李仕昌，赵佳宇，彭 滟，朱亦鸣

（上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室，上海 200093）

引 言

公共安全一直是社会关注的重点。目前在危险品检查中，主要采用X射线安检设备、磁性探测器、拉曼光谱分析仪、人工检查等方法，但这些安检至少用时5～10 s，并且难以准确地识别出易燃易爆危险品。因此这些方法均无法既快又准地测出危险品，还会使大人流发生拥堵，造成踩踏等次生事故。

近几年随着检测技术的发展，太赫兹波谱检测技术因具有瞬时性、相干性、稳定性和无损性等特点，已越来越多地应用在安检中[1-3]。太赫兹对非极性材料（如纸张、泡沫、塑料等）有穿透特性，具有无损、非侵入检测的能力，而许多爆炸物都是含有硝基的芳环化合物，且多种爆炸物分子的转动和振动谱位于太赫兹频段[4-7]，所以太赫兹波谱检测技术对检测和识别爆炸物具有独特的优越性。由于现在的太赫兹时域波谱系统大多在自由空间中搭建，因其结构复杂、稳定性差、对环境要求高、占用体积大等，不便携带及运输，而且透射式或反射式波谱系统功能单一，难以在不同场合的危险品检查中应用[8-9]。

针对现有太赫兹波谱测试技术的不足，我们在现有太赫兹波谱仪基础上设计了多组件太赫兹时域波谱仪，采用保偏光纤代替自由空间的光学镜片，系统检测部分（探头）和主体部分（主机）分离，仅采用光纤和电缆连接[10-11]。探头部分包含透射、反射多组组件，实现一机多用的功能，优化了现有波谱系统的不足，节省了仪器成本。该仪器针对固体、液体不同形态的危险品，可以采用不同的探头进行检测[12-13]。通过使用黑索金（环三亚甲基三硝胺，简称RDX）检测固态和液态汽油，验证仪器的可行性和准确性[14-21]。

1 系统组成

多组件太赫兹时域波谱仪采用保偏光纤代替自由空间的光学镜片，系统分为检测部分（探头）和主体部分（主机）两个部分，两个部分只通过电缆线和光纤连接，有利于整体移动和系统运输。探头部分包含透射、反射两种模式，每个探头器件都固定在密闭稳定结构（工装）内，以防环境变化对仪器信号造成不良影响。多组件太赫兹时域波谱仪主机布局如图1所示，主机由激光器、延迟线、高速数据采集锁放板等组成。激光器产生中心波长为1 560 nm、重复频率为100 MHz、功率为30 mW的两束飞秒激光，一束为泵浦光，另一束为探测光。泵浦光经过1 m的保偏光纤连接在主机壳上的泵浦光法兰接口上，探测光经过延迟线连接主机壳探测光法兰，光纤长度也为1 m。高速数据采集锁放板包括锁放板和高压板：锁放板用于提供参考信号和太赫兹信号采集；高压板放大参考信号同时为发射天线提供高压。太赫兹信号采集端和放大后的高压信号分别用电缆线连接在主机外壳对应连接口上。整个主机实物图如图1（b）所示，主机内器件设计非常紧凑，体积仅为45 cm×45 cm×20 cm，质量仅有8 kg。

图1 主机结构图和实物图Fig. 1 The structure and photograph of THz instrument

主机外壳采用ABS塑料材质，ABS塑料具有抗冲击性、耐热性、耐腐蚀性及电绝缘性等优点，因此外壳可对仪器起到很好的保护作用。外壳上有四个接线口，分别为高压线、泵浦光、探测光、信号线。泵浦光和高压线连接探头的发射天线，为发射天线提供飞秒激光和电压；探测光和信号线连接探头的接收天线，用于检测太赫兹信号。针对固体、液体不同形态的易燃易爆危险品，分别设计了透射模块和反射模块。

针对固态易燃易爆危险品检测，设计的透射式模块如图2所示。图2（a）是透射式模块光路，发射天线发射的太赫兹光经过TPX透镜后成为平行光，经过抛物面镜照射在被检样品上，再经过抛物面镜和TPX会聚在接收天线上。整个透射模块被固定在稳定结构（工装）内，在工装内放置干燥剂，以减少水蒸气对太赫兹光的影响。在图2（b）是透射式模块工装实物图片，整个工装仅样品槽窗片可打开取放待检测样品，检测样品前需把样品槽窗片关闭。使用过程中，仅需将透射模块上的光纤（长1 m）及电缆线连接主机，样品固定在样品槽内。

图2 透射式模块光路及实物图Fig. 2 The optical path and photograph of the transmission module

针对瓶装易燃易爆液态危险品，设计了反射式模块，如图3所示。图3（a）是反射式模块光路，发射天线发射的太赫兹光经过两片TPX透镜照射在待测样品上，样品反射的太赫兹信号经过两片TPX透镜会聚在接收天线上，发射天线与接收天线光轴夹角（θ）为16°（受TPX镜片限制的最小角度）。反射模块被安装在封闭的工装组件内，图3（b）是反射式模块工装实物图，样品检测端采用透太赫兹光的特氟龙板封闭，工装内部为真空，以减少空气对太赫兹光的影响。必须注意的是，在使用反射模块检测瓶装液态危险品时，要保证瓶外壁紧贴特氟龙板表面。

图3 反射式模块光路图和实物图Fig. 3 The optical path and photograph of the reflective module

2 实验结果与讨论

2.1 系统信号

多组件太赫兹时域波谱仪搭建调试后，其透射式太赫兹时域信号和频域信号如图4所示。在图4（a）中总扫描长度是64 ps，一个太赫兹波形扫描时间为1 s，主脉冲出现在11 ps处，发射天线处的硅透镜造成的反射峰出现在49 ps处。太赫兹时域信号经快速傅里叶变换后得到相应的频域信号，如图4（b）所示，频域信号谱宽 ＞ 5 THz，信噪比 ＞ 50 dB，透射式和反射式会聚光光斑直径约为3 mm。

图4 太赫兹时域和频域信号Fig. 4 Terahertz time-domain and frequency-domain spectra

2.2 透射式样品制备及检测

多组件太赫兹时域波谱仪搭建完成后，选用固体RDX为检测样品。RDX为白色粉末状结晶，其分子式为C3H6N6O6，可溶于丙酮、乙酸等，它是一种重要的单体炸药，化学安定性好，爆速较高，撞击和摩擦等机械感度也较大，广泛用于军事、航天、采矿和化工技术等领域，具有很高的研究价值。通常情况下，RDX对THz的吸收很大，无法得到明显有用的特征信息。如果RDX样片（RDX粉末经压制所得）厚度太薄且硬度不足，在测试时样片容易损坏，因而在制作压片时会使用对光吸收较弱的高密度聚乙烯（PE）粉末作为稀释剂和粘合剂与RDX粉末进行混合压片。将RDX纯品粉末（20 mg）与PE粉末（100 mg）均匀混合，并在玛瑙研钵中研磨成细小均匀颗粒，采用 5 t压力将粉末压制成厚约1 mm、直径为13 mm的圆片样品，并保证样片表面光滑，前后表面平行。

将样品固定在仪器的透射式模块（图2）样品槽内，测得透过样品的太赫兹时域脉冲信号，该时域脉冲信号再通过程序进行快速傅里叶变换，得到样品信号与参考信号在频域上的电场表达式，分别用Esam和Eref表示，则样品的吸光系数可以表示为

式中：d为样品厚度；Isam(ω)=Esam(ω)×Es*am(ω)为样品信号的功率谱；Iref(ω)=Eref(ω)×Er*ef(ω)为参考信号的功率谱。选取由100 mg PE粉末压制成药片的太赫兹信号作为参考信号，PE药片厚度与样品厚度相当。图5是透射式模块检测到的RDX吸收谱线，在0.824 THz、1.40 THz、1.67 THz、1.72 THz和1.92 THz处有明显的吸收谱峰，亦为RDX的特征峰，这与首都师范大学科研团队所测的RDX的太赫兹吸收谱基本一致，因此根据太赫兹频谱吸收峰可准确检测出RDX固体炸药。

2.3 反射式样品制备及检测

图5 RDX 的太赫兹透射吸收谱Fig. 5 Terahertz absorption spectrum of RDX in transmission mode

汽油作为石油产品，为透明液体，易燃，主要由碳原子数为C4～ C12的烷烃、环烷烃、芳香烃、烯烃等碳氢化合物组成。采用97#汽油（密度为0.747 g/mL，辛烷值≥97）作为被检样品，将水和汽油分别装于聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材质的圆柱形瓶中，使用仪器反射式模块（图3）对它们分别进行检测。

图6 是反射模块检测到的太赫兹时域谱经过快速傅里叶变换后得到的水和汽油的太赫兹频谱。在图6（a）的水溶液太赫兹频谱上有明显规律的吸收峰，而图6（b）的汽油太赫兹频谱上，在0.1～1 THz范围内汽油相对于水溶液的吸收峰少且幅值低，在 1～2 THz范围内汽油幅值大于水溶液的吸收峰幅值。根据易燃汽油与水溶液在太赫兹频谱上的区别，可识别出易燃液态汽油。

图6 瓶装汽油和水的太赫兹频谱Fig. 6 Terahertz frequency-domain spectra of bottled gasoline and water

3 结 论

本文针对现有太赫兹波谱仪在易燃易爆危险品检测中的不足，设计了多组件太赫兹时域波谱仪。以RDX和汽油两种不同形态易燃易爆危险品为样品，分别使用多组件太赫兹时域波谱仪进行针对性检测。检测结果表明，RDX具有明显特征吸收峰，汽油和普通的水溶液在频谱上有明显区别。因此，根据危险品的太赫兹频谱特性，可使用多组件太赫兹时域波谱仪准确识别易燃易爆危险品。