基于太赫茲時域光譜系統的爆炸物識別

解　琪，楊鴻儒，李宏光，韓占鎖，孫宇楠

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

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基于太赫茲時域光譜系統的爆炸物識別

解琪*，楊鴻儒，李宏光，韓占鎖，孫宇楠

(西安應用光學研究所，陜西 西安 710065)

描述了太赫茲時域光譜系統的原理和組成，研制了太赫茲時域光譜(0.1～3 THz)系統。介紹了太赫茲時域光譜技術在爆炸物識別方面的優勢及其特點，提出了爆炸物識別的數學模型和方法。采用太赫茲時域光譜系統測試爆炸物樣品的特征吸收光譜并將其作為標準模板，然后將爆炸物置于土壤、水泥和塑料障礙物后，采用太赫茲時域光譜系統得到穿透障礙物后爆炸物的特征吸收光譜，并將其與標準模板比對，從而實現爆炸物的隔物穿透識別。實驗得到爆炸物RDX的特征吸收光譜，其特征頻率為0.82,1.70和2.40 THz。實驗還對不同厚度和種類障礙物下爆炸物RDX、CL-20、LLM-105和FOX-1進行了實驗測試，結果表明：穿透障礙物后爆炸物可識別的特征吸收光譜與標準模板匹配得很好，證明根據爆炸物特征吸收光譜實現爆炸物匹配識別的方法是可行的。基于文中提出的太赫茲時域光譜系統可進一步開展爆炸物殘留痕量探測識別和隔物技術研究。

太赫茲時域光譜系統；特征吸收光譜；爆炸物識別；匹配識別

1　引　言

太赫茲時域光譜(Terahertz Time Domain Spetroscopy,THz-TDS)技術是太赫茲光譜技術的典型代表，是一種新興的、非常有效的相干探測技術。與其它光譜技術相比，THz-TDS具有獨特的性質[1-2]。首先，THz-TDS光譜測量的頻譜區間是太赫茲頻段，這是其它光譜技術很難獲得的。其次，太赫茲脈沖具有皮秒的脈沖寬度，易于進行時間分辨的光譜測量，用以探測樣品的動態性質[3-4]。

THz-TDS系統在爆炸物探測識別方面有著獨特的優勢。在實際應用中，爆炸物經常處于某些物質的掩蓋之下，從而給爆炸物識別帶來困難。太赫茲波具有穿透特性，因此THz-TDS系統可以根據不同種類的爆炸物獨有的太赫茲波段的特征吸收光譜曲線來識別爆炸物的物質成分，從而實現隱蔽爆炸物的探測識別[5-11]。目前，該技術是國際上最前沿的爆炸物探測識別技術，廣泛應用于軍事、反恐和安檢等領域，國內外已有多家單位開展了部分爆炸物特征光譜提取實驗。本文在組建THz-TDS系統的基礎上，開展了隱蔽爆炸物識別方法的研究，初步實現了THz-TDS系統在復雜環境下的應用。

2　太赫茲時域光譜系統原理和組成

THz-TDS系統原理如圖1所示。太赫茲波的產生采用光電導原理，首先采用飛秒激光器產生中心波長為780 nm的飛秒激光脈沖，飛秒激光脈沖經過分束鏡后被分為泵浦脈沖和探測脈沖。一路泵浦激光脈沖經過時間延遲系統，入射到低溫砷化鎵(GaAs)材料制作的光電導天線上產生太赫茲輻射脈沖，太赫茲光束經一對拋物面鏡傳輸聚焦到待測爆炸物上。太赫茲脈沖穿透障礙物罩并透過爆炸物后，攜帶爆炸物太赫茲光譜信息的光束，經過第二對拋物面鏡聚焦到電光采樣探測系統的碲化鋅(ZnTe)晶體上，被轉換為電信號。另一束激光探測脈沖脈寬為飛秒量級，入射到ZnTe晶體上。激光探測脈沖脈寬遠遠小于太赫茲脈沖的皮秒量級脈寬，在與太赫茲脈沖同時入射到ZnTe探測晶體上時，在晶體內太赫茲脈沖產生的電場會改變激光探測脈沖的偏振態，該偏振態變化被電光采樣系統探測到，信號由鎖相放大器提高信噪比后輸入計算機，再經過傅里葉變換處理得到載有被測爆炸物信息的太赫茲時域脈沖的波形、振幅和相位等參數。時間延遲系統通過移動平移臺來改變太赫茲脈沖的光程，保證與激光脈沖同時入射到ZnTe晶體上。此時，所測到的太赫茲光譜最準確[12-14]。

THz-TDS系統主要包括太赫茲脈沖晶體輻射源、時間延遲太赫茲光譜標定系統、太赫茲成像系統、太赫茲電光采樣探測系統、鎖相探測系統、爆炸物隱蔽探測樣品室和太赫茲時域特征光譜計算軟件。其中，太赫茲脈沖晶體輻射源包括飛秒激光器、分光鏡、透鏡和太赫茲發射源，用于產生ps量級的太赫茲脈沖。飛秒激光器發出100 fs的激光脈沖經透鏡會聚到太赫茲天線中的GaAs晶體表面，晶體在35 V的電壓驅動下產生太赫茲波。太赫茲成像光學系統包括離軸拋物面鏡、透鏡和平面反射鏡等，負責把太赫茲輻射會聚到爆炸物上，再把透過爆炸物的太赫茲輻射會聚到太赫茲探測系統上。時間延遲太赫茲光譜標定系統包括平面反射鏡和電動平移臺，可改變泵浦激光的光程。由于太赫茲脈沖的周期(皮秒量級)遠大于探測脈沖(飛秒量級)，通過改變泵浦激光的光程和調制電動平移臺的速度來改變探測脈沖和太赫茲脈沖之間的時間延遲，保證探測脈沖和太赫茲脈沖同時通過電光晶體，從而確保太赫茲光譜的測量準確度。電動平移臺對兩個反射鏡速度的控制由計算機來完成，通過改變光程進而改變太赫茲光束到達晶體的時間，電動平移臺改變光程的最終結果是改變鎖相放大器的輸出信號。在移動過程中會出現鎖相最大輸出信號，計算機通過記錄平移臺位置和鎖相信號間的關系，可解算出THz的信息。太赫茲電光采樣探測系統包括ZnTe晶體探測器、1/4石英波片、沃拉斯頓棱鏡和光電二極管探測器等，負責把太赫茲輻射轉換為電信號。太赫茲脈沖經過離軸拋物面鏡準直后照射樣品，樣品的透射光被第二個帶孔離軸拋物面鏡聚焦在ZnTe晶體上。同時，反射的一路光作為探測光，穿過帶孔拋物面鏡中心，經過透鏡會聚到電光晶體的同一位置。此時飛秒激光的偏振狀態由線偏振轉變為橢圓偏振，再經過棱鏡分為s偏振光和p偏振光。這兩束光的光強差正比于太赫茲電場。使用差分探測器可將兩束光的光強差轉換為電流差，從而探測到太赫茲電場隨時間變化的時域光譜。鎖相探測系統包括鎖相放大器，可提高太赫茲探測的信噪比，并獲得太赫茲電場的振幅和相位信息。太赫茲時域特征光譜計算軟件實現爆炸物特征吸收光譜的計算、顯示、保存和調用。圖2為無爆炸物時的THz-TDS測試結果，橫坐標為電動平移臺位置，縱坐標為輸出的太赫茲信號。

圖1　太赫茲時域光譜系統原理圖Fig.1　Schematic diagram of terahertz time-domain spectrum system

圖2　無爆炸物時的太赫茲時域系統測試結果Fig.2　Output pulse waveform of terahertz time-domain system without exploder

3　爆炸物識別的數學模型和方法

3.1爆炸物識別的數學模型

爆炸物識別基于其特征吸收光譜，特征吸收光譜測試方法的基礎是材料的太赫茲光譜參數測試模型。建立材料太赫茲光譜參數測試模型的基本思路為：首先通過采樣的方法獲得太赫茲電磁輻射的脈沖時域波形，將該時域脈沖波形經過傅里葉變換后得到其電場部分的振幅和相位信息，然后利用建立的理論模型，通過計算得到樣品在太赫茲波段的折射率和吸收系數，最后從折射率和消光系數兩個基本光學常數出發，進一步可以得到材料的其它光學和介電參數。

材料的光學常數(折射率和消光系數)是用來表征材料宏觀光學性質的物理量。太赫茲光譜的反射比和透射比測試技術可測量得到太赫茲波的振幅和相位，基于THz-TDS技術提取材料的光學常數模型，可得出材料在太赫茲波段的光學常數。

若樣品傾斜放置，則太赫茲脈沖在樣品中傳輸時會存在折射。設爆炸物樣品的厚度為d，太赫茲脈沖在樣品中的傳輸距離為L，根據幾何關系可知，L=d/cosθ′，其中θ′為太赫茲脈沖在樣品后表面的折射角。試驗時，首先測量參考信號Eref(ω)，即尚未放置爆炸物樣品的函數形式為：

Eref(ω)=Ethz(ω),pair(ω,L),

(1)

式中:Ethz(ω)為入射的太赫茲電場，pair(ω,L)為太赫茲脈沖在空氣中的傳遞因子，ω為角頻率。

當太赫茲脈沖入射到爆炸物樣品前表面上時，入射光電場方向垂直入射面和平行入射面兩種情況下的反射系數表示為r12s和r12p，透射系數表示為t12s和t12p；同理，在樣品的后表面上，入射光電場方向垂直入射面和平行入射面兩種情況下的反射系數表示為r23s和r23p，透射系數表示為t23s和t23p。同時，在試驗時通過數據處理截取時域窗口范圍只包含一個主透射太赫茲脈沖，忽略其余的反射波，則透射太赫茲脈沖Esam(ω)為：

Esam(ω)=Ethzt12pt23ppsam(ω,L-x)pair(ω,L)=

(2)

計算得到樣品在太赫茲波段的復透射系數為:

(3)

樣品折射率n(ω)、消光系數κ(ω)和吸收系數α(ω)分別為：

(4)

(5)

(6)

式中：φ(ω)為爆炸物樣品信號和參考信號的相位差，ρ(ω)為爆炸物樣品信號和參考信號振幅模的比[15-16]。

3.2爆炸物識別方法

將實驗環境下的太赫茲光譜和普通環境下的太赫茲光譜相結合，在去除環境噪聲、背景噪聲，消除隨溫度變化的水蒸氣吸收造成的影響后，獲得用于識別的太赫茲特征吸收光譜。然后調用太赫茲特征吸收光譜數據庫，采用模板匹配和吸收峰比對的方法，依次判斷、識別并扣除各樣品的吸收光譜。最后，判定扣除后的吸收光譜數據，直到實現爆炸物識別。爆炸物識別的步驟如下：

(1) 載入被測爆炸物的背景環境信號和對應濕度的水蒸氣吸收光譜。

(2)在太赫茲頻率連續變化的情況下，用被測樣品的太赫茲吸收光譜扣除背景環境信號和水蒸氣吸收譜。

(3)對上述數據進行多點平滑從而去除振蕩。由于測試時存在噪聲干擾，測量數據中會混入噪聲信號，而這些信號在進一步獲取太赫茲特征吸收光譜進行的傅里葉變換相除運算中會被放大，于是被測樣品的太赫茲特征吸收光譜和預處理太赫茲特征吸收光譜對應的曲線會出現振蕩。這里采取數據平滑的方式消除了振蕩，從而消除了噪聲影響。

(4)從爆炸物特征吸收光譜數據庫中獲得主吸收峰頂點并提取主吸收峰，然后以此主吸收峰為標準模板，與上述提取的爆炸物特征吸收光譜進行比對，判斷載入的爆炸物是否存在于被測樣品中，具體流程如下：

① 計算標準模板和特征吸收光譜的峰值高度偏差，若高度偏差大于閾值，則進入步驟③，否則進入步驟②；

② 計算標準模板和特征吸收光譜的峰值面積偏差，若小于閾值則認為爆炸物質存在并記錄，若大于閾值則返回繼續判斷；

③ 在漂移處理數范圍內計算標準模板和特征吸收光譜的峰值高度偏差，若大于閾值則判定結束，認為所載入物質不存在于被測樣品中；若小于閾值則進入步驟④；

④ 在漂移處理數范圍內計算標準模板和特征吸收光譜的面積偏差，若小于閾值則認為爆炸物質存在并記錄；若大于閾值則認為所載入物質不存在于被測樣品中，判斷結束。

(5)當有爆炸物識別并記錄時，用特征吸收光譜扣除被識別物質的標準譜，并判斷是否存在大于特征吸收光譜高度閾值的點，如果有，返回步驟(4)繼續判斷；如果沒有則表明本次爆炸物識別完畢。

4　爆炸物的特征吸收光譜測試和爆炸物識別

4.1爆炸物特征吸收光譜測試機理

爆炸物分子的振動能量比轉動能量大，當發生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，只能得到分子的振動-轉動光譜。當樣品受到頻率連續變化的太赫茲光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，并由其振動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，產生分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷，使對應于這些吸收區域的透射光強度減弱。記錄太赫茲波的透射比與波長的關系曲線，就得到太赫茲特征吸收光譜。其吸收強度由以下兩個因素決定：(1)根據量子理論，太赫茲光譜的吸收強度與分子振動時原子通過它們平衡位置的偶極矩變化的平方成正比，偶極矩變化越大，吸收峰越強；(2)能級躍遷的概率越大，吸收峰就越強。

4.2爆炸物特征吸收光譜測試結果

由于THz波能穿透很多非金屬和非極性材料，由此可以探測隱藏的爆炸物，而且不同種類爆炸物在THz波段具有不同的特征吸收光譜。圖3(a)給出了無爆炸物時的太赫茲特征信號、爆炸物RDX的特征吸收光譜和通過4 mm土壤障礙物后的測試結果對比。為了更清楚地分析樣品信息，對圖3(a)所示的時域波形進行了傅里葉變換，得到的頻譜圖如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看到，RDX在0.82，1.70和2.40 THz 3個頻率位置表現出RDX的特征吸收光譜，0.82 THz處尤其明顯，與國際上的相關報道吻合。經過障礙物后，該特征吸收光譜仍然存在。另外，采用太赫茲時域光譜系統測試了CL-20、LLM-105和FOX-1三種爆炸物的特征吸收光譜，測試結果如圖4所示。圖4顯示，CL-20的特征頻率為1.46，1.75和2.00 THz，LLM-105為1.69，2.03和2.97 THz，FOX-1為0.83，1.99和2.50 THz。

(a)太赫茲吸收光譜(a)Original teraherz absorbing spectra

(b)傅里葉變換后的光譜(b)Spectra after FFT圖3　爆炸物RDX的特征吸收光譜對比Fig.3　Comparison of character absorbing spectra of RDX

最后，將RDX、CL-20、LLM-105和FOX-1四種爆炸物放置于土壤、水泥和塑料障礙物后，障礙物厚度為2,4和6 mm。測試穿透障礙物后爆炸物的特征吸收光譜，將測試結果與無障礙物時的特征吸收光譜進行比對，從而實現爆炸物的識別。爆炸物的特征頻率如表1所示。

(a)CL-20

(b)LLM-105

(c)FOX-1圖4　爆炸物CL-20、LLM-105和FOX-1的特征吸收光譜Fig.4　Character absorbing spectra of CL-20、LLM-105 and FOX-1

從表1可以看到，土壤和水泥對太赫茲波的吸收和散射較大，導致部分特征吸收光譜無法被識別，從而給爆炸物識別帶來困難。為了降低影響，可采用以下幾種方式：第一，只有在特征吸收光譜對太赫茲光譜的調制度大于系統的測量噪聲時，爆炸物的特征吸收光譜才能被檢測出來，因此需要提高太赫茲時域光譜系統的信噪比。信噪比定義為太赫茲信號的最大幅值與探測器噪聲均方根值之比。改變探測光路的光能使探測器處于最佳響應狀態，可提高太赫茲時域光譜系統的信噪比。第二，環境中水蒸氣的吸收包含在太赫茲參考光譜中。制作太赫茲光譜探測裝置屏蔽罩并向罩內充入氮氣，減少水蒸氣影響并使得頻譜中水蒸氣的時域光譜消失，從而減小對爆炸物識別帶來的干擾。第三，增加測量次數，通過降低部分隨機噪聲來減小噪聲對爆炸物時域特征光譜識別的影響。

5　結　論

本文研制了太赫茲時域光譜系統，介紹了THz-TDS系統的原理和組成，研究了爆炸物識別的數學模型和方法。最后采用THz-TDS測試了無障礙物條件下爆炸物RDX、CL-20、LLM-105和FOX-1的特征吸收光譜作為標準模板，在此基礎上測試了穿透土壤、水泥和塑料障礙物后這4爆炸物的特征吸收光譜，通過特征吸收光譜值的比對實現爆炸物的識別。實驗結果表明，本文提出的THz-TDS在爆炸物識別領域是非常有效的。以此為基礎，采用THz-TDS系統可進一步開展爆炸物殘留痕量探測識別和隔物成像技術的研究。

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解琪 (1984-)，女，陜西西安人，碩士，工程師，主要從事微光計量和太赫茲技術的研究。E-mail: xieqix_i_e@163.com

楊鴻儒(1962-)，男，陜西戶縣人，教授，博士生導師，主要從事激光探測、輻射度計量測試和太赫茲技術方面的研究。E-mail: ehryang@126.com

(版權所有未經許可不得轉載)

Explosive identification based on terahertz time-domain spectral system

XIE Qi*, YANG Hong-ru, LI Hong-guang, HAN Zhan-suo, SUN Yu-nan

(Xi′an Institute of Applied Optics, Xi′an 710065, China)*Correspondingauthor,E-mail:xieqix_i_e@163.com

The principle and composition of terahertz time-domain spectrum systems were described, and a terahertz time-domain spectrum system ranged from 0.1 THz to 3 THz was developed. The characters and predominance of terahertz time-domain spectrum technology on explosive identification were introduced and a mathematical model and a method for the explosive identification were proposed. The terahertz time-domain spectrum system was used to test the character absorbing spectra of explosives and main absorbing spectra were regarded as standard templates. Then, four kinds explosives(RDX,CL-20,LLM-105 and FOX-1) were put behind the barriers (soil, cement and plastic),and the terahertz time-domain spectrum system was used to obtain the character absorbing spectra of explosives penetrating through the barriers. The results were compared with standard templates to implement the explosive identification. The character absorbing spectra of RDX were obtained, and their character frequencies are 0.82, 1.70 and 2.40 THz. Furthermore, these explosives were tested through different barriers with different thicknesses. The results show that character absorbing spectra of explosives penetrating through the barriers match the standard templates perfectly, which verifies that it is feasible to use the terahertz time-domain spectrum system to realize explosive identification according to character absorbing spectra. Moreover, the terahertz time-domain spectrum system can be used to identify the residual trace of explosives and explore the imaging technology for penetrating through barriers.

terahertz time-domain spectral system; character absorbing spectrum; explosive identification; matching identification

2016-04-19；

2016-06-15.

總裝備部十二五預研基金資助項目(No.62201050104)

1004-924X(2016)10-2392-08

O433.1;TQ560.71

Adoi:10.3788/OPE.20162410.2392