（光学专业论文）连续太赫兹波成像技术的检测应用研究.pdf

首都师范大学硕士学位论文摘要 摘要 太赫兹( t e r a h e r t z ，t h z ) 辐射( 也称为t 射线) 通常指的是频率在0 1 1 r i z 1 0 t h z ( 波长 在3 m m - 一3 0 9 脚) 之间的电磁波，该波段在微波和红外之间，属于远红外和亚毫米波范畴。 同x 射线、可见光等电磁辐射一样，可作为物体成像的光源，其成像和光谱技术可以提供 微波和x 射线技术所不能提供的信息。t h z 波本身还具有瞬态性，宽带性，对非极性物质 的强穿透性等性质，这些都使得其在生物学、医学、微电子学、农业、国防、航空等领域 表现出了极大的应用潜力。随着半导体技术的发展，小型、相对快速，且易操作的便携式 连续t h z 波成像系统终究会成为现实，并且会在诸多应用领域中显示其实用性。 本论文主要是围绕连续t h z 波成像技术展开，从理论和实验的角度分析此技术的一些 关键问题，更多地论证连续t h z 成像技术的应用性，为今后深入的研究和探索提供了一定 的借鉴。该论文的主要工作有： 、 一、对c w 系统参数进行测量，主要包括最佳成像位置，系统分辨率。 二、利用连续波成像系统对样品测量检测，并结合样品在t h z 范围的特性，对实验结 果进行理论解释，从实验上论证连续t h z 波成像技术在安全检测方面的应用价值。 三、对连续波系统产生的条纹的成因进行判断并提出消除办法。首先搭建双盒子的反 射系统对条纹成因进行判断。从软件和硬件两个途径进行消除条纹的工作：1 图象处理， 采用理想带阻滤波器进行滤波；2 探测器后移。 四、在现有的基础上对连续波系统作出改进，对系统所用程序进行完善，使原来只能 保存文本文件，能够保存成图像文件，并对图像进行二值化，边缘检测等初步处理减少数 据的后期处理工作。把原来的反射式成像系统转变为透射式扩大仪器的使用范围。 五、利用连续波成像系统进行太赫兹共焦成像的工作。 关键词：连续t h z 波成像，分辨率，图像处理，共焦成像 首都师范大学硕士学位论文 a b s t r a e t a b s t r a c t t h et e r a h e r t z ( t h z ) r a d i a t i o no c c u p i e sal a r g ep o r t i o no ft h ee l e c t r o m a g n e t i cs p e c t r u m b e t w e e nt h em i c r o w a v ea n di n f r a r e db a n d s s i n c ei tp o s s e s s e sm a n ya t t r a c t i v e l yc h a r a c t e r i s t i c p r o p e r t i e s ，t h zi m a g i n ga n ds e n s i n gt e c h n o l o g i e sc a np r o v i d ei n f o r m a t i o nn o ta v a i l a b l et h r o u g h c o n v e n t i o n a lm e t h o d ss u c ha sm i c r o w a v ea n dx - r a yt e c h n i q u e s t h zw a v e sc o n t a i nr i c h i n f o r m a t i o ni n v o l v e di nm o l e c u l a rv i b r a t i o na n dr o t a t i o n ，a n dh a v es u b - p i c o s e c o n d sp u l s ew i d t h ， l o wp h o t o ne n e r g y ，a n dh i g hs p a c e t i m ec o h e r e n c e b e c a u s ei t s s p e c i a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h z i m a g i n gt e c h n o l o g yh a sh u g ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l i t yi nb i o l o g i c a lm e d i c i n e ，s e c u r i t yi n s p e c t i o n ， t e s t i n go fa e r o s p a c em a t e r i a l sa n d 5 0o n w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g i e s ，a c o m p a c t ，r e l a t i v e l yf a s t , e a s i l yo p e r a t e d , a n dp o r t a b l ec wi m a g i n gs y s t e mh a sb e e nr e a l i z e d ， s h o w ni t s i n c r e a s i n gp r a c t i c a b i l i t yl yi nm a n ya p p l i c a t i o nf i e l d s t h i st h e s i sm a i n l yf o c u s e so nt h ec wt h zi m a g i n gt e c h n o l o g y ，a n a l y z e saf e wc r i t i c a l q u e s t i o n sf r o mt h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n ta s p e c t s ，m o r ec o n c e m e dw i t ht h ea p p l i c a t i o n so fc w t h z i m a g i n gt e c h n o l o g y ，w h i c ha r ev e r ye s s e n t i a lt of u r t h e rr e s e a r c ha n de x p l o r a t i o n t h em a i n w o r k sa r cl i s t e da sf o l l o w s ： ( 1 ) m a i np a r a m e t e r so ft h ec ws y s t e m ，i n c l u d i n gb e s ti m a g i n gl o c a t i o na n dt h es y s t e m r e s o l u t i o n ，w e r em e a s u r e d ( 2 ) ah a m m e ri nc a r t o nw a si m a g e du s i n gc o n t i n u o u s w a v ei m a g i n gs y s t e ma n di n t e r p r e t a t i o no f t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti sp r e s e n t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h i sn e wt e c h n o l o g yc a r lb ew i d e l y u s e di ns e c u r i t yi n s p e c t i o n s ( 3 ) t h er e a s o nf o rs t r i p eb a c k g r o u n di nc o n t i n u o u s w a v ei m a g i n gi si n v e s t i g a t e da n dat w o b o x r e f l e c t i v es y s t e mi sp r o p o s e dt oj u d g et h er e a s o no fs t r i p eb a c k g r o u n d m e t h o d st oe l i m i n a t et h e s t r i p e 剐陀g i v e n o n ei su s i n gi d e a lb a n ds t o pf i l t e ra n da n o t h e ro n ei sm o v i n gt h ed e t e c t o r b a c k f o r w a r d ( 4 ) i m p r o v e m e n to ft h ec o n t i n u o u sw a v ei m a g i n gs y s t e m t h ep r o g r a m mf o rc o n t i n u o u sw a v e i m a g i n gs y s t e mi sp e r f e c t e d ，n o to n l yt h e t x tf i l eb u ta l s ot h e j p gf i l ec a l lb es a v e d s i m p l e i m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d s ，s u c ha sb i n a r i z a t i o n ，e d g ed e t e c t i o n ，a n ds oo n ，a r ei n t e g r a t e di n t ot h e s o t h v a r et or e d u c ed a t ap r o c e s s i n gw o r k s c h a n g i n gt h er e f l e c t i o nc o n t i n u o u s - w a v ei m a g i n g s y s t e mt ot h et r a n s m i s s i o nc o n t i n u o u s w a v ei m a g i n gs y s t e m 首都师范大学硕士学位论文 a b s t r a c t ( 5 ) a p p l i c a t i o no ft h ec o n t i n u o u sw a v et h zi m a g i n gs y s t e mf o rc o n f o c a li m a g i n g k e yw o r d s ：c wt h zi m a g i n g ，r e s o l u t i o n ，i m a g ep r o c e s s i n g ，c o n f o c a li m a g i n g i i i 首都师范大学硕士学位论文 首都师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 糊姗躲舭糸 吼印蚋 首都师范大学学位论文授权使用声明 本人完全了解首都师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保留学位论文 并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权将学位论文用于非赢利 目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有权将学位论文的内容编入有关数据 库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规 定。 学位论文作者签名： 粥疔、日期彩枷 自 学h 论女 第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 第一节t h z 波概述 太赫兹辐射( t 射线) 通常指的是额率在0 1 太赫兹l o 太赫兹( 波长在3 脚m 3 0 u 卅) 之间的电磁波其波段在微波和红外之问，属于远红外和亚毫米波范畴。t h z 辐射的早 期研究可以追溯到上世纪初而 t e r a h e r t z 这一术语则首次由f l e m i n g 干1 9 7 4 年提出， 当时这个术语被用来描述麦克尔逊干涉仪的光谱线频率范围。长期以来由于缺乏有效的 产生方法和探测手段科学家对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限，在相当长的一段时 期，很少有人问津电鞋波谱中的这一波段( 豳i i ) 形成远红外和业毫米波空白区，以至 于该波段被称为电磁波谱上的 q h z 障( t h z g a p ) 1 2 1 田1 1 i 渡段在电磁渡潜中的位置 上个世纪九十年代以后，随着激光技术，量子阱技术和化合物半导体技术的发展，为 t h z 脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使t h z 辐射的产生机理、检测技术和应用 技术的研究得到蓬勃发展口一j ，t h z 波段的理论研究和应用技术都取得了很大的进展 t h z 技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的t h z 光谱( 包括透射谱和反射 谱) 包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在这一波段的光谱对于物质结构的探索具 有重要意义：其次是因为t h 脉冲光源与传统光源相比具有很多独特的性质： ( 1 ) 瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级，不但可以方便地对各种材料( 包括液 体、半导体、超导体、生物样品等) 进行时问分辨的研究，而且通过取样测量技术能够有 效地抑制背景辐射噪音的干扰。日前，辐射强度测量的信噪比可以大于1 0 ，远远高于傅 立叶变换红外光谱技术，而且其稳定性更好 5 1 。并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的 优点。 ( 2 ) 宽带性：太赫兹脉冲源通常只包含若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频带可以覆 盖从o 至几rt h z 的范围便于在大的范围里分析物质的光谱性质 6 1 。 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 ( 3 ) 相干性：t h z 波的相干性源于其产生机制，它是由相干电流驱动的偶极子振荡产 生，或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频效应产生。与传统的光学方法仅仅测量出 某一频率光的强度不同，t h z 波的时域光谱技术( t h z - - t d s ) 直接测量t h z 波的时域电场， 通过傅立叶变换给出t h z 波的振幅和相位。可以方便地提取样品的折射率、吸收系数，与 利用k r a m e r s k r o n i g 关系的方法相比，大大减少了计算和不确定性 7 1 。 ( 4 ) 低能性：太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，与x 射线相比，t h z 频率处的光子能 量只有大约四毫电子伏特，比x 射线的光子能量弱1 0 7 一1 0 8 倍，因此t h z 波不会对生物组织 产生有害的光致电离和破坏，特别适合于对生物组织进行活体检型9 1 。从而可以安全地进 行生物医学方面的检测和诊吲引，因此t h z 波在生物成像、医疗诊断等方面( 如皮肤癌、 烧伤诊断) 具有重大的科学价值和广阔的应用前景。t h z 光子能量约为可见光的1 4 。，用 t h z 波做信息载体比用可见光和近、中红外光能量效率高得多。 ( 5 ) 穿透性：太赫兹辐射对于很多非极性物质，例如硬纸板、塑料、布料等包装材料对 t h z 电磁辐射都是透明的，太赫兹电磁辐射具有能够轻易穿透各种非透明非极性材料的特 性，可以与瑚寸线技术形成互补，用于对藏匿物体进行探测。因此可用来对已经包装的物 品进行非侵入性探测或用于缉毒和安检f 1 0 , 11 1 。 ( 6 ) 吸水性：大多数极性分子如水分子、氨分子等对太赫兹辐射有强烈的吸收【1 2 1 ，可以 通过分析它们的特征谱研究物质成分或者进行产品质量控制。 ( 7 ) 指纹光谱：许多生物大分子例如氨基酸、生物肽、毒品和炸药分子的振动和转动能 级间的间距正好处于t h z 频率范围，使得获得它们的t h z 指纹光谱成为可能，从而为t h z 光谱技术在分析和研究生物大分子的物理化学性质、反恐、缉毒等提供了相关理论依据【1 3 】。 使太赫兹光谱技术在分析和研究大分子方面有广阔的应用前景。 ( 8 ) 方向性：t h z 波是具有量子特性的电磁波，具有类似微波的穿透能力，同时又具 有类似光波的直线传播特性。t h z 波可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直，也可以 在特定的波导中传输。 以上这些特点决定了它在光谱技术方面可以成为红外光谱技术、拉曼光谱技术的互补 技术，在成像方面可以成为x 射线线成像技术的互补技术；且在很多基础研究领域、工业 应用领域、医学领域、军事领域及生物领域中有重要的应用前景，从而成为本世纪科学研 究的热点。 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 第二节t h z 波成像技术概述 1 9 9 5 年利用太赫兹波成像的第一篇文章发表以后，太赫兹波成像技术受到普遍重视， 最初的成像技术是利用振幅的变化研究了塑料封装的集成电路的内部引线等结构和树叶 中含水量的分布图像。现在已经有多种新的成像技术出现和正在进行深入研究。这些成像 技术包括：使用光电导偶极子的t 射线常规成像技术、使用c c d 摄像机的电光t 射线成像技 术、使用单周期脉冲t 射线通过时间反演进行物体重构的成像技术【1 6 】、利用基尔霍夫 ( k i r c h h o f 0 移动的t 射线反射成像技术f 1 7 1 、动态孔径和暗场t 射线成像技术、t 射线计算机 断层成像技术，简称t 射线d t 、t 射线显微镜成像技术、5 0 m - - 2 0 0 m 的t 射线成像技术等等。 各种成像技术在扫描方式、信噪比、动态范围、分辨率、成像所用时间、制造成本、紧凑 程度、应用范围和领域各有千秋。其中，t 射线c t 成像技术与x 射线c t 相比，不仅可以获 得被测物吸收率的三维分布，而且可以获得折射率或介电常数的三维分布。有些物体对x 射线完全透明，成像对比度很差，如对t 射线有一定的透过率，则t 射线成像就可以作为一 种有效的补充手段。由于t 射线光子能量较x 射线光子能量低很多，不会引起光电离和破坏， 对生物进行活体检查更安全。因此，t 射线c t 在医学检查、安全检查、环境监测、食品生 产质量监控等许多方面存在巨大的应用潜力。 虽然经过二十多年的发展历程，太赫兹技术已经有了长足的发展，并且已经在许多方 面有了初步的成就，但还存在以下一些需要解决的问题： ( 1 ) 由于大部分生物组织中含有丰富的水分，而水对t h z 射线吸收很强，大大降低了生 物样品成像的灵敏度，对含水量较多的样品不能成清晰的像，严重限制了t h z 成像在生物 医学上应用。 ( 2 ) 目前所产生的脉冲t l z 波的平均功率只有纳瓦到微瓦数量级，对于单点探测可以达 到1 0 5 或更高的信噪比，但是实时二维成像的信噪比却很低。成像要获得高的信噪比，需要 有更高的辐射源。 ( 3 ) 由于，r h z 波的波长较长，限制了t h z 成像系统的空间分辨率，尽管利用“动态孔径” 技术大大提高了空间分辨率，但是要在生物样品( 如生物细胞或生物组织) 上加一层控制 材料是很困难的。 ( 4 ) 目前大多数脉冲实验获取数据时间较长，对于生物样品可能会有样品的变性问题。 n a g e l 等人采用二维电光取样技术大大提高了成像速度，但是却降低了原有的信噪比。张希 舯 成等人采用啁啾方法一，使t h z 频带展宽，提高了实验速度，但在信噪比和数据处理方面 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 仍需要进一步探索。 ( 5 ) c w 连续波成像可以大大提高成像速度，但缺乏光谱信息；若提高图像的分辨率， n 们 信噪比将减小j ；由于在实验过程中，无法完全确保t i z 波正入射，实验结果中存在干涉 条纹；连续波成像可以直接从操作面板看到成像结果，基本上无需要复杂的算法进行数据 处理，但对于有些样品，需要从算法上对图像进行处理，消除噪声、干涉条纹，提高图像 质量，而有效的数据处理需要进一步探索。 ( 6 ) 现有的t h z 时域光谱系统及成像系统的设备不仅价格昂贵，信息处理过程也很复 杂，有待于进一步实用化。为了在医学上应用t h z 技术，还要使t h z 系统向微型化发展。 t h z 成像技术已经取得了很大的发展，连续波成像系统的设备相对低廉、小型化，与 脉冲成像互补，成为新的检测技术。但现有的连续波成像系统只利用了一个探测器进行逐 点扫描，获取数据的速度仍有待提高。随着矩阵或线阵列探测器的发展，需要努力实现实 时探测，快速的提高数据获取的速度，进一步实用化。特别是在国内，关于t h z 技术的研 究处于起步阶段，有大量的工作需要进一步的开展。 3 1 连续t h z 波产生 第三节连续t h z 波成像 连续t h z 波成像系统用耿氏振荡器作为发射源。耿氏振荡器的核心是耿氏二极管 ( g u n nd i o d e ) 。耿氏二极管主要是基于n 型砷化镓的导带双谷高能谷和低能谷结构。1 9 6 3 年g u n n 在实验中观察到，在n 型砷化镓样品的两端加上直流电压，当电压较小时样品电 流随电压增高而增大；当电压v 超过某一临界值v 后，随着电压的增高电流反而减小， i 1 这种随电场的增加电流下降的现象称为耿氏效应，或称负阻效应；电压持续增大( v v ) m 则电流趋向饱和。g u n n 氏二极管也称作体效应二极管，它是一种成熟的微波半导体功率器 件，这种器件是利用电子在能谷间的转移而产生负阻实现直流一射频信号的转换。它作为 一种渡越时间负阻器件具有很宽的调谐带宽。如果将g u n n 氏二极管放置在适当的谐振电 路中，它的调谐带宽超过它的渡越时间频率的5 0 。g u n n 氏二极管还具有低的调频噪声 的特点，这是雪崩二极管无法比拟的。此外，g u n n 氏二极管所需的偏置电压低。因而被广 泛的用在各种微波和毫米波系统以及测试系统之中【2 0 】。 4 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 体效应二极管的结构比较简单，它是采用一块矩形立方体的n g a a s 材料，在两端制 备欧姆接触构成。n g a a s 的导带具有双能谷结构，如图1 2 所示。电子处于此两能谷中 的特点不一样。在低能谷中，电子的有效质量小、迁移率高；在高能谷中，电子的有效质 量变大，相应的迁移率也降低。当没有外加能量时，g a a s 中的电子都处于低能谷中，而 当外加电压超过阀值电场e t l l 时( 对n - g a a s ，f a h = 3 2 0 0 w c m ) ，低能谷的电子获得的能量将 大于高低能谷的能量差。这些电子将从低能谷跃迁到高能谷，这时电子的迁移率降低，即 导带的电子平均漂移速度变慢，在体效应二极管中某处的电子就形成了积累层，对应的就 要出现耗尽层，这样就产生了正负电荷形成的偶极畴。当偶极畴一旦成核，外加电场将大 部分集中在此畴，形成高场畴。这时畴外电场不可能再超过阀值，因而不可能再有新的高 场畴生成。再外电场的作用下，畴不断长大，并从阴极向阳极漂移。当畴到达阳极被阳极 吸收后，体内电场又升高，阴极附近又会产生新的畴，整个过程重复就形成了以畴渡时间 t 0 为周期的电流脉冲，这样在外电路中就可形成频率为f o ( 昆= 1 t o ) 的t h z 振荡【2 0 】。 图1 - 2n g a a s 的导带双能谷结构 如图l 一2 所示，具有g u n n 氏效应的半导体都具有特殊的速度一电场特性，即在某个电 场范围内载流子的运动速度随电场的增加而减小，这就是负微分迁移率现象，故g u n n 氏二 极管又称为负阻器件。耿氏二极管的工作频率主要有偶极畴的渡越时间决定。实际应用中， 一般将耿氏二极管封装在金属谐振腔中做成耿氏振荡器，如图1 3 所示，通过改变腔体内的 机械调谐装置可在一定范围内改变耿氏振荡器的工作频率。 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 耿 图l - 3 耿氏振荡器结构示意图 g u n n 氏二极管的主要电参数有工作频率、输出功率、工作电压和工作电流以及热阻等 等。g u n n 氏二极管的工作频率f o 是与工作区的长度成反比的，对于偶极畴的模式，其振荡 频率可以由下式近似给出【2 1 2 2 1 ： 石= 睾= _ 1 0 7 ( c 广m s ) = 孚( 锄) ( 1 - ) 式中：v 卜畴的运动速度； i 畴渡越的有效长度( 即工作区长度) 。 g u n n 氏二极管的输出功率p o 可由下式确定 昂= 嚣 ( 1 2 ) 式中：e 为g u n n 氏二极管的场强 v s 为畴的运动速度 i u 为负载电阻 3 2 连续t h z 波探测 连续t h z 波成像系统用肖特级二级管作为接收器。肖特基势垒二极管( 缩写为s b d ) 是一种金属半导体接触势垒二极管，其理论基础首先由肖特基提出，过去它曾有热载 流子二极管和表面势垒二极管等名称，现已统称为肖特基势垒二极管，而且一般专指面接 触型二极管，不包含点接触二极管( 广义讲，它也属于肖特基势垒接触) 。点接触二极管 虽然最早使用，但其均匀性不易控制，正反向特性不理想，闪烁噪声大以及机械性能不好。 6 首都师范大学硕士学位论文 第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 肖特基势垒二极管的诞生和发展，克服了所有上述缺点，获得了更为理想的微波特性。 肖特基二极管是以贵金属( 铅、铂等) a 为正极，以n 型半导体b 为负极，利用二者接 触面上形成的势垒具有整流特性而制成的金属半导体器件。由于n 型半导体中存有大量的 电子，而贵金属仅有少量的自由电子，所以电子便从浓度高的b 中向浓度低的a 中扩散。很 显然，金属a 中没有空穴，从而也就不存在空穴e h a 向b 的扩散运动。电子不断从b 扩散到 a ，b 表面电子浓度逐渐降低，同时表面电中性也会被破坏，形成势垒，其电场方向为b - + a 。 但在该电场作用之下，a 中的电子也会产生从a _ b 的漂移运动，从而削弱了由于扩散运动 而形成的电场。当建立起一定宽度的空间电荷区后，电场引起的电子漂移运动和浓度不同 引起的电子扩散运动达到相对平衡，由此便形成了肖特基势垒如图l 一4 。 。、0 q 砰 多b ? ，| | 量n 簟搴俸 图1 - 4 理想肖特基势垒结的能带图 金属与n 型或p 型半导体都可形成肖特基势垒。由于电子的运动速度更快，所以在微波 应用中，都采用金属叫型半导体接触。金属和半导体中的电子，一般不可能逸出体外。 处于不同能级状态的电子如果获得足够的能量，就会脱离原子核的束缚，逸出体外并形成 热电子发射，定义起始能量为费米能级的电子逸出体外所需的最小能量为物体的逸出功， 或称功函数w 。电子被束缚的强弱以功函数w 来表示。金属和半导体未接触时，它们各自 的功函数为w m 和w n ，费米能级为e f m 和e f n ，而且假设w m w n 。当它们紧密接触后，费 米能级就要统一，这时电子就要从1 1 型半导体流向金属，接触处的半导体表面层失去电子， 由施主离子形成正空间电荷区。金属一侧因得到电子，形成负空间电荷层。由于半导体的 杂质浓度比金属的电子浓度低得多，所以半导体表面的空间电荷区宽度也比金属一边大得 多。正负空间电荷形成的内建电场( v d 为内建电势差) ，使半导体表面能带向上弯曲，形 成势垒。无外加电压时，处于稳定状态；当外加正向电压时( 金属端接正) ，因外电压与 内建电场方向相反，势垒高度降低，大量电子从半导体流向金属，从而形成金属到半导体 的正向电流；如果外加反向电压，则势垒增高，只存在很小的反向饱和电流【2 2 1 。故其伏一 首都师范大学硕士学位论文第一章t h z 辐射的基本介绍和应用 安特性如图1 5 所示， j 一 太 y 图1 5 肖特基二极管的伏一安特性 肖特基势垒二极管的电流一电压特性可用下式表示： ，= i b ( e 矿m 1 ) ( 1 3 ) ( i 卜反向饱和电流；v p 加电压；l 卜玻耳兹曼常数；t - 绝对温度；p 电 子电荷；n 一理想因子，其理想值为n = 1 ) 【2 3 2 4 1 。肖特基二极管的工作频率可在o 6 t h z rl ，2 以上，带宽约为5 0 g h z ( 窄带) ，噪声等效功率( n e p ) 约为1 0w h z ，响应率在l o o 一 3 0 0 0 v w 之间，而且其调幅可以达到k h z 量级。 3 3 连续t h z 波成像 连续t h z 波成像的历史要追述到上个世纪7 0 年代n 8 0 年代，当时采用连续气体激光器 1 2 5 2 6 1 作为光源，探测器使用辐射热探测计一。，但是系统无法在常温下成像，而且要求较高的 t h z 射线平均功率。另一种t h z 成像形式是一种无源亚毫米波传感装置。由于温度在3 0 k 时 物体的黑体辐射中心波长在t h z 波段，因此这种装置通常装在卫星上，用于接收来自遥远 星系的t l - i z 射线。通过调节接收频率，获得相应的光谱信息。美国马萨诸塞州的m i l l i t e c h 公司从1 9 8 5 年开始就致力于毫米波的安全检查摄像机的研究开发，经过多年的努力，设 计出一种由2 5 6 个直径仅为2 3 毫米的微型天线组成的二维接收天线阵，较好地解决了毫米 波的接收问题。目前，m i l l i t e c h 公司正在进一步完善这种天线阵列及开发图像扫描识别和 报警软件1 2 刀。美国伦斯勒大学t h z 研究中心的张希成等人建成第一套小型、便携式连续波 1 2 8 2 们 成像系统，可用于航天飞机燃料箱绝缘泡沫材料可能存在缺陷和损伤检测一。相比于同 时应用的x r a y 检测，毫米波检测，核磁共振检测结果，连续太赫兹波系统的结果是最好 首都师范大学硕士学位论文 蔓二兰里兰塑塾塑苎查坌丝塑! 兰旦 - ，_ _ _ - _ _ - - _ _ - _ _ - - 一 的。2 0 0 5 垒1 z ，首都师范大学太赫兹实验室成功调试国内第一台o 舭连续波系统。采用 0 2 t h z 是为了减少大气吸收( 如图1 - 6 所示) 。 o 0 4 0 0 2 o 0 i o 0 0 4 o 0 0 2 o 0 0 l 波长( 毫米) 3 02 01 5i o o8 o6 o5 o4 o3 o2 oi 51 oo 8 _ - jlf j明一 l1 rh l 八二 r 、 一 l 二 一 f1 | - -， 7 | j 。 f f 水 水 - - 氧 氧 - _ a - 一 ， l 水 1 01 52 02 53 04 05 06 07 08 4 ) 9 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 0 4 0 0 频率吉赫 毫米波的大气衰减特性 图1 币毫米波的大气衰减特性 在整个毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口”，它们的中心频率在3 5 ，9 4 ， 1 4 0 和2 2 0 g i - i z 附近，其相应波长分别为8 6 ，3 2 ，2 1 和1 4 m m 。这些“窗口”的对应带宽 分别为：1 6 ，2 3 ，2 6 ，7 0 g h z p o 。 9 赋柏柏吣 4 2 。 啦们 *p啜泰v蕉髅 甘揶岬n 颈学他论j 范一章连续* 像系统 第二章连续波成像系统 第一节连续t h z 波成像系统 连续波成像系统与脉冲成像系统相比仍采用逐点扫描方法进行成像，不同的是连续 n 1 1 t h z 成像系统省去了泵浦嘏测成像装置，所需的元件数量很少。大大减小了光学复杂性。 同时系统也无需时间延迟扫描，成像速度得到了大幅度提升。只是当他产生源的频率一 定，且只有一个探测器时，连续仙成像系统只产生能量数据，不提供任何深度，频域或 者时域信息，但c w 太赫兹成像系统具有小型简单，快速和相对低廉的特点。 连续波成像系统有透射式和反射式两种不同的成像模式，如图2 1 所示。本章所讲述 的c w 系统的工作模式是反射式，工作的频率为0 2t h z 如罔2 1 所示系统主要包含五个 部分：t h z 单元二维平移台，电路控制板，电源( 内舍变压器) 和控制用的计算机。其 中。关键部分是t h z 单元，它集发射器。探测器浆炜和传导光束的元件干一体。 抛面 a 敢 图2 1 ( a j 透射式c w 成像系统原理图( b ) 反射式c w 成像系统原理图 他单元的内部结构如图2 3 所示，耿氏二极管产生频率为1 0 0 g h z 的电磁波，经倍频 器倍频输出频率变为2 0 0 g h z 。这两部分组成发射器( e r n i t t e r ) 作为t 成像系统的辐 射源。喇叭天线耦合传输n i z 波，使输出t h z 辐射具有较好的方向性。t h z 波的传播方向与 透镜的光轴共线。被偏转镜( d e f l e c t i n gm i r r o r ) 反射的t h z 波穿过分束镜( b e a ms p l i t t e r ) - 再 由聚焦透镜( l e n 5 ) 聚焦在样品袁面在分柬镜的背后，t h z 波正入射到样品表面后，经样 品或金属底板反射后被同一聚焦透镜收集再由分束镜反射到探剽器( d e r e c t o r ) 上。探测饕 是一个平面电极肖特基二极管。n z 信号经过探钡0 器转变为电压信号，然后被低噪音的放 大嚣( a m p l i f i e r ) 放大后输出，由计算机采集后形成图像。 t h z 单元通过二三个接口与外界部分进行连接。p w r 和5 v 是t h z 单元的输入接口，分别 l o 薰 p 一 鬈。 器渊 目椰师 学日学位主第= i 莲睡睦戚像系统 提供电压给耿氏二极管和放大器s i g 是放大器的输出接口经同轴电缝连接到计算机上。 t h z 单元固定在x y 二维平移台上，通过计算机控制平移f 进行运点成像实现t h z 单元相对样品的移动采集样品表面或金属底扳反射回的似强度信息实现对样品不 同点的成像，获得样品的二维图像当扫描需要检测的范围时所获得的数据是对一定时 期图像的每个像素点取平均。 盈震 圈2 - 2 0 2 t h z c w 成像系统圈2 - 30 2 t h z 单元的内郭结构圈 t h z 单元的输出功率为1 0 r o w ，空间分辨率为2 7 m m ，动态范围为3 4 d b ，景深为2 0 r a m 焦距为1 8 0 m m - 2 0 0 m m 在检测过程中，样品尽量放在t h z 单元的焦点处严格上不能超 出焦点处的瑞利范围且确保t h z 波正入射到样品表面，防止t h z 渡没有反射到探测器 上造成信息的丢失影响检铡结果 2 1 最佳成像位置 第二节系统参数的测量 根据光学系统中的牛顿公式。被腻物体中的每一点在其共轭平面都将有一个像点如图 2 _ 4 所示 么移 照 笋凡 n 蕾头ic 圈2 4 成像规棒 片柳 学顿学佩论z 掘= 章莲蛙* 景统 图2 _ 4 中镜头左边的物点a 、b 和c 在其共轭像平面中成像为a 、b 和c l 如果当 前感光面的位置在b 位置挪么物点b 的成像刚好落在感光面上，成像清晰而物点a 和c 在成像面上的成像结果都形成一个弥散圆，成像的清晰度变差一般将物点b 称为对焦点，则 越远离对焦点的物点在像面中图像滴晰度越差对焦的过程就是通过调节成像的位置。以便 所关心的被照物体能准确成像在其共轭像平面中然而其对焦的依据是物体在成像面中的 清晰度或灰度对比度。在正确调焦的情况下。图像各点问的灰度对比度最强；调焦偏差越大， 灰度对比度越弱m 】。用人眼直接对最佳成像位置最佳成像位置做出判断很困滩采用测 量刀片图像然后对图像求导比较刀片边缘图像灰虚对比度判断图像清晰度，确定最佳成像 位置。 圄目国目目目日目 j i i i 蟹圈删_ 日h 咖咖* 删删* 删t 目w m t 目“ 目目目目、目目母口 自口h t b hd * 岬嗍* 岫m 啪目h 蛐h “删h 目h q m 口h 目目目囵目嗣目目 删自h _ m t 目w “h m 目舳h “酬i 目h 删“_ 0 嘲“ d 删| 目w 目删h 日目囵目日目日日 “噼m m “删目目删b h “洲h “m 卿w “p m 啪h “啦m 目h “删a h 匿虽 圈2 - 5 刀片1 0 c m - 2 8 锄系列皤象 如图2 - 5 所示涮量刀片的图像，从距离透镜1 0 c m 到2 8 c m 隔0 5 c m 成像一次。沿着垂 直刀片刃的方向求导图像边缘越清楚灰度变化越明显求导后的值越大求导后图像如图 2 - 6 可以看出l g c m 处图像清晰度最好 首都师范大学硕士学位论文第二章连续波成像系统 2 2 系统分辨 图2 - 6 刀片系列图象求导 要直接用人工方法获取两个非常靠近的非相干点光源作为检验光学系统分辨率的目 标物是比较困难的，因此，通常采用不同粗细的黑白线条组成的人工特制图案或实物标本 作为目标物来检验光学系统的分辨率。由于各类光学系统的用途不同，工作条件不同，要 求不同，所以设计制作的分辨率图案在形式上也很不一样【3 5 1 。c w 系统中采用扫描扇形光 栅来确定分辨率。利用c w 系统得到扇形光栅的太赫兹灰度图图2 7 ，用计算机对图象的 象素进行计算得到分辨率为2 6 毫米。 首都师范大学学恤论女 第一章蓐缍# 像系 圈 7 扇形光橱的太赫兹敏度凰 第三节连续t h z 波成像系统检测 近年来特别是9l l 事件之后，恐怖主义在整个世界范围内蔓延，人体炸弹、炭疽病 毒、劫机事件等恐怖袭击手段曾出不穷传统的安检系统如检查随身携带物品的x 光机及 检测私人物品的金属探测罂，在一些利用现代高科技、或新材料做成的潜在威胁如陶瓷手 枪、塑料手枪等面前显得捉襟见肘有时候甚至无能为力。如金属撵铡只能探测金属目标， 盘普通的手枪和刀，却无法鉴别简单的无毒物品( 如玻璃带扣，钥匙等) 与实际的恐怖 物品的区别，园而产生了大量的错误预警。公共安全已经成为世界各国共同关注的焦点问 题。为了有效的防范和打击恐怖分子和犯罪活动，世界各国纷纷投入大量的资金研发和使 用新式安全检查技术，以此来对隐藏的危险物品、违禁物品甚至爆炸物品进行提前预苷m 】。 太赫兹以它独有的特性如强穿透性、低能性、相干性等在安全检查领域将会发挥越 来越大的作用太赫兹光子的能量只有毫电子伏特，相比x 射线。不会对人体产生伤害。相 对于红外线，太赫兹对热背景噪音不敏感另外太赫兹辐射对于塑料、纸箱、纺织物等包 装材料具有报强的穿遗力。由此以太赫兹技术为基础的太赫兹连续波成像系统有可能成 为一种有教的安全检测手段，它可与传统的安检手段形成强力互补也可广泛应用于机场、 车站等公共场所为保护人民群众的生命财产安全保驾护航。 传统的安全检查设备如x 射线检测仪、金属武器检测门等，能发现金属武器和普通 炸药等危险物品，曾在安全检查工作中发挥了重要作用。但由于近年来恐怖分子配备的武 器越来越先进促使世界各国都在探索研究更先进的安争检壹新技术、新设蔷。 1 4 酋矗师范大筝睡士学位论z第= 章连墟艘成像茉统 一。雪 圈2 - 8 隐藏在纸盒里的锤子 如图2 - 8 所示太赫兹连续波系统能清楚的分辨装在纸盒子的锤子以及塑料圆盘。太赫 兹以其独有的性质不但能分辨金属的锤子而且能探涮到塑料物品是其他探测方式所不能 比拟的 首师范走学瑶士学似论z第! 章他# 射的# 奉升目自月 第三章系统条纹成因分析与条纹消除 第一节条纹成因分析判断 太赫兹连续波系统的成像效果受条纹影响非常严重如图3 一l 所示。图3 - l ( a ) 为样品 照片，图3 - l ( b ) 为人工缺陷试样，是利用“贴膜技术制备人工缺陷，即将金属箔粘贴在铝 扳袭面，然后在铝扳表面喷溅泡沫使得泡沫材料与铝板有明显的脱牯。从图3 - i c e ) 太赫兹 连续波系统的成像结果中可以明显区分缺陷和背景，以及四个缺陷的相对位置，大致形状 和大小也可全部分辨出。背景中的明喑相白j 条纹为系统条纹口7 1 。 图3 - i 样品照片人工缺陷试样( c ) 蒹统无损榆铡的圈像嗣 有文献报道条纹为干涉条纹认为是透镜表面e l 、样品前表面e f 样品后表面e s 和补 偿镜e c 反射的t h z 射线干涉所产生的条纹m 1 图3 - - 2 。 l 。蚤刊n - r 节- 兀| 7 v m 3 - 2 c w 系统结构示意罔 经过实验厉认为条纹不可能是干涉产生。实验采用一定角度的斜入射。一端做为发射 单元一端为接收单元如图3 - 3 ( a ) 所示固定发射单元和接收单元，把样品铝板固定在二 首都邮蓖大学m 士学位论r 镕j 章t | l z 辐射的蕞奉舟目和r 用 维平移台上，通过二维平移台移动样品成像。蛮验中发射单元采用系统的t h z 单元接收 单元如图3 3 ( b ) 内部只有一个探铡器和放大器，没有反射镜和分束镜。实验中用铝板作 为样品只有一个反射面。这样透镜表面e l 、样品前表面e f 样品后表面e s 和补偿镜反 射e c 中，就只剩下样品表面反射的t h z 其余的都不存在 样品 阿3 3 ( a ) 攫盘干斜反射系统示意尉 ( b ) 接收单元内部结构 所铡翻像还有条纹如图3 - - 4 圈3 4 一定角度的斜入射铞扳太赫兹圈像 认为条纹不可能是干涉产生在上面的实验中只有一束t h z 进入探测器构不成干涉