刘晓东，张志杰，李仰军

(中北大学 仪器与电子学院，山西 太原 030051)

目前，散布在世界多国的残留地雷，不仅给人民的生命和财产带来了严重威胁，同时也成为这些国家战后重建的最大障碍.如何实现有效地探测地雷已经成为世界性的共同话题.已经发展起来的电子探雷技术有电磁感应探雷、磁法探雷、冲击脉冲雷达探雷等.但制作地雷金属部分的减少和雷区中金属碎片的干扰增大了电磁感应探雷的虚警;同样，地雷铁制材料的减少以及场地中磁性杂物都影响了磁法探雷的准确性;冲击雷达的宽频谱信息量增大了回波干扰信号，加大了信号处理的难度［1-2］.不同的因素影响了这些探雷技术的准确性，一部分是由技术本身的局限性造成的，另外就是由复杂的外围环境造成的.太赫兹波由于具有透视性、指纹谱性等重要特征，为地雷探测提供了一种新的途径.

由于太赫兹波具有重要特性，以及相关技术的快速发展，使其在安检、生命科学、化学等很多领域展现了巨大的应用前景［3］.现代地雷的外壳主要由塑料、陶瓷等一些材料制成，而太赫兹波对非金属和非极性材料具有的强穿透性，使得太赫兹波可以穿透外部材料，进而提取到物体内部的信息.太赫兹波对航天飞机的隔热泡沫层的缺陷检查就是此类应用.炸药是地雷的核心部分，而炸药在太赫兹频带具有特征光谱，因此可以通过判断炸药的吸收光谱来探测地雷.在3 THz 频段内，太赫兹时域光谱技术(THz-TDS)比傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)的探测效果更具有优势(THz-TDS 具有皮秒级时间分辨率等测量优势).本文采用MINI-Z 太赫兹光谱仪对常用炸药RDX和HMX 的特征吸收光谱进行了探测，结合小波降噪的数据处理方法，通过数据的对比，确定了其可靠性，实现了太赫兹时域谱技术在地雷探测中的初步应用.

1 基本原理

太赫兹时域光谱技术是一种相干连续探测技术，能够同时获得THz 脉冲的振幅和相位信息.THz-TDS 首先测量通过自由空间或参考样品的太赫兹时域波形(即参考波形)，然后对经过样品的太赫兹波测量，得到相应的信号波形.将得到的参考波形和信号波形作快速傅里叶变换(FFT)，得到相应的频域谱.经过分析计算可得到样品的折射率、介电常数等特征参数，通过分析这些参数，就可在一定程度上对样品进行鉴别［4］.

对样品透射谱的常规光学参数进行提取，在样品(真空中)两侧介质的折射率均为1 和弱吸收约为n ≫к 的基础上，对测量得到的参考波和信号波的时域谱分别做FFT，得到参考光谱和信号光谱的频域谱样品的光谱信息可以从频域谱的比较中获得［4］.

通过T(ω)和φ(ω)后，根据式(2)～(4)

计算出样品的折射率n(ω)，吸收系数α(ω)和消光系数к(ω).式中:T(ω)为参考波与信号波的振幅比;φ(ω)为参考波与信号波的相位差;c 是真空光速;d 是样品厚度;ω 是角频率［10］.

2 实验装置

MINI-Z 便携式太赫兹光谱仪主要由光学部分、数据获取及控制部分和数据处理及分析部分组成.图1 所示为MINI-Z 太赫兹光谱仪的系统示意图.光学系统主要包括飞秒激光器，THz 波发射和探测装置.在该光谱仪中采用孔径为50 μm，频率为100 kHz 的LT-GaAs(低温砷化镓)光电导天线产生THz 波.相比飞秒激光激发半导体产生的太赫兹信号，LT-GaAs 光电导天线产生的太赫兹信号具有更高的强度和信噪比［5］.采用施以120 V交流偏压，厚度为1 mm 的ZnTe(碲化锌)晶体探测THz 波.光谱仪内还包括光学组件对激光和THz 波传输、聚焦和准直等.数据获取和控制系统具有探测器输出的信号进行放大并读取，延迟系统的控制和电压源的控制等功能.数据处理和分析系统对读取的数据通过软件处理和分析，可以对结果进行显示和识别［6-8］.

图1 MINI-Z 太赫兹时域光谱仪系统示意图Fig.1 Schematic diagram of MINI-Z terahertz time-domain spectrometer

图2 为MINI-Z 太赫兹时域光谱仪，该设备由纽约伦斯勒理工学院研制成功，相较于传统太赫兹时域系统，成谱速度快，可做实时光谱测试，具有优异的稳定性和易操作性.除了在实验室环境下能够实现高品质测试，还可在复杂环境下完成测试.该系统的测试频率范围是0.1～4.0 THz，频率分辨率小于50 GHz，动态范围大于70 dB，数据采样间隔为0.004 ps，能够实现透射和反射两种测试系统，尺寸仅为10.5 cm ×6.25 cm ×2.75 cm，体积小，重量轻，便于携带进行现场测试［9-10］.

图2 MINI-Z 太赫兹光谱仪Fig.2 MINI-Z terahertz time-domain spectrometer

3 实验样品制备

黑索金(即环三亚甲基三硝胺，简称RDX)和奥克托今(即环四亚甲基四硝胺，简称HMX)两类炸药均为军用的高能炸药，常作为地雷、炮弹的填充炸药使用.HMX 是RDX 的同系物，比RDX综合性能更好.RDX 为白色结晶物，不溶于水，微溶于苯、乙醚等，一定量的RDX 在遇到高温、强烈撞击等情况下会发生剧烈的爆炸，威力巨大，其爆炸力约是TNT 的1.5 倍;但在室温下化学性质稳定，可以长期存放.HMX 为白色晶体，具有α，β，γ，δ 这4 种晶型，常见的为β-HMX 型，不溶于水，其熔点为276～280 ℃，不吸湿，爆速、热稳定性和化学稳定性都非常好，撞击感度比TNT 略高，生产工艺高求较高，是目前单质猛炸药中爆炸性能最好的一种.由于对弹药爆炸性能的要求高，HMX 作为混合炸药来使用也越来越多［10-11］.

在THz-TDS 的系统测试实验中，实验工具首先要经过酒精清洗，将约100 mg 的样品研磨成细小的均匀颗粒，通过压片机压片，压力约为30 MPa.样品制成厚度小于1 mm，直径为10 mm的圆盘状(图3).实验中，为了接近实际情况，没有添加聚乙烯来降低吸收率，以获取样品的高频吸收特性［4］.测试时将样品放入透光效果好的塑料罩中，这样可以降低周围环境对实验样品的影响.太赫兹波对塑料有很强的穿透性，因此这种处理样品的方法是可行的.而且MINI-Z 系统对样品的要求相对宽松，可以进行这种方式的探测，既实现了测试环境的安全，又保证了测试结果的客观可靠性［10］.

图3 压片式样品Fig.3 Samples with pellet shape

4 实验结果与讨论

采用的MINI-Z 太赫兹光谱仪的测试范围是0.1～4.0 THz，大部分炸药在太赫兹频段都具有特征吸收趋势和吸收峰.采用透射式测试系统，数据采样间隔为0.004 ps，一次可以记录的数据个数为1 805.经过后期试验验证，获取的光谱数据在2.5 THz 以内的测试结果较为可靠，因此在后期的数据处理中会做适当截取［10］.测得的上述两种炸药的特征吸收谱如图4 所示.

图4 RDX 和HMX 的太赫兹吸收光谱Fig.4 Terahertz absorption spectra of RDX and HMX

测试样品没有添加聚乙烯粉末，使得在太赫兹波的高频部分出现了较强的吸收.同时由于实验环境中空气湿度的影响，测得的吸收谱线产生了高频部分的振荡以及较高的吸收峰，但是并不影响吸收谱线的走势和位置［12-13］.由于在实际环境中不会添加聚乙烯并且湿度的影响不可避免，因此采用数据处理的方法来解决以上产生的问题.通过Origin8.0 软件中的小波变换降噪处理工具对上述测量结果进行降噪处理，经过多次小波降噪处理后，结果表明Bior3.5 小波处理效果比较好［4］(处理后的吸收谱如图5 所示)，炸药的吸收趋势变得明显，吸收峰易于辨别.将测量得到的太赫兹吸收谱线经过小波降噪处理后，可以看到RDX的吸收峰位置在0.80 THz，1.05 THz，1.37 THz和1.93 THz 处，HMX 的吸收峰位置在1.69 THz，1.76 THz 和2.18 THz 处.将测量结果与伦斯勒理工学院所测谱线(图6)对比，结果显示吸收谱线走势基本一致，吸收峰位置在低频部分一致性高，在超过2 THz 的较高频段部分出现了一定量的的偏移，因此HMX 吸收峰位置取在1.69 THz 和1.76 THz 处，对于偏移较大的值进行排除.

图5 Bior3.5 小波降噪后的吸收谱图Fig.5 Absorption spectra after Bior3.5 wavelet denoising

图6 伦斯勒学院所测RDX 和HMX 太赫兹吸收谱Fig.6 RDX and HMX THz absorption spectra of rensselaer polytechnic institute

通过对RDX 和HMX 两种炸药的太赫兹时域光谱探测及小波降噪处理，得到了两种炸药的太赫兹吸收光谱，将所得吸收谱与其他组织的结果进行对比，验证了太赫兹吸收谱和吸收峰位置基本一致，证实了实验的正确性和可靠性.实验证明:不同的炸药具有不同的吸收特征，测量确定的吸收特征(吸收趋势、吸收峰)可用于鉴别炸药的种类;而太赫兹波可以穿透大多数非金属和非极性材料，例如地雷的外壳制作材料(塑料、木材等)，表明太赫兹波可以通过判断炸药的存在和类别来探测地雷，太赫兹时域光谱技术是探测地雷的有效手段.目前，在世界上引发严重后果的主要是杀伤性地雷，而杀伤性地雷埋藏的深度浅，太赫兹探测受到水吸收和土壤散射的影响小［14-15］，因此更适用于实现对杀伤性地雷的准确探测.

5 结论

实验是太赫兹时域光谱技术对地雷探测的初步应用.利用MINI-Z 太赫兹光谱仪对RDX 和HMX 两种炸药进行了探测，得到了它们的太赫兹吸收光谱，出现振荡的谱线经过小波降噪处理后得到了比较明显的吸收趋势和吸收峰，结果显示吸收趋势具有较高的一致性，吸收峰位置通过对比，选取了更为可靠的吸收峰值.实验结果证实炸药的吸收特性具有探测地雷的能力，同时也证明了数据的可靠性，可为太赫兹波用于地雷探测作基础应用.考虑到大部分炸药在太赫兹频段具有特征谱，并且太赫兹波对塑料、陶瓷等材料的强穿透性，因而通过识别炸药的吸收谱来探测地雷具有可行性.太赫兹波探测地雷也可以利用光谱成像的方法，但随着土壤深度的增加，图像就会变得模糊破碎，并且对于成像材料的穿透性要求也高，因而利用炸药吸收特征光谱的探测方法更具有本质性.由于水的吸收和土壤颗粒的散射作用，太赫兹时域光谱技术对杀伤性地雷的探测精确性更高.利用太赫兹时域谱探测技术还需对实际环境进行模拟，测量土壤的散射和水的吸收对太赫兹的影响程度，进一步验证该技术对地雷探测的有效性.

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