1、第 10 卷第 4 期 三 江 高 教 Vol 10， No 42014 年 12 月 Higher Education of Sanjiang University Dec ， 2014教学研究迅猛发展的太赫兹太赫兹技术在无损检测中的应用王芳 1 ，刘云飞 2( 1 三江学院 电子信息工程学院，江苏 南京 210012; 2 南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037)摘 要: 太赫兹( THz) 辐射是一种新型的远红外相干辐射源，具有很多独特的性质。 利用太赫兹时域光谱技术和太赫兹成像技术实现无损检测，已经成为现有无损检测技术的有力补充。笔者介绍了太赫兹无损检测技术在多个领域的
2、应用，论述了太赫兹技术在这些领域的检测原理，探讨了存在的问题，并对发展前景进行了展望。关键词: 太赫兹( THz) ; 无损检测 ; 太赫兹成像; 太赫兹时域光谱技术中图分类号: TN24 文献标识码: B 文章编号: JS-S265( 2014) 04-0025-005一、引言太赫兹辐射( Terahertz，THz) 是对特定波段电磁辐射的统称，指频率在 0 1 THz 10 THz( 波长在 3 mm 30 m) 范围内的电磁辐射( 1 THz = 1012 Hz) 。这一频段的电磁波又叫毫米波或亚毫米波; 在光谱学领域，则被称为远红外波，其能量介于电子和光子之间，所以既不能完全用光学理
3、论来处理，也不能完全用微波的理论来研究。在 20 世纪 80 年代中期之前，由于缺乏太赫兹波高效率的发射源和灵敏的探测器，这一波段的电磁辐射并未得到深入研究，只有极少量的技术和应用，从而也就形成了科学家们通常所说的“ 太赫兹空隙”( THz Gap) 。近几十年里，得益于超快光电子( optoelectronic ) 与低尺度半导体技术的飞速发展，为太赫兹波段提供了合适的光源和探测手段，使得太赫兹辐射逐渐兴起，并受到各国的重视。2003 年美国哥伦比亚号航天飞机失事原因，便是通过太赫兹技术与微波相结合所探查的。图 1 为太赫兹波在电磁波谱的位置。太赫兹波之所以受到人们的关注，是因为太赫兹辐射与
4、其它波段的电磁波辐射相比存在很多特性: 1 宽带性。太赫兹脉冲源包含几个周期的电磁振荡，单个脉冲频带范围可从 GHz 到几十 THz。2 瞬态性。太赫兹的脉冲脉宽在皮秒量级，可以很方便地对各种需时间分辨的材料进行研究，通过取样测量可以有效收稿日期: 2014-10-10基金项目: 国家自然科学基金项目( 31200541)作者简介: 王 芳( 1984) ，女，三江学院电子信息工程学院讲师，南京林业大学信息科学技术学院博士生。 研究方向: 无损检测技术。刘云飞( 1962) ，男，博士，南京林业大学信息科学技术学院教授、博导。研究方向: 无损检测技术。25第 4 期 三江高教 第 10 卷的太
5、赫兹信号，从而得到该物体的内部特征如: 结构、组成和缺陷。利用太赫兹实现无损检测，最关键的就是产生高效的太赫兹波、灵敏探测、最优的数据解释等。即首先获得检测样品的太赫兹光谱，然后通过对光谱分析、成像，最后得到样品的相关属性。( 一 ) 太赫兹时域光谱技术太赫兹时域光谱技术( THz TDS) 是 20图 1 太赫兹波在电磁波谱的位置 世纪 80 年代由 ATT，Bell 实验室和 IBM 公司的 T J Watson 研究中心研究出的，是一种地抑制背景辐射噪音，目前测量辐射的强度信 较新的太赫兹波谱技术。它利用在太赫兹频噪比可大于 10 10 ，具有较好地稳定性。3 指纹 带内不同物质对应不同
6、特征吸收谱的特性来谱性。大多数极性分子和生物大分子的振动 分析结构、物质成分以及其相互作用关系 。太与转动能级跃迁正好处于 THz 波段，可对它 赫兹时域光谱技术主要有透射式和反射式两们的“指纹” 特征谱进行分析，便可研究它们 种，可以根据检测样品的特征来选择合适的光的成分结构，物理化学性质等，为检测提供相 谱技术。当检测样品很薄，穿透性很好的时关的理论依据。4 相干性。太赫兹光谱技术 候，选择透射式 THz TDS ; 当检测样品为光的相干性能够直接测量电场振幅和相位信息， 厚介质( 如重掺杂载流子半导体) 时，需要选可很方便地提取样品的折射率与吸收系数，和 择反射式 THz TDS 来对其
7、进行探测 。图 2Kramers Kronig 关系相比，极大的减少了计 为太赫兹时域光谱系统组成。算与不确定性。5 低能性。太赫兹光子的能量仅为毫电子伏特，与其他方法相比( 如 X 射线) ，不会因电离而破坏被检测的物质。因此，THz 波在医疗诊断、生物成像等方面具有重大的科学价值。6 穿透性。太赫兹辐射对大多数的非极性物质是透明的，太赫兹辐射能够轻易地穿透各种非透明非极性材料，可与 X射线成像和超声波成像技术形成互补，对藏匿物体进行检测。7 惧水性。多数的极性分子对太赫兹具有很强的吸收，可通过对其特征谱分析来研究物质成分与对产品质量实行检测。因而具有十分重要的学术与应用价值，其作为新频谱对
8、国际科技界产生了巨大的影响。二、太赫兹光谱无损检测原理无损检测是一种不破坏材料特性的检测技术。目前有 5 种最常用的无损检测方法: 磁粉检测、渗透检测、超声检测、 射线检测和涡流检测。 不同的检测方法适用于不同的场合和不同的材料。 太赫兹波具有量子能量低，对大多数非极性物质透明，兼具频谱性和成像性等特点，已经成为现有无损检测技术的有力补充。 太赫兹无损检测的原理是: 利用已知的太赫兹辐射照射被测物体，通过测定并分析输出图 2 太赫兹时域光谱系统( 二) 太赫兹成像技术太赫兹成像技术指的是，通过分析和处理样品光谱所包含的各种信息 ( 包括振幅和相位的二维信息) ，得到样品的太赫兹图像。 太赫兹成
9、像不但能形成物体的空间密度分布图，还能提供这个频段的光谱信息。图 3 为 Giga Optics 公司 HASSP 高分辨率 THz 光谱仪。三、太赫兹无损检测应用( 一) 太赫兹在食品和农产品质量安全检测中的应用近几年食品安全问题层出不穷，从三鹿奶26第 4 期 王芳，刘云飞: 迅猛发展的太赫兹太赫兹技术在无损检测中的应用 第 10 卷图 3 Giga Optics 公司 HASSP 高分辨率 THz 光谱仪粉到瘦肉精事件，再到现在的各种转基因食品，人们开始认识到食品检测的重要性，有效 图 4 氯硝基苯实验与理论模拟吸收谱图的检测手段成为急需解决的问题。太赫兹因物品的形状和位置。传统的安检设
10、备一般都其独有的特性为无损检测开辟了一条新途经。是主动发射电磁辐射，而太赫兹检测是利用人我们可以利用太赫兹波谱技术得到玉米种子体自身被动发出的太赫兹波，所以更安全; 传的太赫兹光谱特征，从而鉴别种子是否为转基统的安检仪主要用于探测金属物质，而太赫兹因; 还可以利用太赫兹的不同波段被瘦肉、脂安检设备不仅可以探测金属设备，还可以探测肪吸收的程度，判断肉制品的质量; 利用太赫兹波谱检测地沟油; 识别无标签物质的组成等 如陶瓷、粉末等非金属物质，所以太赫兹检测仪更可靠; 太赫兹检测仪为非接触式检测，无等。根据不同物质表现出不同的太赫兹吸收需被检人员脱衣，检测结果也不显示个人身体峰，检测并识别食品中的农
11、药残留以及食品添特征细节，所以隐私性更好; 太赫兹检测速率加剂等。以检测食品中是否含有液体农药五可以达到每小时 500 人次，所以更高效。更值氯硝基苯为例，利用 THz TDS 技术对含有农药五氯硝基苯的样品进行检测，同时利用 得高兴的是，中国电子科技集团公司第 38 研究所 2014 年 5 月 8 日在北京发布了我国首台Gaussian 09 量子化学分析软件对其分子进行太赫兹安检仪，填补了我国安检产业的空白，理论模拟研究，并与实验进行对比分析，可以获得时域波形幅值与浓度的线性相关性及吸 并打破了国外技术垄断。光度系数一阶导数与溶液浓度的关系。图 4为五氯硝基苯实验与理论模拟吸收谱图，从图
12、中可以看出，在 0 1 2 05 THz 波段内，五氯硝基苯在 1 84 THz 处有明显特征吸收峰，而理论吸收谱在 1 81THz 也有 1 个吸收峰。 对比理论与实验吸收谱，考虑因温度等理论模拟与实验条件差异而产生的特征峰红移，可以认为理论吸收谱中 1 81 THz 处的特征吸收峰对应于实验吸收谱中 1 84THz 处的特征吸收峰。即样品溶液中含有五氯硝基苯，只是五氯硝基苯浓度与吸收峰的关系还需要多个不同浓度样本反复多次实验得出。( 二) 太赫兹在安检中的应用太赫兹人体安检就是利用人体自身被动发出的太赫兹波，经过一系列的处理后，形成二维太赫兹图像，通过对比人体有无携带物品产生的太赫兹强度，
13、探知物品的存在，并显示( 三) 太赫兹在雷达和通讯系统中的应用目前，美国在太赫兹通信领域标志性的成果是 0 225THz 机载雷达; 欧盟国家在 THz 远距离检测方面也取得了一些成果; 日本政府也研制出了 1 5KM 太赫兹频段，为下一代无线通信提供了新的频谱资源以及更大的通信带宽，因此太赫兹无线通信技术也被誉为下一代高速无线通信新的技术增长点。由表 1 可以看出，由于太赫兹波带宽、方向性好，所以相对微波而言，太赫兹波的传输信息容量更大，传输效率更高。而相比于光通信而言，太赫兹通信的能效更高，且对人体尤其是眼睛的危害更小。无线、宽带既是其特点也是其未来应用的主要领域。因此毫无疑问太赫兹通信将
14、是未来短距离 ( 10 100 m) 无线通信发展的重要手段。因此，开展太赫兹通信方面的研究，可以抢占 300 GHz 以上空白带宽资源，拓展无线27第 4 期 三江高教 第 10 卷带宽。目前，太赫兹通信频段尚属空白，但由于结合了微波通信和光通信的各自特征，因此近年来太赫兹通信系统的研究引起了越来越多研究机构关注。表 1 太赫兹通信与微波通信、光通信技术的特点比较载波 微波通信 太赫兹通信 光通信传输方式 无线 无线 有线传输距离 远距离 视距 超长距离通信容量 Mbit / s 二者之间 Gbit / s移动通信或无 骨干网或应用场合 宽带接入线接入 有线接入定向性 定向差 二者之间 好安
15、全性 低 低辐射 高光子能量( 四) 太赫兹在生物医学中的应用生物医学的研究对象主要包括生物、离体测和导弹防御、军事卫星通信 、近距离地面和机载通信等。尤其在远程监视及探测方面具有潜在的应用前景。首先，太赫兹波长很短，大约在 30 m 3 mm 的范围内，远小于微波与毫米波的波长，可以用于探测更小的目标和更精确的定位。另一方面，与微波雷达相比，太赫兹雷达频率成分更丰富，且有着非常宽的带宽，能以成千上万种频率发射纳秒以至皮秒级的脉冲，大大超过现有隐身技术的作用范围，因此，更容易发现目标，不管是涂料隐身、形状隐身还是等离子体隐身得目标，都逃不过它的法眼。再有，与激光相比，太赫兹波对恶劣环境的适应性
16、更强，它能有效地穿越烟雾、尘土，用于复杂环境作战 。所以，作为未来高精度、反隐身雷达的发展方向之一，太赫兹雷达在军事上定将有广阔的应用前景。组织、生物细胞、生物细胞器和生物大分子。 四、结语因为生物分子的转动和振动跃迁在太赫兹频段表现出强烈的吸收和色散。因此可以利用 近年来，太赫兹科学与技术研究得到了巨太赫兹辐射效应，了解体内的“纳米机器” 如 大的发展，除了传统的太赫兹辐射源、 太赫兹何控制生物网络的运转，进而利用这些生物效 探测、太赫兹光谱与太赫兹成像研究以外，太应对生命活动进行有益的干扰; 也可以作为某 赫兹技术的应用不断扩展到军事、安全、 通信、些疾病诊断和治疗的理论依据。通过对氨基
17、雷达、国防、航空航天、天文、 石油、气象、 化工酸与多肽的太赫兹光谱进行研究，可以鉴定无 等各个领域，并正在取得不断的突破和进展。标记多肽的氨基酸组成、排列顺序和晶体结 可以预见在不久的将来，太赫兹技术将和其它构。通过对生物 DNA 的太赫兹光谱进行研 电磁波谱一样，给社会带来深远影响。究，从而可以定量分析基因结构和功能，而不是传统的基因比对。太赫兹技术在生物医学 参考文献:中的另一个应用就是成像技术，这主要是太赫 1苏楠 中国电科发布我国首台太赫兹安检产品兹波对人体无害; 对体内液体敏感性很高; 空 J 中国科技产业，2014( 5 ) : 80间分辨率可以达到几十微米。结合一些微结 2郑新
18、，刘超 太赫兹技术的发展及在雷达和通讯构器件可以得到高品质的图像，医护人员能够 系统中的应用 ( ) J 微波学报， 2010 ( 6) : 1清晰的看到病变组织的病灶。在对癌症的成 6像研究中报道较多的为对基底细癌 ( 恶性皮 3郑新，刘超 太赫兹技术的发展及在雷达和通讯肤肿瘤之一) 的诊断 另外在肝癌 乳腺癌 系统中的应用( ) J 微波学报，2011( 1) : 1。 、 、烧伤方面均取得了一些研究成果。这是因为 6癌变组织的反射率要大于健康组织，吸收系数 4赵国忠 太赫兹科学技术研究的新进展 J 国与健康组织也有很大的区别，可以根据吸收系 外电子测量技术，2014( 2) : 1 6
19、数或反射率所成的太赫兹图像准确的区分两 5闵碧波，等 太赫兹技术在军事和航天领域的应种组织的界限和病变程度。 用 J 太赫兹科学与电子信息学报， 2014( 3) :( 五) 太赫兹在军事领域的应用 351 354太赫兹在军事领域也有着广泛的应用。 6 何明霞，等 基于基底细胞癌的太赫兹波光谱分析 J 光谱实验室， 2013( 2) : 546 549太赫兹雷达可以用于近距离目标分析、目标探28第 4 期 王芳，刘云飞: 迅猛发展的太赫兹太赫兹技术在无损检测中的应用 第 10 卷Thriving THz: Its Application to Non destructive TestingWA
20、NG Fang，LIU Yunfei( 1 School of Electronic Information Engineering，Sanjiang University，Nanjing 210012 China;2 Nanjing Forestry University，Nanjing 210037，China)Abstract: THz radiation is a new type of far infrared radiation source characterized by many special features The application of THz TDS and
21、Terahertz Imaging to non destructive testing has become an effective supplement to non destructive technology The paper presented the application of THz to many fields and discussed its testing principles and mechanisms，and delved into the existing problems and the future developmentKey words: THz;
22、Non destructive Testing; THz Imaging; THz TDS( 上接第 20 页)Application of PLC in Control System Based on Square FountainMA Xinjin，GE Nianming，GONG Qiuying( Electrics and Electronics Experimental Center，Sanjiang University，Nanjing 210012 China )Abstract: The authors discussed the square fountain using P
23、LC as the controller，the A / D and D / A transformation， and realized three work modes of the fountain and lantern group control by using frequency conversion technologyFinally，with the programming of the computer as the upper machine，and PLC as the lower computer，the authors implemented the simulation of fountain and monitoring of the animation sceneKey words: PLC; Frequency Control; Fountain; Control System29
