一、概述
現在的恐怖威脅對人們的生活影響甚大，歹徒攜槍而行、炸藥隨處爆炸、身體成了運載槍械、炸藥、毒品的隱蔽載體，可以造成非常惡性的襲擊事件。探查衣服內的武器和違禁品，最佳手段之一要推太赫茲成像探測，這種依靠飛秒激光技術發展起來的新技術，正在對未來的生活、著裝和安防產生巨大的影響。太赫茲光譜研究成像技術的發展，將使安保進入一種嶄新的境界，依靠安全的太赫茲光攝像機能洞察掩蓋的東西，且不用擔心會有像X光那樣的傷害。
二、太赫茲射線的應用特點
對于頻率在0.1~10THz范圍內的太赫茲波，波長是30μm~3mm范圍，處于微波與紅外輻射之間。它作為一種電磁波對非金屬片材穿透性很大，塑料、陶瓷、紙板、棉布等電介質非極性材料吸收很小，水等極性物質對它吸收大，金屬對它反射。可利用高密度聚乙烯材料對太赫茲波長的透射率和折射率制成聚焦準直等光學鏡頭進行操作，通過透射或反射的探測模式對物體進行非破壞性的性質分析或T波段成像。這樣，平常用于包裝的箱包、衣服在太赫茲射線下變得透明，呈現出兇器中的金屬體和其他物體的形狀，捕捉測到的T波段炸藥、毒品光譜特征峰就能發現違禁品，對它們的偽裝就變得很難。太赫茲輻射是完全非電離的，1THz的光子能量僅4meV，比軟x射線小六個數量級，很多太赫茲應用所需功率不到1袟，人們可安全地接受和使用太赫茲技術檢查。
研究太赫茲射線與物質分子的相互作用，雖然太赫茲光子能量小，但脈沖輻照能譜范圍較大，物質特別是炸藥、毒品等非極性材料存在聲子相互作用、分子轉動以及其他低能激發模式，會在T波段產生一些可測量、各自的光譜特征。當一個T波脈沖的GHz-THz寬譜能量光子轟擊物質時，這些物質分子結構中的微構造在太赫茲波段產生的聲子振動譜線可看成是此物質在T波段光譜中的電子鏡像，通過時域測量飛秒脈沖射線照射物體的T波段吸收譜，作光譜頻率和強度分析來確定被測量物體的成分和密度，為探測包裹中的炸藥和毒品提供了一種新的有效方法。
三、太赫茲技術對包裝中的違禁物探測
要精確探測包裝內的違禁物，用太赫茲光譜分析的效果絕不遜于拉曼光譜分析，因為物質的T波聲子振動譜的精細度優于拉曼散射的譜線。而拉曼光譜或紅外光譜分析不能穿透箱包甚至衣服來遙測分析其中的炸藥毒品。在目前太赫茲光譜違禁物探測以時域分析的透射吸收譜測試為主，通過將脈沖太赫茲射線聚焦在包裝內的可疑物測試其吸收峰的位置波數與樣品庫的吸收峰數據對比確定是否違禁物。如果采取取樣測量，能夠大大抑制背景遠紅外噪聲的干擾，目前技術只能得到較低的太赫茲射線平均功率，但由于太赫茲脈沖峰值功率高，在相干探測中用到的是太赫茲脈沖的實時功率而非平均功率，能具有105倍的高信噪比。
太赫茲光譜分析探測技術由以下幾部分組成：太赫茲射線發生器、太赫茲射線光學聚焦鏡頭、T波光譜儀、計算機處理控制器和可配的掃描機構。當太赫茲射線發生器用聚乙烯鏡頭會聚射出一束脈沖T波照射被測物體，在物體背面的光束軸向延長處用太赫茲光譜儀隔著物體測會聚點的光束光譜，測出光束光譜與原始光譜相減得到被測物的太赫茲光譜曲線和吸收峰的波數。實際的測峰方法是將太赫茲射線用分束器一分為二，一束用于測物體的吸收譜，另一束作為原始的基準光譜，測出光束光譜與原始光譜計算機相除再求對數，用高通濾波法得到高頻被測物太赫茲光譜吸收峰的各個波數和強度，去除了射線本身及背景的低頻影響，更佳的方法是用邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換方法測太赫茲光譜段的各個吸收峰，使讀峰更準確。由于吸收峰的位置由物質內部結構中的對應振轉能級決定，具有類似光的可重復性，通過建樣品數據庫用計算機比對，進行違禁物的探測。
研究各部分設備：太赫茲射線發生器可用太赫茲氣體激光器，利用CO2飛秒激光器的超短激光脈沖光電導或光整流產生太赫茲輻射，用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產生太赫茲波。脈沖寬度為上百fs，重復頻率幾十MHz的脈沖太赫茲射線，經過分束鏡分為探測光和基準光，探測光沿會聚透鏡光軸入射，垂直聚焦在探測物表面或內部。太赫茲光學會聚鏡頭可采用相對孔徑大的聚乙烯透鏡，用開模加工制得。
T波光譜儀有FTIR遠紅外太赫茲光譜儀，采用常規的邁克爾遜干涉儀和偏振分束器的光路結構提高太赫茲遠紅外波段的信噪比和靈敏度；另外，用4mm超陡偏振光柵分束片和1.7K液氦致冷的輻射熱檢測器可實現2cm-1低波數的響應，達到2-2000cm-1的連續線性光譜測量，用液氮致冷探測效果降低許多。
計算機處理控制器控制太赫茲射線發生器的飛秒激光工作和脈沖波長穩定，控制鏡頭焦面位置和光譜儀接收，進行太赫茲光譜吸收峰計算和樣品庫數據比對，樣品庫數據存儲著各種炸藥毒品的T波段特征吸收峰位置數據和常見物品包裝的吸收峰數據，計算機用差譜法去掉其他物品干擾計算判斷內部是違禁品的概率進行報警。
可配的掃描機構是通過計算機控制的精確掃描的機械機構，用于對物品進行軸向掃描和平面掃描。
四、太赫茲成像安檢技術
隨著自由電子激光器和超快技術的發展，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定可靠的激發光源，太赫茲成像技術主要在兩個方面開展研究，逐點掃描大赫茲成像技術和遠紅外焦平面陣列的太赫茲成像技術，目前已取得了一些進展，最佳效果已達到對幾十米遠的人物進行了太赫茲成像拍攝，現在正研究加大太赫茲射線功率，期望對數百米外的人物進行太赫茲成像，以滿足軍方和反恐的要求。
逐點掃描太赫茲成像的基本原理是太赫茲激光束通過斬波器產生太赫茲脈沖，為消除發散，用一個聚乙烯透鏡準直光路，將光束準直聚焦在待測樣品上。一個由計算機控制的二維掃描的線性步進平臺進行樣品或發射成像裝置在光焦處的二維平移。這種用時域方法的太赫茲脈沖作為成像射線，進行精確的二維掃描，能測試記錄透過成像樣品或從樣品反射的太赫茲電磁波的強度和相位，還有樣品復介電常數的空間分布，經過數宇處理分析，得到樣品的太赫茲二維圖像。雖然這種方式的成像時間較長，目前需數十分鐘以上。但是用這種成像方法獲取的信息量大，可構建二維和三維圖像，而且每一像素源對應一個太赫茲時域譜，通過對時域譜進行傅里葉變換又可得到每一點的太赫茲頻率響應譜。這種方式在人體和包裹安檢中可作為精細安檢技術應用，可作為X光安檢手段的延伸和補充。圖1是太赫茲成像儀對旅行箱中匿藏的槍支與刀具拍攝的照片。
五、結語
太赫茲技術在反恐安全檢查領域具有很大的應用潛力，國內外在大力開展利用太赫茲光譜和成像技術檢測違禁品方面的研究，通過太赫茲脈沖成像系統進行了基于形狀和物質成分檢測違禁品的研究結果表明，這是一種很理想的預警檢測手段。但是，由于飛秒激光器的昂貴和難以得到較高的太赫茲射線能量，同時太赫茲波探測器還需進行超低溫致冷，實用化發展面臨的挑戰。我們應當研究用模塊化技術研制通用太赫茲波探測成像模塊，提高性能，降低成本，探索新材料、新器件，盡快推出實用化的太赫茲光譜安檢儀和太赫茲波段攝像機，為反恐提供有力的裝備。
現在的恐怖威脅對人們的生活影響甚大，歹徒攜槍而行、炸藥隨處爆炸、身體成了運載槍械、炸藥、毒品的隱蔽載體，可以造成非常惡性的襲擊事件。探查衣服內的武器和違禁品，最佳手段之一要推太赫茲成像探測，這種依靠飛秒激光技術發展起來的新技術，正在對未來的生活、著裝和安防產生巨大的影響。太赫茲光譜研究成像技術的發展，將使安保進入一種嶄新的境界，依靠安全的太赫茲光攝像機能洞察掩蓋的東西，且不用擔心會有像X光那樣的傷害。
二、太赫茲射線的應用特點
對于頻率在0.1~10THz范圍內的太赫茲波，波長是30μm~3mm范圍，處于微波與紅外輻射之間。它作為一種電磁波對非金屬片材穿透性很大，塑料、陶瓷、紙板、棉布等電介質非極性材料吸收很小，水等極性物質對它吸收大，金屬對它反射。可利用高密度聚乙烯材料對太赫茲波長的透射率和折射率制成聚焦準直等光學鏡頭進行操作，通過透射或反射的探測模式對物體進行非破壞性的性質分析或T波段成像。這樣，平常用于包裝的箱包、衣服在太赫茲射線下變得透明，呈現出兇器中的金屬體和其他物體的形狀，捕捉測到的T波段炸藥、毒品光譜特征峰就能發現違禁品，對它們的偽裝就變得很難。太赫茲輻射是完全非電離的，1THz的光子能量僅4meV，比軟x射線小六個數量級，很多太赫茲應用所需功率不到1袟，人們可安全地接受和使用太赫茲技術檢查。
研究太赫茲射線與物質分子的相互作用，雖然太赫茲光子能量小，但脈沖輻照能譜范圍較大，物質特別是炸藥、毒品等非極性材料存在聲子相互作用、分子轉動以及其他低能激發模式，會在T波段產生一些可測量、各自的光譜特征。當一個T波脈沖的GHz-THz寬譜能量光子轟擊物質時，這些物質分子結構中的微構造在太赫茲波段產生的聲子振動譜線可看成是此物質在T波段光譜中的電子鏡像，通過時域測量飛秒脈沖射線照射物體的T波段吸收譜，作光譜頻率和強度分析來確定被測量物體的成分和密度，為探測包裹中的炸藥和毒品提供了一種新的有效方法。
三、太赫茲技術對包裝中的違禁物探測
要精確探測包裝內的違禁物，用太赫茲光譜分析的效果絕不遜于拉曼光譜分析，因為物質的T波聲子振動譜的精細度優于拉曼散射的譜線。而拉曼光譜或紅外光譜分析不能穿透箱包甚至衣服來遙測分析其中的炸藥毒品。在目前太赫茲光譜違禁物探測以時域分析的透射吸收譜測試為主，通過將脈沖太赫茲射線聚焦在包裝內的可疑物測試其吸收峰的位置波數與樣品庫的吸收峰數據對比確定是否違禁物。如果采取取樣測量，能夠大大抑制背景遠紅外噪聲的干擾，目前技術只能得到較低的太赫茲射線平均功率，但由于太赫茲脈沖峰值功率高，在相干探測中用到的是太赫茲脈沖的實時功率而非平均功率，能具有105倍的高信噪比。
太赫茲光譜分析探測技術由以下幾部分組成：太赫茲射線發生器、太赫茲射線光學聚焦鏡頭、T波光譜儀、計算機處理控制器和可配的掃描機構。當太赫茲射線發生器用聚乙烯鏡頭會聚射出一束脈沖T波照射被測物體，在物體背面的光束軸向延長處用太赫茲光譜儀隔著物體測會聚點的光束光譜，測出光束光譜與原始光譜相減得到被測物的太赫茲光譜曲線和吸收峰的波數。實際的測峰方法是將太赫茲射線用分束器一分為二，一束用于測物體的吸收譜，另一束作為原始的基準光譜，測出光束光譜與原始光譜計算機相除再求對數，用高通濾波法得到高頻被測物太赫茲光譜吸收峰的各個波數和強度，去除了射線本身及背景的低頻影響，更佳的方法是用邁克爾遜干涉儀的傅里葉變換方法測太赫茲光譜段的各個吸收峰，使讀峰更準確。由于吸收峰的位置由物質內部結構中的對應振轉能級決定，具有類似光的可重復性，通過建樣品數據庫用計算機比對，進行違禁物的探測。
研究各部分設備：太赫茲射線發生器可用太赫茲氣體激光器，利用CO2飛秒激光器的超短激光脈沖光電導或光整流產生太赫茲輻射，用非線性差頻過程(DFG)和參量過程產生太赫茲波。脈沖寬度為上百fs，重復頻率幾十MHz的脈沖太赫茲射線，經過分束鏡分為探測光和基準光，探測光沿會聚透鏡光軸入射，垂直聚焦在探測物表面或內部。太赫茲光學會聚鏡頭可采用相對孔徑大的聚乙烯透鏡，用開模加工制得。
T波光譜儀有FTIR遠紅外太赫茲光譜儀，采用常規的邁克爾遜干涉儀和偏振分束器的光路結構提高太赫茲遠紅外波段的信噪比和靈敏度；另外，用4mm超陡偏振光柵分束片和1.7K液氦致冷的輻射熱檢測器可實現2cm-1低波數的響應，達到2-2000cm-1的連續線性光譜測量，用液氮致冷探測效果降低許多。
計算機處理控制器控制太赫茲射線發生器的飛秒激光工作和脈沖波長穩定，控制鏡頭焦面位置和光譜儀接收，進行太赫茲光譜吸收峰計算和樣品庫數據比對，樣品庫數據存儲著各種炸藥毒品的T波段特征吸收峰位置數據和常見物品包裝的吸收峰數據，計算機用差譜法去掉其他物品干擾計算判斷內部是違禁品的概率進行報警。
可配的掃描機構是通過計算機控制的精確掃描的機械機構，用于對物品進行軸向掃描和平面掃描。
四、太赫茲成像安檢技術
隨著自由電子激光器和超快技術的發展，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定可靠的激發光源，太赫茲成像技術主要在兩個方面開展研究，逐點掃描大赫茲成像技術和遠紅外焦平面陣列的太赫茲成像技術，目前已取得了一些進展，最佳效果已達到對幾十米遠的人物進行了太赫茲成像拍攝，現在正研究加大太赫茲射線功率，期望對數百米外的人物進行太赫茲成像，以滿足軍方和反恐的要求。
逐點掃描太赫茲成像的基本原理是太赫茲激光束通過斬波器產生太赫茲脈沖，為消除發散，用一個聚乙烯透鏡準直光路，將光束準直聚焦在待測樣品上。一個由計算機控制的二維掃描的線性步進平臺進行樣品或發射成像裝置在光焦處的二維平移。這種用時域方法的太赫茲脈沖作為成像射線，進行精確的二維掃描，能測試記錄透過成像樣品或從樣品反射的太赫茲電磁波的強度和相位，還有樣品復介電常數的空間分布，經過數宇處理分析，得到樣品的太赫茲二維圖像。雖然這種方式的成像時間較長，目前需數十分鐘以上。但是用這種成像方法獲取的信息量大，可構建二維和三維圖像，而且每一像素源對應一個太赫茲時域譜，通過對時域譜進行傅里葉變換又可得到每一點的太赫茲頻率響應譜。這種方式在人體和包裹安檢中可作為精細安檢技術應用，可作為X光安檢手段的延伸和補充。圖1是太赫茲成像儀對旅行箱中匿藏的槍支與刀具拍攝的照片。
五、結語
太赫茲技術在反恐安全檢查領域具有很大的應用潛力，國內外在大力開展利用太赫茲光譜和成像技術檢測違禁品方面的研究，通過太赫茲脈沖成像系統進行了基于形狀和物質成分檢測違禁品的研究結果表明，這是一種很理想的預警檢測手段。但是，由于飛秒激光器的昂貴和難以得到較高的太赫茲射線能量，同時太赫茲波探測器還需進行超低溫致冷，實用化發展面臨的挑戰。我們應當研究用模塊化技術研制通用太赫茲波探測成像模塊，提高性能，降低成本，探索新材料、新器件，盡快推出實用化的太赫茲光譜安檢儀和太赫茲波段攝像機，為反恐提供有力的裝備。
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