تصویربرداری ابر نقاط سه بعدی تراهرتز در فرکانس 100GHz در حالت بازتابی فعال مبتنی بر روش نابرابری

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد،دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران ، ایران

2 پژوهشگر،دانشگاه جامع امام حسین (ع)، تهران ، ایران

چکیده

در این مقاله یک روش تصویربرداری مبتنی بر ابر نقاط متراکم سه‌بعدی تراهرتز در فرکانس 100GHz در حالت بازتابی، در فاصله 4m و تحت زوایای مختلف از هدف ارائه‌شده است. هدف از تصویربرداری سه‌بعدی تراهرتز، دست‌یابی به هندسه سه‌بعدی یا تصویر حجمی از هدف تحت تابش سیگنال تراهرتز است تا بتوان اطلاعات بیشتری از هدف کسب کرد خصوصاً در مواقعی که هدف به شکلی تعبیه‌شده است که تحت یک زاویه نمی‌توان درک درستی از آن به دست آورد. در روش تصویربرداری پیشنهادی، سیگنال تراهرتز از طریق یک لنز، به هدف تابانده می‌شود. منبع تولید سیگنال تراهرتز از نوع دیود Impatt است که سیگنال تراهرتز را در فرکانس 100GHz تولید می‌کند. هدف بر روی یک سه پایه دوار قرارگرفته و به ازای گام‌های غیر یکسان شروع به چرخش می‌کند. سیگنال برگشتی از هدف تحت زوایای مختلف در محدوده میدان دید سیستم اپتیکی، توسط یک بازتابنده سهموی کسگرین متمرکزشده و بر روی یک دوربین تراهرتز آرایه 32×32 پیکسل تشکیل تصویر دوبعدی می‌دهد. مجموعه‌ای از تصاویر تراهرتز دوبعدی با الگوی شدت متحول شده از هدف، تحت زوایای مختلف توسط دوربین تراهرتز ثبت می‌شود. با استفاده از الگوریتم تناظریابی شبه سراسری، دو تصویر از مجموعه تصاویر ثبت‌شده با یکدیگر به‌صورت پیکسل به پیکسل مقایسه شده و یک ابر نقاط سه‌بعدی از هدف بازیابی می‌شود. نتایج شبیه‌سازی و مقایسه نتایج تصاویر بازیابی شده از هدف با تصویر واقعی با توجه به محدودیت‌های سامانه تصویربرداری تراهرتز، نشان‌دهنده موفقیت این روش تصویربرداری در حالت بازتابی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

3D terahertz point cloud imaging at 100 GHz frequency in active reflection mode based on the disparity method

نویسندگان [English]

  • mahdi salmanian 1
  • Mohammad Roueinfar 2
  • saeid Babanezhad 1
1 Master's degree, Imam Hossein University (AS), Tehran, Iran
2 Researcher, Imam Hossein University, Tehran, Iran
چکیده [English]

This article presents terahertz imaging at a frequency of 100 GHz in reflective mode, at a distance of 4 m, and under different angles from the target. The terahertz signal source is an Impatt diode that produces a signal at a frequency of 100 GHz. One of the challenges in terahertz imaging is to obtain a three-dimensional geometry or volume image of the target under the terahertz signal radiation so that more information can be obtained from the target, especially when the target is embedded in a way that cannot be understood under an angle. From that, the importance of this issue is doubled, especially at the entrance of security places or military sites, when it is used to inspect people or equipment. The proposed imaging method irradiates the terahertz signal to the target through a lens. The target is placed on a rotating tripod and starts rotating for unequal steps. The return signal from the target under different angles within the field of view of the optical system is focused by a Cassegrain parabolic reflector and forms a two-dimensional image on a 32x32 pixel array camera. The camera captures a set of 2D terahertz images with transformed intensity patterns from the target at different angles. By using the semi-global matching algorithm, two images from the set of recorded images are compared pixel by pixel, and a 3D point cloud is retrieved from the target.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Terahertz
  • 3D Point Cloud
  • Semi Global Matching
  • Reflective

مراجع

[1] Y. S. Lee, “Terahertz Optics,” Principles of Terahertz Science and Technology, pp. 1–56, Oct. 2008.
[2] A. Rostami, H. Rasooli, H. Baghban, “Terahertz Technology
Fundamentals and Applications,” Springer, 2011.
[3] V. Krozer et al, “Terahertz Imaging Systems with Aperture Synthesis Techniques,”, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 58, no. 7, pp. 2027-2039, July 2010.
[4] M. F. Duarte, M. A. Davenport, D. Takhar, J. N. Laska, T. Sun, K. F. Kelly, and R. G. Baraniuk, “Single-pixel imaging via compressive sampling,” IEEE Signal Process. Mag. vol.25, no.2, pp. 83–91. 2008.
[5] Zh. Jiang and X. Zhang, "Terahertz imaging via electrooptic effect," in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, vol. 47, no. 12, pp. 2644-2650, Dec. 1999.
[6] E. Hack, L. Valzania, G. Gäumann, M. Shalaby, C. P. Hauri, and P. Zolliker, “Comparison of thermal detector arrays for off-axis THz holography and real-time THz imaging,” Sensors (Basel) 16(12), 221,2016.
[7] D.aniel M. Mittleman, “Twenty years of terahertz imaging [Invited],” Opt. Express, vol.26, no.8, pp. 9417-9431,2018., 2008.
[8]-Niklason, L.T., et al., Digital tomosynthesis in breast imaging. Radiology, 1997. 205(2): p. 399-406.
[9] M. Roinfar, M. Salmanian, A. Aghakasiri, A.Bashiri and S. Babanejad, “Single Pixel Imaging using Compressive Sensing and Spatial Light Modulator”,Journal of Radar and Optical Remote Sensing and GIS, vol. 4, pp. 7-16, 2021. (In Persian)   
[10]-Takayanagi, J., et al., High-resolution time-of-flight terahertz tomography using a femtosecond fiber laser. Optics Express, 2009. 17(9): p. 7549-7555.
[11]-Zhong, H., et al., Nondestructive defect identification with terahertz time-of-flight tomography. IEEE Sensors Journal, 2005. 5(2): p. 203-208.
[12]-K. Ajito and Y, Ueno, “THz chemical imaging for biological applications,” IEEE Trans. Tera. Sci. Tech., vol.1, pp.293–300, 2011.
[13]-A.J. Fitzgerald, B.E. Cole, and P.F. Today, “Nondestructive analysis of tablet coating thickness using terahertz pulsed imaging,” J.Pharm. Sci., vol.94, pp.177–183, 2005.
[14]-Jahns, J. and S.J. Walker, Two-dimensional array of diffractive microlenses fabricated by thin Film deposition. Applied optics, 1990. 29(7): p. 931-936.
[15]-Wang, S. and X.-C. Zhang, Tomographic imaging with a terahertz binary lens. Applied Physics letters, 2003. 82(12): p. 1821-1823.
[16]-Walsby, E., et al., Multilevel silicon diffractive optics for terahertz waves. Journal of Vacuum Science & Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures, 2002. 20(6): p. 2780-2783.
[17]  -Cho, S.-H., et al., Fast terahertz reflection tomography using block-based compressed sensing. Optics Express. 19(17): p. 16401-16409.
[18]-W.L. Chan, J. Deibel, and D.M. Mittleman, “Imaging with terahertz radiation,” Rep. Progr. Physics, vol.70, pp.1325–1379, Aug. 2007.
[19]-K. Ajito and Y, Ueno, “THz chemical imaging for biological applications,” IEEE Trans. Tera. Sci. Tech., vol.1, pp.293–300, 2011.
[20]-A.J. Fitzgerald, B.E. Cole, and P.F. Today, “Nondestructive analysis of tablet coating thickness using terahertz pulsed imaging,” J.Pharm. Sci., vol.94, pp.177–183, 2005.
7555,2009.
[21]-Takayanagi, H. Jinno, S. Ichino, K. Suizu, M. Yamashita, T.Ouchi, S. Kasai, H. Ohtake, H. Uchida, N. Nishizawa, and K.Kawase, “High-resolution time-of-flight terahertz tomography using a femtosecond fiber laser,” Opt. Express, vol.17, pp:8-12.
[22]-X.-X. Yin, B.W.-H. Ng, B. Ferguson, S.P. Mickan, and D. Abbott,“2-D wavelet segmentation in 3-D T-ray tomography,” IEEE SensorsJ., vol.7, pp.342–343, 2007.
[23]-B. Recur, A. Younus, S. Salort, P. Mounaix, B. Chassagne, P.Desbarats, J.-P. Caumes, and E. Abraham, “Investigation on reconstruction methods applied to 3D terahertz computed tomography,”Opt. Express, vol.19, pp.5106–5117, 2011.
[24]-M. Imamura, S. Nishina, A. Irisawa, T. Yamashita, and E. Kato, “3D imaging and analysis system using terahertz waves,” Proc. IEEE Int.Conf. on IR. MMW. THz. waves., Rome, Italy, 2010.
[25]-H. Quast and T. Loffler, “3D-terahertz-tomographic for material inspection and security,” J. Conf. Infrared Millimeter and Terahertz Waves IRMMW-THz, Sept. 2009.
[26]-H. Quast, A. Keil, T. Hoyer, and T. Loeffler, “All-electronic 3D terahertz imaging for the NDT of composites,” 2nd Int. Symp. NDT. In Aerospace 2010 –We.4.B.3, 2010.
[27]-K.B. Cooper, R.J. Dengler, N. Llombart, T. Bryllent, G.Chattopadhyay, E. Schlecht, J. Gill. C. Lee, A. Skalare, I. Mehdi,and P.H. Siegel, “Penetrating 3-D imaging at 4- and 25-m range using a submillimetr- wave rader,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech.,vol.56, no.12, pp.2771–2778, Dec. 2008.
[28]-D. Huang, E.A. Swanson, C.P. Lin, J.S. Schuman, W.G. Stinson,W. Chang, M.R. Hee, T. Flotte, K. Gregory, C.A. Puliafito, and J.G. Fujimoto, “Optical coherence tomography,” Science, vol.254, pp.1178–1181, 1991.
[29]-T. Isogawa, T. Kumashiro, H.-J. Song, K. Ajito, N. Kukutsu, K.Iwatsuki, and T. Nagatsuma, “Tomographic imaging using photonically genetrated low-choherence terahertz noise sources,” IEEE Trans. THz Sci. Tech., vol.2, no.5, pp.485–492, 2012.
[30]-H.-J. Song, N. Shimizu, N. Kukutsu, T. Nagatsuma, and Y. Kado,“Microwave photonic noise source from microwave to sub-terahertz wave bands and its applications to noise characterizations,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.56, pp.2989–2997, 2008.
[31]-H.-J. Song, N. Shimizu, T. Furuta, A. Wakatsuki, and T. Nagatsuma,“Sub-terahertz noise generation with a photodetector and wavelength sliced optical noise signals and its application to spectroscopy measurement,” Appl. Phys. Lett., vol.93, 241113, 2008.
[32]-T. Nagatsuma, T. Kumashiro, Y. Fujimoto, K. Taniguchi, K. Ajito,N. Kukutsu, T. Furuta, A. Wakatsuki, and Y. Kado, “Millimater wave imaging using photonics-based noise source,” J. Conf. Infrared Millimeter and Terahertz Waves (IRMMW-THz), Sept. 2009.
[33]-A. Barket, W. Hu, B. Wang, W. Shahzad and J. Malik, “Selection criteria of image reconstruction algorithms for terahertz short-range imaging applications,” Expert Systems with Applications, vol. 30 pp. 3071-3080, 2022. https://doi.org/10.1364/OE.457840.
[34] H. Hirschmuller, “Accurate and efficient stereo processing by semi-global matching and mutual information,” 2005 IEEE Computer Society Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR'05), 2005.
[35] M. Roinfar, M. Salmanian, A. Aghakasiri, A.Bashiri and S. Babanejad, “Single-pixel terahertz imaging at 100 GHz frequency in active reflection mode based on mechanical spatial modulator”,Journal Scientific Journal of  Applied Electromagnetics , vol. 12, no.1, pp. 47-57, 2021. (In Persian) https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.26455153.1403.12.1.6.4
[36]M. R. Zakerhaghighi, M. Mivehchy, and M. F. Sabahi, “Implementation and Assessment of Jamming Effectiveness Against an FMCW Tracking Radar Based on a Novel Criterion,” Journal of Rada“, vol. 7, no. 1, pp. 103–116, Dec. 2020. (In Persian) https://dor.isc.ac/dor/20.1001.1.23454024.1398.7.1.9.7
[37] M. Mozaffari, S. Samadi, “Sampling Rate Reduction and System Performance Improvement of FMCW Radar Using Dual Compressed Sensing Technique,” Journal of Rada, vol. 4 , no.3,pp. 39-53, 2016. (In Persian).
[38] M. Roueinfar, A. Aghakasiri, M. Salmanian, A. Bashiri, and S. Babanezhad, “Single-Pixel THz imaging using mechanical SLM and compressive sensing,” Jun. 2023, doi: 10.21203/rs.3.rs-3080349/v1                             
    [39] M. Roueinfar, M. Salmanian, A. Aghakasiri, A. Bashiri, S. Babanezhad," Single Pixel Imaging using Compressive Sensing and Spatial Light Modulator", Journal of Radar and Optical Remote Sensing and GIS,vol:1;no:4,pp:7-16,2021.
رادار
دوره 11، شماره 2
پاییز و زمستان
بهمن 1402
صفحه 101-112

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 24 مرداد 1402
  • تاریخ بازنگری: 28 آبان 1402
  • تاریخ پذیرش: 20 آذر 1402
  • تاریخ انتشار: 01 دی 1402

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار