太赫兹成像的应用
发布时间：2017-09-01
国际安全局势的日益严峻使得公共安全成为人们共同关注的问题，其中武器、爆炸物、毒品等违禁品的检测是安全检查领域面临的主要任务，世界各国都在广泛探索和积极研究相关的检测技术和设备。目前已发展出 X 射线技术、中子分析、核磁共振探测、毫米波成像和离子迁移谱技术等多种检查手段，这些技术尤其是 X 射线成像已成功用于安全检查工作中，但是面对复杂的安检环境和对象，它们并不是通用、万能的，均存在着一定的局限性。
太赫兹(THz)成像是利用 THz 辐射(通常指频率在0.1～10THz 之间的电磁辐射，位于远红外波段) 作为信号源进行成像的一种新技术。实验和理论分析表明，很多有机物质的 THz 光谱具有“指纹”特性，因而利用脉冲式THz 源进行成像可实现物质成分的鉴别。另外，THz 辐射对于普通的包装材料有很强的穿透力，能够探测隐藏的违禁品，并且它没有X 射线的致电离性，不会对材料和人体造成伤害。这些独特的性质使得 THz成像在安全检查领域具有良好的应用前景[3]，有望作为上述常规方法的互补技术用于违禁品检测当中。
近年来，国内外的研究人员在爆炸物、毒品的THz 光谱特性以及隐藏违禁品的 THz 成像方面开展了很多研究工作，本文将对这方面的最新进展进行总结。
THz成像检测违禁品的研究进展
安全检查领域的违禁品主要包括武器(如枪支、刀具)、易燃易爆的危险品(如炸药)和各种法律禁止的麻醉药剂(毒品)等。其中，武器类违禁品一般具有特定的形状，可以根据形状信加以识别，而对于爆炸物、毒品等没有固定形状的违禁品，需要鉴别出物质的成分或种类。已有研究表明，THz 成像对上述两方面需求均能实现，下面分别介绍。
基于形状的识别
THz 辐射容易穿透普通的行李、包裹和衣物等，因而THz成像能够像传统的X射线透射成像那样反映出隐藏武器的形状信息。如2005年N.Karpowicz等利用0.2THz耿氏(Gunn)振荡器作为连续波THz源、肖特基(Schottky) 二极管作为探测器构建了 THz 透射和反射成像系统，并实现了公文包内隐藏刀具的透射成像，该系统具有结构紧凑、成本低廉、快速测量等优点。在2006 年的激光与电光学会议(CLEO2006)上，美国 Pi-com
etrix 公司报道了一种脉冲式 THz 成像仪 QA- 1000。与Karpowicz 的系统不同的是，QA- 1000 采用脉冲源，THz 辐射与物体相互作用的时域和频域(光谱)信息能同时得到，因而还具有鉴别物质的能力，当然系统的光学复杂度较大，扫描速度也有待提高。如果只考虑形状识别，连续式成像系统(即只采集透射或反射波的强度图像)就足够了。
目前，采用其它连续式 THz 光源的系统也相继出现，如A.Dobroiu 等人选择返波管(BWO)，由于 BWO 的输出波束具有较高的质量和功率，图像的分辨率和信噪比相应提高;最近，量子级联激光器(QCL)和自由电子激光器(FEL)与焦平面阵列探测器联合实现实时成像的THz 系统也被提出。但是，BWO 和 FEL 这两种辐射源均比较笨重，QCL 需要在低温环境下工作，这些因素将限制它们的应用范围。
基于物质成分的识别
为了检测无特定形状的违禁品，必须依据该类物质自有的物理或化学特性，比如双能 X 射线成像技术根据有效原子序数和电子密度来鉴别是否存在可疑物质，但对于种类繁多的有机物，仅通过上述两个物理量仍无法实现准确鉴别，更有效的方法应该具有在分子水平识别物质的能力。由于 THz 光谱为分子的构象提供了唯一的标识信息(指纹谱)，很多研究人员通过实验和理论模拟探索了根据THz 光谱检测违禁品的可行性，证实了常见爆炸物和毒品在 THz 波段有特征吸收。
炸药及其相关材料的 THz 光谱特性从 2003 年开始已有陆续的报道，最近 Chen 等应用 THz 时域谱分析(THz- TDS) 技术测量了 17 种常见爆炸物在 THz 范围内的光谱特征，对于构建该类材料的光谱数据库具有重要的参考价值。
总体来说，目前THz技术的应用尚处于初级阶段，但其蕴藏的巨大潜力引起了人们广泛深入的研究，相信它会逐渐成熟并在公共安全领域发挥显著的作用。
摘自：中国计量测控网
