太赫兹光谱成像技术及其在安检中的应用

李 虹 李 彬 马立鹏 王 劲

(1.云南省公安厅禁毒局，云南·昆明 650000；2.公安部第一研究所，北京 100048；3.北京中天锋安全防护技术有限公司，北京 100048)

一、引言

21世纪初，社会公共安全已成为国际各国政府关注的焦点，各种主动式安检仪器设施相继问世，例如X射线探测技术、核磁共振技术、超声波技术、中子检测技术等。然而研究表明，这些技术在实际应用过程中仍存在一定的局限性。首先，为了获得样品的透射光信息，传统检测技术通常需要高辐射当量照射，而这种短波、强辐射普遍对人体组织和细胞具有一定的破坏性；其次，典型主动式安检仪器为了实现扫描成像探测，系统结构通常比较复杂，程序运算量大，对辐射源的安全性要求很严，因此实际制作成本十分高昂，不利于便携式使用；此外，现有安检设备通常只能针对特定范围物品、药物等进行检测，应用领域比较有限，在实施安检时往往需要伴随着多种安检手段。

为了有效突破上述传统安检技术的局限性，以太赫兹(Terahertz, THz)光谱成像为基础的新型检测技术近年来得到了广泛关注。太赫兹波是一种波长介于无线电波(微波)和短波红外光之间电磁波谱，其波长通常在0.1～10 THz (3.3cm-1～333.6cm-1)，这种特殊波段使其在与物质发生相互作用时会同时具有微波和红外光的传输特性(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).。由于其波长比微波短，因此可以实现亚毫米级的高分辨率成像；另一方面，太赫兹光波可以对液体、固体大分子材料发生强烈的共振相互作用，因此对于探测和研究物质的结构、性质具有重要作用。特别是在生物检测、在线安检等领域，利用太赫兹光谱探测可以反映样品的种类、材料、结构本质特征。第三，太赫兹光波不会对生物组织、易爆易燃物等产生光致损害，是一种典型的无伤探测手段。

二、太赫兹光谱成像关键器件

太赫兹光波的产生和接收一直以来是制约太赫兹光谱成像发展的关键，本节针对目前使用范围最广、最具代表性的典型太赫兹源和太赫兹探测器进行阐述。

(一)太赫兹源

20世纪80年代后期，贝尔实验室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).首次利用超短脉冲激光器产生了太赫兹脉冲。此后，研究人员利用半导体材料的光电导效应(即采用飞秒激光脉冲照射半导体材料表面的偶极天线电极会激发大量的电子-空穴对，这种激发的电子-空穴对会发生快速复合，从而产生变化极快的光电流并辐射太赫兹脉冲)，研发了多种高输出功率的太赫兹脉冲辐射源(太赫兹源)，在时域太赫兹光谱成像领域具有极其重要的研究意义。目前，典型的太赫兹脉冲宽度可以达到ps量级，光谱宽度可以达到0.1-3THz，脉冲能量最高可以达到0.4mJ。然而，由于飞秒脉冲激光器的成本高昂，对周围环境、冷却设备等要求很高，因此这种太赫兹激发技术仍普遍处于实验室研发阶段。

利用光学材料的非线性效应使不同振荡频率的光波相干叠加，形成差频THz辐射光是产生稳定太赫兹辐射的一种更实用、方便、低廉的技术途径。一般地，按照不同的差频实现机理，差频太赫兹发生器可以细分为单激光器双波长差频发生器、双激光器双波长差频发生器，以及可以实现更高调谐能力的调制窄带THz发生器(OPO)。OPO技术通过改变晶体光轴的方向、闲频光的振荡腔场方向等, 可以大幅拓展THz辐射波的调谐范围，相比于飞秒脉冲激发太赫兹技术，这种太赫兹激发方法具有实验装置简单、结构紧凑、调谐范围宽、线宽窄的优势。

此外，为了实现更加便携、稳定的太赫兹光源，以量子级联激光器(Quantum cascade Laser, QLC)、电子固体振荡器(Electronic solid-state oscillators)以及反向振荡器(Backward wave oscillators, BWOs)为首的多种太赫兹光源也得到了快速发展。

(二)太赫兹探测器

太赫兹探测器对于实现高灵敏度、低噪声的太赫兹光谱成像具有重要意义。按照原理不同，太赫兹光谱探测技术基本可以分为两类：基于像素阵列的太赫兹探测技术(例如焦平面探测阵列FPA等)和基于半导体上转换的无像素成像探测技术。

近年来，低噪声等效功率的FPA的发展，使其成为目前应用领域最广的太赫兹直接探测设备。FPA的工作原理主要是基于光电效应，通过感光元件将接收到的太赫兹光信号转换为电信号并进行积分放大、采样保持等，最终送达显示系统形成灰度图像。这种光电效应原理构成的THz-FPA，具有传统红外焦平面器件的特性。同时由于太赫兹光波长普遍长于近红外波段，光波能量较弱，因此为了保证足够的探测灵敏度，FPA的帧频一般在25～50 Hz，无法实现高速探测；同时，这种探测器的响应波段一般较窄，难以实现宽波段响应；此外，在读取数据时，重复的制冷、制热操作会严重破坏探测器中的读出电路器件。

相比于FPA，基于半导体上转换的无像素探测技术(Pixelless detection)由于不需要读出电路，因此可以实现高灵敏度、高稳定的太赫兹探测。这种探测器没有单独的像素单元，直接采用整块探测单元进行探测，从而有效简化了制造工艺，降低了研发成本。在具体探测时，整个图像会同时到达探测器，并通过半导体二极管进行存储。

(三)太赫兹光谱成像技术及其安检应用

太赫兹光波，作为一种电磁波，具有与可见光、红外线等相似的成像特性，在相干场和非相干光场下，均可以实现很好的成像效果。特别地，由于太赫兹光波具有某些红外波段的属性，例如穿透性、亲水性，因此可以很好地对隐藏目标进行探测；此外，由于太赫兹光波可以与液体、固体大分子的振动能级、化学键等发生强烈的共振相互作用，因此，利用太赫兹光脉冲可以实现对某些危险品，例如爆炸物、毒品、刀具等进行光谱成像。本节主要针对太赫兹光谱成像技术及其安检领域的应用进行综述。

1.太赫兹时域光谱技术(THz Time Domain Spectroscopy，THz-TDS)

经过三十多年的发展，THz-TDS已经在国防安全、医药诊断、食品检测等领域取得了快速发展。太赫兹光波与某些分子的化学键会发生共振吸收，通过测量样本在太赫兹谱下的光谱曲线，可以获得其特征吸收线，从而建立完备数据库。安检中，通过匹配检测样品的特征吸收线与样本数据库，可以快速识别隐藏物的种类和位置。

图1(a) 是一种典型的THz-TDS系统结构示意图。2012年，华沙军事科技大学Norbert Palka等人采用800 nm飞秒脉冲激光泵浦半导体材料，产生了太赫兹辐射光束。飞秒激光器的输出光经过分束器分为2束，一束作为探针光束利用光学延迟线对不同时刻的太赫兹信号光进行采样；另一束作为太赫兹光谱捕获光路。基于光电导原理或者光学材料的非线性效应等产生太赫兹光脉冲。太赫兹光脉冲经过光学系统与待测样本发生相互作用，产生的太赫兹反射或透射信号经后续光学系统到达太赫兹探测器，配合探针光束完成信号采集，获得太赫兹时域信号(如图1(b)所示)，然后采用快速傅里叶变换方式计算出样品的太赫兹谱曲线(如图1(c)所示)。

(a)系统光路图，(b)太赫兹时域信号，(c)太赫兹频谱

THz-TDS具体操作时，首先采用如图4(a)所示光路对无样品下的环境进行测量并计算求取参考环境下的太赫兹复频谱(Er(ω))；然后将待测样本放入系统中，测量此时太赫兹复频谱(Es(ω))，最终可以得到样本的透射光谱和吸收光谱，并根据光束传播模型推断样品的材料、结构、位置等特性。针对不同应用领域的需求，除了透射式TDS系统，近年来反射式、全反射式、宽带TDS系统也得到了快速发展。

在安检领域，由于爆炸物的组成分子的在THz波段普遍存在特征峰位，而太赫兹波对一些非极性材料例如纸、塑料、陶瓷和木材等具有穿透性，因此THz-TDS技术可以对隐藏在容器、包裹内的物品进行探测。同时，由于组成爆炸物分子材料的成分不同，其太赫兹吸收特征线(吸收峰)的分布是不同的，因此可以对是否含有爆炸物以及爆炸物的种类进行判断。图2所示为几种不同爆炸物(RDX、PETN、HMX和TNT)的太赫兹吸收谱(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之间，四种爆炸物的太赫兹吸收峰是不同的，例如：RDX其吸收峰主要位置为0.72、1.26、1.73，和6THz, PETN吸收峰最高位置为1.98、2.12THz。

图2 四种爆炸物成分的太赫兹吸收谱(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).

除了爆炸物的检测，THz-TDS技术对于毒品的检测也具有一定的适用性，如图3所示。从对应的THz-TDS光谱曲线可以看到，虽然包装的材料、种类均不相同，但每一条光谱曲线都在0.82THz位置产生明显的吸收峰。因此，在安检过程中通过探测0.82 THz位置的吸收光谱可以对隐藏的可卡因毒品进行检测。

图3不同包装隐藏下毒品样品的太赫兹吸收谱(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.太赫兹成像技术(THz imaging)

在THz-TDS的应用中，由于脉冲式太赫兹源能量很低，需要探测器具有较高的灵敏度和较长的积分时间，因此无法满足机场、火车站、地铁等大流量区域的安检要求。研究表明，连续性太赫兹光源由于具有较高的输出功率，可以有效地用于实时高分辨率太赫兹成像，实现安全、快速、便携的安检。

一般地，根据成像方式的不同，太赫兹成像大体可以分主动式成像和被动式成像。其中被动式成像主要通过探测样品本身辐射的太赫兹光进行探测，如图4(a)所示。由人体辐射的太赫兹光波，经过空气传播至距离为z的太赫兹探测器并借助纵向扫描机制，实现全视场成像。Marcin Kowalski指出，在自然环境内，人体温度通常要高于周边环境温度，因此人体会辐射出较强的太赫兹光波，这一点与其他材料例如金属、电介质等的辐射特征很不相同；另外，由于太赫兹光波对常见的布料、纸等具有很强的穿透性，因此可以实现快速检测。如图4(b)和图4(c)所示，隐藏在衣服内的匕首在太赫兹图像中清晰可见。

(a)成像示意图，(b)和(c)分别为人体模型的太赫兹图像和可见光图像

虽然这种被动式成像理论上比较简单，但在实际应用中仍存在很多问题。首先，人体发出的太赫兹辐射一般比较弱，受限于现有太赫兹探测器灵敏度、光子噪声等影响，成像分辨率较低；其次，由于受环境的太赫兹辐射干扰，系统成像噪声一般比较大，图像信噪比较低。为提高被动式太赫兹成像系统的可靠性和实用性，针对被动式太赫兹成像体系，研究人员相继研发了多种图像增强方法，例如小波降噪、直方图均衡化、边缘滤波、图像分割等方法，一定程度提高了成像质量，降低了图像噪声。

在主动式太赫兹成像系统中，由于太赫兹辐射源具有较高的辐射功率，成像质量较被动式太赫兹成像得到大幅提高。同时，太赫兹辐射光束的强相干特性，使其在全息成像、CT成像、无透镜成像、太赫兹干涉成像等领域得到了快速发展。

主动式太赫兹成像系统主要包括：稳定连续太赫兹发生器，光束整形模块、聚焦光路、太赫兹探测光路(通常采用焦平面阵列FPA)以及机械扫描控制系统。按照成像方式的不同，主动式太赫兹成像大体上可以分为两类，即透射式成像和反射(散射)式成像，如图5所示。研究表明，对于某些表面粗糙度分布不同的隐藏目标成像时，相对于透射系统，反射系统不仅可以识别隐藏目标，还能得到隐蔽目标的表面特性。特别是在小型的安检设备中，采用反射式系统可以大幅减小安检设备的体积，有效降低系统的研制成本。

(a)透射成像，(b)反射(散射)成像

采用主动太赫兹光源照明，当样品和探测器的接收距离在3米范围内时，大气的衰减和散射近似忽略不计，因此可以对一些被邮件、包裹等隐藏的武器、爆炸物、毒品进行快速检测，如图6所示。由于金属与人体对太赫兹光谱的反射、散射能力的不同，隐藏在衣服内的金属被轻易发现。

图6 对隐藏有不同间距铝膜的人体的太赫兹成像(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、太赫兹安检成像设备发展现况

太赫兹安检技术已经从早期的基础验证逐步过渡到了初步应用阶段。20世纪末，以欧美为主的研发团队利用太赫兹光波的特性，率先开展了太赫兹安检设备的研究工作并取得了丰硕成果。

在人体安检领域，2009年，英国ThruVision公司开发了一种新型太赫兹安检系统ThruVision T4000，可以快速筛选出隐藏在塑料、复合材料、陶瓷、金属、液体内的炸弹或其他威胁物品。该系统可以在3～15m的安全距离内对人群成像，并能隐蔽筛选出隐藏不明物体人员；2011年，美国L3公司研制了一种人体安检仪ProVision 2，可以实现1.5s内的旅客安检，对包括金属和非金属在内的多种航空威胁目标、液体、粉末等均可检测。相比于ProVision 2，美国Northrop Grumman公司研发的NGC系统不需要主动太赫兹源，通过检测目标自身的太赫兹辐射波，利用太赫兹波段的穿透能力实现人体藏匿危险物的检测。

在包裹安检方面，2013年，德国弗劳恩霍夫物理测试技术研究所(IPM)与Hübner公司联合研制了代号为“T-COGNITION”的太赫兹信件安检设备。这款设备可以在几秒钟内通过分析透过信件的太赫兹信号，确定其太赫兹“手印”，进而经过与数据库的比对，确定信件内是否存在危险品如爆炸物、毒品等。

虽然国内太赫兹安检技术起步比较晚，但是近几年也涌现出多种高性能的太赫兹安检设备，打破了西方国家的技术垄断，部分研发产品已经在机场、地铁、博览会等人流量大、人员相对复杂的公共场所成功应用。2014年，中电三十八所研发出国内首台太赫兹人体安检仪。利用该安检仪，在不侵害乘客隐私情况下，可以实现1～2秒快速安检。2015年，博微科技在此基础上进一步研发了TeraSnap人体安检系统，采用自动感应扫描方式，检测时间缩短至1秒，空间分辨率达到1厘米。2016年，同方威视研发了一款新型人体安全检查系统MW1000AA。该系统采用主动式毫米波成像技术和自动识别技术，无须特殊移动，可以静止2秒完成扫描。该产品能自动探测出藏匿于衣物及人体体表的金属/非金属危险品。除此之外，公安部第一研究所、OBE公司、华讯方舟、中电五十所等多家研发单位也在积极开展太赫兹安检设备研发。