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太赫茲成像的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間：2017-09-01
國(guó)際安全局勢(shì)的日益嚴(yán)峻使得公共安全成為人們共同關(guān)注的問(wèn)題，其中武器、爆炸物、毒品等違禁品的檢測(cè)是安全檢查領(lǐng)域面臨的主要任務(wù)，世界各國(guó)都在廣泛探索和積極研究相關(guān)的檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備。目前已發(fā)展出 X 射線技術(shù)、中子分析、核磁共振探測(cè)、毫米波成像和離子遷移譜技術(shù)等多種檢查手段，這些技術(shù)尤其是 X 射線成像已成功用于安全檢查工作中，但是面對(duì)復(fù)雜的安檢環(huán)境和對(duì)象，它們并不是通用、萬(wàn)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(yuǎn)紅外波段) 作為信號(hào)源進(jìn)行成像的一種新技術(shù)。實(shí)驗(yàn)和理論分析表明，很多有機(jī)物質(zhì)的 THz 光譜具有“指紋”特性，因而利用脈沖式THz 源進(jìn)行成像可實(shí)現(xiàn)物質(zhì)成分的鑒別。另外，THz 輻射對(duì)于普通的包裝材料有很強(qiáng)的穿透力，能夠探測(cè)隱藏的違禁品，并且它沒(méi)有X 射線的致電離性，不會(huì)對(duì)材料和人體造成傷害。這些獨(dú)特的性質(zhì)使得 THz成像在安全檢查領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景[3]，有望作為上述常規(guī)方法的互補(bǔ)技術(shù)用于違禁品檢測(cè)當(dāng)中。
近年來(lái)，國(guó)內(nèi)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(kāi)展了很多研究工作，本文將對(duì)這方面的最新進(jìn)展進(jìn)行總結(jié)。
THz成像檢測(cè)違禁品的研究進(jìn)展
安全檢查領(lǐng)域的違禁品主要包括武器(如槍支、刀具)、易燃易爆的危險(xiǎn)品(如炸藥)和各種法律禁止的麻醉藥劑(毒品)等。其中，武器類(lèi)違禁品一般具有特定的形狀，可以根據(jù)形狀信加以識(shí)別，而對(duì)于爆炸物、毒品等沒(méi)有固定形狀的違禁品，需要鑒別出物質(zhì)的成分或種類(lèi)。已有研究表明，THz 成像對(duì)上述兩方面需求均能實(shí)現(xiàn)，下面分別介紹。
基于形狀的識(shí)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(tǒng)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(xù)波THz源、肖特基(Schottky) 二極管作為探測(cè)器構(gòu)建了 THz 透射和反射成像系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了公文包內(nèi)隱藏刀具的透射成像，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本低廉、快速測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)。在2006 年的激光與電光學(xué)會(huì)議(CLEO2006)上，美國(guó) Pi-com
etrix 公司報(bào)道了一種脈沖式 THz 成像儀 QA- 1000。與Karpowicz 的系統(tǒng)不同的是，QA- 1000 采用脈沖源，THz 輻射與物體相互作用的時(shí)域和頻域(光譜)信息能同時(shí)得到，因而還具有鑒別物質(zhì)的能力，當(dāng)然系統(tǒng)的光學(xué)復(fù)雜度較大，掃描速度也有待提高。如果只考慮形狀識(shí)別，連續(xù)式成像系統(tǒng)(即只采集透射或反射波的強(qiáng)度圖像)就足夠了。
目前，采用其它連續(xù)式 THz 光源的系統(tǒng)也相繼出現(xiàn)，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(zhì)量和功率，圖像的分辨率和信噪比相應(yīng)提高;最近，量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)和自由電子激光器(FEL)與焦平面陣列探測(cè)器聯(lián)合實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)成像的THz 系統(tǒng)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(huán)境下工作，這些因素將限制它們的應(yīng)用范圍。
基于物質(zhì)成分的識(shí)別
為了檢測(cè)無(wú)特定形狀的違禁品，必須依據(jù)該類(lèi)物質(zhì)自有的物理或化學(xué)特性，比如雙能 X 射線成像技術(shù)根據(jù)有效原子序數(shù)和電子密度來(lái)鑒別是否存在可疑物質(zhì)，但對(duì)于種類(lèi)繁多的有機(jī)物，僅通過(guò)上述兩個(gè)物理量仍無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確鑒別，更有效的方法應(yīng)該具有在分子水平識(shí)別物質(zhì)的能力。由于 THz 光譜為分子的構(gòu)象提供了唯一的標(biāo)識(shí)信息(指紋譜)，很多研究人員通過(guò)實(shí)驗(yàn)和理論模擬探索了根據(jù)THz 光譜檢測(cè)違禁品的可行性，證實(shí)了常見(jiàn)爆炸物和毒品在 THz 波段有特征吸收。
炸藥及其相關(guān)材料的 THz 光譜特性從 2003 年開(kāi)始已有陸續(xù)的報(bào)道，最近 Chen 等應(yīng)用 THz 時(shí)域譜分析(THz- TDS) 技術(shù)測(cè)量了 17 種常見(jiàn)爆炸物在 THz 范圍內(nèi)的光譜特征，對(duì)于構(gòu)建該類(lèi)材料的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)具有重要的參考價(jià)值。
總體來(lái)說(shuō)，目前THz技術(shù)的應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，但其蘊(yùn)藏的巨大潛力引起了人們廣泛深入的研究，相信它會(huì)逐漸成熟并在公共安全領(lǐng)域發(fā)揮顯著的作用。
摘自：中國(guó)計(jì)量測(cè)控網(wǎng)
