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太赫兹技术在反恐实战和武器安检中的应用

2015-04-18   来源:互联网   点击:
一、概述现在的恐怖威胁对人们的生活影响甚大,歹徒携枪而行、炸药随处爆炸、身体成了运载枪械、炸药、毒品的隐蔽载体,可以造成非常恶性的袭击事件。探查衣服内的武器和违禁品,最佳手段之一要推太赫兹成像探
一、概述
现在的恐怖威胁对人们的生活影响甚大,歹徒携枪而行、炸药随处爆炸、身体成了运载枪械、炸药、毒品的隐蔽载体,可以造成非常恶性的袭击事件。探查衣服内的武器和违禁品,最佳手段之一要推太赫兹成像探测,这种依靠飞秒激光技术发展起来的新技术,正在对未来的生活、着装和安防产生巨大的影响。太赫兹光谱研究成像技术的发展,将使安保进入一种崭新的境界,依靠安全的太赫兹光摄像机能洞察掩盖的东西,且不用担心会有像X光那样的伤害。

二、太赫兹射线的应用特点
对于频率在0.1~10THz范围内的太赫兹波,波长是30μm~3mm范围,处于微波与红外辐射之间。它作为一种电磁波对非金属片材穿透性很大,塑料、陶瓷、纸板、棉布等电介质非极性材料吸收很小,水等极性物质对它吸收大,金属对它反射。可利用高密度聚乙烯材料对太赫兹波长的透射率和折射率制成聚焦准直等光学镜头进行操作,通过透射或反射的探测模式对物体进行非破坏性的性质分析或T波段成像。这样,平常用于包装的箱包、衣服在太赫兹射线下变得透明,呈现出凶器中的金属体和其他物体的形状,捕捉测到的T波段炸药、毒品光谱特征峰就能发现违禁品,对它们的伪装就变得很难。太赫兹辐射是完全非电离的,1THz的光子能量仅4meV,比软x射线小六个数量级,很多太赫兹应用所需功率不到1袟,人们可安全地接受和使用太赫兹技术检查。

研究太赫兹射线与物质分子的相互作用,虽然太赫兹光子能量小,但脉冲辐照能谱范围较大,物质特别是炸药、毒品等非极性材料存在声子相互作用、分子转动以及其他低能激发模式,会在T波段产生一些可测量、各自的光谱特征。当一个T波脉冲的GHz-THz宽谱能量光子轰击物质时,这些物质分子结构中的微构造在太赫兹波段产生的声子振动谱线可看成是此物质在T波段光谱中的电子镜像,通过时域测量飞秒脉冲射线照射物体的T波段吸收谱,作光谱频率和强度分析来确定被测量物体的成分和密度,为探测包裹中的炸药和毒品提供了一种新的有效方法。

三、太赫兹技术对包装中的违禁物探测
要精确探测包装内的违禁物,用太赫兹光谱分析的效果绝不逊于拉曼光谱分析,因为物质的T波声子振动谱的精细度优于拉曼散射的谱线。而拉曼光谱或红外光谱分析不能穿透箱包甚至衣服来遥测分析其中的炸药毒品。在目前太赫兹光谱违禁物探测以时域分析的透射吸收谱测试为主,通过将脉冲太赫兹射线聚焦在包装内的可疑物测试其吸收峰的位置波数与样品库的吸收峰数据对比确定是否违禁物。如果采取取样测量,能够大大抑制背景远红外噪声的干扰,目前技术只能得到较低的太赫兹射线平均功率,但由于太赫兹脉冲峰值功率高,在相干探测中用到的是太赫兹脉冲的实时功率而非平均功率,能具有105倍的高信噪比。

太赫兹光谱分析探测技术由以下几部分组成:太赫兹射线发生器、太赫兹射线光学聚焦镜头、T波光谱仪、计算机处理控制器和可配的扫描机构。当太赫兹射线发生器用聚乙烯镜头会聚射出一束脉冲T波照射被测物体,在物体背面的光束轴向延长处用太赫兹光谱仪隔着物体测会聚点的光束光谱,测出光束光谱与原始光谱相减得到被测物的太赫兹光谱曲线和吸收峰的波数。实际的测峰方法是将太赫兹射线用分束器一分为二,一束用于测物体的吸收谱,另一束作为原始的基准光谱,测出光束光谱与原始光谱计算机相除再求对数,用高通滤波法得到高频被测物太赫兹光谱吸收峰的各个波数和强度,去除了射线本身及背景的低频影响,更佳的方法是用迈克尔逊干涉仪的傅里叶变换方法测太赫兹光谱段的各个吸收峰,使读峰更准确。由于吸收峰的位置由物质内部结构中的对应振转能级决定,具有类似光的可重复性,通过建样品数据库用计算机比对,进行违禁物的探测。

研究各部分设备:太赫兹射线发生器可用太赫兹气体激光器,利用CO2飞秒激光器的超短激光脉冲光电导或光整流产生太赫兹辐射,用非线性差频过程(DFG)和参量过程产生太赫兹波。脉冲宽度为上百fs,重复频率几十MHz的脉冲太赫兹射线,经过分束镜分为探测光和基准光,探测光沿会聚透镜光轴入射,垂直聚焦在探测物表面或内部。太赫兹光学会聚镜头可采用相对孔径大的聚乙烯透镜,用开模加工制得。

T波光谱仪有FTIR远红外太赫兹光谱仪,采用常规的迈克尔逊干涉仪和偏振分束器的光路结构提高太赫兹远红外波段的信噪比和灵敏度;另外,用4mm超陡偏振光栅分束片和1.7K液氦致冷的辐射热检测器可实现2cm-1低波数的响应,达到2-2000cm-1的连续线性光谱测量,用液氮致冷探测效果降低许多。

计算机处理控制器控制太赫兹射线发生器的飞秒激光工作和脉冲波长稳定,控制镜头焦面位置和光谱仪接收,进行太赫兹光谱吸收峰计算和样品库数据比对,样品库数据存储着各种炸药毒品的T波段特征吸收峰位置数据和常见物品包装的吸收峰数据,计算机用差谱法去掉其他物品干扰计算判断内部是违禁品的概率进行报警。

可配的扫描机构是通过计算机控制的精确扫描的机械机构,用于对物品进行轴向扫描和平面扫描。

四、太赫兹成像安检技术
随着自由电子激光器和超快技术的发展,为太赫兹脉冲的产生提供了稳定可靠的激发光源,太赫兹成像技术主要在两个方面开展研究,逐点扫描大赫兹成像技术和远红外焦平面阵列的太赫兹成像技术,目前已取得了一些进展,最佳效果已达到对几十米远的人物进行了太赫兹成像拍摄,现在正研究加大太赫兹射线功率,期望对数百米外的人物进行太赫兹成像,以满足军方和反恐的要求。

逐点扫描太赫兹成像的基本原理是太赫兹激光束通过斩波器产生太赫兹脉冲,为消除发散,用一个聚乙烯透镜准直光路,将光束准直聚焦在待测样品上。一个由计算机控制的二维扫描的线性步进平台进行样品或发射成像装置在光焦处的二维平移。这种用时域方法的太赫兹脉冲作为成像射线,进行精确的二维扫描,能测试记录透过成像样品或从样品反射的太赫兹电磁波的强度和相位,还有样品复介电常数的空间分布,经过数宇处理分析,得到样品的太赫兹二维图像。虽然这种方式的成像时间较长,目前需数十分钟以上。但是用这种成像方法获取的信息量大,可构建二维和三维图像,而且每一像素源对应一个太赫兹时域谱,通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱。这种方式在人体和包裹安检中可作为精细安检技术应用,可作为X光安检手段的延伸和补充。图1是太赫兹成像仪对旅行箱中匿藏的枪支与刀具拍摄的照片。

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焦平面阵列拍摄太赫兹图像是反恐安检的理想方法,快速的拍摄能发现行人携带的枪械和炸药。采用连续CO2激光泵浦的远红外太赫兹激光器能发射连续的太赫兹射线,经镜头聚焦射线穿过衣服、箱子集中在人或物上,用低温致冷的远红外焦平面阵列摄取太赫兹光反射或透射的强弱变化.能得到金属、水分和物体吸收的图案,但人体内如果隐藏炸药由于血液的吸收需要综合探测技术。现在远红外焦平面阵列太赫兹波段的响应还很低,要用超低温致冷,连续的太赫兹射线能量较弱而效果还不很理想,需要进一步的研究提高。

五、结语
太赫兹技术在反恐安全检查领域具有很大的应用潜力,国内外在大力开展利用太赫兹光谱和成像技术检测违禁品方面的研究,通过太赫兹脉冲成像系统进行了基于形状和物质成分检测违禁品的研究结果表明,这是一种很理想的预警检测手段。但是,由于飞秒激光器的昂贵和难以得到较高的太赫兹射线能量,同时太赫兹波探测器还需进行超低温致冷,实用化发展面临的挑战。我们应当研究用模块化技术研制通用太赫兹波探测成像模块,提高性能,降低成本,探索新材料、新器件,尽快推出实用化的太赫兹光谱安检仪和太赫兹波段摄像机,为反恐提供有力的装备。

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