太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用研究

王 彪， 劉 偉， 于 淼， 楊秋臨， 劉德峰， 高云端

(1.航空工業(yè)北京長城航空測控技術(shù)研究所，北京 101111； 2.狀態(tài)監(jiān)測特種傳感技術(shù)航空科技重點實驗室，北京 101111)

太赫茲輻射(Terahertz，簡稱THz)通常是指頻率范圍在0.1～10 THz的電磁波，其波段位于毫米波與紅外波段之間，處于光學(xué)和電學(xué)之間[1]。20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的產(chǎn)生與探測方法，人們幾乎不了解太赫茲波段相關(guān)的知識，太赫茲技術(shù)的發(fā)展也因此十分緩慢。之后，超快飛秒激光技術(shù)快速發(fā)展，太赫茲輻射擁有了穩(wěn)定的泵浦光源，太赫茲技術(shù)隨之開始快速發(fā)展，世界上多個國家和地區(qū)先后展開對太赫茲技術(shù)的研究，并制定自己的發(fā)展規(guī)劃。2004年，美國政府將太赫茲科技評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一，多所大學(xué)和實驗室開展太赫茲科學(xué)技術(shù)相關(guān)的研究工作，并對其進行了大規(guī)模的投入；2005年，日本政府將太赫茲技術(shù)列為本國未來十年10項重大關(guān)鍵技術(shù)之首；同年，我國政府組織召開了“香山科技會議”，擬定了我國自己的發(fā)展規(guī)劃[2]。世界各地的科研學(xué)者分別從自己的研究方向開展太赫茲領(lǐng)域的研究。

太赫茲輻射在電磁波譜中占有很特殊的位置，既處于宏觀經(jīng)典電磁理論到微觀量子理論的過渡區(qū)間，又處于電子學(xué)到光子學(xué)的過渡區(qū)間，因此相對于其他波段的電磁波，太赫茲輻射具有以下幾種特殊的性質(zhì)。

① 穿透性：太赫茲輻射對大部分電介質(zhì)和非極性物質(zhì)(例如，塑料、陶瓷、紙張、衣物等)具有很好的穿透能力[3]，可對此類物體和材料進行隱蔽物成像與檢測，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效補充。

② 能量低：太赫茲輻射的光子能量只有X射線(千電子伏特)的百萬分之一[4]，不會對物體尤其是生物組織產(chǎn)生危害，非常適用于人體或其他生物樣品的活體檢查。

③ 懼水性：大多數(shù)極性分子(如水分子、氨分子等)在太赫茲波段有很強的吸收，可以測量它們的太赫茲特征譜來研究其組成成分[5-7]。一般情況下，借助太赫茲輻射研究人體組織中的水分含量，就可以區(qū)分正常組織和腫瘤組織，從而確定腫瘤的位置[8]。

除此之外，太赫茲輻射還具有指紋光譜豐富、瞬態(tài)性和相干性好及寬帶大等優(yōu)異的特性。由于這些特性，太赫茲輻射在安全檢查[9-11]、生物檢測[12-14]和無損檢測[15-18]等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，太赫茲輻射的應(yīng)用主要集中在太赫茲時域光譜技術(shù)和太赫茲成像技術(shù)這兩方面，其中太赫茲成像技術(shù)更利于實際應(yīng)用，在安全檢測、生物醫(yī)學(xué)和無損檢測等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用價值和發(fā)展前景，且已經(jīng)在某些領(lǐng)域?qū)嶋H投入使用。此前，張存林等[19]從不同分類的角度出發(fā)對太赫茲成像技術(shù)進行了總結(jié)，筆者則根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同對太赫茲成像技術(shù)進行簡單的概述。

1 太赫茲成像技術(shù)

與其他波段的電磁輻射一樣，太赫茲波可以被用來對物體成像，且由于太赫茲波具有高穿透性、低能性等特性，太赫茲成像相比其他波段更具優(yōu)勢。太赫茲成像的基本原理是利用太赫茲成像系統(tǒng)對被測樣品的透射信號或反射信號中包含的信息(振幅信息或相位信息)進行簡單數(shù)據(jù)處理及分析，進而得到樣品的太赫茲圖像。

1995年，Hu等[20]在原有太赫茲時域光譜系統(tǒng)(TDS)的基礎(chǔ)上加入了一個放置樣品的二維平移臺，第一次實現(xiàn)了對物體的脈沖太赫茲波成像，觀察到了電路芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和樹葉的脈絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。實驗系統(tǒng)如圖1(a)所示，太赫茲脈沖透射穿過樣品后攜帶的信息會產(chǎn)生改變，通過數(shù)據(jù)處理就可以提取樣品的電場信息。使用二維掃描平移臺改變樣品位置，單像素探測器接收通過樣品相應(yīng)位置的太赫茲信號，將所有的太赫茲信號集合在一起，最終構(gòu)建樣品的太赫茲圖像。圖1(b)展示了新鮮樹葉和放置兩天后的樹葉的太赫茲圖像，從圖1(b)中可以明顯看到樹葉的脈絡(luò)及其水分的流失情況。Hu等的研究證明了使用太赫茲輻射進行成像的可能性，開啟了人們研究太赫茲成像技術(shù)的大門。

圖1 脈沖太赫茲成像技術(shù)

此后，經(jīng)過20多年的快速發(fā)展，太赫茲成像技術(shù)的研究越來越成熟，脈沖波太赫茲成像技術(shù)、連續(xù)波太赫茲成像技術(shù)、太赫茲層析成像技術(shù)、太赫茲近場成像技術(shù)和太赫茲全息成像技術(shù)等先后被報道。雖然成像方法多種多樣，但其應(yīng)用主要集中在安全檢測、生物醫(yī)學(xué)和無損檢測這3個領(lǐng)域。

2 太赫茲成像技術(shù)的應(yīng)用

2.1 安全檢查

太赫茲輻射對大部分電介質(zhì)材料和非極性物質(zhì)具有很好的穿透能力，能有效探測和識別出隱藏在包裹、信件和衣服中的金屬刀具、槍支和毒品等危險品，且太赫茲輻射的單光子能量低，不會對物體尤其是活體生物產(chǎn)生危害，因此太赫茲成像技術(shù)非常適用于安全檢查領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景與研究價值，是X射線成像技術(shù)和超聲波成像技術(shù)的有效補充。太赫茲成像技術(shù)中，對于脈沖波太赫茲成像技術(shù)和連續(xù)波太赫茲成像技術(shù)的相關(guān)研究最成熟、實用性最強。2003年，Kawase等[21]利用太赫茲成像技術(shù)成功檢測和識別出隱藏在信封中的非法藥物，如圖2所示。通過脈沖太赫茲成像系統(tǒng)獲得藥物樣品的吸收光譜，進行簡單的數(shù)據(jù)處理得到其透射太赫茲圖像，確定其空間分布。對日本使用最廣泛的非法藥物甲基苯丙胺和搖頭丸，以及合法藥物阿司匹林進行了成像檢測，從圖2(a)中可以看到，聚乙烯小袋從左至右分別裝有：搖頭丸、阿司匹林和甲基苯丙胺。在成像過程中將袋子放在信封內(nèi)。黃線區(qū)域表示成像范圍，由于三者均為白色粉末，因此很難對其進行無損檢測與分辨，但是三者對太赫茲波的吸收不同，使用太赫茲成像技術(shù)可以很好地進行無損檢測及分辨。如圖2(b)、圖2(c)所示，可以看到3種藥物對不同頻率的太赫茲的吸收都不同。研究證明太赫茲成像技術(shù)可以用于非法藥物的無損檢測，但由于需要采集的信息豐富，成像所需的時間較長。

圖2 藥物樣品及其太赫茲圖像

2005年，Karpowicz等[22]搭建了可應(yīng)用于安檢的小型化連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)，利用此系統(tǒng)實現(xiàn)了對隱藏在公文包中刀具的檢測，如圖3所示。與前面所述的脈沖波太赫茲成像系統(tǒng)不同，連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)只采集太赫茲波的強度信息，因此結(jié)構(gòu)更加簡單，更利于實際應(yīng)用。系統(tǒng)中采用透鏡對太赫茲波進行聚焦，然后移動樣品進行掃描成像，構(gòu)建樣品的太赫茲圖像。從成像結(jié)果可以看出，系統(tǒng)可以清楚地對隱藏在公文包中的刀具進行成像檢測，這表明太赫茲成像技術(shù)可以對危險隱蔽物進行有效檢測，非常適用于安全檢測領(lǐng)域。

圖3 隱藏在公文包中刀具的檢測

國內(nèi)方面，2008年，袁宏陽等[23]利用返波振蕩器太赫茲源和熱釋電探測器搭建了透射式連續(xù)太赫茲成像系統(tǒng)，并對隱藏在信封內(nèi)的硬幣等物體進行成像，如圖4所示。圖4(b)為使用此系統(tǒng)對隱藏在信封內(nèi)的曲別針、硬幣等物體的成像結(jié)果，從圖4(b)中可以清楚地看到這些物體的太赫茲圖像。2010年，Ding等[24]搭建了2.52 THz透射掃描成像系統(tǒng)，如圖5所示。圖5(a)為透射掃描成像系統(tǒng)的示意圖，離軸拋物面反射鏡將太赫茲光束聚焦于樣品表面，二維平移臺控制樣品移動進行逐點掃描，探測器接收透過樣品的太赫茲光束，最后使用計算機構(gòu)建樣品完整的太赫茲圖像;圖5(b)為使用成像系統(tǒng)對金屬刀片進行成像的結(jié)果。利用該系統(tǒng)他們對多種物體進行了穿透成像實驗，并進行了遮擋物成像對比分析。之后，國內(nèi)研究組分別從成像分辨率和成像速度方面對太赫茲成像系統(tǒng)進行了優(yōu)化。

雖然以上介紹的成像系統(tǒng)都成功對物體進行了成像，但是由于采用透鏡聚焦、逐點掃描方法進行成像，導(dǎo)致成像面積較小、成像速度較慢，并不利于實際應(yīng)用。為了解決這一問題，研究人員提出了太赫茲雷達(dá)成像技術(shù)，2009年，Song等[25]報道了一種快速連續(xù)波太赫茲(CW-THz)成像系統(tǒng)，如圖6所示。在原來的成像系統(tǒng)中引入了一個可旋轉(zhuǎn)振鏡，太赫茲光束經(jīng)過聚乙烯透鏡進行準(zhǔn)直，通過硅片、金屬反射鏡到達(dá)可旋轉(zhuǎn)振鏡后以不同的角度反射，最后被另一個大聚乙烯透鏡聚焦，進行掃描成像。與傳統(tǒng)的太赫茲成像系統(tǒng)相比，在太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)中通過控制振鏡的轉(zhuǎn)動頻率，使聚焦之后的太赫茲光斑瞬間掃過整個樣品，因此可以極大地減少圖像采集時間。太赫茲雷達(dá)成像技術(shù)不僅縮短了太赫茲成像的時間，同時也使擴大成像面積成為可能，極大地推動了太赫茲成像技術(shù)的實際應(yīng)用。

圖4 透射式太赫茲成像系統(tǒng)及隱蔽物成像

圖5 2.52 THz透射掃描成像系統(tǒng)及隱蔽物成像

圖6 快速連續(xù)波太赫茲(CW-THz)成像系統(tǒng)

2014年以來，一些歐美公司及中國電子科技集團公司第38研究所先后研發(fā)出了太赫茲人體安檢儀，并投入了實際應(yīng)用，已經(jīng)真正實現(xiàn)了太赫茲成像技術(shù)在安全檢查領(lǐng)域的實際應(yīng)用。

2.2 癌癥檢測

世界衛(wèi)生組織的統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球所有死亡病例中就有1/8的人死于癌癥[26]。并且全球癌癥發(fā)病率一直在上升，每年有超過1200萬人被確診患上癌癥，且大多數(shù)患者被確診時已經(jīng)是癌癥中晚期，因此提高檢測水平是癌癥及時治療的必要保證。目前，癌癥的診斷主要依賴于組織病理學(xué)檢查，但是病理學(xué)診斷價格昂貴，且不能夠保證診斷完全準(zhǔn)確。太赫茲成像技術(shù)因具有對水靈敏度高、對人體無害和空間分辨率高等特性，所以可以用于癌癥診斷。

2006年，F(xiàn)itzgerald等[27]使用太赫茲脈沖成像技術(shù)對22例切除的人體乳腺組織標(biāo)本進行成像，如圖7所示。其中圖7(b)的虛線框表示用太赫茲成像的組織區(qū)域。將太赫茲圖像上的腫瘤區(qū)域的大小和形狀與組織病理學(xué)檢查確定的區(qū)域進行了比較，研究了兩個圖像參數(shù)：太赫茲脈沖函數(shù)的最小值(Emin)和太赫茲脈沖函數(shù)的最小值與最大值之比(Emin/Emax)。研究發(fā)現(xiàn)，所有22個樣品太赫茲圖像上腫瘤區(qū)域的相關(guān)系數(shù)與顯微照片上(組織病理學(xué)檢查)的相關(guān)系數(shù)均大于0.82。這項研究證明了太赫茲成像技術(shù)在癌癥檢測和診斷領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

圖7 人體乳腺癌組織的太赫茲成像

2014年，Oh等[28]使用反射式太赫茲成像系統(tǒng)對新鮮切除的全腦組織中的腫瘤與正常腦組織進行了成像檢測，如圖8所示。

圖8 全腦圖像的可見光、太赫茲和核磁共振圖像

圖8展示了有與沒有腫瘤的新鮮全腦組織的可見光、太赫茲和核磁共振成像圖像。從圖8中可以清楚地看到太赫茲圖像中的腫瘤邊界與可見光圖像中的腫瘤邊界很好地對應(yīng)，與核磁共振成像結(jié)果也非常吻合。實驗結(jié)果表明，太赫茲成像技術(shù)可以用于無損和實時成像腦腫瘤的工具，這將有助于醫(yī)生確定腦外科手術(shù)中腫瘤組織的位置，同樣證明太赫茲成像技術(shù)在癌癥檢測和診斷領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2.3 航空航天材料的無損檢測

航空航天技術(shù)是20世紀(jì)興起的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，也是表征一個國家科學(xué)技術(shù)先進性的重要標(biāo)志。高性能的航空航天材料是確保飛行器安全飛行的必要條件，因此對這些材料進行無損檢測至關(guān)重要。太赫茲輻射對吸波涂層、玻璃鋼、泡沫面板等航空航天材料具有良好的穿透性，且單光子能量低，不會對材料產(chǎn)生危害，因此太赫茲成像技術(shù)十分適合用于這些材料的無損檢測。

2003年，美國“哥倫比亞號”航天飛機因外置燃料箱的泡沫隔離層脫粘導(dǎo)致爆炸，事故發(fā)生之后，美國紐約州倫塞勒工學(xué)院的研究人員使用太赫茲成像技術(shù)測量了一系列預(yù)先設(shè)置缺陷的泡沫材料樣品(與航天飛機使用的材料相同)，他們發(fā)現(xiàn)使用太赫茲成像技術(shù)能對絕大多數(shù)缺陷進行檢測，但X射線和超聲波等傳統(tǒng)的無損探傷測試技術(shù)卻很難發(fā)現(xiàn)這類缺陷[29]。此后，太赫茲無損檢測技術(shù)被NASA列為四大常規(guī)檢測技術(shù)之一。

2005年，Karpowicz利用圖3(a)和圖3(b)所示系統(tǒng)對泡沫中的缺陷進行了檢測。圖9(a)為泡沫材料的照片，在泡沫中存在多處缺陷，用“X”進行標(biāo)記。圖9(b)展示了標(biāo)記的缺陷位置，圖9(c)為泡沫材料的太赫茲圖像，圖中的圓圈即為缺陷，可以看出成像結(jié)果與圖9(b)中的“X”的位置對應(yīng)得很好。

2007年，周燕等[30]利用連續(xù)波太赫茲成像系統(tǒng)(如圖4(a)所示)成功檢測了鋁制泡沫面板中的人工預(yù)埋缺陷。圖10為火箭燃料箱泡沫板及其太赫茲成像，圖10(a)展示了內(nèi)部存在4個用錫箔紙做的人工缺陷的泡沫板，圖10(b)為其太赫茲圖像，從圖10(b)中可以清晰地看出這4個缺陷的形狀、大小和位置。上述兩個實驗結(jié)果均表明，太赫茲成像技術(shù)在航空航天材料的無損檢測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景與研究價值。

3 結(jié)束語

本文介紹了太赫茲輻射及其性質(zhì)，太赫茲成像技術(shù)的特點、發(fā)展過程及應(yīng)用領(lǐng)域。對相關(guān)研究進行總結(jié)，可以發(fā)現(xiàn)太赫茲成像技術(shù)可以對危險隱藏物進行安全檢查，對癌癥組織進行成像檢測等；太赫茲成像技術(shù)在安全檢測、生物醫(yī)學(xué)和航空航天等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景和研究價值，且部分技術(shù)已經(jīng)投入了實際使用，隨著技術(shù)的進一步發(fā)展，太赫茲成像技術(shù)有望能夠完全投入實際應(yīng)用。

圖9 泡沫中缺陷的檢測

圖10 用太赫茲波檢測燃料箱泡沫板中的缺陷

更重要的是，太赫茲成像技術(shù)可以對航空航天材料中的缺陷進行無損檢測，保證航空航天飛行器的安全飛行。隨著新一代航空航天武器裝備的發(fā)展，越來越多的新型材料開始出現(xiàn)，生產(chǎn)過程中的質(zhì)量監(jiān)控對其在服役過程中的裝備性能和安全性具有重要意義。為保證研制新型材料的性能，無損檢測技術(shù)必不可少。但是由于新型材料的自身材料特性問題，導(dǎo)致常規(guī)無損檢測手段對檢測對象范圍存在一定的局限性，太赫茲輻射對很多新型材料具有獨特優(yōu)勢，使太赫茲成像技術(shù)在保障軍工研制質(zhì)量方面具有突出潛力。為提高航空航天飛行器在生產(chǎn)中的安全性，避免其在服役過程中造成嚴(yán)重事故，發(fā)展以太赫茲成像技術(shù)為基礎(chǔ)的原位無損檢測技術(shù)是必然趨勢。