在幾乎所有波長(zhǎng)下，工程師們都可以利用電磁天線來(lái)探測(cè)并記錄這些波，并用無(wú)線電、微波、紅外、可見(jiàn)光和X射線等頻率創(chuàng)建世界的美妙圖像。

但在頻譜中有一個(gè)“盲點(diǎn)”。波長(zhǎng)在1到0.3毫米之間太赫茲頻率的探測(cè)技術(shù)，仍處于起步階段。能夠探測(cè)這種輻射的設(shè)備往往體積較大且昂貴，并且得到的圖像質(zhì)量較差。因此，這個(gè)“盲點(diǎn)”被工程師們稱之為“太赫茲空隙”。

為了獲得進(jìn)入宇宙的新窗口，迫切需要一種更好的方法來(lái)捕獲這些波段。

德國(guó)明斯特大學(xué)（University of Munster）的Martin Burger及其團(tuán)隊(duì)介紹了一種革命性的新成像技術(shù)——壓縮傳感（compressed sensing），更容易捕捉太赫茲空隙電磁頻譜。將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于太赫茲波段，或有可能改變我們探究世界和宇宙的方式。

太赫茲波可以穿過(guò)衣物但不會(huì)穿過(guò)皮膚或金屬。如果你的眼睛能夠看到太赫茲波，那人們?cè)谀阊劾锒紝⒉豢擅枋?。你還能夠看到人們身上攜帶的鑰匙或硬幣，或許還有刀和槍。因此，太赫茲成像具有重要的安防應(yīng)用價(jià)值，更不用說(shuō)隱私問(wèn)題了。

太赫茲頻率難以探測(cè)，因?yàn)樗鼈兾挥谖⒉ê图t外光之間，而這些輻射的探測(cè)方法之間存在著很大的差異。

和無(wú)線電波一樣，微波也是通過(guò)以所需的頻率來(lái)回加速電荷而產(chǎn)生的，在這種情況下，頻率可達(dá)約300千兆赫。微波的探測(cè)可以反過(guò)來(lái)利用相同的過(guò)程。

相比之下，紅外波和可見(jiàn)光類似，是通過(guò)使合適材料中的電子在兩個(gè)電子層級(jí)之間躍遷而產(chǎn)生的。當(dāng)產(chǎn)生躍遷所需的能量等于紅外光子的能量時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生紅外光。同樣的反向過(guò)程也可以探測(cè)紅外光子。

產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波比較困難，因?yàn)樗鼈兾挥谖⒉ê图t外之間，這兩種技術(shù)都不能很好地應(yīng)用于太赫茲波段。在太赫茲頻率加速電荷很難。此外，具有所需帶隙以產(chǎn)生太赫茲光子的材料很難找，而那些合格的材料通常必須低溫冷卻。這就是為什么太赫茲探測(cè)器往往體積龐大、昂貴且操作困難的原因。

不過(guò)，Burger及其同事表示，壓縮傳感或能幫助解決這些問(wèn)題。近年來(lái)，這種技術(shù)已經(jīng)風(fēng)靡成像領(lǐng)域，因?yàn)樗軌蛞詥蜗袼赜涗浉叻直媛蕡D像，即使對(duì)于3D成像也是如此。

太赫茲單像素成像中成像平面設(shè)置示意圖

利用截?cái)嗾穹鳎═runcated Amplitude Flow）和Levenberg-Marquardt方法重建π圖像

該技術(shù)通過(guò)隨機(jī)化場(chǎng)景的反射光，然后利用單像素記錄來(lái)工作。這種隨機(jī)化可以以各種方式完成，但是通常的方案是將光通過(guò)一種被稱為空間光調(diào)制器的數(shù)字陣列，顯示透明和不透明像素的隨機(jī)圖案。然后重復(fù)隨機(jī)化過(guò)程并再次記錄光場(chǎng)，多次重復(fù)整個(gè)過(guò)程以產(chǎn)生許多數(shù)據(jù)點(diǎn)。

起初很難看出這是如何產(chǎn)生圖像的，畢竟，光場(chǎng)是隨機(jī)的。但數(shù)據(jù)點(diǎn)并非完全隨機(jī)。實(shí)際上，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都與所有其他數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)樗鼈兌紒?lái)自同一個(gè)原始場(chǎng)景。因此，通過(guò)找到這種相關(guān)性，就可以重新創(chuàng)建原始圖像。

事實(shí)證明，計(jì)算機(jī)科學(xué)家有各種算法可以進(jìn)行這種數(shù)字運(yùn)算。其結(jié)果是具有一定分辨率的圖像，分辨率取決于像素記錄的數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。數(shù)據(jù)越多，分辨率越高。

這可以直接應(yīng)用于太赫茲成像。到目前為止，創(chuàng)建2D圖像的唯一方法是使用太赫茲探測(cè)器陣列或來(lái)回掃描單個(gè)探測(cè)器以繪制光場(chǎng)。由于太赫茲探測(cè)器的尺寸較大，這兩種技術(shù)都不夠令人滿意。

但壓縮傳感提供了另一種選擇：使用單個(gè)太赫茲探測(cè)器通過(guò)隨機(jī)化太赫茲光的空間光調(diào)制器記錄多個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。這對(duì)于可見(jiàn)光和紅外光很有效，許多團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成功地利用了這項(xiàng)技術(shù)。

不過(guò)，太赫茲波段帶來(lái)了一些額外的復(fù)雜問(wèn)題。例如，因?yàn)樘掌澆ū裙獠ù髢傻饺齻€(gè)數(shù)量級(jí)，所以它們更容易發(fā)生衍射。這種效應(yīng)及其它問(wèn)題引入的畸變，使圖像重建更加困難。Burger及其同事正致力于解決這種圖像重建的挑戰(zhàn)。

他們的研究成果令人印象深刻。該團(tuán)隊(duì)展示了顯著提高最終圖像質(zhì)量的各種技術(shù)。“基于單像素成像的壓縮傳感，具有減少太赫茲成像測(cè)量時(shí)間和工作量的巨大潛力，”他們說(shuō)。

但是，未來(lái)還有挑戰(zhàn)。問(wèn)題之一是處理一個(gè)以上太赫茲頻率構(gòu)成的圖像。這種分析特別重要，因?yàn)樗峁┝岁P(guān)于圖像中物質(zhì)化學(xué)組成的光譜信息，例如，結(jié)晶粉末到底是面粉還是某種毒品。

但這需要不同類型的成像掩模（mask）。因此，挑戰(zhàn)之一在于找到使用最少量掩模創(chuàng)建高光譜圖像的最佳方法。

盡管如此，Burger及其團(tuán)隊(duì)樂(lè)觀地認(rèn)為壓縮傳感有望快速發(fā)展并最終填補(bǔ)“太赫茲空隙”。