航空复合材料太赫兹光谱成像探测数据融合处理方法研究

    张萌

    

    

    

    摘 要：对于航空复合材料使用太赫兹光谱探测成像的研究中，对于采用探测数据直接成像处理得到的灰度图像信噪比低，分辨率差，无法直接使用，需要通过数据融合处理算法增强THz图像的视觉可观性，以提高界面检测的精度。目前主要的方法是将太赫兹直接检测的图像通过相移技术、平滑算法、解包裹技术最终得到精确连续的相位图像信息，但相位技术、平滑算法、解包裹技术的算法种类繁多需要根据实际情况进行选择搭配。文中通过对于多种平滑算法的研究总结出了每种算法的特性与适合的情况，对于航空复合材料成像探测应该采用的平滑算法进行了说明和分析，同时对于解包裹技术的算法进行了解释并对于条纹估计的相位图分割的局部解包裹算法进行分析，得出对于航空复合材料成像探测应采用该方法进行解包裹运算。最终给出了对于航空复合材料太赫兹光谱成像数据融合处理的最佳搭配方法。

    关键词：复合材料;太赫兹探测;光谱成像;数据融合处理

    中图分类号：TP391.41;O441

    1 绪论

    电磁波谱中微波和红外之间的部分称为太赫兹（Terahertz，THz）波或太赫兹辐射，其频率为0.1～10THz[1]。太赫兹波段一端落入远红外（far in-frared）波段，另一端落入亚毫米波段，是光子技术与电子技术、宏观状态与微观状态之间的过渡区域[2]，表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性能。由于太赫兹能量低、强穿透等特性使得更适于复合材料的探伤和缺陷分析。太赫兹光谱图像的成像像素点中包含物质的主要几何信息，还包括物质对太赫兹脉冲响应的时间信息。其通过对各个像素点的光谱信息进行分析计算，可得到像素点上的光学参数，这些光学参数为隐藏物体检测提供了必要的信息[3]。但太赫兹直接成像的信噪比低，分辨率差，需要通过数据融合处理算法增强THz图像的视觉可观性，以提高界面检测的精度。

    2 相移技术

    为了能直接在复合航空材料表面直接梯度信息并提高检测灵敏度，在太赫兹光谱成像系统的算法中需要融入相移技术。在相移成像中，使用不同的能直接测量相位值的各种技术称之为相移技术，从相移技术应用的时空域上分析，相移技术分为时间相移技术以及空间相移和空间载波相移技术。对于时间相移技术而言其成本较低并且在静态测量情况下表现出优异的效果使得时间相移技术成为了使用较多的相移技術之一。被测物体变形前后对光路影响如图1所示。

    通过对物体表面变形前后的相位图像进行求差可获得直接表征被测物体表面形变位移的包含梯度信息的相位图像，如图3所示。通过时间相移技术的应用，可直接将物体表面位移变化引起的相位变化信息测量出，以此来直接表征出物体表面缺陷变化引起的梯度信息P2的变化。

    3 图像平滑算法

    在太赫兹光谱成像缺陷检测系统中获取的光谱成像图样和相位图都是噪声载波的图像。这些图像中会有很多的噪声信息，这些噪声主要影响相移算法对相位进行提取的计算结果和对物体表面缺陷的识别。所以快速、有效的控制太赫兹光谱成像检测系统中的噪声干扰是本领域研究的重要内容。

    在太赫兹光谱成像图像的噪声特性研究方面，最常用的滤波算法有中值滤波器、均值滤波器、以及正余弦滤波器。在这些滤波算法中均值滤波是最常使用的滤波算法，其主要原理是通过计算均值的方法来消除随机误差对图像的影响。图像窗口的大小对于均值滤波是十分重要的，在滤波运算后的各个像素值会采用图像范围中所有图像像素的加权平均灰度值来进行计算。均值滤波计算中像素的均值灰度V-的值表示为：

    其中n×n是均值滤波的窗口大小，K（i，j）是加权系数，是所有是窗口中加权系数矩阵的总和，g（i，j）是均值滤波窗口中每个像素的灰度值[4]。

    均值滤波根据其运算原理，它能够消除随机误差以及频率较低的噪声在这两方面的处理上效果显著，但均值滤波在处理过程中也会使得图像的外轮廓的信息变得不够清晰，这种不利的影响会依据滤波算法中运算范围大小的选择而变化，一般情况下，滤波范围越大现象越明显。

    中值滤波是典型的非线性滤波，又称“椒盐滤波”，其原理是通过对滤波窗口中像素值的中间值计算出剪切散斑干涉图像中的像素值。对于高频噪声的干扰，中值滤波器的滤波效果较好，而中值滤波不能对随机噪声和低频噪声起到抑制和消除作用。

    正余弦滤波器是一种专门解决相位图中有跳变情况的滤波要求而设计的。正余弦滤波器顾名思义以相位图像的正余弦值为滤波对象，其根本作用是使得图像相位值的跳变点能够连续，然后再通过低通滤波进行处理，最后还要再进行反正切滤波处理。经过反复研究和实际应用，效果较好的算法名称及其优缺点如表1所示。

    通过对上述常用的平滑算法分析，太赫兹光谱成像通过这些算法均有一定较好的噪声和干扰抑制作用。表中的大部分滤波算法在抑制干扰与噪声的基础上还起到对边缘信息的保护。

    问题1：目前的平滑算法能够对于太赫兹成像图像有较明显的抑制干扰和噪声的作用，但是有时会使得相位的跳变信息丢失或隐藏，进而在后期进行解包裹处理时导致原始相位值丢失或者无法恢复。

    问题2：对于平滑处理算法来说，滤波方法中的具体参数的选择需要大量的实践和研究，不然很难进行选择和确定，也无法稳定的保证算法的鲁棒性。

    因此，在相位图像被提取后，仍会存在各种噪声干扰信号，想得到有价值的太赫兹光谱成像的相位图像，采用滤波算法进行噪声信号的过滤和去除是必不可少的流程。加窗傅里叶变换滤波算法是通过选择一个适合的阈值，阈值的选择是根据相位图像的频谱系数来进行合理选择的，确定后的阀值要与若频谱系数的绝对值进行比较，分成两种情况确定阈值，若阈值大于若频谱系数则保留当前阈值，若阈值小于若频谱系数则将阈值设置为零。这种固定阈值的加窗傅里叶滤波算法有较好的去噪效果，因为这种算法对于频谱系数较小的分量部分进行了消除。但是由于确定阈值函数的不连续性，常常使得计算结果出现突变情况，使得频谱系数小，但不应消除的分支意外丢失，而把不应留下的噪声干扰严重的信号保留。为了克服这种情况，提高滤波算法的计算效果，经过验证，解决丢失频谱系数小的相位信号问题就必须采用改进阈值的傅里叶变换平滑算法。

    4 解包裹技术

    通过提取太赫兹光谱成像图像，并经过滤波算法进行去噪之后，最后一个步骤是就进行相位去包裹。由于所有相移算法最后是通过反正切的原理求解相位分布值，所以无论通过什么相移算法提取相位分布，所求的相位分布值都包含在-π～π之间，为了求解原始相位值信息，必须对包裹在-π～π的相位图像进行解包裹处理。相位解包裹的过程就是解决相位值不连续的问题，在包裹的相位图像中添加合适的2π的整数N（x，y）倍之后，相位图像由包裹在-π～π之间不连续的相位值，变成连续相位值。解包裹之后的相对相位Δ分布可以表示为：

    255[4]。由（2）式可知，通过正确的方法找到每个相位点的n（x，y）值使得最后的相位值Δ能获得连续的相位，这是相位解包裹算法中核心的问题。

    对于解决解包裹运算的核心问题，分支切割法是很有成效的相位解包裹算法之一，该算法能有效的处理相位图像中条纹发生断裂处的相位残留相位值并可以避免分支切割產生未去包裹的相位分支图。另一种高效的解包裹运算方法是通过相位图进行划分，将其划分为较小的区间再进行解包裹运算。但是对于相位解包裹而言，这种运行属于定向计算，当太赫兹成像图像的相位条纹中其图像的内外边缘处出现不连续的点时，不连续的断点对相邻像素点的相位值都有严重的影响。航空设备在组装调试过程中其表面有可能出现脱粘、断点这些问题，为了避免这种现象，应采用基于条纹估计的相位图分割的局部解包裹算法。

    5 结论

    为了提高对太赫兹光谱成像条纹图像中噪声的抑制，弥补大多数平滑算法本身的不足之处，需要在图像的相移计算算法中融入有效的平滑算法，在平滑算法中要提高算法的抗噪声特性而且要使得图像边缘信息清晰化，在解包裹运算中也必须融入有效的滤波算法，以防止新的噪声干扰的引入，最终应采用基于自适应滤波的四步算法，首先相移相位提取算法、其次采用自动调整平滑次数的改进阈值傅里叶滤波平滑算法和基于条纹估计和相位图分割的局部解包裹算法进行航空复合材料成像探测数据的融合处理。

    参考文献：

    [1]王忆锋，毛京湘.太赫兹技术的发展现状及应用前景分析[J].光电技术应用，2008（01）：1-4+41.

    [2]孙博，姚建铨.基于光学方法的太赫兹辐射源[J].中国激光，2006，33（10）：1349-1359.

    [3]周志龙.基于太赫兹时域光谱的检测技术研究[D].中国计量大学，2016.

    [4]段宝妹.于激光剪切散斑干涉的雷达吸波涂层缺陷检测技术研究[D].电子科技大学，2018.