太赫茲成像的應用
發布時間：2017-09-01
國際安全局勢的日益嚴峻使得公共安全成為人們共同關注的問題，其中武器、爆炸物、毒品等違禁品的檢測是安全檢查領域面臨的主要任務，世界各國都在廣泛探索和積極研究相關的檢測技術和設備。目前已發展出 X 射線技術、中子分析、核磁共振探測、毫米波成像和離子遷移譜技術等多種檢查手段，這些技術尤其是 X 射線成像已成功用于安全檢查工作中，但是面對復雜的安檢環境和對象，它們并不是通用、萬能的，均存在著一定的局限性。
太赫茲(THz)成像是利用 THz 輻射(通常指頻率在0.1～10THz 之間的電磁輻射，位于遠紅外波段) 作為信號源進行成像的一種新技術。實驗和理論分析表明，很多有機物質的 THz 光譜具有“指紋”特性，因而利用脈沖式THz 源進行成像可實現物質成分的鑒別。另外，THz 輻射對于普通的包裝材料有很強的穿透力，能夠探測隱藏的違禁品，并且它沒有X 射線的致電離性，不會對材料和人體造成傷害。這些獨特的性質使得 THz成像在安全檢查領域具有良好的應用前景[3]，有望作為上述常規方法的互補技術用于違禁品檢測當中。
近年來，國內外的研究人員在爆炸物、毒品的THz 光譜特性以及隱藏違禁品的 THz 成像方面開展了很多研究工作，本文將對這方面的最新進展進行總結。
THz成像檢測違禁品的研究進展
安全檢查領域的違禁品主要包括武器(如槍支、刀具)、易燃易爆的危險品(如炸藥)和各種法律禁止的麻醉藥劑(毒品)等。其中，武器類違禁品一般具有特定的形狀，可以根據形狀信加以識別，而對于爆炸物、毒品等沒有固定形狀的違禁品，需要鑒別出物質的成分或種類。已有研究表明，THz 成像對上述兩方面需求均能實現，下面分別介紹。
基于形狀的識別
THz 輻射容易穿透普通的行李、包裹和衣物等，因而THz成像能夠像傳統的X射線透射成像那樣反映出隱藏武器的形狀信息。如2005年N.Karpowicz等利用0.2THz耿氏(Gunn)振蕩器作為連續波THz源、肖特基(Schottky) 二極管作為探測器構建了 THz 透射和反射成像系統，并實現了公文包內隱藏刀具的透射成像，該系統具有結構緊湊、成本低廉、快速測量等優點。在2006 年的激光與電光學會議(CLEO2006)上，美國 Pi-com
etrix 公司報道了一種脈沖式 THz 成像儀 QA- 1000。與Karpowicz 的系統不同的是，QA- 1000 采用脈沖源，THz 輻射與物體相互作用的時域和頻域(光譜)信息能同時得到，因而還具有鑒別物質的能力，當然系統的光學復雜度較大，掃描速度也有待提高。如果只考慮形狀識別，連續式成像系統(即只采集透射或反射波的強度圖像)就足夠了。
目前，采用其它連續式 THz 光源的系統也相繼出現，如A.Dobroiu 等人選擇返波管(BWO)，由于 BWO 的輸出波束具有較高的質量和功率，圖像的分辨率和信噪比相應提高;最近，量子級聯激光器(QCL)和自由電子激光器(FEL)與焦平面陣列探測器聯合實現實時成像的THz 系統也被提出。但是，BWO 和 FEL 這兩種輻射源均比較笨重，QCL 需要在低溫環境下工作，這些因素將限制它們的應用范圍。
基于物質成分的識別
為了檢測無特定形狀的違禁品，必須依據該類物質自有的物理或化學特性，比如雙能 X 射線成像技術根據有效原子序數和電子密度來鑒別是否存在可疑物質，但對于種類繁多的有機物，僅通過上述兩個物理量仍無法實現準確鑒別，更有效的方法應該具有在分子水平識別物質的能力。由于 THz 光譜為分子的構象提供了唯一的標識信息(指紋譜)，很多研究人員通過實驗和理論模擬探索了根據THz 光譜檢測違禁品的可行性，證實了常見爆炸物和毒品在 THz 波段有特征吸收。
炸藥及其相關材料的 THz 光譜特性從 2003 年開始已有陸續的報道，最近 Chen 等應用 THz 時域譜分析(THz- TDS) 技術測量了 17 種常見爆炸物在 THz 范圍內的光譜特征，對于構建該類材料的光譜數據庫具有重要的參考價值。
總體來說，目前THz技術的應用尚處于初級階段，但其蘊藏的巨大潛力引起了人們廣泛深入的研究，相信它會逐漸成熟并在公共安全領域發揮顯著的作用。
摘自：中國計量測控網
