1 引言

太赫兹(THz,1 THz=10¹² Hz)波是指频率为0.1~10 THz的电磁波,它属于远红外电磁辐射,是人类目前尚未完全开发的一个电磁波段。太赫兹辐射具有光子能量低、载波频率高等独特性质,近年来,太赫兹光谱与成像技术已成为光学领域的研究热点。太赫兹辐射对许多电介质材料和非极性物质(塑料、陶瓷、纸张、衣物等)具有良好的穿透性,可用于此类材料的隐蔽物检测,是X射线成像和超声波成像技术的有效补充,在安检和无损检测领域具有广阔的应用前景^[1-5]。

太赫兹成像技术根据太赫兹波产生和探测的机理,可以分为脉冲太赫兹成像和连续波太赫兹成像。相对于脉冲太赫兹成像,连续波太赫兹成像具有光学系统体积小,成本低和成像速度快等优势,并且只需要简单的实验器件即可完成搭建。2005年,Karpowicz等^[6]搭建了用于安检的小型化太赫兹透射和反射成像系统,太赫兹源为0.2 THz的耿氏振荡器,探测器为肖特基二极管,实现了对隐藏在公文包中刀具的检测;2007年,周燕等^[7]将耿氏二极管作为发射器,肖特基二极管作为探测器,搭建了连续太赫兹波成像系统,对燃料箱绝缘泡沫板中的人工预埋缺陷进行无损探测;2008年,袁宏阳等^[8]利用返波振荡器太赫兹源和热释电探测器搭建了透射式连续太赫兹成像系统,并对打孔铝板、公交卡以及隐藏在信封内的硬币等物体进行成像。由于连续波太赫兹成像的优势,其更符合工业和民用领域的检测需求。然而,大多数连续波太赫兹成像系统采用逐点扫描方法进行数据采集,因此需要对样品进行逐点采样来构建太赫兹图像,这种测量方式需要消耗大量时间。

本文利用0.3 THz辐射源与线阵探测器,搭建了一套透射式太赫兹线阵扫描成像系统,实现了对物体的快速线扫描成像。该系统仅需要1 min检测时间,即可对100 mm×100 mm范围进行测量,同时成像分辨率达到1.5 mm。利用该系统对聚乙烯样品中的缺陷与聚乙烯水管中的缺陷和异物,以及隐藏在信封内的剪刀和小刀进行扫描成像,可以快速准确地识别出待测目标的形貌与位置。对比实验进一步验证了该系统的性能优势,证明了该成像技术在无损探伤和安全检查领域的实用价值,推动了太赫兹实用化技术的进展。

2 实验装置

采用0.3 THz辐射源和线阵探测器(300 GHz Terahertz source和300 GHz Linear camera,Terasense公司,美国)搭建扫描成像系统,其中辐射源输出功率约为14 mW,探测器的单个像素大小为0.5 mm×0.5 mm,像素数目为256 pixel×1 pixel,采集速度可达100 frame/s。

太赫兹线阵扫描成像系统的示意图和照片如图1所示,辐射源产生频率为0.3 THz的电磁波,通过喇叭口天线将太赫兹波传输至自由空间,经过金属离轴凹面反射镜聚焦到探测器。采用凹面反射镜对太赫兹光束进行一维聚焦,因此在焦平面上形成一条焦线,用于样品扫描。成像系统使辐射源和探测器保持同步,在一维方向连续调整样品位置,使焦线扫描整个样品,最终构建样品的太赫兹图像。在测量过程中,样品尽量贴近探测器,以减少太赫兹波衍射对图像质量的影响。由于该成像系统不需要进行二维扫描,且太赫兹线阵探测器具有较快的响应速度,因此可以大幅缩短成像时间。

图 1. 0.3 THz线阵扫描成像系统及性能测试结果。(a)系统示意图;(b)系统照片;(c)太赫兹焦线图像;(d)从图1(c)提取的强度曲线; (e)钢质分辨率板照片; (f)分辨率板的太赫兹图像

Fig. 1. 0.3 THz linear array scanning imaging system and results of performance testing. (a) Schematic illustration of imaging system; (b) photo of imaging system; (c) image of THz focal line; (d) intensity curve extracted from Fig. 1(c) along dashed line; (e) photo of steel resolution test target; (f) THz image of resolution test target

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图1(c)给出了凹面反射镜焦平面处测得的太赫兹焦线图像,可以看出,太赫兹波被聚焦成一条窄线,达到了预期的效果。焦线不均匀分布是由于太赫兹光斑的不均匀和耦合光路的调节误差所导致。在图1(c)中沿x轴方向提取一条强度曲线(虚线位置),如图1(d)所示,可得焦线的半峰全宽约为3.5 mm。另外,由于系统光路衍射的影响,在主焦线左侧存在一些微弱的衍射条纹。但这些旁瓣的强度很弱,不会对成像效果造成明显影响。为了测试系统的分辨率,对钢质分辨率板进行成像测试,分辨率板如图1(e)所示,最细间隙为1 mm。在图1(f)给出的分辨率板的太赫兹图像中,可以清晰地看到分辨率板的形貌,可以对1.5 mm以上的间隙进行清晰分辨,因此系统的成像分辨率达到1.5 mm。

3 实验结果与分析

3.1 无损探伤线扫描成像

利用所设计的成像系统,对标准聚乙烯样品内部的预埋缺陷进行测量。图2(a)所示为划痕缺陷样品,厚度为25 mm,在样品背面加工4条划痕,如虚线所框范围所示。相邻划痕间隔为20 mm,划痕的长、宽分别为40 mm和0.5 mm,划痕深度分别为5、5、2、1 mm。将样品安装在线性电动平移台上进行扫描,整体成像区域为100 mm×100 mm,平移台扫描步长为1 mm,成像时间约为1 min。图2(b)所示为划痕缺陷样品的太赫兹图像,可以清楚地看到4条划痕缺陷的位置。物体内部的缺陷或损伤对太赫兹波的吸收不同,同时,由于其边缘对太赫兹波的散射效应,太赫兹光波的强度受到影响,因此太赫兹图像明暗不同,据此可观测出物体内部缺陷或损伤所在的位置及形貌。图2(c)所示为从图2(b)中沿x轴方向提取的强度曲线(虚线位置),可以看出样品存在4处缺陷。由于太赫兹图像受到衍射影响,在缺陷边缘存在一定的衍射条纹。根据强度曲线中凹陷的宽度,可评估出缺陷的范围为3 mm,实际值与测量值之间的误差主要由衍射导致。另外,从强度曲线可以看出,虽然4处缺陷深度不同,但在太赫兹图像中表现出同样的强度损耗,说明对太赫兹强度的影响主要来自样品缺陷的散射;另外,虽然成像系统的分辨率为1.5 mm,但是对宽度为0.5 mm的缺陷依然能进行识别。

图 2. 聚乙烯样品内部缺陷的太赫兹成像。(a)划痕缺陷样品;(b)划痕缺陷样品的太赫兹图像;(c)从图2(b)沿虚线位置提取的强度曲线;(d)内部孔缺陷样品;(e)内部孔缺陷样品的太赫兹图像;(f)从图2(e)沿虚线位置提取的强度曲线

Fig. 2. THz imaging of internal defects in polyethylene samples. (a) Sample with scratch defects; (b) THz image of sample with scratch defects; (c) intensity curve extracted from Fig.2(b) along dashed line; (d) sample with internal hole defects; (e) THz image of sample with internal hole defects; (f) intensity curve extracted from Fig. 2(e) along dashed line

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图2(d)所示为内部孔缺陷样品,厚度为25 mm,在样品内部加工5个圆形孔缺陷,如虚线所框范围所示。相邻缺陷间隔为15 mm,5个孔的直径从左到右分别为0.2、0.5、1、1.5、2 mm,直径为0.2 mm的孔缺陷深度为15 mm,其余深度均为50 mm。图2(e)给出了内部孔缺陷样品的太赫兹图像,成像区域仍为100 mm×100 mm,在太赫兹图像中可以清晰看到直径为0.5、1、1.5、2 mm的4个孔像,像中孔的深度与实际一致,均为50 mm。图2(f)所示为从图2(e)中沿x轴方向提取的强度曲线(虚线位置),直径为0.5 mm的孔缺陷引起的太赫兹强度损耗明显小于其他3个孔缺陷。另外,比较曲线的4个凹陷可以发现,4个凹陷范围逐渐增大,表明4处缺陷宽度逐渐递增,可以评估出4个凹陷的宽度为5.5、6、6.5、8 mm。由于样品内部孔缺陷与探测器之间的距离较大,因此受到衍射的影响更加明显,进而导致测量结果与实际缺陷尺寸之间存在偏差。另外,成像系统没有测量到直径为0.2 mm的孔缺陷,可能是因为系统分辨率为1.5 mm,而缺陷尺寸远小于系统分辨极限,因此无法辨识。

为了测试扫描成像系统的实际应用,对有缺陷的聚乙烯水管进行成像检测,模拟太赫兹成像系统对管道的检测过程。图3(a)、(c)给出了水管表面加工的两个不同缺陷,如虚线框所示,水管壁厚度为6.3 mm;图3(b)、(d)给出了两个缺陷的太赫兹成像,成像区域均为140 mm×100 mm。成像结果中清晰地显示出长、短两个缺陷的位置及形貌,表明此成像系统对水管表面的缺陷具有较好的检测能力。此外,实验还对水管内部隐藏的异物进行了检测。图3(e)、(g)分别给出了将金属垫圈和金属刀片固定在水管内壁的照片,水管内部异物的位置如虚线所框所示;图3(f)、(h)给出了两个异物的太赫兹成像结果,可以清晰地看出垫圈和刀片的位置及轮廓。检测结果表明,该系统对聚合物材料的内部缺陷和异物都具有较好的检测能力,在无损检测领域具有一定的实用性。

图 3. 聚乙烯水管缺陷的太赫兹成像。(a)、(c)水管表面的两个不同缺陷照片;(b)、(d)两个缺陷的太赫兹图像;(e)、(g)隐藏在水管内部的金属垫圈和金属刀片的照片;(f)、(h)隐藏在水管内部的垫圈和刀片的太赫兹图像

Fig. 3. THz imaging of defects on polyethylene water pipe. (a), (c) Photos of two different defects on surface of polyethylene water pipe; (b), (e) THz images of two defects; (e), (g) photos of metallic washer and blade hidden in water pipe; (f), (h) THz images of washer and blade hidden in water pipe

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3.2 隐藏物线扫描成像

利用太赫兹成像技术进行安全检查已经成为太赫兹实用化研究的一个主要发展方向。为了测试成像系统对隐藏危险物品的检测能力,对装在信封里的剪刀和小刀进行扫描成像。图4(a)、(c)所示为隐藏在信封内的剪刀和小刀;图4(b)、(d)所示为装在信封内的剪刀和小刀的成像结果,成像范围是100 mm×100 mm,成像时间为1 min。可以看出,由于存在遮挡,图像背景出现若干衍射和干涉条纹,但是依然可以清楚地观察到隐藏在信封内的剪刀和小刀轮廓。表明该成像系统可以透过隐藏物对金属样品进行鉴别,证明成像系统具有较强的检测能力。

图 4. 隐藏在信封中剪刀和小刀的太赫兹成像。(a)、(c)隐藏在信封中的剪刀和小刀; (b)、(d)隐藏在信封中剪刀和小刀的太赫兹图像

Fig. 4. THz imaging of scissor and knife hidden in envelopes. (a), (c) Photos of scissor and knife hidden in envelopes; (b), (d) THz images of scissor and knife hidden in envelopes

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3.3 成像系统性能比较

为了进一步说明太赫兹成像系统的检测优势,表1给出了部分已发表文献所报道的太赫兹连续波成像系统与本文成像系统之间的性能差异,包括成像时间、成像面积和分辨率。从表1可以看出,一般太赫兹成像系统要达到较高的分辨率,都需要较长的测量时间,同时成像面积不会很大;如果要获得较大的成像面积,又要保持较短的测量时间,必须降低成像分辨率。综合比较可知,本文成像系统具有最大的成像面积和最短的成像时间,同时可以实现足够的成像分辨率。因此,该成像系统在无损探伤和安全检查领域具有更好的检测能力。

4 结论

利用0.3 THz辐射源和线阵探测器搭建了太赫兹线扫描成像系统,实现了对于聚乙烯物体和水管内部缺陷的检测,完成了对装在信封中剪刀和小刀的成像。实验结果表明,该成像装置能对不同形貌的缺陷进行识别,可以检测实际物体,在无损探伤和安全检查领域都具有一定的实用性;在100 mm×100 mm的成像范围内,系统成像时间仅需1 min,实际分辨率可达1.5 mm。相比于传统逐点扫描成像技术,该成像系统在实际应用中具有明显优势。在未来的工作中,考虑将系统改进为反射测量模式,并利用图像处理算法减弱衍射效应对图像质量的影响,进一步提升系统的检测精度。