太赫茲時(shí)域譜技術(shù)在地雷探測(cè)中的應(yīng)用

劉曉東，張志杰，李仰軍

(中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，山西 太原 030051)

目前，散布在世界多國(guó)的殘留地雷，不僅給人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)了嚴(yán)重威脅，同時(shí)也成為這些國(guó)家戰(zhàn)后重建的最大障礙.如何實(shí)現(xiàn)有效地探測(cè)地雷已經(jīng)成為世界性的共同話題.已經(jīng)發(fā)展起來(lái)的電子探雷技術(shù)有電磁感應(yīng)探雷、磁法探雷、沖擊脈沖雷達(dá)探雷等.但制作地雷金屬部分的減少和雷區(qū)中金屬碎片的干擾增大了電磁感應(yīng)探雷的虛警;同樣，地雷鐵制材料的減少以及場(chǎng)地中磁性雜物都影響了磁法探雷的準(zhǔn)確性;沖擊雷達(dá)的寬頻譜信息量增大了回波干擾信號(hào)，加大了信號(hào)處理的難度［1-2］.不同的因素影響了這些探雷技術(shù)的準(zhǔn)確性，一部分是由技術(shù)本身的局限性造成的，另外就是由復(fù)雜的外圍環(huán)境造成的.太赫茲波由于具有透視性、指紋譜性等重要特征，為地雷探測(cè)提供了一種新的途徑.

由于太赫茲波具有重要特性，以及相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展，使其在安檢、生命科學(xué)、化學(xué)等很多領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景［3］.現(xiàn)代地雷的外殼主要由塑料、陶瓷等一些材料制成，而太赫茲波對(duì)非金屬和非極性材料具有的強(qiáng)穿透性，使得太赫茲波可以穿透外部材料，進(jìn)而提取到物體內(nèi)部的信息.太赫茲波對(duì)航天飛機(jī)的隔熱泡沫層的缺陷檢查就是此類應(yīng)用.炸藥是地雷的核心部分，而炸藥在太赫茲頻帶具有特征光譜，因此可以通過(guò)判斷炸藥的吸收光譜來(lái)探測(cè)地雷.在3 THz 頻段內(nèi)，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS)比傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(FTIR)的探測(cè)效果更具有優(yōu)勢(shì)(THz-TDS 具有皮秒級(jí)時(shí)間分辨率等測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)).本文采用MINI-Z 太赫茲光譜儀對(duì)常用炸藥RDX和HMX 的特征吸收光譜進(jìn)行了探測(cè)，結(jié)合小波降噪的數(shù)據(jù)處理方法，通過(guò)數(shù)據(jù)的對(duì)比，確定了其可靠性，實(shí)現(xiàn)了太赫茲時(shí)域譜技術(shù)在地雷探測(cè)中的初步應(yīng)用.

1 基本原理

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是一種相干連續(xù)探測(cè)技術(shù)，能夠同時(shí)獲得THz 脈沖的振幅和相位信息.THz-TDS 首先測(cè)量通過(guò)自由空間或參考樣品的太赫茲時(shí)域波形(即參考波形)，然后對(duì)經(jīng)過(guò)樣品的太赫茲波測(cè)量，得到相應(yīng)的信號(hào)波形.將得到的參考波形和信號(hào)波形作快速傅里葉變換(FFT)，得到相應(yīng)的頻域譜.經(jīng)過(guò)分析計(jì)算可得到樣品的折射率、介電常數(shù)等特征參數(shù)，通過(guò)分析這些參數(shù)，就可在一定程度上對(duì)樣品進(jìn)行鑒別［4］.

對(duì)樣品透射譜的常規(guī)光學(xué)參數(shù)進(jìn)行提取，在樣品(真空中)兩側(cè)介質(zhì)的折射率均為1 和弱吸收約為n ?к 的基礎(chǔ)上，對(duì)測(cè)量得到的參考波和信號(hào)波的時(shí)域譜分別做FFT，得到參考光譜和信號(hào)光譜的頻域譜樣品的光譜信息可以從頻域譜的比較中獲得［4］.

通過(guò)T(ω)和φ(ω)后，根據(jù)式(2)～(4)

計(jì)算出樣品的折射率n(ω)，吸收系數(shù)α(ω)和消光系數(shù)к(ω).式中:T(ω)為參考波與信號(hào)波的振幅比;φ(ω)為參考波與信號(hào)波的相位差;c 是真空光速;d 是樣品厚度;ω 是角頻率［10］.

2 實(shí)驗(yàn)裝置

MINI-Z 便攜式太赫茲光譜儀主要由光學(xué)部分、數(shù)據(jù)獲取及控制部分和數(shù)據(jù)處理及分析部分組成.圖1 所示為MINI-Z 太赫茲光譜儀的系統(tǒng)示意圖.光學(xué)系統(tǒng)主要包括飛秒激光器，THz 波發(fā)射和探測(cè)裝置.在該光譜儀中采用孔徑為50 μm，頻率為100 kHz 的LT-GaAs(低溫砷化鎵)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生THz 波.相比飛秒激光激發(fā)半導(dǎo)體產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)，LT-GaAs 光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲信號(hào)具有更高的強(qiáng)度和信噪比［5］.采用施以120 V交流偏壓，厚度為1 mm 的ZnTe(碲化鋅)晶體探測(cè)THz 波.光譜儀內(nèi)還包括光學(xué)組件對(duì)激光和THz 波傳輸、聚焦和準(zhǔn)直等.數(shù)據(jù)獲取和控制系統(tǒng)具有探測(cè)器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大并讀取，延遲系統(tǒng)的控制和電壓源的控制等功能.數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)對(duì)讀取的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件處理和分析，可以對(duì)結(jié)果進(jìn)行顯示和識(shí)別［6-8］.

圖1 MINI-Z 太赫茲時(shí)域光譜儀系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of MINI-Z terahertz time-domain spectrometer

圖2 為MINI-Z 太赫茲時(shí)域光譜儀，該設(shè)備由紐約倫斯勒理工學(xué)院研制成功，相較于傳統(tǒng)太赫茲時(shí)域系統(tǒng)，成譜速度快，可做實(shí)時(shí)光譜測(cè)試，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性和易操作性.除了在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)高品質(zhì)測(cè)試，還可在復(fù)雜環(huán)境下完成測(cè)試.該系統(tǒng)的測(cè)試頻率范圍是0.1～4.0 THz，頻率分辨率小于50 GHz，動(dòng)態(tài)范圍大于70 dB，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.004 ps，能夠?qū)崿F(xiàn)透射和反射兩種測(cè)試系統(tǒng)，尺寸僅為10.5 cm ×6.25 cm ×2.75 cm，體積小，重量輕，便于攜帶進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試［9-10］.

圖2 MINI-Z 太赫茲光譜儀Fig.2 MINI-Z terahertz time-domain spectrometer

3 實(shí)驗(yàn)樣品制備

黑索金(即環(huán)三亞甲基三硝胺，簡(jiǎn)稱RDX)和奧克托今(即環(huán)四亞甲基四硝胺，簡(jiǎn)稱HMX)兩類炸藥均為軍用的高能炸藥，常作為地雷、炮彈的填充炸藥使用.HMX 是RDX 的同系物，比RDX綜合性能更好.RDX 為白色結(jié)晶物，不溶于水，微溶于苯、乙醚等，一定量的RDX 在遇到高溫、強(qiáng)烈撞擊等情況下會(huì)發(fā)生劇烈的爆炸，威力巨大，其爆炸力約是TNT 的1.5 倍;但在室溫下化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可以長(zhǎng)期存放.HMX 為白色晶體，具有α，β，γ，δ 這4 種晶型，常見(jiàn)的為β-HMX 型，不溶于水，其熔點(diǎn)為276～280 ℃，不吸濕，爆速、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性都非常好，撞擊感度比TNT 略高，生產(chǎn)工藝高求較高，是目前單質(zhì)猛炸藥中爆炸性能最好的一種.由于對(duì)彈藥爆炸性能的要求高，HMX 作為混合炸藥來(lái)使用也越來(lái)越多［10-11］.

在THz-TDS 的系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)工具首先要經(jīng)過(guò)酒精清洗，將約100 mg 的樣品研磨成細(xì)小的均勻顆粒，通過(guò)壓片機(jī)壓片，壓力約為30 MPa.樣品制成厚度小于1 mm，直徑為10 mm的圓盤(pán)狀(圖3).實(shí)驗(yàn)中，為了接近實(shí)際情況，沒(méi)有添加聚乙烯來(lái)降低吸收率，以獲取樣品的高頻吸收特性［4］.測(cè)試時(shí)將樣品放入透光效果好的塑料罩中，這樣可以降低周?chē)h(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品的影響.太赫茲波對(duì)塑料有很強(qiáng)的穿透性，因此這種處理樣品的方法是可行的.而且MINI-Z 系統(tǒng)對(duì)樣品的要求相對(duì)寬松，可以進(jìn)行這種方式的探測(cè)，既實(shí)現(xiàn)了測(cè)試環(huán)境的安全，又保證了測(cè)試結(jié)果的客觀可靠性［10］.

圖3 壓片式樣品Fig.3 Samples with pellet shape

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

采用的MINI-Z 太赫茲光譜儀的測(cè)試范圍是0.1～4.0 THz，大部分炸藥在太赫茲頻段都具有特征吸收趨勢(shì)和吸收峰.采用透射式測(cè)試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采樣間隔為0.004 ps，一次可以記錄的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為1 805.經(jīng)過(guò)后期試驗(yàn)驗(yàn)證，獲取的光譜數(shù)據(jù)在2.5 THz 以內(nèi)的測(cè)試結(jié)果較為可靠，因此在后期的數(shù)據(jù)處理中會(huì)做適當(dāng)截取［10］.測(cè)得的上述兩種炸藥的特征吸收譜如圖4 所示.

圖4 RDX 和HMX 的太赫茲吸收光譜Fig.4 Terahertz absorption spectra of RDX and HMX

測(cè)試樣品沒(méi)有添加聚乙烯粉末，使得在太赫茲波的高頻部分出現(xiàn)了較強(qiáng)的吸收.同時(shí)由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境中空氣濕度的影響，測(cè)得的吸收譜線產(chǎn)生了高頻部分的振蕩以及較高的吸收峰，但是并不影響吸收譜線的走勢(shì)和位置［12-13］.由于在實(shí)際環(huán)境中不會(huì)添加聚乙烯并且濕度的影響不可避免，因此采用數(shù)據(jù)處理的方法來(lái)解決以上產(chǎn)生的問(wèn)題.通過(guò)Origin8.0 軟件中的小波變換降噪處理工具對(duì)上述測(cè)量結(jié)果進(jìn)行降噪處理，經(jīng)過(guò)多次小波降噪處理后，結(jié)果表明Bior3.5 小波處理效果比較好［4］(處理后的吸收譜如圖5 所示)，炸藥的吸收趨勢(shì)變得明顯，吸收峰易于辨別.將測(cè)量得到的太赫茲吸收譜線經(jīng)過(guò)小波降噪處理后，可以看到RDX的吸收峰位置在0.80 THz，1.05 THz，1.37 THz和1.93 THz 處，HMX 的吸收峰位置在1.69 THz，1.76 THz 和2.18 THz 處.將測(cè)量結(jié)果與倫斯勒理工學(xué)院所測(cè)譜線(圖6)對(duì)比，結(jié)果顯示吸收譜線走勢(shì)基本一致，吸收峰位置在低頻部分一致性高，在超過(guò)2 THz 的較高頻段部分出現(xiàn)了一定量的的偏移，因此HMX 吸收峰位置取在1.69 THz 和1.76 THz 處，對(duì)于偏移較大的值進(jìn)行排除.

圖5 Bior3.5 小波降噪后的吸收譜圖Fig.5 Absorption spectra after Bior3.5 wavelet denoising

圖6 倫斯勒學(xué)院所測(cè)RDX 和HMX 太赫茲吸收譜Fig.6 RDX and HMX THz absorption spectra of rensselaer polytechnic institute

通過(guò)對(duì)RDX 和HMX 兩種炸藥的太赫茲時(shí)域光譜探測(cè)及小波降噪處理，得到了兩種炸藥的太赫茲吸收光譜，將所得吸收譜與其他組織的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了太赫茲吸收譜和吸收峰位置基本一致，證實(shí)了實(shí)驗(yàn)的正確性和可靠性.實(shí)驗(yàn)證明:不同的炸藥具有不同的吸收特征，測(cè)量確定的吸收特征(吸收趨勢(shì)、吸收峰)可用于鑒別炸藥的種類;而太赫茲波可以穿透大多數(shù)非金屬和非極性材料，例如地雷的外殼制作材料(塑料、木材等)，表明太赫茲波可以通過(guò)判斷炸藥的存在和類別來(lái)探測(cè)地雷，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是探測(cè)地雷的有效手段.目前，在世界上引發(fā)嚴(yán)重后果的主要是殺傷性地雷，而殺傷性地雷埋藏的深度淺，太赫茲探測(cè)受到水吸收和土壤散射的影響小［14-15］，因此更適用于實(shí)現(xiàn)對(duì)殺傷性地雷的準(zhǔn)確探測(cè).

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)是太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)地雷探測(cè)的初步應(yīng)用.利用MINI-Z 太赫茲光譜儀對(duì)RDX 和HMX 兩種炸藥進(jìn)行了探測(cè)，得到了它們的太赫茲吸收光譜，出現(xiàn)振蕩的譜線經(jīng)過(guò)小波降噪處理后得到了比較明顯的吸收趨勢(shì)和吸收峰，結(jié)果顯示吸收趨勢(shì)具有較高的一致性，吸收峰位置通過(guò)對(duì)比，選取了更為可靠的吸收峰值.實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)炸藥的吸收特性具有探測(cè)地雷的能力，同時(shí)也證明了數(shù)據(jù)的可靠性，可為太赫茲波用于地雷探測(cè)作基礎(chǔ)應(yīng)用.考慮到大部分炸藥在太赫茲頻段具有特征譜，并且太赫茲波對(duì)塑料、陶瓷等材料的強(qiáng)穿透性，因而通過(guò)識(shí)別炸藥的吸收譜來(lái)探測(cè)地雷具有可行性.太赫茲波探測(cè)地雷也可以利用光譜成像的方法，但隨著土壤深度的增加，圖像就會(huì)變得模糊破碎，并且對(duì)于成像材料的穿透性要求也高，因而利用炸藥吸收特征光譜的探測(cè)方法更具有本質(zhì)性.由于水的吸收和土壤顆粒的散射作用，太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)殺傷性地雷的探測(cè)精確性更高.利用太赫茲時(shí)域譜探測(cè)技術(shù)還需對(duì)實(shí)際環(huán)境進(jìn)行模擬，測(cè)量土壤的散射和水的吸收對(duì)太赫茲的影響程度，進(jìn)一步驗(yàn)證該技術(shù)對(duì)地雷探測(cè)的有效性.

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