李 虹 李 彬 馬立鵬 王 勁

(1.云南省公安廳禁毒局，云南·昆明 650000；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京中天鋒安全防護(hù)技術(shù)有限公司，北京 100048)

一、引言

21世紀(jì)初，社會公共安全已成為國際各國政府關(guān)注的焦點，各種主動式安檢儀器設(shè)施相繼問世，例如X射線探測技術(shù)、核磁共振技術(shù)、超聲波技術(shù)、中子檢測技術(shù)等。然而研究表明，這些技術(shù)在實際應(yīng)用過程中仍存在一定的局限性。首先，為了獲得樣品的透射光信息，傳統(tǒng)檢測技術(shù)通常需要高輻射當(dāng)量照射，而這種短波、強(qiáng)輻射普遍對人體組織和細(xì)胞具有一定的破壞性；其次，典型主動式安檢儀器為了實現(xiàn)掃描成像探測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)通常比較復(fù)雜，程序運算量大，對輻射源的安全性要求很嚴(yán)，因此實際制作成本十分高昂，不利于便攜式使用；此外，現(xiàn)有安檢設(shè)備通常只能針對特定范圍物品、藥物等進(jìn)行檢測，應(yīng)用領(lǐng)域比較有限，在實施安檢時往往需要伴隨著多種安檢手段。

為了有效突破上述傳統(tǒng)安檢技術(shù)的局限性，以太赫茲(Terahertz, THz)光譜成像為基礎(chǔ)的新型檢測技術(shù)近年來得到了廣泛關(guān)注。太赫茲波是一種波長介于無線電波(微波)和短波紅外光之間電磁波譜，其波長通常在0.1～10 THz (3.3cm-1～333.6cm-1)，這種特殊波段使其在與物質(zhì)發(fā)生相互作用時會同時具有微波和紅外光的傳輸特性(1)L. Xie, Y. Yang, Y. Ying. The application of terahertz spectroscopy to liquid petrochemicals detection: A review[J]. Applied Spectroscopy Reviews, 49(5), 448-461. (2014).Griffin, Steven T. , and K. A. Krapels . Aplanatic THz imaging[C]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 6949:69490H-69490H-8. (2008).H. Guerboukha, K. Nallappan, M. Skorobogatiy. Toward real-time terahertz imaging[J]. Adv. Opt. Photon., 10(4), 843-938. (2018).。由于其波長比微波短，因此可以實現(xiàn)亞毫米級的高分辨率成像；另一方面，太赫茲光波可以對液體、固體大分子材料發(fā)生強(qiáng)烈的共振相互作用，因此對于探測和研究物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)具有重要作用。特別是在生物檢測、在線安檢等領(lǐng)域，利用太赫茲光譜探測可以反映樣品的種類、材料、結(jié)構(gòu)本質(zhì)特征。第三，太赫茲光波不會對生物組織、易爆易燃物等產(chǎn)生光致?lián)p害，是一種典型的無傷探測手段。

二、太赫茲光譜成像關(guān)鍵器件

太赫茲光波的產(chǎn)生和接收一直以來是制約太赫茲光譜成像發(fā)展的關(guān)鍵，本節(jié)針對目前使用范圍最廣、最具代表性的典型太赫茲源和太赫茲探測器進(jìn)行闡述。

(一)太赫茲源

20世紀(jì)80年代后期，貝爾實驗室D. H. Auston和P. R. Smith(2)S.C. Zhong, J. Li, Z. H. Zhai, L.G. Zhu, J. Li, P.W. Zhou, J. H. Zhao, Z. R. Li. Generation of 0.19-mJ THz pulses in LiNbO3 driven by 800-nm femtosecond laser[J]. Opt. Express. 24(13), 14828-14835. (2016).首次利用超短脈沖激光器產(chǎn)生了太赫茲脈沖。此后，研究人員利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)(即采用飛秒激光脈沖照射半導(dǎo)體材料表面的偶極天線電極會激發(fā)大量的電子-空穴對，這種激發(fā)的電子-空穴對會發(fā)生快速復(fù)合，從而產(chǎn)生變化極快的光電流并輻射太赫茲脈沖)，研發(fā)了多種高輸出功率的太赫茲脈沖輻射源(太赫茲源)，在時域太赫茲光譜成像領(lǐng)域具有極其重要的研究意義。目前，典型的太赫茲脈沖寬度可以達(dá)到ps量級，光譜寬度可以達(dá)到0.1-3THz，脈沖能量最高可以達(dá)到0.4mJ。然而，由于飛秒脈沖激光器的成本高昂，對周圍環(huán)境、冷卻設(shè)備等要求很高，因此這種太赫茲激發(fā)技術(shù)仍普遍處于實驗室研發(fā)階段。

利用光學(xué)材料的非線性效應(yīng)使不同振蕩頻率的光波相干疊加，形成差頻THz輻射光是產(chǎn)生穩(wěn)定太赫茲輻射的一種更實用、方便、低廉的技術(shù)途徑。一般地，按照不同的差頻實現(xiàn)機(jī)理，差頻太赫茲發(fā)生器可以細(xì)分為單激光器雙波長差頻發(fā)生器、雙激光器雙波長差頻發(fā)生器，以及可以實現(xiàn)更高調(diào)諧能力的調(diào)制窄帶THz發(fā)生器(OPO)。OPO技術(shù)通過改變晶體光軸的方向、閑頻光的振蕩腔場方向等, 可以大幅拓展THz輻射波的調(diào)諧范圍，相比于飛秒脈沖激發(fā)太赫茲技術(shù)，這種太赫茲激發(fā)方法具有實驗裝置簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、調(diào)諧范圍寬、線寬窄的優(yōu)勢。

此外，為了實現(xiàn)更加便攜、穩(wěn)定的太赫茲光源，以量子級聯(lián)激光器(Quantum cascade Laser, QLC)、電子固體振蕩器(Electronic solid-state oscillators)以及反向振蕩器(Backward wave oscillators, BWOs)為首的多種太赫茲光源也得到了快速發(fā)展。

(二)太赫茲探測器

太赫茲探測器對于實現(xiàn)高靈敏度、低噪聲的太赫茲光譜成像具有重要意義。按照原理不同，太赫茲光譜探測技術(shù)基本可以分為兩類：基于像素陣列的太赫茲探測技術(shù)(例如焦平面探測陣列FPA等)和基于半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換的無像素成像探測技術(shù)。

近年來，低噪聲等效功率的FPA的發(fā)展，使其成為目前應(yīng)用領(lǐng)域最廣的太赫茲直接探測設(shè)備。FPA的工作原理主要是基于光電效應(yīng)，通過感光元件將接收到的太赫茲光信號轉(zhuǎn)換為電信號并進(jìn)行積分放大、采樣保持等，最終送達(dá)顯示系統(tǒng)形成灰度圖像。這種光電效應(yīng)原理構(gòu)成的THz-FPA，具有傳統(tǒng)紅外焦平面器件的特性。同時由于太赫茲光波長普遍長于近紅外波段，光波能量較弱，因此為了保證足夠的探測靈敏度，F(xiàn)PA的幀頻一般在25～50 Hz，無法實現(xiàn)高速探測；同時，這種探測器的響應(yīng)波段一般較窄，難以實現(xiàn)寬波段響應(yīng)；此外，在讀取數(shù)據(jù)時，重復(fù)的制冷、制熱操作會嚴(yán)重破壞探測器中的讀出電路器件。

相比于FPA，基于半導(dǎo)體上轉(zhuǎn)換的無像素探測技術(shù)(Pixelless detection)由于不需要讀出電路，因此可以實現(xiàn)高靈敏度、高穩(wěn)定的太赫茲探測。這種探測器沒有單獨的像素單元，直接采用整塊探測單元進(jìn)行探測，從而有效簡化了制造工藝，降低了研發(fā)成本。在具體探測時，整個圖像會同時到達(dá)探測器，并通過半導(dǎo)體二極管進(jìn)行存儲。

(三)太赫茲光譜成像技術(shù)及其安檢應(yīng)用

太赫茲光波，作為一種電磁波，具有與可見光、紅外線等相似的成像特性，在相干場和非相干光場下，均可以實現(xiàn)很好的成像效果。特別地，由于太赫茲光波具有某些紅外波段的屬性，例如穿透性、親水性，因此可以很好地對隱藏目標(biāo)進(jìn)行探測；此外，由于太赫茲光波可以與液體、固體大分子的振動能級、化學(xué)鍵等發(fā)生強(qiáng)烈的共振相互作用，因此，利用太赫茲光脈沖可以實現(xiàn)對某些危險品，例如爆炸物、毒品、刀具等進(jìn)行光譜成像。本節(jié)主要針對太赫茲光譜成像技術(shù)及其安檢領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行綜述。

1.太赫茲時域光譜技術(shù)(THz Time Domain Spectroscopy，THz-TDS)

經(jīng)過三十多年的發(fā)展，THz-TDS已經(jīng)在國防安全、醫(yī)藥診斷、食品檢測等領(lǐng)域取得了快速發(fā)展。太赫茲光波與某些分子的化學(xué)鍵會發(fā)生共振吸收，通過測量樣本在太赫茲譜下的光譜曲線，可以獲得其特征吸收線，從而建立完備數(shù)據(jù)庫。安檢中，通過匹配檢測樣品的特征吸收線與樣本數(shù)據(jù)庫，可以快速識別隱藏物的種類和位置。

圖1(a) 是一種典型的THz-TDS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。2012年，華沙軍事科技大學(xué)Norbert Palka等人采用800 nm飛秒脈沖激光泵浦半導(dǎo)體材料，產(chǎn)生了太赫茲輻射光束。飛秒激光器的輸出光經(jīng)過分束器分為2束，一束作為探針光束利用光學(xué)延遲線對不同時刻的太赫茲信號光進(jìn)行采樣；另一束作為太赫茲光譜捕獲光路?；诠怆妼?dǎo)原理或者光學(xué)材料的非線性效應(yīng)等產(chǎn)生太赫茲光脈沖。太赫茲光脈沖經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)與待測樣本發(fā)生相互作用，產(chǎn)生的太赫茲反射或透射信號經(jīng)后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)太赫茲探測器，配合探針光束完成信號采集，獲得太赫茲時域信號(如圖1(b)所示)，然后采用快速傅里葉變換方式計算出樣品的太赫茲譜曲線(如圖1(c)所示)。

(a)系統(tǒng)光路圖，(b)太赫茲時域信號，(c)太赫茲頻譜

THz-TDS具體操作時，首先采用如圖4(a)所示光路對無樣品下的環(huán)境進(jìn)行測量并計算求取參考環(huán)境下的太赫茲復(fù)頻譜(Er(ω))；然后將待測樣本放入系統(tǒng)中，測量此時太赫茲復(fù)頻譜(Es(ω))，最終可以得到樣本的透射光譜和吸收光譜，并根據(jù)光束傳播模型推斷樣品的材料、結(jié)構(gòu)、位置等特性。針對不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，除了透射式TDS系統(tǒng)，近年來反射式、全反射式、寬帶TDS系統(tǒng)也得到了快速發(fā)展。

在安檢領(lǐng)域，由于爆炸物的組成分子的在THz波段普遍存在特征峰位，而太赫茲波對一些非極性材料例如紙、塑料、陶瓷和木材等具有穿透性，因此THz-TDS技術(shù)可以對隱藏在容器、包裹內(nèi)的物品進(jìn)行探測。同時，由于組成爆炸物分子材料的成分不同，其太赫茲吸收特征線(吸收峰)的分布是不同的，因此可以對是否含有爆炸物以及爆炸物的種類進(jìn)行判斷。圖2所示為幾種不同爆炸物(RDX、PETN、HMX和TNT)的太赫茲吸收譜(4)M. Hangyo ,M. Tani, T. Nagashima. Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26(12):1661-1690. (2005).，在1-4 THz之間，四種爆炸物的太赫茲吸收峰是不同的，例如：RDX其吸收峰主要位置為0.72、1.26、1.73，和6THz, PETN吸收峰最高位置為1.98、2.12THz。

圖2 四種爆炸物成分的太赫茲吸收譜(5)M. Hangyo ,M. Tani, T. Nagashima. Terahertz Time-Domain Spectroscopy of Solids: A Review[J]. International Journal of Infrared and Millimeter Waves, 26(12):1661-1690. (2005).

除了爆炸物的檢測，THz-TDS技術(shù)對于毒品的檢測也具有一定的適用性，如圖3所示。從對應(yīng)的THz-TDS光譜曲線可以看到，雖然包裝的材料、種類均不相同，但每一條光譜曲線都在0.82THz位置產(chǎn)生明顯的吸收峰。因此，在安檢過程中通過探測0.82 THz位置的吸收光譜可以對隱藏的可卡因毒品進(jìn)行檢測。

圖3不同包裝隱藏下毒品樣品的太赫茲吸收譜(6)A. G. Davies, A. D. Burnett, W. Fan, E. H. Linfield, J. E. Cunningham. Terahertz spectroscopy of explosives and drugs[J]. Materials Today, 11(3):18-26.(2008).

2.太赫茲成像技術(shù)(THz imaging)

在THz-TDS的應(yīng)用中，由于脈沖式太赫茲源能量很低，需要探測器具有較高的靈敏度和較長的積分時間，因此無法滿足機(jī)場、火車站、地鐵等大流量區(qū)域的安檢要求。研究表明，連續(xù)性太赫茲光源由于具有較高的輸出功率，可以有效地用于實時高分辨率太赫茲成像，實現(xiàn)安全、快速、便攜的安檢。

一般地，根據(jù)成像方式的不同，太赫茲成像大體可以分主動式成像和被動式成像。其中被動式成像主要通過探測樣品本身輻射的太赫茲光進(jìn)行探測，如圖4(a)所示。由人體輻射的太赫茲光波，經(jīng)過空氣傳播至距離為z的太赫茲探測器并借助縱向掃描機(jī)制，實現(xiàn)全視場成像。Marcin Kowalski指出，在自然環(huán)境內(nèi)，人體溫度通常要高于周邊環(huán)境溫度，因此人體會輻射出較強(qiáng)的太赫茲光波，這一點與其他材料例如金屬、電介質(zhì)等的輻射特征很不相同；另外，由于太赫茲光波對常見的布料、紙等具有很強(qiáng)的穿透性，因此可以實現(xiàn)快速檢測。如圖4(b)和圖4(c)所示，隱藏在衣服內(nèi)的匕首在太赫茲圖像中清晰可見。

(a)成像示意圖，(b)和(c)分別為人體模型的太赫茲圖像和可見光圖像

雖然這種被動式成像理論上比較簡單，但在實際應(yīng)用中仍存在很多問題。首先，人體發(fā)出的太赫茲輻射一般比較弱，受限于現(xiàn)有太赫茲探測器靈敏度、光子噪聲等影響，成像分辨率較低；其次，由于受環(huán)境的太赫茲輻射干擾，系統(tǒng)成像噪聲一般比較大，圖像信噪比較低。為提高被動式太赫茲成像系統(tǒng)的可靠性和實用性，針對被動式太赫茲成像體系，研究人員相繼研發(fā)了多種圖像增強(qiáng)方法，例如小波降噪、直方圖均衡化、邊緣濾波、圖像分割等方法，一定程度提高了成像質(zhì)量，降低了圖像噪聲。

在主動式太赫茲成像系統(tǒng)中，由于太赫茲輻射源具有較高的輻射功率，成像質(zhì)量較被動式太赫茲成像得到大幅提高。同時，太赫茲輻射光束的強(qiáng)相干特性，使其在全息成像、CT成像、無透鏡成像、太赫茲干涉成像等領(lǐng)域得到了快速發(fā)展。

主動式太赫茲成像系統(tǒng)主要包括：穩(wěn)定連續(xù)太赫茲發(fā)生器，光束整形模塊、聚焦光路、太赫茲探測光路(通常采用焦平面陣列FPA)以及機(jī)械掃描控制系統(tǒng)。按照成像方式的不同，主動式太赫茲成像大體上可以分為兩類，即透射式成像和反射(散射)式成像，如圖5所示。研究表明，對于某些表面粗糙度分布不同的隱藏目標(biāo)成像時，相對于透射系統(tǒng)，反射系統(tǒng)不僅可以識別隱藏目標(biāo)，還能得到隱蔽目標(biāo)的表面特性。特別是在小型的安檢設(shè)備中，采用反射式系統(tǒng)可以大幅減小安檢設(shè)備的體積，有效降低系統(tǒng)的研制成本。

(a)透射成像，(b)反射(散射)成像

采用主動太赫茲光源照明，當(dāng)樣品和探測器的接收距離在3米范圍內(nèi)時，大氣的衰減和散射近似忽略不計，因此可以對一些被郵件、包裹等隱藏的武器、爆炸物、毒品進(jìn)行快速檢測，如圖6所示。由于金屬與人體對太赫茲光譜的反射、散射能力的不同，隱藏在衣服內(nèi)的金屬被輕易發(fā)現(xiàn)。

圖6 對隱藏有不同間距鋁膜的人體的太赫茲成像(9)A. N. Perov, K. I. Zaytsev, I. N. Fokina, V. E. Karasik, E. V. Yakovlev, S. O. Yurchenko. BWO based THz imaging system[J]. Journal of Physics Conference Series, 486(1): 012027. (2014).

三、太赫茲安檢成像設(shè)備發(fā)展現(xiàn)況

太赫茲安檢技術(shù)已經(jīng)從早期的基礎(chǔ)驗證逐步過渡到了初步應(yīng)用階段。20世紀(jì)末，以歐美為主的研發(fā)團(tuán)隊利用太赫茲光波的特性，率先開展了太赫茲安檢設(shè)備的研究工作并取得了豐碩成果。

在人體安檢領(lǐng)域，2009年，英國ThruVision公司開發(fā)了一種新型太赫茲安檢系統(tǒng)ThruVision T4000，可以快速篩選出隱藏在塑料、復(fù)合材料、陶瓷、金屬、液體內(nèi)的炸彈或其他威脅物品。該系統(tǒng)可以在3～15m的安全距離內(nèi)對人群成像，并能隱蔽篩選出隱藏不明物體人員；2011年，美國L3公司研制了一種人體安檢儀ProVision 2，可以實現(xiàn)1.5s內(nèi)的旅客安檢，對包括金屬和非金屬在內(nèi)的多種航空威脅目標(biāo)、液體、粉末等均可檢測。相比于ProVision 2，美國Northrop Grumman公司研發(fā)的NGC系統(tǒng)不需要主動太赫茲源，通過檢測目標(biāo)自身的太赫茲輻射波，利用太赫茲波段的穿透能力實現(xiàn)人體藏匿危險物的檢測。

在包裹安檢方面，2013年，德國弗勞恩霍夫物理測試技術(shù)研究所(IPM)與Hübner公司聯(lián)合研制了代號為“T-COGNITION”的太赫茲信件安檢設(shè)備。這款設(shè)備可以在幾秒鐘內(nèi)通過分析透過信件的太赫茲信號，確定其太赫茲“手印”，進(jìn)而經(jīng)過與數(shù)據(jù)庫的比對，確定信件內(nèi)是否存在危險品如爆炸物、毒品等。

雖然國內(nèi)太赫茲安檢技術(shù)起步比較晚，但是近幾年也涌現(xiàn)出多種高性能的太赫茲安檢設(shè)備，打破了西方國家的技術(shù)壟斷，部分研發(fā)產(chǎn)品已經(jīng)在機(jī)場、地鐵、博覽會等人流量大、人員相對復(fù)雜的公共場所成功應(yīng)用。2014年，中電三十八所研發(fā)出國內(nèi)首臺太赫茲人體安檢儀。利用該安檢儀，在不侵害乘客隱私情況下，可以實現(xiàn)1～2秒快速安檢。2015年，博微科技在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)了TeraSnap人體安檢系統(tǒng)，采用自動感應(yīng)掃描方式，檢測時間縮短至1秒，空間分辨率達(dá)到1厘米。2016年，同方威視研發(fā)了一款新型人體安全檢查系統(tǒng)MW1000AA。該系統(tǒng)采用主動式毫米波成像技術(shù)和自動識別技術(shù)，無須特殊移動，可以靜止2秒完成掃描。該產(chǎn)品能自動探測出藏匿于衣物及人體體表的金屬/非金屬危險品。除此之外，公安部第一研究所、OBE公司、華訊方舟、中電五十所等多家研發(fā)單位也在積極開展太赫茲安檢設(shè)備研發(fā)。