太赫茲時(shí)域譜技術(shù)的爆炸物探測(cè)應(yīng)用

山西中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院 劉曉東 張志杰 李仰軍 王高

1 引言

恐怖爆炸襲擊事件時(shí)有發(fā)生，許多恐怖組織通過自殺式炸彈襲擊、汽車炸彈等多種炸彈襲擊方式給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來了巨大的隱患。近年來，在國(guó)內(nèi)發(fā)生的爆炸襲擊等事件也說明了防范恐怖爆炸襲擊已經(jīng)成為了安防工作的重要任務(wù)。目前應(yīng)用的爆炸物探測(cè)技術(shù)有X射線檢測(cè)、金屬探測(cè)、中子活化檢測(cè)等多種技術(shù)。X射線檢測(cè)盡管技術(shù)發(fā)展成熟，但對(duì)生物體損害強(qiáng)，需要特定的防護(hù)和使用范圍。金屬檢測(cè)則很容易受到金屬雜物的干擾而增大誤報(bào)率。中子活化檢測(cè)雖然有高靈敏度、高準(zhǔn)確性的優(yōu)點(diǎn)，但放射性強(qiáng)、防護(hù)難度大、技術(shù)復(fù)雜、成本高，使其很難得到廣泛應(yīng)用。現(xiàn)有技術(shù)均存在不同的局限因素，需要其他有效的探測(cè)手段進(jìn)行補(bǔ)充。由于太赫茲波具有高透視性、指紋譜性等重要特性以及快速發(fā)展成熟的相關(guān)技術(shù)，使得將太赫茲技術(shù)用于探測(cè)識(shí)別炸藥成為了一種具有極大潛力的發(fā)展方向[1-2]。

目前太赫茲技術(shù)對(duì)爆炸物的探測(cè)主要分為兩個(gè)方面，一方面是利用太赫茲成像技術(shù)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行成像，以此判斷檢測(cè)物，也可以進(jìn)行遙感成像探測(cè)。另一方面是利用許多物質(zhì)在太赫茲頻段擁有其特征光譜，因此可以通過太赫茲光譜技術(shù)探測(cè)爆炸物的指紋譜，從而確定爆炸物的種類、性質(zhì)等等。本文通過太赫茲時(shí)域譜技術(shù)探測(cè)了兩種軍用炸藥的太赫茲特征吸收譜，通過炸藥的特征吸收譜來確定其相應(yīng)的特性，可用于爆炸物探測(cè)時(shí)對(duì)炸藥的識(shí)別判斷。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及原理

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是太赫茲探測(cè)領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)，屬于一種相干連續(xù)探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)直接測(cè)量的是太赫茲脈沖的時(shí)域電場(chǎng)強(qiáng)度，因此被稱為太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)，得到的時(shí)域譜通過傅里葉變換，能夠同時(shí)獲得太赫茲光譜的振幅和相位信息。通過相應(yīng)的數(shù)據(jù)分析就可得到樣品的吸收系數(shù)、折射率、消光系數(shù)等光譜參數(shù)。太赫茲時(shí)域譜技術(shù)已廣泛用于通信、電子、醫(yī)藥等學(xué)科領(lǐng)域[3-4]。

本實(shí)驗(yàn)采用的太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)由Coherent公司的Micra-5飛秒激光器和脈寬壓縮儀、EKSPLA公司的THz-TDS Kit、電腦及其他光學(xué)元件組成。飛秒激光器為鎖模鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，中心波長(zhǎng)為 800nm，重復(fù)頻率為80MHz，脈寬100fm。飛秒激光器發(fā)射的激光經(jīng)過壓縮、衰減后激發(fā)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波，由太赫茲探測(cè)器接收探測(cè)。光電導(dǎo)天線是目前廣泛使用的脈沖太赫茲波發(fā)射器和探測(cè)器，由超快激光脈沖激發(fā)產(chǎn)生的光生載流子在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的作用下產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲脈沖。光電導(dǎo)天線由蒸鍍?cè)诎虢^緣半導(dǎo)體基片上的兩個(gè)平行電極構(gòu)成。在兩電極上施加偏置電壓，飛秒激光照射在電極間隙時(shí)形成光生載流子，載流子在偏置電壓作用下加速并輻射出太赫茲脈沖。基片通常采用低溫生長(zhǎng)的砷化鎵或摻雜的硅等，用以提高光電導(dǎo)天線的響應(yīng)速度。采用光電導(dǎo)天線探測(cè)太赫茲脈沖的裝置和發(fā)射裝置相似，但并不在兩電極之間施加偏置電壓，而是連接一個(gè)電流計(jì)測(cè)量太赫茲電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的電流[4]。

THz-TDSKit由光路部分和電路部分組成，光路原理如圖1所示。太赫茲脈沖的發(fā)射和探測(cè)是典型的泵浦探測(cè)方式，飛秒激光通過分束器分為泵浦光和探測(cè)光，探測(cè)光經(jīng)過延時(shí)系統(tǒng)聚集到太赫茲探測(cè)器上，泵浦光照射到太赫茲發(fā)射器產(chǎn)生脈沖，太赫茲脈沖通過樣品后與探測(cè)波在探測(cè)器上重疊，探測(cè)器攜帶的樣品光譜信息由信號(hào)處理系統(tǒng)獲取后通過放大、處理及分析，得到測(cè)量結(jié)果并將其顯示。電路部分由鎖相放大器、步進(jìn)電機(jī)及其他輔助電路構(gòu)成。鎖相放大器為L(zhǎng)ock-inAmplifierSR-810（簡(jiǎn)稱SR-810），用于對(duì)探測(cè)器輸出的信號(hào)有效抑制噪聲，提高信噪比。步進(jìn)電機(jī)為SMA4steppermotordriver（簡(jiǎn)稱SMA4），可控制延遲系統(tǒng)和樣品臺(tái)的位置[4-5]。

圖1 THz-TDS光路原理

數(shù)據(jù)分析處理采用由Dorney和Duvillaret等人提出的太赫茲光學(xué)參數(shù)提取物理模型。假設(shè) Esam(ω)·e-jφs(ω)和 Eref(ω)·e-jφr(ω)分別表示測(cè)得的樣品信號(hào)和參考信號(hào)的太赫茲時(shí)域譜進(jìn)行傅里葉變換得到的頻域譜。在透射光譜測(cè)量中，樣品的光譜信息可以從信號(hào)與參考光譜的比較中獲得[3-4]：

式中，a(ω)是樣品的吸收系數(shù)，ns(ω)是樣品的折射率，Ks(ω)是樣品的消光系數(shù)，d是樣品的厚度，ω是角頻率，c是真空光速。為了避免樣品表面的菲涅爾損耗影響，在實(shí)驗(yàn)測(cè)量時(shí)通常采用不同厚度的同質(zhì)樣品分別作為參考樣品和待測(cè)樣品。

3 實(shí)驗(yàn)樣品

本文通過太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)分別對(duì)兩種軍用炸藥2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）和1,4-二氫-5H-(二硝基亞甲基)-四唑（DNMT）進(jìn)行太赫茲光譜探測(cè)，再對(duì)吸收譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，提取出炸藥的吸收峰并確定它們的性質(zhì)。這兩類炸藥應(yīng)用廣泛，測(cè)量它們的太赫茲吸收譜對(duì)于反恐防爆有著重要的意義。

2,4-二硝基苯甲醚（DNAN）為無色（或黃色）針狀或單斜晶體，微溶于水，溶于乙醇、乙醚、丙酮、苯等多數(shù)有機(jī)溶劑，熔點(diǎn)在 94～96℃范圍內(nèi)，密度為1.34g/cm3。DNAN是高缺氧的含能材料，含能量只有TNT的90%，這些因素限制了其單獨(dú)作為炸藥應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)后，在鈍感熔鑄炸藥的強(qiáng)烈需求下，DNAN重新受到了研究人員的重視。由于DNAN相對(duì)于TNT能量和密度損失最小，感度較低，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，因而成為了以TNT為基的熔鑄炸藥的最有前景的替代品。經(jīng)驗(yàn)證，利用工業(yè)原料DNAN配制出低成本的鈍感熔鑄炸藥是完全可行的。目前，DNAN已逐漸成為各國(guó)軍方制作鈍感熔鑄炸藥的主要材料[2-4]。

1,4-二氫-5H-(二硝基亞甲基)-四唑（DNMT）為淡黃色粉末，熔點(diǎn)為95℃，密度為1.63g/cm3，屬于硝基唑類的衍生物。DNMT是一種能量更高且感度較低的新型合成高能量密度化合物。目前最新的合成方法是采用二氰二胺和鹽酸甲基肼為原料合成，該方法原理易得、操作簡(jiǎn)單且收率高。DNMT是推進(jìn)劑、炸藥的重要組成部分和含能配合物使用的含能配體，還是可以合成其它高能量密度化合物的重要中間體，在軍事和工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景[2-5]。

在太赫茲時(shí)域光譜測(cè)試中，采用的待測(cè)樣品通常為壓片狀的。經(jīng)過酒精清洗實(shí)驗(yàn)用具、待測(cè)樣品的研磨和壓片機(jī)的壓制，制成厚度約為1mm，直徑約為10mm的圓盤形待測(cè)樣品。但在對(duì)本次實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)過以上處理后，由于它們的物理特性很不穩(wěn)定，造成樣品成形率比較低，很難進(jìn)行壓片樣品的測(cè)試，因此本次實(shí)驗(yàn)采用粉末狀進(jìn)行測(cè)試。直接進(jìn)行粉末狀測(cè)試，更加接近現(xiàn)實(shí)環(huán)境中炸藥的實(shí)際情況。測(cè)試中將待測(cè)樣品研磨成粉末狀后，放入具有較好透光性的塑料袋中測(cè)試，由于太赫茲波能夠以很小的衰減度穿過塑料、陶瓷等物質(zhì)，對(duì)這些材料具有良好的穿透性，因此采取在塑料袋中對(duì)炸藥光譜進(jìn)行測(cè)試是可行的[2]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由于一般的透射光譜測(cè)試比反射光譜測(cè)試具有更高的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)通過太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)兩種炸藥進(jìn)行了透射式光譜測(cè)量分析，主要的探測(cè)頻段為0.1-2THz范圍，盡管粉末狀樣品吸收譜測(cè)量結(jié)果不如壓片狀的理想，但仍然獲取了兩類炸藥的吸收譜線。以下為測(cè)得的兩種炸藥的特征吸收譜。

圖2 DNAN特征吸收譜

圖3 DNMT特征吸收譜

從圖中可以觀察到兩種炸藥吸收光譜的基本趨勢(shì)。透射式系統(tǒng)測(cè)試中吸收峰位置不明顯，需要經(jīng)過分析和處理，得到比較明顯的特征吸收峰。由于樣品的物理狀態(tài)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境的限制，測(cè)試在2THz以上的數(shù)據(jù)已經(jīng)不太穩(wěn)定，因此對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了截取，只對(duì)2THz以內(nèi)的吸收譜進(jìn)行處理分析。對(duì)炸藥的太赫茲光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行部分截取和小波降噪后，可以將基本沒有用的信息排除，并使吸收譜曲線變得平滑，有利于特征值的提取，將誤差盡可能地減少。通過與空氣光譜比較，排除掉不確定的吸收峰，得到比較準(zhǔn)確的吸收峰位置。經(jīng)過與空氣光譜比較，排除了1.42和1.72等不確定的吸收峰后，DNAN確定了1.33和1.55兩個(gè)位置的吸收峰；同樣經(jīng)過上述比較和排除后，DNMT確定了1.75的吸收峰位置[2]。

5 結(jié)論

本文運(yùn)用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)兩種軍用炸藥進(jìn)行了光譜測(cè)試，得到了這兩類炸藥在2THz范圍內(nèi)的太赫茲特征吸收譜，將獲得的特征吸收譜通過處理分析獲取了它們的吸收峰位置。在2THz范圍內(nèi)，兩種炸藥的吸收譜趨勢(shì)都比較平緩，經(jīng)過去噪和比較，最后確定了吸收峰位置。確定的兩類炸藥的特征吸收峰，可以作為標(biāo)識(shí)該類型炸藥的特征指紋譜線，從而有助于利用太赫茲技術(shù)對(duì)爆炸物的探測(cè)識(shí)別。

盡管在爆炸物探測(cè)識(shí)別以及安全檢查領(lǐng)域，太赫茲探測(cè)技術(shù)都還處于研究發(fā)展階段，但是其特有的性質(zhì)和快速的發(fā)展都使得該技術(shù)應(yīng)用具有了廣闊的前景。太赫茲技術(shù)作為探測(cè)識(shí)別爆炸物新型探測(cè)方法極具潛力，具有本質(zhì)性和可靠性。通過研究，一方面繼續(xù)擴(kuò)充其它爆炸物的特征譜，另一方面需要對(duì)實(shí)際應(yīng)用中的有效性進(jìn)行測(cè)試，使得該技術(shù)能夠真正應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)，發(fā)揮更大的作用。

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