布料的太赫茲波透射特性研究

王啟超,汪家春,王科偉,苗　雷,趙大鵬,劉　洋

（1.電子工程學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽合肥 230037；2.中國人民解放軍陸航部駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西西安 710065）

布料的太赫茲波透射特性研究

王啟超1*,汪家春1,王科偉2,苗雷1,趙大鵬1,劉洋1

（1.電子工程學院脈沖功率激光技術國家重點實驗室，安徽合肥 230037；2.中國人民解放軍陸航部駐西安地區(qū)軍事代表室，陜西西安 710065）

為獲得太赫茲波對常見衣物布料的穿透特性，基于布料的物理結構以及太赫茲波傳輸?shù)挠绊懸蛩?，建立了常見布料的太赫茲波傳輸模型，計算獲得了不同相對濕度條件下典型太赫茲波長對布料的透過率。隨后，利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)對棉質布料樣品進行透射實驗測試，獲得了布料在0.1～2 THz范圍內不同相對濕度條件下的透過率。通過理論計算結果與實驗測試結果的對比分析，驗證了該傳輸模型的有效性，獲得了太赫茲波對常見棉質布料的穿透特性。此外，在30%相對濕度條件下，實驗研究了多層棉質布料的太赫茲透射特性。研究結果表明，在可見光波段“不透明”的衣物布料，利用太赫茲波可實現(xiàn)良好的“透視”，但其對布料的穿透特性一定程度上受到環(huán)境相對濕度的影響，該研究對于衣物內隱藏危險物品的快速檢測具有重要意義。

太赫茲；布料；傳輸模型；透射實驗

1 引 言

太赫茲波（Terahertz或THz）是對一個特定波段的電磁波的統(tǒng)稱，由于其頻率在太赫茲量級（THz），所以被稱為太赫茲波。一般認為，它是指頻率在0.1～10 THz（對應波長3 000～30 μm）范圍內的電磁波，它是電子學向光子學過渡的頻段。在電磁頻譜中，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經比較成熟，但是太赫茲科學與技術還存在“空白”，在相當長的一段時期，很少有人問津電磁波譜中的這一波段，從而也就形成了科學家們通常所說的“太赫茲空隙”［1-2］。

近年來，太赫茲科學技術之所以引起人們廣泛的關注，首先是因為物質的太赫茲光譜包含著非常豐富的物理和化學信息，研究物質在該波段的光譜特性對于物質結構探究具有重要意義；其次是因為太赫茲波與可見光、紅外線、微波等其他波段的電磁波相比具有很多獨特的性質，有著潛在的應用價值和前景［3-5］。

太赫茲波具有獨特的瞬態(tài)性、高穿透性、寬帶性、相干性和低能性等特性。例如，太赫茲波的光子能量在毫電子伏量級，只是X射線光子能量的百萬分之幾，低于各種化學鍵的鍵能，因此太赫茲輻射不會導致光致電離而破壞被檢物質，非常適用于針對人體或其他生物體的活體檢測［6］。太赫茲波對水分子十分敏感，其對太赫茲輻射的強吸收有利于利用太赫茲成像技術實現(xiàn)對水分含量的檢測［7-8］。太赫茲波對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像的有效互補手段，可用于安檢和質檢過程中的無損檢測［9-10］。

同時，太赫茲光譜相干測量技術能夠直接測量太赫茲波的時域電場，通過傅立葉變換后能夠同時確定太赫茲脈沖電場在頻域的振幅和位相信息，從而可以給出被測物質的透射譜、吸收譜、消光系數(shù)、介電常數(shù)、電導率和折射率色散特性，對于材料光學性質的分析具有極大的幫助［11-12］。

近年來，恐怖襲擊在全世界范圍內日益猖獗且愈演愈烈，恐怖分子通常將炸彈、槍械以及刀具等危險物隱藏在衣物內并攜帶到機場、車站等人員密集的公共場所進行施暴，其危害性不言而喻。因此，探究一種可有效進行物質識別并可同時實現(xiàn)非接觸式無損探測的手段在安檢方面具有重要意義。太赫茲技術由于其獨特的穿透性和低能性，在該領域具有極大的應用潛力。

太赫茲波對衣物布料的穿透特性對于該探測手段的實現(xiàn)至關重要，然而有關該方面的研究報道相對較少。本文首先依據(jù)常見衣物布料的物理結構建立布料的太赫茲波傳輸模型，對不同相對濕度條件下的布料在太赫茲波段的透過率進行理論計算；隨后，利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測試單層棉質布料樣品在0.1～2 THz范圍內的透過率，并與理論模型獲得的結果進行比較分析；此外，對于多層棉質布料的透射特性進行實驗測試，并與單層布料測試進行了對比分析。

2 布料的太赫茲波傳輸模型

由于布料大多暴露于大氣環(huán)境中，其對大氣中水汽的吸收使其與周圍環(huán)境達到平衡狀態(tài)。通常認為布料紡線表面和紡線之間的空隙內充滿水汽。然而，氮氣作為大氣中含量最多的氣體，其吸收譜線的中心均處于太赫茲波段之外，故可不考慮其對太赫茲波傳輸?shù)挠绊?。另外，雖然二氧化碳分子的吸收譜線最為豐富，但其譜線強度比水汽小11個數(shù)量級，在建模過程中可忽略其影響［7］。因此，布料與太赫茲波的相互作用很大程度上受到水汽的影響。

2.1布料結構模型的建立

對于常見衣物布料，其紡織結構可類比于“籃筐”周期結構，如圖1所示。

圖1　含水分空隙的“籃筐”編織結構布料模型Fig.1 Model of simple basket woven fabric with water in interstitial voids

圖中，P為單元格的尺寸，H為位于單元格中心的空隙的有效尺寸。雖然部分布料的編織結構并不能完全描述為“籃筐”周期結構，但由于影響太赫茲波傳輸?shù)闹饕蛩厥瞧浔砻婧蛢炔靠障秲鹊乃?，而紡線表面和空隙內的水汽含量均隨環(huán)境相對濕度的變化而變化。

從相對濕度為0開始，隨著相對濕度的增加，紡線表面的水分含量會快速增加，紡線之間的空隙也被水汽快速充填。當相對濕度達到80%以上時，紡線幾乎被“浸透”，空隙被“填滿”，在高相對濕度區(qū)域，布料達到了“浸濕”狀態(tài)。

布料中水分含量與環(huán)境相對濕度之間的關系可由下式表示［13］：

式中，W為布料中水分含量，NRH為相對濕度。兩者之間的關系如圖2所示，當環(huán)境相對濕度達到80%以上時，布料的水分含量急劇增加。

圖2　布料中水分含量與環(huán)境相對濕度之間的關系Fig.2 Percent moisture in fabric as a function of relative humidity of atmosphere

2.2布料對太赫茲波的衰減

對于入射的太赫茲波，在位于單元格內的紡線表面發(fā)生反射，透過位于單元格中心的空隙，整個單元格對太赫茲波的吸收衰減可簡化為高損耗傳輸線模型［14］。通過這種周期結構的透過系數(shù)子和反射系數(shù)y可分別表示為：

單元格尺寸P由編織工藝和紡線尺寸確定。對于相同編織結構的布料，其內部空隙的尺寸H與單元格尺寸P以及布料中水分含量有關。因此，其為相對濕度的函數(shù)。在該模型中，H可表示為：

式中，Ktex為紡線的號數(shù)，是指長度為1 000 m的紡線在公定回潮率下重量的克數(shù)，其值越大，紡線越粗。根據(jù)式（2）～（6），可計算獲得布料的透過率。圖3為在1 THz（300 μm）波長上不同號數(shù)的布料在不同相對濕度條件下的透過率曲線。

圖3　不同號數(shù)的布料在不同相對濕度下的透過率（λ= 300 μm）Fig.3 Transmission of fabric with different denier number on different relative humidity levels（λ=300 μm）

由圖3可以看出，布料在1 THz頻率處的透過率隨環(huán)境相對濕度的增加而減小，因為隨著相對濕度的增大，布料中的水分含量W單調增大。對于同一號數(shù)紡線的布料，W的增大使得H減小，導致對太赫茲波的透過率減小。當相對濕度大于80%時，其透過率迅速減小。這主要是由于高相對濕度環(huán)境導致布料中的水分含量迅速增加，其對該波長處的太赫茲波具有較強的吸收［15］。其次，隨著布料紡線號數(shù)的增大，布料在該波長處的透過率逐漸減小，這是由于Ktex的增大使得H減小，從而布料整體對太赫茲波的反射增大，導致其透過率減小。

3 布料的太赫茲波透射實驗研究

在獲得太赫茲波對布料在不同相對濕度下的傳輸特性后，我們利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)對常見棉質布料樣品進行透射實驗測試，以驗證模型的有效性。

3.1實驗樣品與測試系統(tǒng)

實驗選用常見棉質布料，樣品尺寸為5 cm× 5 cm，其表面平整無缺陷。利用樣品夾將樣品夾持，保證樣品表面無褶皺和拉伸。利用測厚儀測得布料樣品的厚度為0.43 mm。

測試選用的太赫茲時域光譜系統(tǒng)所使用的激光源為瑞士OneFive公司生產的Origami系列低噪聲飛秒激光器，中心波長為1 040 nm，重復頻率為80 MHz，輸出功率為143.4 mW。系統(tǒng)的光譜測試范圍為0.1～2 THz，實驗裝置圖如圖4所示。

圖4　太赫茲時域光譜系統(tǒng)實驗裝置圖Fig.4 Experimental setup of THz time-domain system

為獲得該布料樣品的太赫茲波透過光譜，測試過程在吸收池內進行。布料樣品置于吸收池內，吸收池尺寸為10 cm×10 cm×10 cm，兩通光面各安裝太赫茲波片（1 in）。測試采用加充氮氣和加濕器的方法對樣品倉內的空氣濕度進行控制，從而獲得某一相對濕度環(huán)境，并利用濕度計測試樣品倉內的相對濕度。同時考慮到衣物等通常暴露于大氣環(huán)境中，而實際大氣通常處于中等相對濕度條件，因此，測試環(huán)境選擇相對濕度的范圍為20%～70%。

通過數(shù)據(jù)處理獲得布料樣品的太赫茲波透過光譜，從而獲得該布料樣品的透過率曲線，并與文中所建立的傳輸模型獲得的結果進行對比分析。

3.2測試結果與分析

圖5為相對濕度為30%時的參考信號（空氣）和布料樣品的太赫茲時域光譜，其記錄的是太赫茲脈沖電場隨時間的變化情況，經過傅里葉變換可得到脈沖的頻域分布，如圖6所示。

從圖5可以看出，在時域光譜中，有樣品時的時域信號峰值相對于參考信號存在一定的延遲，且峰值強度也存在一定的衰減。出現(xiàn)延遲的原因是布料在太赫茲波段的折射率大于空氣的折射率。在發(fā)射天線和探測天線位置固定的情況下，折射率的變化相當于增加了太赫茲脈沖的光程，而該系統(tǒng)中太赫茲脈沖的探測屬于相干探測，光程的增加導致等光程點的變化，增加的光程需要延遲線進行補償，因此出現(xiàn)了延遲現(xiàn)象。峰值強度的減小是由于樣品對太赫茲脈沖存在一定的衰減。

圖5　參考信號和布料樣品的太赫茲時域光譜Fig.5 THz time-domain spectra of reference signal and measurement signal of fabric sample

在圖6中，不同頻率處太赫茲脈沖的衰減程度不同，該頻域光譜為布料樣品和吸收池內空氣中的水汽對太赫茲脈沖的共同作用，由于測試環(huán)境不變，因此可利用頻域譜中測試信號和參考信號的比值得到布料樣品在0.1～2 THz范圍內的透過率，如圖7所示。

由圖7可以看出，布料樣品的透過率隨頻率增大而迅速減小。在1 THz以下，其透過率均在0.6以上，說明太赫茲波對常見衣物布料具有良好的穿透特性。同時，在整個測試波段，不存在特征吸收峰。在1 THz處，其透過率為0.629 2；而在圖3中，其值為0.642 7（Ktex=1.67，NRH= 30%）。其余相對濕度條件下的理論計算值和測試值見表1。

圖6　參考信號和布料樣品的太赫茲頻域光譜Fig.6 THz frequency-domain spectra of reference signal and measurement signal of fabric sample

表11　THz處不同相對濕度條件下布料樣品透過率的計算值與測試值對比（Ktex=1.67）Tab.1 Compare of theoretical and experimental transmission of fabric sample on different RH levels at 1 THz（Ktex=1.67）

可以看出，文中所建立的布料的太赫茲波傳輸模型的計算誤差在4%以下，表明了傳輸模型的有效性。

圖7　布料樣品的太赫茲光譜透過率Fig.7 THz transmission spectrum of the fabric sample

圖8　布料樣品的太赫茲吸收系數(shù)Fig.8 THz absorption coefficient of fabric sample

隨后，根據(jù)Dorney等提出的材料光學參數(shù)的提取方法［12］計算得到30%相對濕度條件下該布料樣品的太赫茲波吸收系數(shù)，如圖8所示?？梢钥闯觯剂蠘悠返奈障禂?shù)隨頻率的增大而增大，在1.6 THz以下，其值處于50/cm以下。

3.3多層布料的太赫茲透射特性分析與實驗

通過上文的分析可以看出，由于太赫茲波對布料良好的透過性，使得利用其進行隱藏物體的探測成為可能。但以上研究僅僅是針對單層布料進行的，而在實際情況中，衣物通常由兩層或多層布料組成，下面對多層布料情況進行分析。

人體自身會通過新陳代謝產生一定的熱量并與周圍環(huán)境進行熱交換，并通過各種調節(jié)方式來維持熱平衡和保持體溫。蒸發(fā)散熱作為多種調節(jié)方式之一，主要包括呼出水分的熱損失和皮膚表面的蒸發(fā)散熱損失。而皮膚表面散熱與環(huán)境相對濕度以及所穿著衣物的材質有關。當人們從低濕度環(huán)境進入高濕度環(huán)境時，衣物會吸收空氣中的水分，水分液化產生的潛熱會釋放到衣物中從而對人體的換熱產生影響。同樣，當從高濕度進入低濕度環(huán)境時，衣物會排濕出其中的水分，對衣物產生預冷作用，加速人體散熱，降低皮膚溫度。衣物材料的吸濕性和排濕性與衣物材質密切相關，會使人體在環(huán)境條件變化的一段時間后與環(huán)境達到熱平衡狀態(tài)，在此狀態(tài)下，衣物中的含水量僅與環(huán)境的相對濕度和衣物材質有關。對于實際多層布料情況，經過一段時間的熱交換之后，衣物、環(huán)境和人體將達到熱平衡狀態(tài)。

由圖7可知，棉質布料在0.1～2 THz范圍內并沒有特征吸收峰，其對太赫茲波的衰減主要源自紡線表面。因此，對于多層布料的衣物，在相同的相對濕度條件下，相當于多次透過單層布料，故衣物的透過率將減小；在不同的相對濕度條件下，隨著相對濕度的增大，單層布料的H將減小，其對入射波的反射將增大，經過多層布料之后，整體的透過率也將隨相對濕度的增大而減小。

為此，在30%相對濕度條件下，進一步對雙層、三層和四層棉質布料樣品的太赫茲光譜透過特性進行了實驗測試，測試樣品與單層樣品性質一致，測試結果如圖9所示，并與單層情況進行對比分析。

可以看出：（1）多層布料樣品的太赫茲光譜透過率與單層樣品的變化趨勢類似，在0.1～2 THz范圍內，不同層數(shù)布料樣品的透過率均隨著頻率的增大而減小，且不存在特征吸收峰；（2）隨著層數(shù)的增加，其透過率整體減小，但在0.1～1 THz范圍內，多層布料仍然具有良好的透過性，只是在強度方面存在一定差別。實驗測試結果與理論分析較為一致，說明太赫茲波能夠對“不透明”的衣物在一定程度上實現(xiàn)“透視”。該結果對于隱藏物檢測同樣具有一定的積極作用。

然而，在實際應用過程中，為實現(xiàn)快速非接觸式的隱藏物檢測，應當選取透過率較高的波長或波段；同時，由于實際大氣環(huán)境大多處于中等相對濕度條件，所以應避開水在太赫茲波段的強吸收峰，選擇太赫茲波段的“大氣窗口”進行檢測。

圖9　多層布料樣品的太赫茲光譜透過率Fig.9 THz transmission spectra of multilayers fabric sample

4 結 論

基于常見布料的物理結構建立了布料的太赫茲波傳輸模型，計算獲得了布料在不同相對濕度條件下的透過率。通過太赫茲時域光譜系統(tǒng)進行了透射實驗，測試獲得棉質布料樣品在0.1～2 THz范圍內不同相對濕度條件下的透過率，并與模型計算結果進行對比，模型的計算誤差小于4%，驗證了模型的有效性。此外，通過進一步對多層布料的透過特性進行測量，得到了類似的實驗結果。研究結果表明，棉質布料在太赫茲波段的吸收系數(shù)較小，具有良好的透過率，且不存在特征吸收峰。這對于利用太赫茲波進行衣物內隱藏物品的快速檢測具有一定參考意義。

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王啟超（1989-），男，陜西咸陽人，博士研究生，2014年于電子工程學院獲得碩士學位，主要從事太赫茲輻射傳輸方面的研究。

E-mail：wqc_wqc@126.com

Transmission Characteristic of Fabric in Terahertz Band

WANG Qi-chao1*，WANG Jia-chun1，WANG Ke-wei2，MIAO Lei1，ZHAO Da-peng1，LIU Yang1
（1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China；2.Military Representative Office of Army Aviation Department in Xi蒺an Area，Xi蒺an 710065，China）*Corresponding Author，E-mail：wqc_wqc@126.com

In order to acquire penetrability of terahertz（THz）for common fabric，transmission model of fabric at THz frequency was built and described，which was based on physical structure of it and various influencing factors on THz transmission in atmosphere，to calculate the transmittance of fabric at THz on different relative humidity（RH）levels.Then，transmission experiment about cotton sample on different RHs was conducted by using terahertz time-domain spectroscopy to obtain the transmittance of sample at 0.1-2 THz.The effectiveness and veracity of the model were verified by comparing the results of theoretical calculation and experiment.And transmission characteristic of THz for cotton fabric at different environmental conditions was obtained.In addition，transmission experiment of THz for multilayers fabric was conducted on 30%RH.The results show that the fabrics，which are opaque in visible region，are almost transparent in terahertz region.But the transmission characteristic is partly influenced by environmental RH.Therefore，this research is of significance in rapid detection and identification of concealed danger in cloth.

terahertz；fabric；transmission model；transmission experiment

O436.2；TN29

A

10.3788/fgxb20163706.0737

1000-7032（2016）06-0737-07

2016-01-19；

2016-03-21

預研基金（14Y023）資助項目