تصویربرداری تک پیکسلی تراهرتز در فرکانس 100GHz در حالت بازتابی فعال مبتنی بر مدولاتور مکانی مکانیکی

روئین فر, محمد; سلمانیان, مهدی; آقاکثیری, علی; بشیری, عباس; بابانژاد, سعید

تصویربرداری تک پیکسلی تراهرتز در فرکانس 100GHz در حالت بازتابی فعال مبتنی بر مدولاتور مکانی مکانیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ پژوهشگر، دانشگاه جامع امام حسین(ع)،تهران،ایران

² کارشناسی ارشد، دانشگاه جامع امام حسین، تهران، ایران

³ دانشجوی دکتری، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

⁴ کارشناسی ارشد، دانشگاه جامع امام حسین ، تهران، ایران

⁵ کارشناسی ارشد،دانشگاه جامع امام حسین(ع)،ایران، ایران

چکیده

در این مقاله، یک روش تصویربرداری تک پیکسلی تراهرتز در فرکانس 100GHz در حالت بازتابی و در فاصله 4 متری از هدف ارائه شده است. منبع تولید سیگنال تراهرتز از نوع دیود Impatt بوده که به صورت پالسی، سیگنال تراهرتز را در فرکانس 100GHz تولید می‌کند. یکی از مهمترین موانع در مسیر پیشرفت فناوری تراهرتز، دسترسی آسان به منابع تابش و به ویژه آشکارسازهای حساس به امواج تراهرتز است که به دلیل همین محدودیت، استفاده از آشکارسازهای تک پیکسل تراهرتز مورد توجه قرار گرفته است. در روش تصویربرداری پیشنهادی، سیگنال تراهرتز با یک پالس مدوله کننده، تولید شده و از طریق یک لنز، به هدف تابانده می‌شود. سیگنال برگشتی از هدف، توسط یک بازتابنده سهموی کسگرین متمرکز شده و سیگنال متمرکز، از یک مدولاتور مکانی نوری عبور کرده و نهایتا وارد یک آشکارساز تک پیکسل می‌شود. مدولاتور مکانی نور یا SLM که یک ماسک مکانیکی است، با حرکت خطی خود سبب عبور پرتو تراهرتز از ماسک های مختلف شده و بنابراین به ازای هر ماسک، مقدار ولتاژ آشکارشده متفاوتی در خروجی آشکارساز تک پیکسل خواهیم داشت. با استفاده از الگوریتم سنجش فشرده، مقادیر ولتاژ خروجی آشکارساز به ازای هر ماسک و همینطور پروفایل ماسک های مختلف عبوری در مسیر پرتو تراهرتز، تصویر هدف بازیابی می‌شود. نتایج شبیه سازی و مقایسه نتایج تصاویر بازیابی شده از هدف با تصویر واقعی، نشان دهنده موفقیت این روش تصویربرداری در حالت بازتابی است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Single-pixel terahertz imaging at 100 GHz frequency in active reflection mode based on mechanical spatial modulator

نویسندگان [English]

Mohammad Roueinfar ¹
mahdi salmanian ²
Ali Aqakasiri ³
Abbas Bashiri ⁴
Saeed Babnezhad ⁵

¹ Researcher, Imam Hossein University, Tehran, Iran

² Master's degree, Imam Hossein University, Tehran, Iran

³ PhD student, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

⁴ Master's degree, Imam Hossein University, Tehran, Iran

⁵ Master's degree, Imam Hossein University, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this paper, a terahertz single pixel imaging method at 100 GHz frequency in reflective mode and at a distance of 4 meters from the target is presented. The source of terahertz signal generation is an impot diode that modulated the terahertz signal at a frequency of 100 GHz by a pulsed waveform. One of the important obstacles in the development of terahertz technology is easy access to radiation sources and especially detectors sensitive to terahertz waves. In the proposed imaging method, the terahertz signal is generated with a modulating pulse and radiated to the target through a lens. The return signal from the target is focused by a parabolic Cassegrain reflector, and the focused signal passes through an optical spatial modulator and finally enters a single pixel detector. The spatial light modulator or SLM, which is a mechanical mask, causes the terahertz beam to pass through different masks with its linear movement. Therefore, for each mask, we will have a different detected voltage value at the output of the single pixel detector. By using the compressive sensing algorithm, the output voltage values of the detector for each mask as well as the profile of different masks passing through the path of the terahertz beam, the target image is recovered. The simulation results and comparing the results of the images recovered from the target with the real image show the success of this imaging method in reflective mode.

کلیدواژه‌ها [English]

Terahertz imaging
reflective mode
single-pixel detector
compressive sensing
spatial modulator
mask

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.

[8] Y. Zhao, L. Zhang, G. Duan, X. Liu, and C. Zhang, “Single-pixel terahertz imaging via compressed sensing,”, Proc. SPIE 8195, International Symposium on Photoelectronic Detection and Imaging, 2011.

[9] M.F. Duarte, M.A. Davenport, D. Takhar, J. Laska, T. Sun, K.F. Kelly, and R. G. Baraniuk, “Single-pixel imaging via compressive sampling,”, IEEE Sig. Proc. Mag., vol. 25, pp. 83-91, March 2008.

[10] J. Kappa, D. Sokoluk, S. Klingel, et al., “Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct S

Spatial Light Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz,”, Nature, Sci Rep 9, 2597,2019.

[11] M. Sun and J. Zhang, “Single-Pixel Imaging and Its Application in Three-Dimensional Reconstruction: A Brief Review”, Sensor Journal,2019.

[12] B. Lee,“Introduction to ± 12 Degree Orthogonal Digital Micro mirror Devices (DMDs)Mirror (Pixel),” 2018.

[13] Z. Zhang, X. Wang, G. Zheng, and J. Zhong, “Fast Fourier single-pixel imaging via binary illumination,” Springer US, 2017.

[14] Z. Zhang, X. Ma, and J. Zhong, “Single-pixel imaging by means of Fourier spectrum acquisition,” Nature Publishing Group, 2015.

[15] S. An, N. Saqueb, and K. Sertel, “Compressive Terahertz Imaging using a Single-bit,” IEEE, 2018.

[16] H. Shen, “Compressed Sensing on Terahertz Imaging,” 2012.

[17] T. A. O. Matsu and K. A. M. Iyamoto, “Broadband high-resolution terahertz single-pixel imaging.”

[18] T. Vasile, V. Damian, D. Coltuc, and M. Petrovici, “Optics & Laser Technology Single pixel sensing for THz laser beam pro fi ler based on Hadamard Transform,” Elsevier, 2016.

[19] Y. Ma, J. Grant, S. Saha, and D. R. S. Cumming,“Terahertz single pixel imaging based on a Nipkow disk,” 2012.

[20] E. S. Ermeydan, “Enhancing the image resolution in a single-pixel sub-THz imaging system based on compressed sensing,” 2020.

[21] Y. He et al. “High-resolution sub-sampling incoherent x-ray imaging with a single-pixel detector,” AIP Publishing, LLC, 2020.

[22] Y. Hayasaki and R. Sato,“Single ‑ pixel camera with hole ‑ array disk,” Springer Japan, 2020.

[23] C. M. Watts et al. “Terahertz compressive imaging with metamaterial spatial light modulators,” Nature Publishing Group, 2014.

[24] W. Lee, H. Jung, H. Jo, M. S. Kang, and H. Lee, “Terahertz Single-Pixel Imaging System with Electrically Tunable Metamaterial Spatial Light Modulator,”2019–2020.

[25] S. Rout,“Active Metamaterials for Terahertz Communication and Imaging Active Metamaterials for Terahertz Communication and Imaging A dissertation submitted by Saroj Rout in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in c 2016, Saroj Rout Advisor ‌: Professor Sameer Sonkusale,” 2016.

[26]"How to read an usaf 1951 target",https://www.optowiki.info/faq/how-to-read-an-usaf 1951 target/

[27] https://candes.su.domains/software/nesta/.

[28] J. Shiri, A. Malekzadeh, “EIT-Based Graphene Nanostructure Detectors for Detecting Materials Using Terahertz Waves,” Journal of Applied Electromagnetics, vol. 6, no. 1, 2018(In Persian)

[29] J. A. Lima, F. B. da Silva, R. von Borries, C. J. Miosso, and M. C. Q. Farias, “Isotropic and anisotropic filtering norm-minimization: A generalization of the TV and TGV minimizations using NESTA,” Signal Processing: Image Communication, vol. 85, p. 115856, Jul. 2020.

[30] E. J. Candes, J. Romberg, and T. Tao, "Robust uncertainty principles: Exact signal reconstruction from highly incomplete frequency information.", IEEE Trans. Inf. Theory, vol.52, no.2, pp. 489–509, 2006.

[31] R. Baraniuk, M. Davenport, R. DeVore, and M. Wakin, "A Simple Proof of the Restricted Isometry Property for Random Matrices.", Constructive Approximation, vol. 28, pp. 253–263, 2008.

[32] Zh. Zhang, Y. Xu, J. Yang, X. Li, and D. Zhang, "A survey of sparse representation: Algorithms and applications.", IEEE Access, vol. 3, no. 1, pp. 490-530, 2015.

[33] “Compressed Sensing on Terahertz Imaging, pp. 115–135, Oct. 2017.

[34] A. Vallés, J. He, S. Ohno, T. Omatsu, and K. Miyamoto, “Broadband high-resolution terahertz single-pixel imaging,” Optics Express, vol. 28, no. 20, p. 28868, Sep. 2020.

[35] “Terahertz Imaging with Compressed Sensing,” Optical Compressive Imaging, pp. 115–135, Oct. 2012.

[36] T. Vasile, V. Damian, D. Coltuc, and M. Petrovici, “Single pixel sensing for THz laser beam profiler based on Hadamard Transform,” Optics & Laser Technology, vol. 79, pp. 173–178, May 2016.

[37] Y. Ma, J. Grant, S. Saha, and D. R. S. Cumming, “Terahertz single pixel imaging based on a Nipkow disk,” Optics Letters, vol. 37, no. 9, p. 1484, Apr. 2012.

[38] U. Alkus, E. S. Ermeydan, A. B. Sahin, I. Cankaya, and H. Altan, “Enhancing the image resolution in a single-pixel sub-THz imaging system based on compressed sensing,” Optical Engineering, vol. 57, no. 04, p. 1, Apr. 2018.