太赫茲成像技術在爆炸物檢測中的應用

郭俊虎

（上海警衛局，上海200030）

太赫茲成像技術在爆炸物檢測中的應用

郭俊虎

（上海警衛局，上海200030）

太赫茲波是一種電磁波，我們通常所說的太赫茲波的頻率一般在0.1到10T赫茲之間。太赫茲波兼有微波和紅外線的特點，在測量領域具有很廣泛的應用。本論文簡要介紹了太赫茲波的特性以及測量原理，同時指出其在爆炸物檢測中的應用。

太赫茲波；成像；爆炸物

1 太赫茲波概述

1.1 太赫茲波特性

太赫茲波是一種電磁波，我們通常所說的太赫茲波的頻率一般在0.1到10T赫茲之間。微波以及紅外線各有各的特點，而由于太赫茲波的波段正好是在兩者之間，這就使得太赫茲波正好具備了兩者的優點，實現了微波和紅外線的功能上的完美結合。第一：太赫茲波的穿透性非常好，對于塑料以及一些陶瓷物質，太赫茲波能夠很容易地穿透，從而能夠探測出許多物質的結構組成。第二：產生的太赫茲的信號波具有很好的時間分辨率，但是這并不影響太赫茲波的空間分辨率，可以說它在兩者之間有著一個很好的平衡。第三：也是非常重要的一點，就是太赫茲波具有能量非常低的光子，這些光子的能量往往只有meV數量級，因此并不會發生電離效應。

1.2 太赫茲光譜的成像原理

我們利用太赫茲波測試得到的圖像，具有相當豐富的信息，這是由太赫茲的特性，是其他成像技術所不能比擬的。每個像源都和太赫茲時域光譜一一對應。

太赫茲系統由于源的不同，大體上可以分為兩種類型：脈沖波型以及連續波型。脈沖型具有很寬的頻譜，也容易在實驗中使用脈沖型的系統。因此它的應用非常廣泛，在脈沖型技術中，太赫茲時域光譜技術發展的比較早，同時發展也相對成熟。連續波與脈沖波不同，它所使用的是固定頻率的波，相對于脈沖型來說要有更大的太赫茲波的能量。因此這種類型并不是十分容易實現。兩者的檢測原理基本類似。

太赫茲的成像技術有許多種分類，依據太赫茲源的不同可以將其分為兩種：連續成像和脈沖成像。第一種成像方法輻射的功率很高，同時實驗儀器的構造并不復雜，成像的速度也比較快。第二種方法與第一種方法正好相反，數據的處理比較復雜，同時成像也比較慢，但是能夠從圖像中獲得大量的信息。我們實驗中采用的是太赫茲的連續成像技術。

太赫茲系統還有一種分類方式，就是依據對于樣品的檢測方式的不同。依據探測方式，可以將太赫茲系統分成反射式和透射式兩種類型。反射式和透射式系統的工作原理大體一樣。實驗最終采集到的數據會傳到計算機上處理和顯示處理，基本上可以有頻域和時域兩個方式。數據也就相對應的在頻域以及時域兩個方面成像。反射式檢測相對耗時少，操作方便，同時由于太赫茲光譜在1THz以上，可以實現更高分辨率的成像，因此在爆炸物檢測中更具有潛力［1］。

2 在爆炸物檢測的實驗裝置和原理

本實驗所使用的實驗裝置是太赫茲透射型時域光譜系統實驗裝置［2］。THz波電場使通過電光探測晶體的探測脈沖的偏振態發生改變，從而反映出THz電場的大小及變化。裝置所處的實驗室環境為21℃，濕度為40%。

將得到的太赫茲波時域信號通過快速傅里葉變換，就能夠取得相對應的頻域，其透射數據為：

樣品的復折射率

其中虛部K是樣品的消光系數，實部n是折射率（實際）。同時假設弱吸收是非常近似的（K遠遠小于n），則［3］其中：

①樣品與參考信號的位相差

②樣品與參考信號的振幅比

③光速

④角頻率

⑤樣品的厚度

3 在爆炸物檢測中的實驗步驟

①在實驗中一定要確保實驗的各個電子元器件的連接，然后啟動各個裝置。將斬波器的頻率設置是2.7kHz。本實驗的檢測，其上位機是由Labview軟件編寫的。Labview是美國的一款虛擬儀器軟件，對于圖像處理和數據分析十分方便。我們要將Labview上位機上的參數調整好［4］。

②運行儀器一段時間，使得激光器達到穩定工作，然后檢測激光器中發射出的光線是不是發生了漂移。如果發生了漂移，就調節兩個平面鏡使光束變得準直。在實驗的過程中我們要注意到第二組光闌是在太赫茲發射器前面的，其光束不需要準直。最需要的傳播方向是使太赫茲的峰值能夠達到最大。

③向容器中沖入氮氣，以使其達到動態平衡。

④調節四分之一波片，這樣光點探測器輸出的直流電流就會發生變化，將其直流電流調節到最小值（由于實驗裝置的原因，可能調節不到0）。

⑤將光電探測器輸出探頭接入鎖相放大器輸入端進行探測，掃描參考信號［5］。

⑥這時重復③到⑤的步驟，在掃描兩個樣品之后，最好要調節儀器達到平衡，同時要重新沖入氮氣。

⑦關掉所有的設備。

4 實驗結果分析

本論文的主要的實驗的目的就是確定爆炸物樣品中對太赫茲波的峰位的吸收位置。我們可以預見對于不同的樣品，吸收的太赫茲波的尖峰也就不一樣，因此對應著不同的頻率。我們根據此就能夠用光譜來識別樣品的組成［6］。

下面對幾種典型的爆炸物作介紹：分別是RDX，DNT，TNT。

RDX的樣品厚度為0.86mm，其在太赫茲的光譜如圖1所示。

圖1 RDX的太赫茲光譜

DNT的樣品厚度為0.60mm，其在太赫茲的光譜如圖2所示。

圖2 DNT的太赫茲光譜

TNT的樣品厚度為0.90mm，其在太赫茲的光譜如圖3所示。

圖3 TNT的太赫茲光譜

5 總結

本論文首先介紹了關于太赫茲波特性［7］、太赫茲光譜的成像原理以及太赫茲波在爆炸物檢測的實驗裝置和原理，最后通過實驗測定了三種爆炸物樣品對于太赫茲波段的吸收譜與色散之間的關系。我們可以看到，太赫茲技術是一種新興的技術，雖然發展還不是很成熟，但是具有很多優點，對于太赫茲技術的研究是很有必要的［8］。

［1］邱志剛，姚建銓，賈春榮等.太赫茲成像技術在無損檢測中的實驗研究［J］.激光與紅外，2 0 1 1，4 1（10）：1163-1166.

［2］許欣，吳勛，孟憲君等.太赫茲技術在爆炸物檢測中的應用［J］.光學技術，2008，34（12）：265-269.

［3］何明霞，陳濤，楊吉龍等.太赫茲成像技術在腫瘤診斷方面的應用［J］.腫瘤，2012，32（12）：1039-1042.

［4］丁永梅，周彩存，趙印敏等.cRGD-氧化鐵納米粒的構建及應用于核磁共振成像診斷中的動物研究［J］.腫瘤，2 0 1 0，30（4）：277-282.

［5］楊昆，趙國忠，梁程森等.脈沖太赫茲波成像與連續波太赫茲成像特性的比較［J］.中國激光，2009，36（11）：2853-2858.

［6］何明霞，陳濤，楊吉龍等.太赫茲成像技術在腫瘤診斷方面的應用［J］.腫瘤，2012，32（12）：1039-1042.

［7］汪一帆，尉萬聰，周鳳娟等.太赫茲（THz）光譜在生物大分子研究中的應用［J］.生物化學與生物物理進展，2 0 1 0，3 7（5）：484-489.

［8］李明慧，柳莉莎.超聲彈性成像評分標準對乳腺良惡性腫塊的診斷價值［J］.腫瘤，2011，31（5）：453-456.

O441.5;TQ560.7

B

10.3969/j.issn.1001-0270.2014.03.21

2014-02-24