基于太赫兹时域谱分析的爆炸物检测方法研究

采用太赫兹时域谱分析技术测量了在氮气和空气环境下四种典型爆炸物的太赫兹光谱,并分别利用均值平滑、傅里叶低通滤波以及小波分解与重构三种方法来消除空气中由水蒸气吸收引起的光谱振荡现象。实验结果表明:四种爆炸物的太赫兹光谱具有可分辨的特征,能够作为识别的依据;通过研究水蒸气的影响,使得利用太赫兹时域谱分析技术检测爆炸物向实用化迈进了一步。     

小波变换在太赫兹时域光谱分析中的应用

随着超快激光技术的发展及其人们对太赫兹(THz)电磁波波段与脉冲光源认识的进一步深入,太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术作为一种新的、快速发展的光谱分析方法在许多领域备受关注。利用太赫兹时域光谱技术在空气环境下测量样品时,样品的太赫兹光谱会因空气中水蒸气的影响而出现振荡现象。文章利用太赫兹时域光谱分析技术分别在氮气和空气环境下测量了七种样品在0.2～1.9太赫兹波段的光谱,并以氮气环境下的太赫兹光谱为参考,利用小波变换对空气环境下测量的数据进行了处理,消除了太赫兹光谱中水蒸气吸收造成的影响,实验结果证明了该方法的可行性,在此基础上,还对其中四种样品做了成像和识别,并得到了较好的结果。     

基于衰减全反射式太赫兹时域光谱技术的食用油光谱特性研究

食用油是人类营养和能量的重要来源,为人体提供必需的脂肪酸,研究食用油在太赫兹波段光学特性,对食用油成分分析及品质评价具有重要价值。衰减全反射式太赫兹时域光谱技术是一种新型的太赫兹时域光谱技术,通过样品与倏逝波的相互作用,获取样品的太赫兹光谱。与透射式或反射式太赫兹时域光谱技术相比,该技术能有效地避免测量食用油等液体样品时样品池对光学参数的影响,并能获得样品的精确光学参数。分别利用透射式太赫兹时域光谱技术和衰减全反射式太赫兹时域光谱技术测量了大豆油的吸收光谱。结果表明,与透射式太赫兹时域光谱技术相比,衰减全反射式太赫兹时域光谱技术能更有效地提取大豆油的吸收系数、吸收峰分布等光学特性。进一步利用衰减全反射式太赫兹时域光谱技术研究了大豆油、核桃油、葡萄籽油在太赫兹波段的光学特性,获得了三种食用油在1~1.8 THz范围内的折射率谱和吸收光谱。利用密度泛函理论计算了食用油中四种主要成分(软脂酸、硬脂酸、油酸和亚油酸)在太赫兹波段的振动、转动模式,理论计算结果同实验测量结果吻合较好。研究表明,在太赫兹波段食用油的吸收峰与所含脂肪酸分子种类与含量有关,其主要来源为脂肪酸分子的低频振动和转动。研究成果对食用油成分定性定量分析及品质检测等具有指导意义。     

太赫兹时域光谱技术及激光雷达光谱探测误差分析与实验验证

太赫兹波是指频率介于0.1～10 THz之间的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和远红外光之间。大多数生物战剂爆炸物在此波段有特征吸收。与在公共安全领域检测武器、生物战剂等危险品的传统方法相比,太赫兹辐射能量低,不会产生电离辐射,对物质可以做到高灵敏、无损伤和远距离检测。介绍了国内外太赫兹时域光谱技术在在生物战剂爆炸物检测方面的研究最新进展,并设计了一种激光雷达光谱探测与实时测量装置,以傅里叶光学与光信号处理为基础,使用楔形标准具作为分光镜,实现背景噪声去除、激光探测和光谱测量。测试结果表明,可探测激光雷达脉冲宽度为10 ns,并初步探讨了影响实验结果的几种因素,提出将激光雷达光谱探测技术与太赫兹时域光谱技术相结合,并采用现代模式识别、信号处理技术是生物化学战剂爆炸物实时光谱检测技术的发展趋势。     

阿莫西林的太赫兹光谱研究

阿莫西林是一种青霉素类抗生素,由于其独特的药效,在临床和人们的日常生活中应用比较广泛。对于这类药物的真伪检测不仅关系到患者的身心健康,而且对于保护合法生产厂商利益打击假冒伪劣药品都极为重要。太赫兹(THz)波是一种新开发的电磁辐射,具有许多独特性质。利用基于太赫兹波的太赫兹时域光谱技术对3个不同厂家生产的阿莫西林胶囊进行了测试分析,得到了三种样品的太赫兹时域光谱,通过傅里叶变换,得到了它们的频域光谱,同时获得了它们的太赫兹吸收系数曲线和折射率曲线。测试结果表明三种样品在太赫兹波段存在明显的吸收峰,在0.20～1.60 THz之间,吸收峰的位置基本上是重合的,三种样品的折射率存在一定的差别。对阿莫西林太赫兹时域光谱的研究表明：太赫兹波在青霉素类药品的质量检查、药品生产过程中的质量控制以及假冒伪劣药品的打击方面有广阔的应用前景。     

太赫兹时域光谱在邮件隐匿危险品检测中的应用

随着电子商务的快速发展,邮件数量剧增,在邮件中隐匿危险品已经成为犯罪分子重要的犯罪手段,威胁公共安全和社会稳定。邮件的安全检查变得尤为重要,而常规的检测技术不能准确识别危险品。太赫兹波是介于红外和微波之间的电磁波,邮件中隐匿的爆炸物、毒品和有害生物因子等在太赫兹波段存在特征吸收光谱,而邮件常用的非极性包装材料可以被太赫兹波穿透。太赫兹波还具有低能性、相干性等特性,这些特性使得太赫兹技术可以实现邮件隐匿危险品高灵敏度的无损检测。文章介绍了太赫兹技术的特性,太赫兹时域光谱系统的组成和获取光学常数的菲涅尔公式解析法。该方法通过样品透射或反射信号和参考信号来获取包括吸收光谱在内的材料参数。将样品的太赫兹特征吸收光谱和已建立的各种危险品的光谱特征数据库进行比对,可以判断是否为危险品以及危险品种类。对爆炸物、毒品在太赫兹波段的特征吸收光谱的研究成果,及在各种非极性材料遮挡下吸收光谱的特异性的研究进展进行了总结。获取吸收光谱的解析法适用于较厚样品,针对薄样品,还介绍了一种P-谱法。该方法不需要参考信号就能准确获取覆盖物下样品的吸收光谱。除直接利用吸收光谱做检测外,近些年还提出了很多其他识别危险品的方法,如光谱动力学分析法,化学计量学方法和基于太赫兹时域光谱的成像分析法等。其中,光谱动力学分析法可以很好的区分吸收频率有重叠的物质;化学计量学方法可以对混合物进行成分的定性和定量分析;光谱成像法可以完成较大面积的隐匿危险品识别。分析了太赫兹时域光谱技术识别有害生物因子的可行性,以及针对有害生物因子携带量小的特点,总结了太赫兹时域光谱技术在提高生物因子检测灵敏度方面的研究进展。探讨了太赫兹技术在邮件安检应用中一些有待解决的问题,如太赫兹功率有限、受环境因素影响较大、缺乏统一的标准等,展望了未来的发展趋势。     

超宽带太赫兹时域光谱探测技术研究进展

太赫兹时域光谱(THz time-domain spectroscopy, THz-TDS)技术是一种非常有效的相干探测技术,具有信噪比高,探测带宽,可在室温下工作,可进行时间分辨测量等特点,广泛应用于材料、化学、生物、安检等领域。较早时期的THz-TDS系统受限于太赫兹辐射源的带宽和光谱探测手段,测量范围有限(<5 THz),较高频段的光谱信息无法得到。为了进一步扩大太赫兹时域光谱探测技术的应用范围,迫切需要发展超宽带(≥10 THz)的太赫兹时域光谱探测技术。本文回顾了太赫兹时域光谱探测技术的发展进程,综述了实现超宽带太赫兹时域光谱探测的主要技术方法,展示了不同测量方法的典型实验方案,同时总结了不同探测方法的优缺点,并追踪了主要研究小组的前沿成果以及最新的应用进展。     

利用太赫兹反射式时域光谱系统测量有机溶剂的光学参数

采用太赫兹反射式时域光谱系统,测量了包括正己烷、液状石蜡、无水酒精和水在内的四种有机溶剂的反射式时域光谱,并根据实验模型设计了两种计算方法提取液体样品的光学参数.此外,还将反射算法得到的样品光学参数与透射算法的结果进行比较,验证了反射式系统对应算法结果的正确性,解决了透射系统无法准确测量和提取对太赫兹吸收很强的样品的光...     

太赫兹波段豆油光谱的优化测量

太赫兹时域光谱技术是基于飞秒超快激光技术的有效的光谱检测技术,太赫兹波独特的优势使其成为一种有效的无损检测手段,并被广泛地应用到各个领域。然而在样品检测尤其是液体样品检测过程中,由于Fabry-Perot效应的存在,太赫兹波在样品、样品容器、以及光学元件之间的多次反射,使时域信号产生回波,样品的吸收光谱在频域内产生振荡,有可能会隐藏一些重要的吸收特征。为了解决这一问题,对解卷积算法进行改进,在传统计算模型的基础上,考虑系统中液体池窗片和光学元件对太赫兹波的非线性吸收,将包含回波的太赫兹时域信号描述为太赫兹主脉冲与一系列冲击信号和非线性传递函数的卷积。通过分析,有效去除回波引起的频谱振荡,进一步提高太赫兹波段豆油光学参数的测定精度。实验对比了改进前后0.2～2 THz波段豆油的频谱及吸收谱,实验结果证明,与传统的主脉冲截取法相比,本算法不仅能有效去除回波引起的频谱振荡,且在相同检测条件下,可将太赫兹波段豆油样品的频率分辨率由50 GHz有效提高至10 GHz。该算法不受被测对象参数的影响,同样适用于其他液体的太赫兹时域光谱测量。最后对吸收谱中残余的频谱振荡进行了深入分析。     

基于太赫兹光谱技术的D-无水葡萄糖定性定量分析研究

葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰,不同大分子物质的指纹峰具有特异性,利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象,首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱,测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱,再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数,研究样品的吸收特性,然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。研究结果表明,D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性,比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型,通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型,得到的预测模型精度较高,稳定性较好,模型的校正集相关系数达0.977 2,均方根误差为0.061 6,预测集相关系数为0.992 7,预测均方根误差为0.055 2,从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究,该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、食品、药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。     

Terahertz time-domain spectroscopy for explosive imaging

Terahertz (THz) imaging which is a new technology for material classification and nondestructive detection has been extensively investigated in the past decade. The time-domain waveform acquired at each point of the object by using the THz time-domain spectroscopy contains much information about the object. Processing this waveform will present the characters of the object. Several methods are adopted to generate the image of the explosive samples and results are compared and discussed. Experiment results indicate that this new imaging technology can be used for explosive detection.     

THz关键技术及其在生物医学中的应用

THz电磁辐射的关键技术就是THz的产生和检测.本文分别介绍了两种产生THz辐射的方法及其对应的检测方法,较为全面地论述了THz成像技术,详细分析了THz成像技术的成像装置、成像原理及成像过程,并对其在生物医学方面的应用前景进行了重点分析.     

基于THz技术的农产品品质无损检测研究

农产品品质备受关注,而由品质变化引发的农产品安全事故频繁,开发农产品品质的快速无损检测技术成为研究热点。太赫兹波(THz)是介于微波与红外之间的电磁辐射,由于其独特的优势,具有重要的科学研究价值。近年来,随着THz辐射源和探测器研究的不断突破,大大丰富了THz的应用研究。与其他检测技术相比,作为一种新型检测技术,THz辐射具有安全和高信噪比等重要特征,能获得传统检测方法无法获得的物理、化学和生物等信息,在质量安全检测与控制、生物医学和通信等领域的应用前景广阔。首先介绍了THz波的概念和主要性质,接着对THz技术在农产品品质检测应用上的研究进展进行综述,分析THz探测技术存在的问题,对THz技术的应用潜力进行展望,最后提出THz技术在储粮品质检测中新的应用和广阔前景。     

单发太赫兹时域光谱技术

太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)广泛应用于材料、生物医学、化学、药学、安检等诸多领域。传统扫描式THz-TDS技术需要通过改变探测光延时逐点扫描并重构时域信号,仅适合于具有较高重复频率且稳定的太赫兹辐射源情形下的样品探测。在低重复频率或涨落较大的太赫兹辐射源情形下和不可逆过程中样品的探测,扫描式THz-TDS不再适用,需要使用单发THz-TDS技术,单发THz-TDS技术原则上仅需要一个激光脉冲就可以获取一个完整的太赫兹时域脉冲波形。介绍几种主要的单发THz-TDS探测技术,这些技术都利用了电光晶体的泡克尔斯效应,通过测量探测光的某个物理量的变化来提取太赫兹信号。根据探测方法不同可分为光谱编码、空间编码和互相关等技术。在光谱编码技术中,探测光不同频率成分在时间上发生分离,不同时间成分分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个频率被太赫兹脉冲调制前后的光谱的变化提取太赫兹脉冲波形。该方法光路简单,测量结果直观,有较高的信噪比,但其时间分辨率较低,且被测太赫兹信号容易产生失真。为提高被测信号的时间分辨率,有人提出了空间编码技术,即不同位置探测光分别被太赫兹脉冲不同时刻电场调制,通过测量探测光各个位置太赫兹脉冲调制前后的光强变化提取太赫兹脉冲波形。根据不同空间展开方法可分为一维空间编码技术和二维空间编码技术。空间编码技术中虽然有较高的时间分辨率,但由于探测光在空间展开能量分散使得其信噪比相对较低。此外,还有一种较高时间分辨率的技术即互相关技术,可分为共线互相关和非共线互相关技术。在非共线互相关技术中,被太赫兹脉冲调制的激光啁啾脉冲与短脉冲互相关作用产生二次谐波,通过太赫兹脉冲调制前后二次谐波空间分布变化来提取太赫兹信号;在共线互相关技术中被太赫兹脉冲调制的啁啾脉冲与短脉冲共线入射到光谱仪,通过干涉条纹提取太赫兹信号,该技术提高了时间分辨率和信噪比,但光路布置复杂,不能进行实时监测。回顾了这几种单发THz-TDS探测技术的发展历程,综述探测技术的原理、实验方案和测量结果,并讨论了这些探测技术的优势和不足。     

太赫兹光谱和成像技术在食品安全检测中的应用

随着超快激光技术的快速发展以及人们对太赫兹辐射与物质作用机理的进一步认识,太赫兹辐射作为一项新的、快速发展的技术在很多领域受到广泛关注,在安全检测、医学诊断、无线通信和制药等诸多领域预示着广泛的应用前景。由于食品安全问题的重要性,食品安全的检测技术面临着巨大的机遇与挑战。太赫兹光谱与成像技术提供了一种新型的食品安全检测手段。相比于其他技术,THz技术具有高信噪比和动态范围宽等诸多特点, 能够同时获得样品在THz波段的时域信息与频域信息,以及对应的物质物理结构和化学成分等重要信息,在食品安全检测领域具有独特的优势。文章简要介绍了太赫兹波的概念、特点和技术手段,太赫兹辐射技术在食品安全领域的最新应用进展,并讨论了THz技术应用的限制因素, 展望了THz技术的应用前景。     

ZnTe晶体中光学整流产生的THz辐射及其电光探测研究

借助抽运-探测技术研究了ZnTe晶体中光学整流产生的太赫兹(THz)辐射，利用ZnTe晶体的线性电光效应探测THz辐射场分布，观察到了较窄(约为0.2 ps)的THz场分布及相应较宽(响应超过4 THz，半峰宽约为2.4 THz)的THz频谱，并运用琼斯矩阵对实验结果进行了理论拟合. 研究了飞秒激光脉冲波长(750—850 nm)、脉冲宽度(56—225 fs)和晶体旋转与THz辐射产生的关系. 同时改变探测光偏振方向进行偏振调制，并从理论上分析了偏振调制对THz辐射探测的影响. 关键词： THz辐射 光学整流 电光探测 ZnTe     

β-Zn3BPO7非线性光学晶体的光谱特性

测量了β-Zn3BPO7晶体(001)方向的红外－可见－紫外光波段的透射与反射光谱, 从而得到反射谱R透射谱T, 以及吸收系数, 并得出样品的禁带能隙Eg=3.198 eV。利用太赫兹时域光谱(THz—TDS)测量技术, 测量了THz辐射脉冲参考波形和透过样品后的信号波形, 进行傅立叶变换和简单的数学处理, 得到β-Zn3BPO7样品的介电系数的实部和虚部, 以及吸收系数的变化频谱α(ν)。在1.396, 2.002, 2.476和2.674 THz处, 分别存在明显的共振吸收峰。在THz波段的吸收较小, 特别是在0.5 T到1.5 T之间, 吸收几乎接近于零, 而样品在高频端有吸收增大的趋势。     

THz detectors based on Si-CMOS technology field effect transistors – advantages,limitations and perspectives for THz imaging and spectroscopy

Recent advances in THz detection with the use of CMOS technology have shown that this option has the potential to be a leading method of producing low-cost THz sensors with integrated readout systems. This review paper, based on authors’ years of experience, presents strengths and weaknesses of this solution. The article gives examples of some hints, regarding radiation coupling and readout systems. It shows that silicon CMOS technology is well adapted to the production of inexpensive imaging systems for sub-THz frequencies. As an example paper presents the demonstrator of a multipixel Si-CMOS THz spectroscopic system allowing for chemical identification of lactose. The THz detectors embedded in this system were manufactured using the CMOS process.     

基于THz光谱技术的1,3-二硝基苯挥发气体检测方法研究

针对工业生产过程中1,3-二硝基苯挥发气体突发性泄露等情况的发生,设计了一种基于太赫兹(THz)特征光谱吸收技术的检测方法,该方法可通过1,3-二硝基苯在THz波段的特征波长对痕量剧毒有害气体进行检测。系统设计了双气室结构,为THz波提供差分数据,一组为标准空气,另一组为待测样气。由1,3-二硝基苯在THz波段的四个主吸收带0.635,0.912,1.095和1.435THz可根据对应吸收带吸收系数的比例关系得到对应波长上的吸收幅值,最终反演气体浓度。经过对两种传统检测方法的实验分析和对THz吸收检测方法的仿真研究可知,色谱法检测速度无法实现实时检测,红外吸收法对环境湿度要求很高,需经干燥处理,而THz吸收法对环境湿度要求较低,且具备实时性,更适合于实际应用。     

THz激光主动图像预处理方法研究

鉴于THz激光主动成像以其较低的光子能量和较高的穿透能力在危险品检测、医疗和食品检验等领域有着广泛的应用前景,将对比度拉伸变换、中值滤波和均值滤波常规图像预处理方法引入到THz激光主动图像处理中,对五元人民币纸币的水印THz面阵图像进行了预处理。处理结果表明,对原始图像进行对比度拉伸变换可以较大地提高图像对比度,在此基础上进行的中值滤波和均值滤波可进一步提高图像的辨识能力,中值滤波可以保护目标边缘细节并使图像平滑。在对比中发现,当窗口大小为9×9像元时滤波后的视觉效果最佳。