太赫茲波在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

吳遵紅,徐 義,李昌勝,譚 凱,楊 林

(湖北省特種設(shè)備監(jiān)督檢驗(yàn)檢測研究院,湖北 武漢 430206)

1 概述

隨著各種新材料和新產(chǎn)品如雨后春筍般的涌現(xiàn),傳統(tǒng)的檢測方法已經(jīng)越來越難以滿足它們的檢測需求,與此同時(shí)一些新的無損檢測方法也開始應(yīng)運(yùn)而生了。太赫茲波無損檢測在行業(yè)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用,并且得到各行各業(yè)的支持,發(fā)展前景和發(fā)展空間十分廣闊。太赫茲波主要是指頻率在標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)的電磁輻射率。但是,電磁波在具體應(yīng)用過程當(dāng)中又是分頻段來進(jìn)行工作的,一頻段的電磁波也可以稱作為毫米波。在光譜學(xué)領(lǐng)域當(dāng)中被稱之為遠(yuǎn)紅外波,它的能量是在電子和光子之間,所以不能夠簡單的應(yīng)用光學(xué)理論知識或者微波學(xué)理論知識來對其進(jìn)行分析。

太赫茲波可以穿透如PE 管、玻璃、硬紙板、碳纖維及布料等復(fù)合材料和非金屬材料。太赫茲波的主要特征是太赫茲波長比較特殊,它處于毫米波和紅外光的中間位置。具備兩種光波的性質(zhì)。與其他波段的電磁波相比,太赫茲波的特征表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

(1)相干性高。相干性主要與產(chǎn)生機(jī)制有緊密聯(lián)系,電廠主要根據(jù)振幅和位置來對太赫茲波的相干技術(shù)進(jìn)行科學(xué)合理分析,能夠有效地提取樣品當(dāng)中的折射率和吸收系數(shù)等所需要的參數(shù)。

(2)能降低。太赫茲波的光能量與X 射線的光能量相比,不能夠達(dá)到X 射線的一個百分點(diǎn)。并且太赫茲波在具體的應(yīng)用過程當(dāng)中不會對組織應(yīng)用產(chǎn)生有害的物體,能夠?qū)ι锝M織的活體檢測帶來積極作用。

(3)透射能力強(qiáng)。太赫茲波在具體應(yīng)用過程當(dāng)中能夠?qū)Σ煌牟牧虾臀镔|(zhì)有穿透能力,并且還能夠?qū)Σ煌奈矬w形成透視成像。

(4)太赫茲波在具體應(yīng)用過程當(dāng)中,所需要的頻帶比較寬,并且測量的噪音比較高,能夠?qū)Υ笕萘亢捅Ｃ苄员容^強(qiáng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行有效傳遞。并且太赫茲波能夠在高載波頻率范圍當(dāng)中進(jìn)行良好應(yīng)用和切換,目前手機(jī)通訊的頻率只能夠達(dá)到太赫茲波的千分之一,太赫茲波在進(jìn)行無線傳輸過程當(dāng)中,能夠以10GB/s 速度傳遞,是6G 的理想波段選擇。

(5)吸水性：水對太赫茲波有跡象的吸收性,因此產(chǎn)品質(zhì)量控制可以利用產(chǎn)品當(dāng)中的含水量來對其進(jìn)行分析。從醫(yī)學(xué)角度而言,腫瘤組織當(dāng)中的含水量和正常組織當(dāng)中的含水量存在著一定的差異性,所以可以通過腫瘤的含水量來對其進(jìn)行系統(tǒng)性分析和對比。

圖1 THz-TDS 掃描成像系統(tǒng)示意圖

(6)分辨率比較高。太赫茲波在具體應(yīng)用過程當(dāng)中,自身的短波和長波性質(zhì)能夠使成像技術(shù)得到大幅度提升,并且成像技術(shù)的分辨率也比較高。

2 太赫茲波無損檢測原理

這種原理應(yīng)用過程主要是利用規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的太赫茲對被測物體進(jìn)行充分照射。并且能夠?qū)μ掌澋男盘栠M(jìn)行系統(tǒng)分析和傳遞,從而得出被測物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和特征。檢測技術(shù)主要就是以太赫茲波譜技術(shù)為基礎(chǔ),對其進(jìn)行創(chuàng)新和改革。通過不同階段對太赫茲波技術(shù)進(jìn)行分類,促進(jìn)太赫茲波系統(tǒng)的合理運(yùn)行。本文對三種系統(tǒng)進(jìn)行概括。

2.1 太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)

太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)是一種可以同時(shí)獲得太赫茲脈沖的相位和振幅的相干檢測技術(shù)。并且光路在運(yùn)行過程當(dāng)中主要包括透射型和反射型兩種。有時(shí)還會應(yīng)用差異型光路和啁啾展寬型光路。以太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)為基礎(chǔ),對掃描成像進(jìn)行科學(xué)合理應(yīng)用,促進(jìn)掃描和反射型掃描的應(yīng)用水平提升。太赫茲時(shí)域波譜技術(shù)掃描成像的系統(tǒng)主要應(yīng)用光路為圖1(a)展示。因?yàn)镻ulsedLaser 在發(fā)出快激光脈的過程當(dāng)中,會分成兩束光波,一束光波為泵浦光,入射到THzEmitter 上,在此基礎(chǔ)之上形成太赫茲脈沖,這種脈沖經(jīng)過拋物面鏡聚焦后投射到檢測的樣品當(dāng)中。另一束太赫茲脈沖就會作為探測光波,這束脈沖會通過樣品當(dāng)中投射出來的信息和太赫茲電磁脈沖共同形成THzEmitter。時(shí)間裝置進(jìn)行合理控制,通過不同探測光到達(dá)的時(shí)間分析太赫茲電廠的變化程度,對企業(yè)進(jìn)行科學(xué)轉(zhuǎn)換,從而獲得頻率上的振幅和相位的變化。最后,信號經(jīng)過電流前置放大器將DSP 輸入計(jì)算機(jī),對采集到的數(shù)字信號形成圖像,應(yīng)用圖像技術(shù)來對其進(jìn)行解析,檢測樣品當(dāng)中的圖像缺失部分。在x-y 移動臺上樣品移動讓太赫茲脈沖對其進(jìn)行掃描,來對樣品當(dāng)中的不同位置的頻譜信息進(jìn)行記錄。再根據(jù)頻譜信息進(jìn)行解析,得到頻譜信息的數(shù)據(jù)。

反射型系統(tǒng)的基本原理與上述透射型相同,試驗(yàn)裝置也基本相同,不同的是從物體反射回來的波被用來作為成像信息。

2.2 太赫茲成像技術(shù)

這種技術(shù)指的是,通過解析被測物體的光譜所得振幅和相位等各種信息,進(jìn)而得到太赫茲成像信息。太赫茲成像不僅能夠形成物體的密度空間分布圖,能夠?qū)@個頻段的光波信息進(jìn)行獲取?？墒浅上竦谋举|(zhì)就是能夠形成高強(qiáng)度的成像技術(shù),能夠?qū)B續(xù)波源提供更高輻射強(qiáng)度的脈沖。商品進(jìn)行呈現(xiàn)過程當(dāng)中,樣品內(nèi)部的缺失和損傷也會和沒有損傷處的太赫茲波的散射效應(yīng)存在著很大的差異,對太赫茲電磁場的檢測,物體內(nèi)部的強(qiáng)度分布帶來嚴(yán)重影響,成像結(jié)果的亮度也會存在著差異。對物體內(nèi)部缺失的尺寸和位置信息進(jìn)行檢測。

3 太赫茲無損檢測應(yīng)用

(1)太赫茲能夠在新型材料行業(yè)當(dāng)中得到廣泛應(yīng)用。隨著近些年來科學(xué)技術(shù)的快速進(jìn)步和發(fā)展,越來越多的行業(yè)對高新材料進(jìn)行科學(xué)合理應(yīng)用,并且許多領(lǐng)域當(dāng)中對材料的內(nèi)部規(guī)整性有著很高的要求,這也要求制備工藝的創(chuàng)新和改革,為材料的質(zhì)量奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ),需要探究有效的手段來對材料的破壞性進(jìn)行系統(tǒng)研究,確保材料在使用過程當(dāng)中穩(wěn)定性強(qiáng)。太赫茲無損檢測技術(shù)主要利用非極性和非技術(shù)材料來對太赫茲波的透明性特征進(jìn)行分析,如果太赫茲波投射到檢測樣品當(dāng)中,那么檢測的材料就會吸收太赫茲輻射。大部分的太赫茲輻射都會被探測器接收,如果被測材料樣品內(nèi)部表面存在著缺陷,包括雜質(zhì)、位置錯位或纖維層體界面出現(xiàn)裂縫。那么缺陷位置就會出現(xiàn)散射,能量程度也會比較高,所以在成像過程當(dāng)中會加強(qiáng)太赫茲波與材料之間的聯(lián)系和均勻性,成像的結(jié)果就會出現(xiàn)明顯的差異。對樣品進(jìn)行掃描成像和成像處理,測試的樣品缺陷情況也會在成像結(jié)果當(dāng)中清晰地反映出來。除此之外,太赫茲波的光子能量比較低。不能夠達(dá)到X 射線光子能量的一個百分點(diǎn),對檢測對象影響十分微小,安全性能強(qiáng)。

(2)太赫茲在不同的農(nóng)產(chǎn)品和食品當(dāng)中也能夠得到廣泛應(yīng)用。三聚氫氨奶粉和瘦肉精豬肉事件的發(fā)生,使人們對食品安全檢測予以更多關(guān)注,通過有效的檢測,能夠?qū)κ称返馁|(zhì)量問題進(jìn)行系統(tǒng)分析。太赫茲因具有自身獨(dú)特的屬性為無損檢測技術(shù)提供新的檢測形式。能夠應(yīng)用太赫茲波譜技術(shù)對種子進(jìn)行檢測,根據(jù)光譜信息可以判斷種子是否有轉(zhuǎn)基因分子還可以利用太赫茲波技術(shù)對肉制品吸收程度進(jìn)行科學(xué)合理分析,判斷肉制品的質(zhì)量是否符合規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。太赫茲波譜技術(shù)對地溝油進(jìn)行檢測,對標(biāo)簽物質(zhì)的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行有效識別,判斷食品當(dāng)中是否添加添加劑。

(3)太赫茲在安檢過程當(dāng)中主要通過安檢儀來對人體發(fā)出的太赫茲波進(jìn)行處理和分析,經(jīng)分析處理后,形成圖像。檢測儀發(fā)現(xiàn)身上藏有物品就會發(fā)出警報(bào)。與正常圖像進(jìn)行對比就可以判斷出隱藏物品的位置及大小形狀等,從根本上提高檢測的效率和水平,同時(shí)也大大節(jié)約了安檢的各項(xiàng)成本,提升了被安檢者的體驗(yàn)度。另外,太赫茲檢測儀能夠以非接觸形式進(jìn)行檢測,被檢人員脫掉衣物,提高檢測效果,還能夠減少檢測時(shí)間。

(4)太赫茲在通信行業(yè)也得到廣泛應(yīng)用。太赫茲是一種微波和毫米波的創(chuàng)新,它所提供的通信寬帶技術(shù)要高于毫米波,并且隨著太赫茲輻射源和探測器的創(chuàng)新和改革,太赫茲也得到廣泛應(yīng)用,促進(jìn)太赫茲在通信領(lǐng)域的快速進(jìn)步和發(fā)展。太赫茲應(yīng)用通信技術(shù)可以獲得超過規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的無線傳播速度,甚至能夠超過傳統(tǒng)寬帶技術(shù)的幾百倍甚至幾千倍,并且與可見光和紅外光相比,它能夠同時(shí)具有很強(qiáng)的方向性和穿透能力。太赫茲頻段具有不同的特征,而且不同的移動設(shè)施對太赫茲段位的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)也不同。利用太赫茲電磁波技術(shù)對傳統(tǒng)無線電通信技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新和改革,提高無線電通信技術(shù)的傳播速度,促進(jìn)無線電傳播技術(shù)的良好應(yīng)用。太赫茲頻段的自由空間光通信系統(tǒng)可以對無線電波和可見光的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行充分結(jié)合,在濃霧的天氣當(dāng)中也可以促進(jìn)數(shù)據(jù)的有效傳播。

(5)太赫茲在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用從生物學(xué)上講,人是由眾多細(xì)胞組成的生命體,人在發(fā)病之后往往會在身體組織上出現(xiàn)反應(yīng)。因此在疾病診斷中,就利用檢查病變組織的方法來快速診斷疾病。由于水對太赫茲波的吸收特點(diǎn),而病變部位的組織其水量較正常組織會發(fā)生變化,通過太赫茲波對人體進(jìn)行檢查,就可以判斷找到病變位置及病變組織大小。在實(shí)際身體檢查中,太赫茲直接穿過脂肪組織,并且在被反射之后能夠形成成像處理技術(shù)。

觀察在不同深度狀態(tài)下的圖像系統(tǒng),清晰明顯,而且可以鎖定具體的病變位置。同時(shí),病變部位的組織與正常組織之間明顯不同,因此會在成像系統(tǒng)上表現(xiàn)出差異,醫(yī)師就能通過這一結(jié)果判斷病灶組織。從應(yīng)用上來看,該技術(shù)能快速辨別病變區(qū)域的大小、形態(tài)等,減少了傳統(tǒng)皮膚病診斷中需要逐層剔除皮膚的過程,不僅減少患者的痛苦,還會提高醫(yī)療診斷效率。目前,這種方法已經(jīng)被應(yīng)用在皮膚癌等皮膚疾病診斷中,并發(fā)揮著重要作用。另外,太赫茲技術(shù)在藥品質(zhì)量控制中的應(yīng)用是生物醫(yī)學(xué)的重要組成部分,人們主要依靠太赫茲光譜與成像技術(shù)分析不同狀態(tài)下的藥品轉(zhuǎn)換,或者藥品外包衣層離線等。同時(shí)在藥品成分檢查中,可以通過太赫茲光譜技術(shù),監(jiān)測藥品成分,判斷其主要成分是否滿足設(shè)計(jì)要求。

(6)太赫茲在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用主要以信息技術(shù)來對現(xiàn)代化戰(zhàn)爭中的武器裝備進(jìn)行科學(xué)合理分析。太赫茲是一種新型的頻段資源,能夠在軍事上達(dá)到良好的應(yīng)用價(jià)值和效果。與微波雷達(dá)技術(shù)比較,這雷達(dá)可以對小的目標(biāo)進(jìn)行有效探測,并且能夠?qū)ξ恢眠M(jìn)行精確判斷,還能夠?qū)崿F(xiàn)定位的保密性,分辨率強(qiáng)。紅外雷達(dá)和激光雷達(dá)相比太赫茲的雷達(dá)具有很強(qiáng)的穿透能力,對煙霧和沙塵天氣都能夠?qū)崿F(xiàn)穿透效果。具有自身獨(dú)特的穿墻能力,太赫茲的雷達(dá)可以探測到敵方隱蔽的武器,還能夠?qū)窝b埋伏的武裝人員進(jìn)行有效探測。另外太赫茲雷達(dá)技術(shù)還能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程探測,對空氣當(dāng)中傳播的有毒化學(xué)氣體進(jìn)行探測,對航空領(lǐng)域當(dāng)中的起飛或著陸位置進(jìn)行探測。太赫茲輻射達(dá)到很強(qiáng)的穿透效果,對地下的雷場分布或者遠(yuǎn)程炸彈也能夠?qū)崿F(xiàn)很強(qiáng)的檢測。

4 結(jié)束語

近些年來,很多國家對太赫茲無損檢測技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究和應(yīng)用,太赫茲無損檢測技術(shù)水平大幅度提升。國內(nèi)不少高校、科研院所及企業(yè)也注意到了這種現(xiàn)象,紛紛投入到了太赫茲波的理論研究與應(yīng)用研究,逐漸興起了一股太赫茲熱潮?？偠灾?國內(nèi)太赫茲技術(shù)方興未艾,太赫茲波在無損檢測領(lǐng)域的應(yīng)用也日漸廣泛成熟,對我國的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、科技創(chuàng)新及軍事發(fā)展都有著十分重要的推動作用。