李 虹 李 彬 馬立鵬 王 勁
(1.云南省公安廳禁毒局,云南·昆明 650000;2.公安部第一研究所,北京 100048;3.北京中天鋒安全防護(hù)技術(shù)有限公司,北京 100048)
21世紀(jì)初,社會(huì)公共安全已成為國(guó)際各國(guó)政府關(guān)注的焦點(diǎn),各種主動(dòng)式安檢儀器設(shè)施相繼問(wèn)世,例如X射線探測(cè)技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、中子檢測(cè)技術(shù)等。然而研究表明,這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍存在一定的局限性。首先,為了獲得樣品的透射光信息,傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)通常需要高輻射當(dāng)量照射,而這種短波、強(qiáng)輻射普遍對(duì)人體組織和細(xì)胞具有一定的破壞性;其次,典型主動(dòng)式安檢儀器為了實(shí)現(xiàn)掃描成像探測(cè),系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜,程序運(yùn)算量大,對(duì)輻射源的安全性要求很嚴(yán),因此實(shí)際制作成本十分高昂,不利于便攜式使用;此外,現(xiàn)有安檢設(shè)備通常只能針對(duì)特定范圍物品、藥物等進(jìn)行檢測(cè),應(yīng)用領(lǐng)域比較有限,在實(shí)施安檢時(shí)往往需要伴隨著多種安檢手段。
為了有效突破上述傳統(tǒng)安檢技術(shù)的局限性,以太赫茲(Terahertz, THz)光譜成像為基礎(chǔ)的新型檢測(cè)技術(shù)近年來(lái)得到了廣泛關(guān)注。太赫茲波是一種波長(zhǎng)介于無(wú)線電波(微波)和短波紅外光之間電磁波譜,其波長(zhǎng)通常在0.1~10 THz (3.3cm-1~333.6cm-1),這種特殊波段使其在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)會(huì)同時(shí)具有微波和紅外光的傳輸特性(1)L. Xie, Y. Yang, Y. Ying. The application of terahertz spectroscopy to liquid petrochemicals detection: A review[J]. Applied Spectroscopy Reviews, 49(5), 448-461. (2014).Griffin, Steven T. , and K. A. Krapels . Aplanatic THz imaging[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 6949:69490H-69490H-8. (2008).H. Guerboukha, K. Nallappan, M. Skorobogatiy. Toward real-time terahertz imaging[J]. Adv. Opt. Photon., 10(4), 843-938. (2018).。由于其波長(zhǎng)比微波短,因此可以實(shí)現(xiàn)亞毫米級(jí)的高分辨率成像;另一方面,太赫茲光波可以對(duì)液體、固體大分子材料發(fā)生強(qiáng)烈的共振相互作用,因此對(duì)于探測(cè)和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)具有重要作用。特別是在生物檢測(cè)、在線安檢等領(lǐng)域,利用太赫茲光譜探測(cè)可以反映樣品的種類、材料、結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征。第三,太赫茲光波不會(huì)對(duì)生物組織、易爆易燃物等產(chǎn)生光致?lián)p害,是一種典型的無(wú)傷探測(cè)手段。
太赫茲光波的產(chǎn)生和接收一直以來(lái)是制約太赫茲光譜成像發(fā)展的關(guān)鍵,本節(jié)針對(duì)目前使用范圍最廣、最具代表性的典型太赫茲源和太赫茲探測(cè)器進(jìn)行闡述。
20世紀(jì)80年代后期,貝爾實(shí)驗(yàn)室D. H. Auston和P. R. Smith(2)S.C. Zhong, J. Li, Z. H. Zhai, L.G. Zhu, J. Li, P.W. Zhou, J. H. Zhao, Z. R. Li. Generation of 0.19-mJ THz pulses in LiNbO3 driven by 800-nm femtosecond laser[J]. Opt. Express. 24(13), 14828-14835. (2016).首次利用超短脈沖激光器產(chǎn)生了太赫茲脈沖。此后,研究人員利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)(即采用飛秒激光脈沖照射半導(dǎo)體材料表面的偶極天線電極會(huì)激發(fā)大量的電子-空穴對(duì),這種激發(fā)的電子-空穴對(duì)會(huì)發(fā)生快速?gòu)?fù)合,從而產(chǎn)生變化極快的光電流并輻射太赫茲脈沖),研發(fā)了多種高輸出功率的太赫茲脈沖輻射源(太赫茲源),在時(shí)域太赫茲光譜成像領(lǐng)域具有極其重要的研究意義。目前,典型的太赫茲脈沖寬度可以達(dá)到ps量級(jí),光譜寬度可以達(dá)到0.1-3THz,脈沖能量最高可以達(dá)到0.4mJ。然而,由于飛秒脈沖激光器的成本高昂,對(duì)周圍環(huán)境、冷卻設(shè)備等要求很高,因此這種太赫茲激發(fā)技術(shù)仍普遍處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段。
利用光學(xué)材料的非線性效應(yīng)使不同振蕩頻率的光波相干疊加,形成差頻THz輻射光是產(chǎn)生穩(wěn)定太赫茲輻射的一種更實(shí)用、方便、低廉的技術(shù)途徑。一般地,按照不同的差頻實(shí)現(xiàn)機(jī)理,差頻太赫茲發(fā)生器可以細(xì)分為單激光器雙波長(zhǎng)差頻發(fā)生器、雙激光器雙波長(zhǎng)差頻發(fā)生器,以及可以實(shí)現(xiàn)更高調(diào)諧能力的調(diào)制窄帶THz發(fā)生器(OPO)。OPO技術(shù)通過(guò)改變晶體光軸的方向、閑頻光的振蕩腔場(chǎng)方向等, 可以大幅拓展THz輻射波的調(diào)諧范圍,相比于飛秒脈沖激發(fā)太赫茲技術(shù),這種太赫茲激發(fā)方法具有實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)諧范圍寬、線寬窄的優(yōu)勢(shì)。
此外,為了實(shí)現(xiàn)更加便攜、穩(wěn)定的太赫茲光源,以量子級(jí)聯(lián)激光器(Quantum cascade Laser, QLC)、電子固體振蕩器(Electronic solid-state oscillators)以及反向振蕩器(Backward wave oscillators, BWOs)為首的多種太赫茲光源也得到了快速發(fā)展。
太赫茲探測(cè)器對(duì)于實(shí)現(xiàn)高靈敏度、低噪聲的太赫茲光譜成像具有重要意義。按照原理不同,太赫茲光譜探測(cè)技術(shù)基本可以分為兩類:基于像素陣列的太赫茲探測(cè)技術(shù)(例如焦平面探測(cè)陣列FPA等)和基于半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換的無(wú)像素成像探測(cè)技術(shù)。
近年來(lái),低噪聲等效功率的FPA的發(fā)展,使其成為目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣的太赫茲直接探測(cè)設(shè)備。FPA的工作原理主要是基于光電效應(yīng),通過(guò)感光元件將接收到的太赫茲光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)并進(jìn)行積分放大、采樣保持等,最終送達(dá)顯示系統(tǒng)形成灰度圖像。這種光電效應(yīng)原理構(gòu)成的THz-FPA,具有傳統(tǒng)紅外焦平面器件的特性。同時(shí)由于太赫茲光波長(zhǎng)普遍長(zhǎng)于近紅外波段,光波能量較弱,因此為了保證足夠的探測(cè)靈敏度,F(xiàn)PA的幀頻一般在25~50 Hz,無(wú)法實(shí)現(xiàn)高速探測(cè);同時(shí),這種探測(cè)器的響應(yīng)波段一般較窄,難以實(shí)現(xiàn)寬波段響應(yīng);此外,在讀取數(shù)據(jù)時(shí),重復(fù)的制冷、制熱操作會(huì)嚴(yán)重破壞探測(cè)器中的讀出電路器件。
相比于FPA,基于半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換的無(wú)像素探測(cè)技術(shù)(Pixelless detection)由于不需要讀出電路,因此可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定的太赫茲探測(cè)。這種探測(cè)器沒(méi)有單獨(dú)的像素單元,直接采用整塊探測(cè)單元進(jìn)行探測(cè),從而有效簡(jiǎn)化了制造工藝,降低了研發(fā)成本。在具體探測(cè)時(shí),整個(gè)圖像會(huì)同時(shí)到達(dá)探測(cè)器,并通過(guò)半導(dǎo)體二極管進(jìn)行存儲(chǔ)。
太赫茲光波,作為一種電磁波,具有與可見(jiàn)光、紅外線等相似的成像特性,在相干場(chǎng)和非相干光場(chǎng)下,均可以實(shí)現(xiàn)很好的成像效果。特別地,由于太赫茲光波具有某些紅外波段的屬性,例如穿透性、親水性,因此可以很好地對(duì)隱藏目標(biāo)進(jìn)行探測(cè);此外,由于太赫茲光波可以與液體、固體大分子的振動(dòng)能級(jí)、化學(xué)鍵等發(fā)生強(qiáng)烈的共振相互作用,因此,利用太赫茲光脈沖可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某些危險(xiǎn)品,例如爆炸物、毒品、刀具等進(jìn)行光譜成像。本節(jié)主要針對(duì)太赫茲光譜成像技術(shù)及其安檢領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述。
1.太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz Time Domain Spectroscopy,THz-TDS)
經(jīng)過(guò)三十多年的發(fā)展,THz-TDS已經(jīng)在國(guó)防安全、醫(yī)藥診斷、食品檢測(cè)等領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。太赫茲光波與某些分子的化學(xué)鍵會(huì)發(fā)生共振吸收,通過(guò)測(cè)量樣本在太赫茲譜下的光譜曲線,可以獲得其特征吸收線,從而建立完備數(shù)據(jù)庫(kù)。安檢中,通過(guò)匹配檢測(cè)樣品的特征吸收線與樣本數(shù)據(jù)庫(kù),可以快速識(shí)別隱藏物的種類和位置。
圖1(a) 是一種典型的THz-TDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。2012年,華沙軍事科技大學(xué)Norbert Palka等人采用800 nm飛秒脈沖激光泵浦半導(dǎo)體材料,產(chǎn)生了太赫茲輻射光束。飛秒激光器的輸出光經(jīng)過(guò)分束器分為2束,一束作為探針光束利用光學(xué)延遲線對(duì)不同時(shí)刻的太赫茲信號(hào)光進(jìn)行采樣;另一束作為太赫茲光譜捕獲光路?;诠怆妼?dǎo)原理或者光學(xué)材料的非線性效應(yīng)等產(chǎn)生太赫茲光脈沖。太赫茲光脈沖經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)與待測(cè)樣本發(fā)生相互作用,產(chǎn)生的太赫茲反射或透射信號(hào)經(jīng)后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)太赫茲探測(cè)器,配合探針光束完成信號(hào)采集,獲得太赫茲時(shí)域信號(hào)(如圖1(b)所示),然后采用快速傅里葉變換方式計(jì)算出樣品的太赫茲譜曲線(如圖1(c)所示)。
(a)系統(tǒng)光路圖,(b)太赫茲時(shí)域信號(hào),(c)太赫茲頻譜
THz-TDS具體操作時(shí),首先采用如圖4(a)所示光路對(duì)無(wú)樣品下的環(huán)境進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算求取參考環(huán)境下的太赫茲復(fù)頻譜(Er(ω));然后將待測(cè)樣本放入系統(tǒng)中,測(cè)量此時(shí)太赫茲復(fù)頻譜(Es(ω)),最終可以得到樣本的透射光譜和吸收光譜,并根據(jù)光束傳播模型推斷樣品的材料、結(jié)構(gòu)、位置等特性。針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求,除了透射式TDS系統(tǒng),近年來(lái)反射式、全反射式、寬帶TDS系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。
在安檢領(lǐng)域,由于爆炸物的組成分子的在THz波段普遍存在特征峰位,而太赫茲波對(duì)一些非極性材料例如紙、塑料、陶瓷和木材等具有穿透性,因此THz-TDS技術(shù)可以對(duì)隱藏在容器、包裹內(nèi)的物品進(jìn)行探測(cè)。同時(shí),由于組成爆炸物分子材料的成分不同,其太赫茲吸收特征線(吸收峰)的分布是不同的,因此可以對(duì)是否含有爆炸物以及爆炸物的種類進(jìn)行判斷。圖2所示為幾種不同爆炸物(RDX、PETN、HMX和TNT)的太赫茲吸收譜(4)M. Hangyo ,M. Tani, T. Nagashima. Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26(12):1661-1690. (2005).,在1-4 THz之間,四種爆炸物的太赫茲吸收峰是不同的,例如:RDX其吸收峰主要位置為0.72、1.26、1.73,和6THz, PETN吸收峰最高位置為1.98、2.12THz。
圖2 四種爆炸物成分的太赫茲吸收譜(5)M. Hangyo ,M. Tani, T. Nagashima. Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26(12):1661-1690. (2005).
除了爆炸物的檢測(cè),THz-TDS技術(shù)對(duì)于毒品的檢測(cè)也具有一定的適用性,如圖3所示。從對(duì)應(yīng)的THz-TDS光譜曲線可以看到,雖然包裝的材料、種類均不相同,但每一條光譜曲線都在0.82THz位置產(chǎn)生明顯的吸收峰。因此,在安檢過(guò)程中通過(guò)探測(cè)0.82 THz位置的吸收光譜可以對(duì)隱藏的可卡因毒品進(jìn)行檢測(cè)。
圖3不同包裝隱藏下毒品樣品的太赫茲吸收譜(6)A. G. Davies, A. D. Burnett, W. Fan, E. H. Linfield, J. E. Cunningham. Terahertz spectroscopy of explosives and drugs[J]. Materials Today, 11(3):18-26.(2008).
2.太赫茲成像技術(shù)(THz imaging)
在THz-TDS的應(yīng)用中,由于脈沖式太赫茲源能量很低,需要探測(cè)器具有較高的靈敏度和較長(zhǎng)的積分時(shí)間,因此無(wú)法滿足機(jī)場(chǎng)、火車站、地鐵等大流量區(qū)域的安檢要求。研究表明,連續(xù)性太赫茲光源由于具有較高的輸出功率,可以有效地用于實(shí)時(shí)高分辨率太赫茲成像,實(shí)現(xiàn)安全、快速、便攜的安檢。
一般地,根據(jù)成像方式的不同,太赫茲成像大體可以分主動(dòng)式成像和被動(dòng)式成像。其中被動(dòng)式成像主要通過(guò)探測(cè)樣品本身輻射的太赫茲光進(jìn)行探測(cè),如圖4(a)所示。由人體輻射的太赫茲光波,經(jīng)過(guò)空氣傳播至距離為z的太赫茲探測(cè)器并借助縱向掃描機(jī)制,實(shí)現(xiàn)全視場(chǎng)成像。Marcin Kowalski指出,在自然環(huán)境內(nèi),人體溫度通常要高于周邊環(huán)境溫度,因此人體會(huì)輻射出較強(qiáng)的太赫茲光波,這一點(diǎn)與其他材料例如金屬、電介質(zhì)等的輻射特征很不相同;另外,由于太赫茲光波對(duì)常見(jiàn)的布料、紙等具有很強(qiáng)的穿透性,因此可以實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。如圖4(b)和圖4(c)所示,隱藏在衣服內(nèi)的匕首在太赫茲圖像中清晰可見(jiàn)。
(a)成像示意圖,(b)和(c)分別為人體模型的太赫茲圖像和可見(jiàn)光圖像
雖然這種被動(dòng)式成像理論上比較簡(jiǎn)單,但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在很多問(wèn)題。首先,人體發(fā)出的太赫茲輻射一般比較弱,受限于現(xiàn)有太赫茲探測(cè)器靈敏度、光子噪聲等影響,成像分辨率較低;其次,由于受環(huán)境的太赫茲輻射干擾,系統(tǒng)成像噪聲一般比較大,圖像信噪比較低。為提高被動(dòng)式太赫茲成像系統(tǒng)的可靠性和實(shí)用性,針對(duì)被動(dòng)式太赫茲成像體系,研究人員相繼研發(fā)了多種圖像增強(qiáng)方法,例如小波降噪、直方圖均衡化、邊緣濾波、圖像分割等方法,一定程度提高了成像質(zhì)量,降低了圖像噪聲。
在主動(dòng)式太赫茲成像系統(tǒng)中,由于太赫茲輻射源具有較高的輻射功率,成像質(zhì)量較被動(dòng)式太赫茲成像得到大幅提高。同時(shí),太赫茲輻射光束的強(qiáng)相干特性,使其在全息成像、CT成像、無(wú)透鏡成像、太赫茲干涉成像等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。
主動(dòng)式太赫茲成像系統(tǒng)主要包括:穩(wěn)定連續(xù)太赫茲發(fā)生器,光束整形模塊、聚焦光路、太赫茲探測(cè)光路(通常采用焦平面陣列FPA)以及機(jī)械掃描控制系統(tǒng)。按照成像方式的不同,主動(dòng)式太赫茲成像大體上可以分為兩類,即透射式成像和反射(散射)式成像,如圖5所示。研究表明,對(duì)于某些表面粗糙度分布不同的隱藏目標(biāo)成像時(shí),相對(duì)于透射系統(tǒng),反射系統(tǒng)不僅可以識(shí)別隱藏目標(biāo),還能得到隱蔽目標(biāo)的表面特性。特別是在小型的安檢設(shè)備中,采用反射式系統(tǒng)可以大幅減小安檢設(shè)備的體積,有效降低系統(tǒng)的研制成本。
(a)透射成像,(b)反射(散射)成像
采用主動(dòng)太赫茲光源照明,當(dāng)樣品和探測(cè)器的接收距離在3米范圍內(nèi)時(shí),大氣的衰減和散射近似忽略不計(jì),因此可以對(duì)一些被郵件、包裹等隱藏的武器、爆炸物、毒品進(jìn)行快速檢測(cè),如圖6所示。由于金屬與人體對(duì)太赫茲光譜的反射、散射能力的不同,隱藏在衣服內(nèi)的金屬被輕易發(fā)現(xiàn)。
圖6 對(duì)隱藏有不同間距鋁膜的人體的太赫茲成像(9)A. N. Perov, K. I. Zaytsev, I. N. Fokina, V. E. Karasik, E. V. Yakovlev, S. O. Yurchenko. BWO based THz imaging system[J]. Journal of Physics Conference Series, 486(1): 012027. (2014).
太赫茲安檢技術(shù)已經(jīng)從早期的基礎(chǔ)驗(yàn)證逐步過(guò)渡到了初步應(yīng)用階段。20世紀(jì)末,以歐美為主的研發(fā)團(tuán)隊(duì)利用太赫茲光波的特性,率先開(kāi)展了太赫茲安檢設(shè)備的研究工作并取得了豐碩成果。
在人體安檢領(lǐng)域,2009年,英國(guó)ThruVision公司開(kāi)發(fā)了一種新型太赫茲安檢系統(tǒng)ThruVision T4000,可以快速篩選出隱藏在塑料、復(fù)合材料、陶瓷、金屬、液體內(nèi)的炸彈或其他威脅物品。該系統(tǒng)可以在3~15m的安全距離內(nèi)對(duì)人群成像,并能隱蔽篩選出隱藏不明物體人員;2011年,美國(guó)L3公司研制了一種人體安檢儀ProVision 2,可以實(shí)現(xiàn)1.5s內(nèi)的旅客安檢,對(duì)包括金屬和非金屬在內(nèi)的多種航空威脅目標(biāo)、液體、粉末等均可檢測(cè)。相比于ProVision 2,美國(guó)Northrop Grumman公司研發(fā)的NGC系統(tǒng)不需要主動(dòng)太赫茲源,通過(guò)檢測(cè)目標(biāo)自身的太赫茲輻射波,利用太赫茲波段的穿透能力實(shí)現(xiàn)人體藏匿危險(xiǎn)物的檢測(cè)。
在包裹安檢方面,2013年,德國(guó)弗勞恩霍夫物理測(cè)試技術(shù)研究所(IPM)與Hübner公司聯(lián)合研制了代號(hào)為“T-COGNITION”的太赫茲信件安檢設(shè)備。這款設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)通過(guò)分析透過(guò)信件的太赫茲信號(hào),確定其太赫茲“手印”,進(jìn)而經(jīng)過(guò)與數(shù)據(jù)庫(kù)的比對(duì),確定信件內(nèi)是否存在危險(xiǎn)品如爆炸物、毒品等。
雖然國(guó)內(nèi)太赫茲安檢技術(shù)起步比較晚,但是近幾年也涌現(xiàn)出多種高性能的太赫茲安檢設(shè)備,打破了西方國(guó)家的技術(shù)壟斷,部分研發(fā)產(chǎn)品已經(jīng)在機(jī)場(chǎng)、地鐵、博覽會(huì)等人流量大、人員相對(duì)復(fù)雜的公共場(chǎng)所成功應(yīng)用。2014年,中電三十八所研發(fā)出國(guó)內(nèi)首臺(tái)太赫茲人體安檢儀。利用該安檢儀,在不侵害乘客隱私情況下,可以實(shí)現(xiàn)1~2秒快速安檢。2015年,博微科技在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)了TeraSnap人體安檢系統(tǒng),采用自動(dòng)感應(yīng)掃描方式,檢測(cè)時(shí)間縮短至1秒,空間分辨率達(dá)到1厘米。2016年,同方威視研發(fā)了一款新型人體安全檢查系統(tǒng)MW1000AA。該系統(tǒng)采用主動(dòng)式毫米波成像技術(shù)和自動(dòng)識(shí)別技術(shù),無(wú)須特殊移動(dòng),可以靜止2秒完成掃描。該產(chǎn)品能自動(dòng)探測(cè)出藏匿于衣物及人體體表的金屬/非金屬危險(xiǎn)品。除此之外,公安部第一研究所、OBE公司、華訊方舟、中電五十所等多家研發(fā)單位也在積極開(kāi)展太赫茲安檢設(shè)備研發(fā)。