4、脈沖太赫茲波成像與連續波太赫茲成像特性的比較

分辨率是成像系統的一個重要參數，光學系統成像的分辨率與光的波長成反比，與光的頻率成正比。所以理論上高頻太赫茲波的成像分辨率要高。而連續波太赫茲源的硬件技術所限，很難做到高頻率單頻的連續波源，這也是太赫茲成像技術的瓶頸之一。目前國內有0.2THz，0.4THz耿氏二極管振蕩器源和0.59～0.71THz可調返波管源。就現狀來看，脈沖太赫茲波成像比連續波太赫茲成像在分辨率上有一定的優勢。

對直徑分別為1.2mm，2.3mm和3.6mm的銅制圓孔在脈沖系統下進行成像實驗得到各自圖像，如圖4（a）～（c）所示。用二維平移臺對其進行逐點掃描，掃描點數為38pixel×38pixel，實驗外部條件是濕度為20.2%，溫度為21.0℃。掃描采集到38pixel×38pixel個［X，Y］矩陣，它們每一個代表掃描的一個點的時域信息。然后用自己編寫的Labview程序進行時域振幅成像。脈沖系統下1.2mm，2.3mm，3.6mm圓孔的像都可以看到，說明系統分辨率在1.2mm以下，脈沖系統的光斑很小，通過狹縫法測量出其光斑大小為1.0mm。

圖4不同直徑圓孔的時域振幅太赫茲成像圖

在連續波系統下對圓孔陣列進行掃描成像，如圖5所示。小孔孔徑從右向左依次遞減（6.0mm，5.5mm，5.0mm，4.5mm，4.0mm，3.5mm，3.0mm，2.5mm，2.0mm）。可以模糊地看到從右數第8排2.5mm孔徑的圓孔，但是第9排2.0mm孔徑的圓孔難以看清，所以連續波系統對于圓孔的辨別能力大約在2.5mm。

圖5圓孔陣列的連續波太赫茲成像圖

為了測量連續波系統分辨率，對一個鋁制扇形模板成像，相鄰兩個刀刃間提供了無數個寬度。圖像中能夠分開每個刀刃之間的最小距離就是其系統分辨率。通過成像實驗，如圖6所示，連續波系統的分辨率為2.6mm。與連續波成像相比在成像分辨率上脈沖成像占有明顯的優勢。

對于兩個系統的噪聲比較，連續波系統得到的圖像上有明顯的條紋，這是由于該系統多路反射在探測器相干疊加的結果及電動平移臺的振動影響所造成的。脈沖系統的噪聲主要是斬波器的機械噪聲和電子噪聲，與連續波系統的噪聲相比很小。

圖6扇形模板（a）及扇形模板太赫茲圖像與測量值（b）

在成像速度上連續波系統有明顯的優勢。掃描上面的脈沖圖像時，對于一組鎖相積分時間設為10ms的38pixel×38pixel點的數據，所需時間大約為13h以上，用連續波系統掃描的面積要大幾十倍的圖像卻只用了十幾分鐘。掃描速度上的優勢為連續波對大面積的物體無損檢測提供了可能。

由于截然不同的機制，兩種系統得到的圖像數據是完全不同的。在連續波系統中，只以矩陣形式儲存強度信息，可以直接轉變為圖像。而脈沖系統的數據非常復雜，因此要求更先進的處理方法而使之被充分利用。下面用自己開發的Labview程序，先將38pixel×38pixel個時域數據同時轉化為頻域數據，再對頻域數據成像，即可以得到不同頻率下物體的像。以孔徑為2.6mm的銅孔為例，如圖7所示。從圖中可以看到，選擇頻譜中不同頻率成分的振幅值所成的圖像的對比度存在較大的差異。在頻率較低時，成像的對比度較差，這是由于空間衍射極限造成的，如第一排小于0.5THz的3個像，高頻部分由于相應的波長較短，因此應該能夠獲得更高的空間分辨率。而且不難看出在0.96THz處像對比度最好，因為1.0THz附近能量較大。這種方法也為識別不同成分的物體提供了一種新的多波長光譜成像方法。由于物體成分不同，它們在太赫茲波段的吸收峰的位置也不同，所以可以用不同頻率的像區別幾種成分的物體。脈沖系統信息量豐富可以做多光譜成像研究，而只有強度信息的連續波成像是無法做到的。

圖7直徑為2.6mm的銅孔在不同頻率下的振幅成像

以損失景深、時域和頻域信息為代價，連續波系統是一個緊湊、簡便、快速成像的系統。因為它不需要抽運探測成像，連續波系統的光路復雜性與脈沖系統相比大大降低，而且它不需要時間延遲掃描，因此掃描速度也非常快。

在航天泡沫材料（SOFI）等無損檢測應用中，連續波技術提供了更為有效的結果，它可以很好地檢測并辨別空缺和分層兩種主要的缺陷，與脈沖系統相比，其結果有較高的分辨率。

對上面提到的兩個成像系統的成像機理、系統分辨率、系統噪聲、成像速度、信息量、價格、復雜性、便攜性及其應用總結如表1所示。

表1兩種成像系統的對比

5、結論

脈沖太赫茲波成像與連續波太赫茲成像各有特點和優勢，有很好的互補性，要視具體的應用來選擇、構建最佳的成像方案。脈沖太赫茲時域測量系統能夠提供成像物體的光譜信息，甚至折射率色散，這是連續波系統不能提供的信息。連續波系統具有較高的輻射功率，系統簡單、價格低、成像速度快、使用方便的特點。如果掃描的物體比較大而又只需要檢測缺陷或者透射性質，選擇連續波系統較好。但如果探測的物體比較精細，要求系統有較高的分辨率并獲得物體的光譜信息，則需使用脈沖成像方法。