徐雨田，蔣 玲，虞江萍

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

基于太赫茲時域成像技術(shù)的三合板檢測

徐雨田，蔣 玲，虞江萍

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210037)

本文采用太赫茲時域成像技術(shù)研究了三合板的特性參數(shù)。太赫茲時域成像系統(tǒng)(THz-TDS)研究了三合板表面和截面的成像特性。太赫茲成像能快速檢測出三合板表面的紋理特征，并測得第一層的厚度為92 μm。由于三合板第二層為木材顆粒壓縮而成，導(dǎo)致太赫茲能量的大量耗散，無法得到準確的內(nèi)部特性。通過提高系統(tǒng)信噪比和成像分辨率，能進一步分析三合板的內(nèi)部信息，從而完成對三合板表面和內(nèi)部的無損檢測。

三合板；太赫茲；時域成像

太赫茲波(THz)是指頻率在0.1 THz～10 THz之間的電磁波[1，2]。伴隨著激光技術(shù)的發(fā)展，太赫茲技術(shù)被大量關(guān)注。由于太赫茲波的高透過性和無損性，因此可以利用其特性對樣本進行無損檢測[3]。

太赫茲成像技術(shù)在化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、安檢和航空等領(lǐng)域被廣泛引用[4-6]。1995年Hu等采用逐點掃描式的太赫茲時域成像系統(tǒng)[7]，并且運用這種方法對樣品進行成像。2007年，Zhang等利用不同材料對THz頻譜吸收不同的特點，實現(xiàn)對常見爆炸物的成像[8]。德國科技大學(xué)利用太赫茲時域系統(tǒng)鑒定木塑材料的含水量，同時利用太赫茲波對水的敏感性來觀察植物中水的流動[9]。然而，在板材檢測中，仍很少利用太赫茲波段進行檢測。同時，傳統(tǒng)的太赫茲時域成像系統(tǒng)采用一個飛秒激光器進行發(fā)射和檢測，導(dǎo)致其成像速度較慢。

本文提出了一種利用遠紅外光(THz波段)對三合板進行檢測的方法。利用太赫茲時域成像系統(tǒng)對三合板表面紋理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行檢測，對三合板的表面先進行成像，之后對內(nèi)部截面進行成像，檢驗三合板的各層厚度。該系統(tǒng)利用了差頻延遲太赫茲光譜技術(shù)，提高了成像的速度，為人造板檢測提供了新的方法。

1 實驗方法

1.1 太赫茲時域光譜原理

太赫茲時域光譜系統(tǒng)由飛秒激光、光電導(dǎo)天線、時間延遲系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集等組成[8-10]。機械延遲的缺點很明顯，穩(wěn)定性差和系統(tǒng)速度慢。利用差頻延遲方法能夠提高光譜成像系統(tǒng)的速度。差頻延遲太赫茲光譜系統(tǒng)采用兩個頻率稍有差異的飛秒激光抽運光電導(dǎo)天線，通過異步取樣產(chǎn)生和探測太赫茲波。

通過檢測分析反射的太赫茲波脈沖的延遲時間或振幅，以非破壞的方式分析厚度[11]。根據(jù)反射原理，表面的反射系數(shù)r1，第一層內(nèi)部的反射系數(shù)r2可由式(1)、(2)獲得

(1)

(2)

式中：n1為表面第一層折射率，n2為第二層折射率。

表面的厚度L可由式(3)求得

(3)

式中：Δt為兩次反射波峰值的時間差。

1.2 裝置及條件

本實驗采用TAS7500IM太赫茲時域成像儀。該儀器由太赫茲光發(fā)生模塊、太赫茲成像分析單元和太赫茲光譜分析單元組成。圖1為太赫茲時域成像系統(tǒng)原理圖，實驗裝置通過同步控制系統(tǒng)產(chǎn)生兩束激光，一束驅(qū)動發(fā)射器，另一束激發(fā)探測器。

圖1 太赫茲時域成像儀TAS7500IM原理圖

1.3 實驗處理

本實驗裝置采用逐點掃描成像系統(tǒng)，掃描探頭的移動范圍和步長由計算機控制。在掃描方式中，采用了同心圓掃描方式。相比于傳統(tǒng)的方法，同心圓掃描在確保了精度的同時節(jié)省了時間。因為采用封閉式太赫茲時域系統(tǒng)，所以對樣本尺寸、質(zhì)量有著要求。與此同時，因為空間分辨率對本實驗結(jié)果影響較大，所以預(yù)先驗證系統(tǒng)的表面成像分辨率為0.2 mm，再進行三合板表面和內(nèi)部截面成像的研究。

2 結(jié)果與討論

實驗測試用的三合板為邊長是1 cm的正方形，上下兩層為薄木板，中間層為木屑顆粒壓制而成，表面存在紋理，內(nèi)部存在分層。圖2為三合板表面成像圖，(a)為光譜圖像，(b)為對應(yīng)的太赫茲圖像。不同的顏色代表著不同的反射強度。太赫茲圖像清晰地反映了木材的紋理，測試的條紋寬度與實際寬度一致，均為2 mm。不僅如此，與光學(xué)圖像相比，太赫茲圖像對三合板表面紋理區(qū)分更加明顯，信號強度的變化反映了表面的凸凹不平。但是我們也觀察到太赫茲圖像存在邊緣數(shù)據(jù)丟失的現(xiàn)象。這可能因為系統(tǒng)以同心圓掃描成像，使得成像結(jié)果只能是圓形，從而影響了對三合板表面整體的成像。圖3為三合板表面不同兩點(M和N)的時域光譜圖，其中M點的光譜圖為黑色譜線，N點的光譜圖為紅色譜線，不同的波峰代表著不同的反射強度。圖3存在多個反射波峰，表明三合板的內(nèi)部存在分層情況，第一個波峰表現(xiàn)明顯，隨著太赫茲波逐漸進入板材內(nèi)部，板材對太赫茲信號的吸收，波峰峰值逐漸下降。

(a) 光學(xué)圖像 (b) 太赫茲圖像

圖3 三合板M、N兩點光譜圖

除此之外，還對三合板的內(nèi)部進行了成像研究，用于更好地了解木材的淺層情況。我們對厚度為2.9 mm的板材進行了太赫茲成像，如圖4(a)為三合板的光學(xué)照片，三合板的第一層厚度為100 μm。圖4(b)是三合板淺層內(nèi)部太赫茲成像結(jié)果。太赫茲成像中存在不同的顏色帶，不同的顏色代表著不同的太赫茲反射強度，綠色帶的反射強度為負值，結(jié)果與實際情況不相符合。失真的原因可能是，三合板第二層為木屑顆粒壓制而成，內(nèi)部存在大量的空隙以及膠合劑，使得太赫茲波在進入第二層時發(fā)生了多層反射，信號強度大大減弱，導(dǎo)致信噪比急劇減小，從而造成測試結(jié)果失真[12]；其次由于木材本身對太赫茲波也有一定程度的吸收，使得太赫茲波能量不斷衰減，很難檢測到微弱的反射信號。在圖4(b)中，第一層橙色段的厚度為92 μm，與三合板第一層的厚度100 μm較接近，這說明在厚度測量上，太赫茲時域成像儀的精度可接近100 μm。由于太赫茲信號在木材深層內(nèi)部耗散過大，無法有效檢測更深層內(nèi)部信息。

圖4 三合板截面成像

3 結(jié)論

本實驗成功地實現(xiàn)了對三合板表面和淺層進行太赫茲成像的研究。結(jié)果表明，太赫茲時域成像系統(tǒng)檢測出三合板表面的基本紋理特征，成像結(jié)果直觀且較可靠，且深度分辨率可接近100 μm。同時，隨后對三合板的截面進行成像，測得的第一層的厚度誤差在8%以內(nèi)，隨著樣品厚度的加深，導(dǎo)致太赫茲信號在板材內(nèi)部的大量耗散，成像結(jié)果完全失真?？傊掌潟r域成像系統(tǒng)能夠?qū)θ习灞砻婧蜏\層進行快速成像，但是木材深度信息的提取還需進一步提高系統(tǒng)信噪比，或者選取密度更均勻的木材樣品。

[1] 張同意，曹俊誠.大孔徑光電導(dǎo)天線產(chǎn)生的太赫茲脈沖時間特性研究[J].稀有金屬,2004(3):588-589.

[2] 張存林.太赫茲波譜與成像[N].中國光學(xué)學(xué)會2008年全息與光信息處理專委會學(xué)術(shù)年會,4-5.

[3] Qi N,Zhang ZY,Xiang YH.Application of Terahertz Technology in Medical Testing and Diagnosis[J].Guang Pu Xue Yu Guang Pu Fen Xi,2013,33(8):2064-2070.

[4] 朱新建，何璇，王品，等.太赫茲成像技術(shù)應(yīng)用于燒傷檢測的研究發(fā)展[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志,2016(1):184-187.

[5] 李大圣，鄧楚強，劉振華，等.太赫茲成像雷達系統(tǒng)研究進展[J].微波學(xué)報,2015(6):82-87.

[6] Baylin SB,Jones PA.A Decade of Exploring the Cancer Epigenome-biological and Translational Implications[J].Nature Reviews Cancer,2011,11(10):726-734.

[7] Hu BB,Nuss MC.Imaging with Terahertz Waves[J].Optics Letters,1995,20(16):1716.

[8] Zhang Z,Zhang Y,Zhao G,et al.Terahertz Time-domain Spectroscopy for Explosive Imaging[J].Optik-International Journal for Light and Electron Optics,2007,118(7):325-329.

[9] Wietzke S,Jansen C,J?rdens C.Industrial Applications of THz Systems[J].Proc of SPIE,2009,738506:1-13.

[10] 郭田田.太赫茲脈沖掃描成像算法及其應(yīng)用[D].電子科技大學(xué),2015.

[11] Duvillaret L,Garet F,Coutaz J L.Highly Precise Determination of Optical Constants and Sample Thickness in Terahertz Time-domain Spectroscopy[J].Appl Opt,1999,38(2):409-415.

[12] Goldsmith PF.Quasioptical Systems[M].IEEE Press,1998.

Detection of Three-ply Board Based on Terahertz Time-domain Imaging Technologe

Xu Yutian, Jiang Ling, Yu Jiangping

(CollegeofInformationScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,NanjingJiangsu210037,China)

The paper mainly studies the characteristic parameter of three-ply board with terahertz imaging technology. The imaging system investigates the superficial and sectional imaging characters. The terahertz imaging can detect the superficial texture properties rapidly, and the thickness of the first layer is 92 m. Since the second layer is made of condensed particles, so it results the energy waste of THz signal, and can not obtain the precise inner information. With the improvement of signal to noise ration and imaging resolution, the further analyze can be made for the inner information and achieve the nondestructive detection of the superficial and inner information in the future.

three-ply board; terahertz; time domain imaging

2017-03-02

徐雨田(1990- )，男，江蘇宿遷人 ，碩士，研究方向：無損檢測。

1674- 4578(2017)02- 0018- 03

TP274

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