太赫兹成像技术在爆炸物检测中的应用

郭俊虎

（上海警卫局，上海200030）

太赫兹成像技术在爆炸物检测中的应用

郭俊虎

（上海警卫局，上海200030）

太赫兹波是一种电磁波，我们通常所说的太赫兹波的频率一般在0.1到10T赫兹之间。太赫兹波兼有微波和红外线的特点，在测量领域具有很广泛的应用。本论文简要介绍了太赫兹波的特性以及测量原理，同时指出其在爆炸物检测中的应用。

太赫兹波；成像；爆炸物

1 太赫兹波概述

1.1 太赫兹波特性

太赫兹波是一种电磁波，我们通常所说的太赫兹波的频率一般在0.1到10T赫兹之间。微波以及红外线各有各的特点，而由于太赫兹波的波段正好是在两者之间，这就使得太赫兹波正好具备了两者的优点，实现了微波和红外线的功能上的完美结合。第一：太赫兹波的穿透性非常好，对于塑料以及一些陶瓷物质，太赫兹波能够很容易地穿透，从而能够探测出许多物质的结构组成。第二：产生的太赫兹的信号波具有很好的时间分辨率，但是这并不影响太赫兹波的空间分辨率，可以说它在两者之间有着一个很好的平衡。第三：也是非常重要的一点，就是太赫兹波具有能量非常低的光子，这些光子的能量往往只有meV数量级，因此并不会发生电离效应。

1.2 太赫兹光谱的成像原理

我们利用太赫兹波测试得到的图像，具有相当丰富的信息，这是由太赫兹的特性，是其他成像技术所不能比拟的。每个像源都和太赫兹时域光谱一一对应。

太赫兹系统由于源的不同，大体上可以分为两种类型：脉冲波型以及连续波型。脉冲型具有很宽的频谱，也容易在实验中使用脉冲型的系统。因此它的应用非常广泛，在脉冲型技术中，太赫兹时域光谱技术发展的比较早，同时发展也相对成熟。连续波与脉冲波不同，它所使用的是固定频率的波，相对于脉冲型来说要有更大的太赫兹波的能量。因此这种类型并不是十分容易实现。两者的检测原理基本类似。

太赫兹的成像技术有许多种分类，依据太赫兹源的不同可以将其分为两种：连续成像和脉冲成像。第一种成像方法辐射的功率很高，同时实验仪器的构造并不复杂，成像的速度也比较快。第二种方法与第一种方法正好相反，数据的处理比较复杂，同时成像也比较慢，但是能够从图像中获得大量的信息。我们实验中采用的是太赫兹的连续成像技术。

太赫兹系统还有一种分类方式，就是依据对于样品的检测方式的不同。依据探测方式，可以将太赫兹系统分成反射式和透射式两种类型。反射式和透射式系统的工作原理大体一样。实验最终采集到的数据会传到计算机上处理和显示处理，基本上可以有频域和时域两个方式。数据也就相对应的在频域以及时域两个方面成像。反射式检测相对耗时少，操作方便，同时由于太赫兹光谱在1THz以上，可以实现更高分辨率的成像，因此在爆炸物检测中更具有潜力［1］。

2 在爆炸物检测的实验装置和原理

本实验所使用的实验装置是太赫兹透射型时域光谱系统实验装置［2］。THz波电场使通过电光探测晶体的探测脉冲的偏振态发生改变，从而反映出THz电场的大小及变化。装置所处的实验室环境为21℃，湿度为40%。

将得到的太赫兹波时域信号通过快速傅里叶变换，就能够取得相对应的频域，其透射数据为：

样品的复折射率

其中虚部K是样品的消光系数，实部n是折射率（实际）。同时假设弱吸收是非常近似的（K远远小于n），则［3］其中：

①样品与参考信号的位相差

②样品与参考信号的振幅比

③光速

④角频率

⑤样品的厚度

3 在爆炸物检测中的实验步骤

①在实验中一定要确保实验的各个电子元器件的连接，然后启动各个装置。将斩波器的频率设置是2.7kHz。本实验的检测，其上位机是由Labview软件编写的。Labview是美国的一款虚拟仪器软件，对于图像处理和数据分析十分方便。我们要将Labview上位机上的参数调整好［4］。

②运行仪器一段时间，使得激光器达到稳定工作，然后检测激光器中发射出的光线是不是发生了漂移。如果发生了漂移，就调节两个平面镜使光束变得准直。在实验的过程中我们要注意到第二组光阑是在太赫兹发射器前面的，其光束不需要准直。最需要的传播方向是使太赫兹的峰值能够达到最大。

③向容器中冲入氮气，以使其达到动态平衡。

④调节四分之一波片，这样光点探测器输出的直流电流就会发生变化，将其直流电流调节到最小值（由于实验装置的原因，可能调节不到0）。

⑤将光电探测器输出探头接入锁相放大器输入端进行探测，扫描参考信号［5］。

⑥这时重复③到⑤的步骤，在扫描两个样品之后，最好要调节仪器达到平衡，同时要重新冲入氮气。

⑦关掉所有的设备。

4 实验结果分析

本论文的主要的实验的目的就是确定爆炸物样品中对太赫兹波的峰位的吸收位置。我们可以预见对于不同的样品，吸收的太赫兹波的尖峰也就不一样，因此对应着不同的频率。我们根据此就能够用光谱来识别样品的组成［6］。

下面对几种典型的爆炸物作介绍：分别是RDX，DNT，TNT。

RDX的样品厚度为0.86mm，其在太赫兹的光谱如图1所示。

图1 RDX的太赫兹光谱

DNT的样品厚度为0.60mm，其在太赫兹的光谱如图2所示。

图2 DNT的太赫兹光谱

TNT的样品厚度为0.90mm，其在太赫兹的光谱如图3所示。

图3 TNT的太赫兹光谱

5 总结

本论文首先介绍了关于太赫兹波特性［7］、太赫兹光谱的成像原理以及太赫兹波在爆炸物检测的实验装置和原理，最后通过实验测定了三种爆炸物样品对于太赫兹波段的吸收谱与色散之间的关系。我们可以看到，太赫兹技术是一种新兴的技术，虽然发展还不是很成熟，但是具有很多优点，对于太赫兹技术的研究是很有必要的［8］。

［1］邱志刚，姚建铨，贾春荣等.太赫兹成像技术在无损检测中的实验研究［J］.激光与红外，2 0 1 1，4 1（10）：1163-1166.

［2］许欣，吴勋，孟宪君等.太赫兹技术在爆炸物检测中的应用［J］.光学技术，2008，34（12）：265-269.

［3］何明霞，陈涛，杨吉龙等.太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面的应用［J］.肿瘤，2012，32（12）：1039-1042.

［4］丁永梅，周彩存，赵印敏等.cRGD-氧化铁纳米粒的构建及应用于核磁共振成像诊断中的动物研究［J］.肿瘤，2 0 1 0，30（4）：277-282.

［5］杨昆，赵国忠，梁程森等.脉冲太赫兹波成像与连续波太赫兹成像特性的比较［J］.中国激光，2009，36（11）：2853-2858.

［6］何明霞，陈涛，杨吉龙等.太赫兹成像技术在肿瘤诊断方面的应用［J］.肿瘤，2012，32（12）：1039-1042.

［7］汪一帆，尉万聪，周凤娟等.太赫兹（THz）光谱在生物大分子研究中的应用［J］.生物化学与生物物理进展，2 0 1 0，3 7（5）：484-489.

［8］李明慧，柳莉莎.超声弹性成像评分标准对乳腺良恶性肿块的诊断价值［J］.肿瘤，2011，31（5）：453-456.

O441.5;TQ560.7

B

10.3969/j.issn.1001-0270.2014.03.21

2014-02-24