太赫茲成像技術(shù)在爆炸物檢測中的應(yīng)用

郭俊虎

（上海警衛(wèi)局，上海200030）

太赫茲成像技術(shù)在爆炸物檢測中的應(yīng)用

郭俊虎

（上海警衛(wèi)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(diǎn)，在測量領(lǐng)域具有很廣泛的應(yīng)用。本論文簡要介紹了太赫茲波的特性以及測量原理，同時(shí)指出其在爆炸物檢測中的應(yīng)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(diǎn)，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(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了微波和紅外線的功能上的完美結(jié)合。第一：太赫茲波的穿透性非常好，對(duì)于塑料以及一些陶瓷物質(zhì)，太赫茲波能夠很容易地穿透，從而能夠探測出許多物質(zhì)的結(jié)構(gòu)組成。第二：產(chǎn)生的太赫茲的信號(hào)波具有很好的時(shí)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(gè)很好的平衡。第三：也是非常重要的一點(diǎn)，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(shù)量級(jí)，因此并不會(huì)發(fā)生電離效應(yīng)。

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(dāng)豐富的信息，這是由太赫茲的特性，是其他成像技術(shù)所不能比擬的。每個(gè)像源都和太赫茲時(shí)域光譜一一對(duì)應(yīng)。

太赫茲系統(tǒng)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(xù)波型。脈沖型具有很寬的頻譜，也容易在實(shí)驗(yàn)中使用脈沖型的系統(tǒng)。因此它的應(yīng)用非常廣泛，在脈沖型技術(shù)中，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)發(fā)展的比較早，同時(shí)發(fā)展也相對(duì)成熟。連續(xù)波與脈沖波不同，它所使用的是固定頻率的波，相對(duì)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(shí)現(xiàn)。兩者的檢測原理基本類似。

太赫茲的成像技術(shù)有許多種分類，依據(jù)太赫茲源的不同可以將其分為兩種：連續(xù)成像和脈沖成像。第一種成像方法輻射的功率很高，同時(shí)實(shí)驗(yàn)儀器的構(gòu)造并不復(fù)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(shù)據(jù)的處理比較復(fù)雜，同時(shí)成像也比較慢，但是能夠從圖像中獲得大量的信息。我們實(shí)驗(yàn)中采用的是太赫茲的連續(xù)成像技術(shù)。

太赫茲系統(tǒng)還有一種分類方式，就是依據(jù)對(duì)于樣品的檢測方式的不同。依據(jù)探測方式，可以將太赫茲系統(tǒng)分成反射式和透射式兩種類型。反射式和透射式系統(tǒng)的工作原理大體一樣。實(shí)驗(yàn)最終采集到的數(shù)據(jù)會(huì)傳到計(jì)算機(jī)上處理和顯示處理，基本上可以有頻域和時(shí)域兩個(gè)方式。數(shù)據(jù)也就相對(duì)應(yīng)的在頻域以及時(shí)域兩個(gè)方面成像。反射式檢測相對(duì)耗時(shí)少，操作方便，同時(shí)由于太赫茲光譜在1THz以上，可以實(shí)現(xiàn)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(shí)驗(yàn)裝置和原理

本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)裝置是太赫茲透射型時(shí)域光譜系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)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(tài)發(fā)生改變，從而反映出THz電場的大小及變化。裝置所處的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境為21℃，濕度為40%。

將得到的太赫茲波時(shí)域信號(hào)通過快速傅里葉變換，就能夠取得相對(duì)應(yīng)的頻域，其透射數(shù)據(jù)為：

樣品的復(fù)折射率

其中虛部K是樣品的消光系數(shù)，實(shí)部n是折射率（實(shí)際）。同時(shí)假設(shè)弱吸收是非常近似的（K遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于n），則［3］其中：

①樣品與參考信號(hào)的位相差

②樣品與參考信號(hào)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(shí)驗(yàn)步驟

①在實(shí)驗(yàn)中一定要確保實(shí)驗(yàn)的各個(gè)電子元器件的連接，然后啟動(dòng)各個(gè)裝置。將斬波器的頻率設(shè)置是2.7kHz。本實(shí)驗(yàn)的檢測，其上位機(jī)是由Labview軟件編寫的。Labview是美國的一款虛擬儀器軟件，對(duì)于圖像處理和數(shù)據(jù)分析十分方便。我們要將Labview上位機(jī)上的參數(shù)調(diào)整好［4］。

②運(yùn)行儀器一段時(shí)間，使得激光器達(dá)到穩(wěn)定工作，然后檢測激光器中發(fā)射出的光線是不是發(fā)生了漂移。如果發(fā)生了漂移，就調(diào)節(jié)兩個(gè)平面鏡使光束變得準(zhǔn)直。在實(shí)驗(yàn)的過程中我們要注意到第二組光闌是在太赫茲發(fā)射器前面的，其光束不需要準(zhǔn)直。最需要的傳播方向是使太赫茲的峰值能夠達(dá)到最大。

③向容器中沖入氮?dú)?，以使其達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。

④調(diào)節(jié)四分之一波片，這樣光點(diǎn)探測器輸出的直流電流就會(huì)發(fā)生變化，將其直流電流調(diào)節(jié)到最小值（由于實(shí)驗(yàn)裝置的原因，可能調(diào)節(jié)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(jìn)行探測，掃描參考信號(hào)［5］。

⑥這時(shí)重復(fù)③到⑤的步驟，在掃描兩個(gè)樣品之后，最好要調(diào)節(jié)儀器達(dá)到平衡，同時(shí)要重新沖入氮?dú)狻?/p>

⑦關(guān)掉所有的設(shè)備。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本論文的主要的實(shí)驗(yàn)的目的就是確定爆炸物樣品中對(duì)太赫茲波的峰位的吸收位置。我們可以預(yù)見對(duì)于不同的樣品，吸收的太赫茲波的尖峰也就不一樣，因此對(duì)應(yīng)著不同的頻率。我們根據(jù)此就能夠用光譜來識(shí)別樣品的組成［6］。

下面對(duì)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(jié)

本論文首先介紹了關(guān)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(shí)驗(yàn)裝置和原理，最后通過實(shí)驗(yàn)測定了三種爆炸物樣品對(duì)于太赫茲波段的吸收譜與色散之間的關(guān)系。我們可以看到，太赫茲技術(shù)是一種新興的技術(shù)，雖然發(fā)展還不是很成熟，但是具有很多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于太赫茲技術(shù)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(shù)在無損檢測中的實(shí)驗(yàn)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(shù)在爆炸物檢測中的應(yīng)用［J］.光學(xué)技術(shù)，2008，34（12）：265-269.

［3］何明霞，陳濤，楊吉龍等.太赫茲成像技術(shù)在腫瘤診斷方面的應(yīng)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(gòu)建及應(yīng)用于核磁共振成像診斷中的動(dòng)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(xù)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(shù)在腫瘤診斷方面的應(yīng)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(yīng)用［J］.生物化學(xué)與生物物理進(jìn)展，2 0 1 0，3 7（5）：484-489.

［8］李明慧，柳莉莎.超聲彈性成像評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)乳腺良惡性腫塊的診斷價(jià)值［J］.腫瘤，2011，31（5）：453-456.

O441.5;TQ560.7

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10.3969/j.issn.1001-0270.2014.03.21

2014-02-24