边三角形聚四氟乙烯、20mm(相对两角间的距离)*0.1mm(高)的五角星形聚四氟乙烯。在距离纤维板上表面1.8mm(3mm*60％)的深度均匀地埋有大小为10mm(长)*10mm(宽)*0.1mm(高)的正方形聚四氟乙烯、10mm(直径)*0.1mm(高)的圆形聚四氟乙烯、10mm(边长)*0.1mm(高)的等边三角形聚四氟乙烯、10mm(相对两角间的距离)*0.1mm(高)的五角星形聚四氟乙烯。同样形状处于不同深度的大小缺陷的水平中心对齐，样本的上下表面平整，从样本表面完全看不出内部结构及缺陷。
(1)开启激光器和计算机等，设置太赫兹时域光谱成像***的工作模式为反射模式，将待测样本置于如图2所示的检测位置上，设置扫描步进为1mm，扫描面积为100*100mm2，启动二维扫描台，获得样本扫描平面内所有空间点的太赫兹反射时域波形。
(2)对完整的太赫兹反射时域波形进行傅立叶变换，采用0-5THz频率点振幅成像，选择成像信息效果较好的0.26THz振幅成像，如图3所示。
(3)去除样本所有空间点的太赫兹反射时域波形的上表面反射脉冲，并用上表面反射脉冲周围邻域的振幅值来代替去除部分的振幅值，获得新的太赫兹反射时域波形。
(4)对新的太赫兹反射时域波形采用与步骤(2)同样的成像算法，结果如图4所示。图4样本的内部缺陷成像效果明显比图3好,我们可以观察到隐藏在第一层大聚四氟乙烯缺陷下的小聚四氟乙烯缺陷,能够初步判定缺陷的水平位置。
(5)获取不含缺陷区域中像素点位置(13,13)、含有一层缺陷区域中像素点位置(19,34)和含两层缺陷区域中像素点位置(24,25)的完整反射时域波形，如图5所示。图5(a)的参考信号是在焦点放置金属板测反射时域波形。
(6)对图4中的X＝25，X＝68进行列截面成像，结果如图6所示。从图6中可以观察样本内部有两个明显的反射界面，样本上表面到第一层大聚四氟乙烯缺陷的时延差为Δt1＝13ps，样本上表面到第二层小聚四氟乙烯缺陷的时延差为Δt2＝28ps，由公式计算得到第一层大聚四氟乙烯缺陷的深度为0.91mm，第二层小聚四氟乙烯缺陷的深度为1.96mm，与预埋缺陷的深度位置基本一致。
(7)结合图5的反射时域波形和图6的截面成像分析，对于非缺陷区域，太赫兹反射时域波形的组成如下：
Ar＝Ar1+Ar4
其中，Ar1对应空气与样本上表面的界面反射脉冲，在时域波形中处于18-25ps的位置,Ar4对应样本下表面与空气的界面反射脉冲，在时域波形中处于59-67ps的位置。
对于只含有单层缺陷的区域，太赫兹反射时域波形的组成如下：
Ar'＝Ar1+Ar2+Ar4
其中，Ar2是玻璃纤维板与大聚四氟乙烯缺陷上表面的反射脉冲和大聚四氟乙烯缺陷下表面与玻璃纤维板的反射脉冲的叠加，因为缺陷的厚度小于太赫兹时域光谱成像***的深度分辨率，故在时域波形中表现为叠加脉冲Ar2，在时域波形中处于30-37ps的位置。
对于含有两层缺陷的区域，太赫兹反射时域波形的组成如下：
Ar”＝Ar1+Ar2+Ar3+Ar4
其中,Ar3是玻璃纤维板与小聚四氟乙烯缺陷上表面的反射脉冲和小聚四氟乙烯缺陷下表面与玻璃纤维板的反射脉冲的叠加,在时域波形中处于48-53ps的位置。在样本所有空间点的时域波形中，上表面反射脉冲延时68ps左右均出现了一个小脉冲峰，对比参考信号，我们认为此处的脉冲为***信息，与样本信息无关。
(8)根据反射脉冲的组成成分对完整反射时域波形加窗，在此实施例中选择高斯窗函数，根据样本内部不同界面的反射脉冲位置和宽度调整窗函数的中心和宽度获得不同时域段信号。
(9)对截取的不同时域段信号进行太赫兹C扫描水平成像。在此实施例中，我们截取了30-37ps和48-53ps的时域信号，采用每一时域段的最大峰值进行切片成像，结果如图7所示。
(10)根据图7分析缺陷大小，大正方形缺陷面积约为20*20mm2左右，小正方形缺陷面积约为10*10mm2左右；大三角形的边长约为20mm,小三角形的边长约为10mm；大圆形缺陷的直径约为20mm,小圆形缺陷的直径约为10mm；大五角星形相对两角间的距离约为20mm,小五角星形相对两角间的距离约为10mm；太赫兹成像检测缺陷大小与预埋缺陷大小基本一致。
Claims (6)
1.一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法,包括以下步骤：
(1)设置太赫兹时域光谱成像***工作在反射模式下，调整太赫兹镜头，使样本中间深度位置处于最佳焦平面处。对样本进行太赫兹反射扫描成像，获得样本扫描平面内每一空间点的太赫兹反射时域波形；
(2)对样本的太赫兹反射时域波形进行分析，获得样本上表面反射脉冲在完整反射时域波形中的位置；
(3)去除样本所有空间点的太赫兹反射时域波形的上表面反射脉冲，并用上表面反射脉冲周围邻域的振幅值来代替去除部分的振幅值，获得新的太赫兹反射时域波形；
(4)利用新获取的太赫兹反射时域波形进行太赫兹C扫描水平成像；
(5)分析太赫兹C扫描水平成像结果，获取缺陷区域和非缺陷区域的太赫兹反射时域波形；
(6)对缺陷区域处进行太赫兹B扫描截面成像，分析太赫兹B扫描截面成像结果，可初步确定样本中存在缺陷的深度位置及个数；
(7)结合太赫兹B扫描截面成像结果，分析缺陷区域和非缺陷区域反射时域波形的组成成分，确定缺陷处的反射脉冲在反射时域波形中的位置及个数；
(8)根据太赫兹反射时域波形的分析结果，对反射时域波形进行加窗处理，获得不同时域段信号；
(9)对每一段时域信号分别进行太赫兹C扫描水平成像,即太赫兹切片成像；
(10)分析太赫兹切片成像结果，得到样本内部缺陷的面积及个数。
2.根据权利1所述的一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，其特征在于：步骤(4)中太赫兹C扫描水平成像是指选取时域或频域中的不同参数对样本进行平面太赫兹二维成像。
3.根据权利1所述的一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，其特征在于：步骤(5)中太赫兹B扫描截面成像是指对样本的某一切面进行成像，横坐标代表样本水平或垂直位置，纵坐标代表样本深度位置。
4.根据权利1所述的一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，其特征在于：步骤(6)中计算缺陷的深度位置采用反射模式下时延差法，其数学表达式为：其中d为缺陷距样本上表面的距离，c为真空中光速，n为待测样本折射率，Δt为缺陷界面的反射脉冲与样本上表面反射脉冲之间的时延差。
5.根据权利1所述的一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，其特征在于：步骤(8)中，根据反射脉冲的位置，沿着时域信号移动窗函数，获得不同时域段信号。
6.根据权利1所述的一种基于反射时域波形加窗的太赫兹成像方法，其特征在于：步骤(10)中计算缺陷面积的方法为:缺陷区域总的像素个数乘以单个像素面积，单个像素面积为b×b，其中b为扫描台步进。
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