《Optics and Lasers in Engineering》：Noise imaging based on 90–140?GHz photonic noise source
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单像素成像系统采用90-140 GHz光子噪声源，实验验证其空间非相干照明特性，在亚奈奎斯特采样率下实现高结构相似性（SSIM＞0.6），较传统单频光源提升30% SSIM，并成功检测隐蔽金属刃。
陈嘉宇|孙月辉|陈世德|李普|钟丽云|狄建国|王云彩
广东工业大学信息工程学院先进光子技术研究所，广州，510006，广东，中国
摘要
本文介绍并实验验证了一种由90–140 GHz光子噪声源照明的单像素成像（SPI）系统。该噪声源具有36 dB的额外噪声比（ENR），被证明是SPI的有效空间非相干照明源。在亚奈奎斯特采样率下实现了高保真重建：字母“T”和“H”在40–50%的采样率下获得了结构相似性指数（SSIM）值超过0.7，而更复杂的字母“Z”则需要70%的采样率才能达到0.6的SSIM。一个关键发现是，噪声照明显著优于传统的100 GHz单频相干照明，在相同的采样率下实现了超过30%的SSIM提升。这种提升归因于噪声源固有的随机性有效抑制了相干干涉斑点。此外，我们还展示了该技术在安全检测中的实际潜力，成功成像了一个隐藏的金属刀片。
引言
毫米波（MMW）和太赫兹（THz）成像在云层、雾、烟雾和灰尘等具有挑战性的环境中表现出优越的性能[1]，[2]。由于这些辐射能够穿透衣物和塑料，并且是非电离的[3]，[4]，[5]，[6]，这些成像技术已在安全检测、无损检测和生物医学成像等应用中得到广泛研究和部署。
热成像相机和场效应晶体管（FET）相机是两种主要的在MMW和THz波段工作的商用图像传感器阵列[7]，[8]。由于单点检测系统需要栅格扫描来获取图像数据[11]，[12]，因此缺乏廉价的高功率主动光源继续推动使用单点检测方法和多像素阵列方法之间的竞争[9]，[10]。为了充分发挥成像的潜力，人们正在通过开发先进的计算成像算法来解决漫长的采集时间问题。通过压缩采样（CS）的单像素成像（SPI）[13]利用一系列空间分辨的模式来探测场景，并使用单个探测器测量相关强度。SPI提高了成像效率并具有相当的分辨率，特别适合基于单点检测的成像系统[14]，[15]。因此，已经展示了使用CS方法的SPI在连续波（CW）[16]，[17]和脉冲波成像系统[18]，[19]，[20]中的应用。基于时域光谱学（TDS）的脉冲成像提供了成像对象的超快时间幅度和相位信息，而CW成像则捕获成像对象的单频或频率平均响应。与脉冲成像相比，CW成像在紧凑性、成本和操作便利性方面具有系统优势。
对于CW成像系统，宽带非相干噪声照明可以通过减少干涉条纹来提高图像质量[21]，相比单频THz光源[22]。商用固态噪声源通常用于噪声系数测量和系统性能评估；然而，由于电子元件的限制，它们通常表现出相对较低的额外噪声比（ENR），通常不超过20 dB[23]，[24]。低输出功率（即ENR）使得这些电子噪声源不适合作为成像系统的照明源。近年来，人们投入了大量努力通过光混合多种波长切片非相干光来生成高功率平噪声[25]，[26]。利用光子技术，我们自行开发了三种最大频率达到390 GHz的光子噪声源原型，每种噪声源都能提供接近40 dB ENR的宽带输出[27]，[28]。
在本文中，我们介绍了一种基于光子噪声源的SPI系统，该噪声源工作在F波段（90–140 GHz）。在印刷电路板（PCB）上实现了一个低成本且紧凑的调制掩模，简化了系统设计和制造。基于这种设置，字母“T”和“H”的重建图像在40%到50%的采样率下获得了结构相似性指数（SSIM）值超过0.7，而字母“Z”在70%的采样率下达到了0.6以上的SSIM。我们进一步将噪声照明的成像性能与100 GHz单频信号的成像性能进行了比较，在相同的采样率下观察到SSIM提高了30%。这一结果证明了宽带噪声源的优越成像能力。此外，通过成功识别隐藏在信封内的金属刀片，验证了噪声成像在安全检测中的可行性。实验结果证实噪声照明有效抑制了干扰效应，所提出的系统在成像性能和成本效益方面都具有优势。
章节摘录
理论解释
噪声成像系统基于光子噪声源和SPI方法。本章讨论了光子噪声源的原理和SPI的理论。
空间光调制器
在我们的SPI系统中，使用的掩模由PCB制成，作为空间光调制器（SLM），其铜层上印刷了随机矩阵来表示调制信息。入射光束被掩模的铜区域阻挡，仅通过非铜区域，从而实现二进制（0/1）的空间调制。PCB的非极性基底和铜层使掩模能够实现高调制深度。
在SPI中，掩模必须反复切换。
结论
基于F波段光子噪声源的SPI系统展示了有效的成像能力。该系统在成像印在PCB上的字母数字字符以及检测信封内隐藏的金属刀片等应用中实现了令人满意的图像质量。在90–140 GHz噪声信号和100 GHz单频信号之间进行的比较实验表明，基于噪声的成像的SSIM比单频成像高出30%，表明基于噪声的成像方法具有优势。
CRediT作者贡献声明
陈嘉宇：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据分析。孙月辉：撰写——审阅与编辑、撰写——原始草稿、方法论、形式分析。陈世德：方法论、形式分析。李普：监督、资源获取、资金筹集。钟丽云：监督、资源、方法论。狄建国：监督、资源、方法论。王云彩：监督、资源、项目管理、资金筹集、形式分析。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
这项工作部分得到了中国国家重点研发计划（2024YFB2808400）和国家自然科学基金（项目编号62531005）的支持。
