岩石弹性波速度和饱和度-孔隙流体分布的关系(完整版)实用资料

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岩石弹性波速度和饱和度、孔隙流体分布的关系岩石弹性波速度和饱和度_孔隙流体分布的关系（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）史1沈文略1杨东全21北京大学地质学系,北京1008712清华大学工程力学系,北京100084摘要在实验室对6种砂岩进行了连续的进水和失水实验.测量了两个过程的纵波速度VP、横波速度VS进水和失水速率随饱和度SW的变化;分析了低饱和度时流体对岩石弹性性质的影响.实验表明,进水和失水过程显示不同的纵、横波速度与饱和度关系,速度不仅与饱和度有关,还与不同饱和阶段的孔隙流体分布有关,而且也是水和岩石骨架之间的物理及化学作用所致.关键词波速饱和度孔隙流体分布岩石物理文章编号0001-5733(200301-138-05中图分类号P584收稿日期2001-05-18,2002-06-20收修定稿.THERELATIONSHIPWAVEVELOCITIESWITHSATURATIONANDFLUIDDISTRIBUTIONINPORESPACESHIGE1SHENWENLUE1YANGDONGQUAN21DepartmentofGeology,PekingUniversity,Beijing100871,China2DepartmentofEngineeringMechanicsofTsinhuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstractContinuousimbibitionanddehydratingexperimentsarecarriedoutforsixsamplesinlaboratory.Compressionalwavevelocity(VPandshearwavevelocity(VS,theimbibition’sanddehydratingratewithwatersaturationaremeasuredduringthetwoprocesses.Theinfluenceofporefluidonrockelasticpropertiesatlowsaturationisanalyzed.Theexperimentsshowthatdifferentsaturationprocessleadstodifferentvelocity2saturationrelationship.Thevelocitiesarenotonlyrelatedtowatersaturation,butalsorelatedtoporefluiddistributionduringdifferentsaturationstage.Thevelocitiesarealsorelatedtothephysicalandchemicalinteractionbetweenwaterandrockskeleton.KeywordsVelocity,Saturation,Porefluiddistribution,Rockphysics.1引言根据Biot理论和Gassmann方程,孔隙流体使岩石的纵波速度VP增加,而横波速度VS略有降低[1,2].这一结论是建立在流体在孔隙中均匀分布的假设基础之上的.许多实验证实纵、横波速度和饱和度有关[3~6].Gregory[7]认为,饱和度对低孔隙岩石速度的影响要大于对高孔隙度岩石的影响;完全水饱和岩石的VP明显大于部分饱和的岩石;VS并不总是随饱和度的增加而降低,而是和压力、孔隙度、孔隙流体与岩石骨架之间的化学作用等因素有关.Domenico[8]的研究表明,含水饱和度较低时,随着饱和度增加,样品密度的增加使VP有所降低;但当饱和度达到较高值时,岩石的孔隙度明显增加,超基金项目国家自然科学基金资助项目(49774239.作者简介史,女,1943年生,1966年毕业于北京大学地球物理系,教授,博士生导师,从事地球物理教学和超声波地震模型实验及岩石物第46卷第1期2003年1月地球物理学报CHINESEJOURNALOFGEOPHYSICSVol.46,No.1Jan.,2003过了密度增大引起的速度变化,从而使VP有明显增大.对于横波,由于剪切模量和饱和度的关系不大,所以,当密度随饱和度的增加而增加时VS随饱和度的增加有所降低.速度随饱和度的变化规律并不完全由孔隙流体的饱和度决定.Domenico[8]的实验结果表明,不同的饱和过程会导致速度的变化,认为速度与孔隙流体在孔隙尺度范围的微观分布有关.Knight和Nolen2Hoeksema[3]的实验表明,在进水过程中,含水饱和度达到80%时VP值急剧上升,而在其他饱和度范围没有明显的变化.在失水过程中,砂岩显示出明显的弛豫现象.本文应用不同频率的换能器对6种砂岩进行了连续的进水和失水实验,测量了岩石进水和失水过程与弹性波速度的对应关系,分析速度分段特征与孔隙流体微观几何分布的关系.2样品和仪器本文选取6种砂岩样品,144、140、132和297号样品来自秘鲁某油田,S1和S2来自国内某油田.表1,表2分别为岩样参数分析和岩样薄片分析.仪器为湘潭市无线电厂生产的SYC-2型超声波岩石参数测定仪,实验误差Δt/t<±0.5%,纵波换能器的频率为54~1200kHz,横波换能器的频率为50~500kHz.表1岩样参数分析Table1Parametersanalysisofsamples样号岩样密度(g・cm-3孔隙度(%高度(cm直径(cm渗透率(10-3μm21442.1120.94.992.524031402.1718.74.942.52134S12.388.54.473.78S22.523.54.342.99表2岩样薄片分析Table2Thinsectionanalysisofsamples样号矿物组成(%石英云母长石胶结物致密情况直径(mm磨圆度分选性镜下定名144753220疏松0.6~1.6(主尖很差含中砂-粗粒砂岩0.3(次140701较疏松0.5~0.6(主次圆差含粗砂-中粒砂岩1.5(次132552340致密0.1(主圆很好含粉砂-细粒砂岩<0.1(次297705520致密0.2(主次圆较差中-粗粒混合砂岩0.8~1.0(次S1803710致密0.1~0.2次棱角好中细粒石英砂岩S2*******致密0.2(主次棱角较好中细粒长石石英砂岩0.1~0.33实验方法在实验室常温常压下做了岩石的进水和失水过程实验,测量了相应的纵、横波速度和进水、失水速率随饱和度的变化.进水实验时,为了分析低饱和度的流体对岩石弹性性质的影响,把通过烘箱干燥的样品暴露于相对湿度比较高的空气中,通过吸收水蒸气来得到极低的含水饱和度,紧接着将样品浸入蒸馏水中逐渐增加饱和度.失水实验时,首先将样品在真空干燥箱烘干,再用蒸馏水浸没数天,直到重量不再发生变化.然后将高饱和度样品置于空气中,使其自然干燥.由于进水、失水速率无法适时测量和控制,所以同一岩样曾进行多次反复试验.饱和度的计算公式为SW=m-mdms-md,式中md是干样重量,m是样品部分饱和时的重量,ms是样品饱和时的重量.4结果与讨论4.1进水过程现以140、144、132和297样品为例,讨论进水过程.图1为144、140、132、297号样品的进水速率曲线.从图1看到样品从干燥状态开始吸渗水时,进水速率非常快,随着时间增加进水速率减慢.样品的孔隙度和致密程度不同会导致样品的进水速率不同,疏松样品140和144号的进水速率大于致密样品9311期史等:岩石弹性波速度和饱和度、孔隙流体分布的关系132和297号.图1144、140、132和297号样品的进水速率Ir曲线Fig.1Imbibition’srateofsamples144、140、132and297versussaturationduringimbibition’sexperiment进水实验表明,所有样品的纵波、横波速度-饱和度关系曲线在形式上是相似的.VP、VS与水饱和度变化有一定的规律,但个别测量数据很分散,如图2(a,b所示,图中示出换能器的不同频率值.在进水的最初阶段,样品的进水速率大.相应地,岩石的VP也有明显的变化.如140号样品(图2a,VP是上升后略有下降,而对297号样品(图2b,VP呈明显的下降,这一阶段持续非常短,在低饱和度时有这种现象.低饱和度时的速度变化机制比较复杂,但无论Gassmann[2]方程还是Geertsma2Smit[9]方程都无法解释在低饱和度时岩石的速度变化.为了说明速度在非常低的饱和度范围为何有较大的变化,Clark[10]认为是处于颗粒之间的黏土矿物的脱水作用和固化造成的.但有人在不含有黏土的多孔隙玻璃中和干净的砂岩中也观察到了同样的速度变化[11].本文认为低饱和度时速度的变化是水和岩石骨架之间的物理、化学作用以及样品尺度范围不同部位的孔隙流体分布的不均匀性引起的.132和297号样品的波速测量是从完全干燥的状态开始的.实验前,132和297号样品在150℃的烘箱中烘干24h,这时岩石的刚度较大,据Murphy等[12]、Gregory[7]分析,刚度增加导致速度增加2%~3%.当样品从完全干燥状态到较小的饱和度时,由于干燥的岩石骨架和水之间的物理和化学作用,导致弹性模量和波速急剧下降:一方面,当完全干燥的岩石充以流体(尤其是水等化学活性流体,即使非常之少,岩石骨架也会发生某种化学软化,使其体积模量明显减少,样品速度下降,这在相反的干燥过程也会发生;另一方面,当进入极少量的水时(例如对于砂岩,在石英颗粒表面只需3~4层水分子,由于水的作用(如润滑作用使岩石颗粒之间的紧密接触结合变弱,从而使岩石的刚度变小,使体积模量及速度相应降低.图2样品进水的纵、横波速度和饱和度的关系(a140号样品;(b297号样品.Fig.2Compressionalandshearwavevelocitiesversussaturationduringcontinuousimbibition’sexperimentforsample140(aandforsample297(b144和140号样品在进水之前没有经烘箱烘干,开始时的状态是处于实验室的空气湿度下.进水后饱和度增加对速度的影响遵守Biot[1]和Gassmann[2]理论,VP值上升后的略微下降是由于样品尺度范围内水分布的不均匀性引起的.当进水速率从非常快的阶段进入到较缓变化的阶段时,即饱和度的变化范围约5%~60%时,VP的变化较小,且无规律,这一阶段岩石的刚度没有大的变化,此时,弹性波速度按Biot和Gassmann理论发生变化.当样品的水饱和度在60%~80%时,VP都有明显的上升.这一阶段对应于图1中进水速率非常低的阶段.这种现象的产生是由于高饱和度时所有尺度大的孔隙都已被饱和,水已代替空气而成为孔隙中连通的液相,裂隙状的小孔隙开始被饱和.41地球物理学报(ChineseJ.Geophys.46卷由Kauster和Toksoz[13]理论,弹性波速度和裂隙状孔隙的刚度有非常大的关系,裂隙状孔隙刚度的增加会明显增加岩石的弹性波速度.所以,当裂隙状孔隙开始被水饱和增加其刚度时,VP值有明显的上升.4.2失水过程现以S1和S2样品为例讨论失水过程.液体水通过气-液界面的蒸发和流体连通形成的毛细管中的迁移是干燥过程中主要的质量迁移机制[5].刚开始干燥时,样品表面孔隙形成水-空气弯月形界面,并从样品表面开始水的蒸发,蒸发失水主要发生在岩石粒间孔隙度较大的纵横比的孔隙中.在高饱和度阶段,气-液界面进入样品内部,并贯穿所有孔隙,这一阶段,孔隙水总体减少,样品的失水速率随着饱和度的降低迅速下降,孔隙水对大纵横比孔隙的弹性性质影响微弱,所以VP变化不大.从能量的观点看,因为气-液界面的张力总是试图减小这一界面而达到最低表面能状态,而水对因体骨架的浸润性则有增大液-固界面面积的趋势,孔隙水向更细小的孔隙集中时气-液表面积减小了,而固-液界面的总面积却相对增加了,这是一个能量降低的图3S1和S2样品的失水速率Dr曲线Fig.3DehydratingrateofsamplesS1andS2versussaturationduringdehydraingexperiment过程.随着进一步干燥失水,孔隙中流体的连通性将遭到破坏,这一阶段失水发生在纵横比极小的微裂隙、颗粒接触处和小孔隙中,无论是孔隙中的热对流还是水蒸气扩散都相当缓慢,这时进入了低速率的稳定失水过程.图3为S1和S2样品的失水速率曲线.图4样品失水时纵、横波速度和饱和度的关系(a140号样品;(b297号样品;(cS1号样品;(dS2号样品.P54kHz、P150kHz、P240kHz、P750kHz、P1200kHz、KBPFT200、800、1200为纵波换能器的不同频率值.S50kHz、S100kHz、S200kHz、S500kHz、YST50、100、200、500为横波换能器的不同频率值.Fig.4Compressionalandshearwavevelocitiesversussaturationduringcontinuousdehydratingexperiment1411期史等:岩石弹性波速度和饱和度、孔隙流体分布的关系由图3看出,S1样品从衰减失水到稳定失水有一圆滑的过渡区,在饱和度为50%左右发生转折,S2样品在饱和度75%左右发生转折,说明S1样品的孔隙连通性更好.S1砂岩属典型的颗粒支撑结构,当饱和度降至60%以下,大约40%的孔隙水被蒸发后,剩余的水大部分将保留在非常细小的毛细管网络中,岩石总体的体积模量随着饱和度的降低显著减小,导致VP迅速减小.S2砂岩为杂基式支撑,石英、长石颗粒分散于钙质胶结物中,以裂隙式为主的狭长孔隙主要分布在矿物-胶结物界面和少量的矿物颗粒接触面内.高饱和度区内,VP衰减缓慢,从SW=60%开始,VP迅速下降.当饱和度降至15%~20%时,自然干燥不能使样品完全失水,岩石中仍保留的一部分束缚水基本上以骨架表面吸附水的形式存在,失水速率近似为零.通过进一步的人为烘干,吸附水的丧失将使岩石的骨架硬化,使VP回升.由于剪切模量与饱和度的关系不大,介质密度随饱和度的减少使VS略有增加(见图4.样品中不同部位孔隙的饱和度是不同的,总的趋势是样品表面的饱和程度低于内部的饱和程度,从而形成孔隙水在岩石中的不均匀分布,有人在低饱和度(SW=0.15时发现了这种饱和度的不均匀性[1].5结论由样品的进水与失水实验得出,速度随饱和度的变化与不同阶段的孔隙流体分布状况有关,而孔隙尺度的流体分布方式又取决于孔隙空间的微观几何结构、系统的表面自由能及岩石的饱和度.部分饱和流体分布的不均匀性还与孔隙的几何形状及其表面的化学性质有关.实验表明,由进水过程的速度曲线可得到岩石孔隙结构及孔隙流体分布方式、连通方式的有关信息.影响进水过程中孔隙流体分布和弹性波速度-饱和度关系的主要因素是样品尺度范围内流体分布的不均匀性.在干燥过程的不同阶段,不同孔隙几何形状的失水使速度曲线形状不同,失水速率的改变反映了孔隙流体从互相连通向互不连通状态的转化.由波速变化可以了解岩石孔隙水的分布状况.影响干燥过程中孔隙流体分布和速度-饱和度关系的主要因素是孔隙的微观几何形状.进水和失水过程的速度-饱和度曲线的不可逆,表明了水和空气在孔隙中微观分布的不同.所有试验都发现,不同饱和度下都有频散现象,尤其在500kHz以下更为明显,所以孔隙流体对岩石声波速度的影响还与弹性波的频率有关.参考文献[1]BiotMA.Theoryofpropagationofelasticwavesinafluidsaturatedporoussolid,1.lowfrequencyrange.J.Acousti.Soc.Am,1956,28(2:168~178[2]GassmannF.Elasticwavesthroughapackingofspheres.Geophysics,1951,16(4:673~682[3]KnighR,Nolen2HoeksemaR.Alaboratorystudyofthedependenceofelasticwavevelocitiesonporescalefluiddistribution.GeophysicalResearchLetters,1990,17(10:1529~1532[4]史,沈联蒂.灰岩含水饱和度对纵横波速度影响的实验研究.石油地球物勘探,1990,25(4:469~479ShiGe,ShenLiandi.ExperimentalstudyofhowwatersaturationinlimestoneinfluencesthevelocitiesofP2waveandS2wave.OilGeophysicalProspecting,1990,25(4:469~479[5]GoertzD,KnightR.Elasticwavevelocitiesduringevaporativedrying.Geophysics,1998,63(1:171~183[6]刘祝萍,吴小薇,楚泽涵.岩石声学的测量及研究.地球物理学报,1994,37(5:659~666LIUZhuping,WUXiaowei,CHUZehan.Laboratorystudyofacousticparametersofrock.ChineseJ.Geophys.(ActaGeophysicaSinica,1994,37(5:659~666[7]GregoryAR.Fluidsaturationondynamicelasticpropertiesofsedimentaryrocks.Geophysics,1976,41(5:895~921[8]DomenicoSN.Effectsofwatersaturationonseismicreflectivityofsandreservoisencasedinshale.Geophysics,1974,39(6:759~769[9]GeerstmaJ,SmitsDC.Someaspectsofelasticwavepropagationinfluidsaturatedporoussolids.Geophysics,1961,26(12:169~181[10]ClarkVA,TittmannBR,SpencerTW.Effectofvolatiesonattenuation(Qandvelocityinsedimentaryrocks.J.Geophysical,1980,85(B10:5190~5198[11]T.布尔贝,O.库索,B.甑斯纳著.孔隙介质声学.许云译.北京:石油工业出版社,1994BourbieT,ZinsznerB,CoussyO.AcousticsinPorousMedia.TranslatedbyXUYun.Beijing:PetrolumIndustryPress,1994[12]MurphyWF,WinklerWFK,KleinbergR.Framemodulusreductioninsedimentaryrock2theeffectofadsorptionongranitecontacts.Geophys.Res.Lett,1984,11(9:805~808[13]KausterGT,ToksozMN.Velocityandattenuationofseismicwaveintwo2phasemedia.Geophysics,1974,39(5:607~618241地球物理学报(ChineseJ.Geophys.46卷第25卷第5期2006年10月北京生物医学工程BeijingBiomedicalEngineeringVol.25No.5Oct.2006人体脉搏波信号检测系统程咏梅夏雅琴尚岚摘要脉搏波所呈现出的形态、强度、速率和节律等方面的综合信息,能反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。将人体脉搏波转化为电信号进行测量和分析,使中医的脉象有了一个客观的分辨标准,便于揭开脉诊现代科学本质,为预防和治疗疾病提供参考。根据人体脉搏信号特征设计了一套脉搏检测装置。该装置由应变式脉搏传感器及其信号放大及滤波电路、AD转换、接口及脉搏信号数字处理软件构成。该脉搏检测系统的最大特点是能够用LabVIEW虚拟仪器的操作面板及相应的程序,显示出脉搏的波形。关键词脉搏波传感器检测系统中图分类号R318.04文献标识码A文章编号1002-3208(200605-0520-04AHumanBloodPulseSignalDetectingSystemCHENGYongmei,XIAYaqin,SHANGLan.SchoolofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022【Abstract】Informationfromhumanbloodpulseattractsmoreandmoreattentionbecauseitcontainsmuchpathologicalinformationwhichcouldbeusedasindextodiagnosedisease.Thewaveform,intensityandspeedofpulsesignalsmostlyreadthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Inthispaper,thepulsesignalthatusuallyisfeltbyfingertouchingofChinesedoctorswastransferredintoelectricsignalandthuscouldbemeasuredbymodernscientificway.Asaresult,themeasuredquantitiescanbeusedbyadoctorasamoreconsistentindextomakediagnoses.Apulsedetectingsystemwasdevelopedanditsfunctions,circuitsandsoftwarebasedonLABVIEWweredescribedindetails.Thesystemconsistsofstraingagesensors,amplifiers,filters,ADtranslators,IOportsandintegrateddigitalsignalprocessingsoftware.ThemostsignificantfeatureofthesystemisthatthepulsewaveshapecanbedisplayedonthevirtualpanelbysoftwarebasedonLABVIEW.【Keywords】bloodpulsesensordetectingsystem作者单位:北京工业大学机电学院(北京100022作者简介:程咏梅(1957—,女,副教授,从事实验力学分析研从脉搏波中提取人体的生理病理信息作为临床诊断和治疗的依据,历来都受到中外医学界的重视。几乎世界上所有的民族都用过“摸脉”作为诊断疾病的手段。脉搏波所呈现出的形态(波形、强度(波幅、速率(波速和节律(周期等方面的综合信息,在很大程度上反映出人体心血管系统中许多生理病理的血流特征。这些脉搏波的特征可通过人体的表动脉如颈动脉、肱动脉和桡动脉等处很容易检测出。其中,桡动脉由于靠近体表外周血管,信息尤为丰富,检测也最为方便。用手指在手腕的皮肤上即可感知脉搏的搏动,因而是获取脉搏波的最佳检测部位。通过对脉搏波所提取的血流信息进行分析,就有可能预测出心血管疾病发生的可能性,及时采取措施可有效地减少危险因素,使症状得到缓解和改善。近年来随着生物医学工程学科的发展和电子计算机的广泛应用,脉搏波的检测、记录和分析处理仪器已不断更新和完善。目前有以下几种检测方法:光电容积脉搏波法、液体耦合腔脉搏传感器、压阻式脉搏传感器以及应变式脉搏传感器。由于应变式脉搏传感器具有成本低、制作方便、精确度高等优点,因此选用此方法。本文介绍了自行研制的应变传感器脉搏测量装置,该系统的特点是能够显示出检测的脉搏波形,使之更利于观察和研究。1设计方案显示人体脉搏波形的检测系统如图1所示。1.1传感器结构设计传感器是基于应变电测的原理,设计一个悬臂梁式弹性元件,使弹性元件随着人体脉搏的跳动而发生微小形变。此时,粘贴在弹性元件上的电阻应变片将产生变形,其电阻值会相应变化。通过全桥。图1系统框图Fig1Logicalchartofthesystem图2所示结构为一等截面悬臂梁,一端固定,另一端紧贴皮肤感受脉搏的变化。应变片粘贴在两个不同的截面位置上,可减少由于力P作用点偏移而引起的误差。悬臂梁的材料为铝合金,弹性模量E=70GPa,长度l=31.50mm,厚度h=0.24mm,宽度b=5.63mm。图2传感器结构Fig2Structureofthesensor经过标定,得到脉搏所产生的压力P和弯曲应变εm的关系为:P=0.12εm,应变片选用金属箔式应变片,规格为1mm×1mm,120Ψ;灵敏系数K=2。1.2测量电桥及其平衡电路悬臂梁式传感器在测量脉搏时产生的是弯曲变形,采用等臂全桥测量弯曲应变,可以消除拉伸(压缩变形的影响,所以应变仪输出应变εi=4εm。为了保证电桥中电流不超过应变片的最大工作电流,因此选用供桥电压u0=3.3V。桥路中设置了预调平衡电路,保证电阻处于平衡状态时电桥无输出。1.3放大及滤波电路为了保证放大电路具有较高的输入阻抗和精度,低输入失调电压,低漂移,选用AD524精密仪用放大器。1.3.1第一级放大电路第一级放大电路的放大倍数为1000。原理图如图3所示。图4(a是脉搏信号经放大1000倍后所得的图3第一级放大电路原理图Fig3Thefirstamplifierstage1.67Hz。图4(b是实际人体脉搏波形,可以看出,采集到的脉搏波形与实际人体波形十分相似。但从图中可以观察到有高频的干扰,通过低通滤波器滤掉高频干扰。图4采集到的人体脉搏波形和实际人体脉搏波形对比Fig4Comparisonbetween(athecollectedwaveformand(btherealhumanbloodpusle1.3.2第二级放大电路为了去除传感器安装时的静压力以及高频干扰(尤其是50Hz的工频干扰,在第一级放大电路的输出端和第二级放大电路的输入端之间加了带通滤波器,其带通范围为0.16Hz～33.9Hz。消除了直流偏置以及一部分高频·521·第5期人体脉搏波信号检测系统噪声对电路的干扰。第二级放大电路如图5所示,电路的放大倍数在20～50之间可调。对比发现当放大倍数为30时,波形最为满意。两级放大后的脉搏波形如图6所示。图5第二级放大电路Fig5Thesecondamplifierstage图6两级放大及滤波后的脉搏波Fig6Pulsewaveaftertwostageamplifiedandfiltered2AD转换AD转换电路由采样保持器和AD转换器组成。采样保持器选用AD582,AD转换器选择AD574A。原理图如图7所示。AD574A采用双极性工作方式,选用8位工作模式,只用高8位数据线输出8位数字量,量化单位为0.0392。模拟输入电压范围-5～+5V。38051接口及串行通信3.1AD574A和8051的接口电路图8为AD574A和8位单片机8051的接口电路。P0口设置为数据方式,接收AD574输出的数字量。CS为低电平有效,用CE作启动转换信号。RC、A0、CE由P2口控制。STS和P1.0相连,工作方式采用查询法。3.2AD驱动及串行通信程序设计图7AD转换电路原理图Fig7ADcircuit图8AD574和8051的接口电路Fig8AD574AandCircuitof8051serial口,并且在AD转换结束时传送转换后的数据。中断服务子程序是用来驱动AD转换。由于AD图9程序流程图Fig9Flowchartofthecompulercode·522·北京生物医学工程第25卷转换采用8位工作方式,采样频率为500Hz,采用中断法控制采样频率。串口设置:8051的串行工作方式为方式1,波特率为9600。4LabVIEW虚拟仪器程序设计用LabVIEW编写的程序要能够实现和8051的串行通信,将接收到的数据处理后,显示出波形。图10是LABVIEW程序的前面板,用来显示脉搏波形及脉搏瞬时值,并且控制程序的运行和选择所用的串口。图中所示波形即为采集到的脉搏波形。图11是LABVIEW程序框图,它包括串行通信部分、数据处理部分和数据显示部分。图10人体脉搏测试虚拟仪器前面板Fig10Thedesignedpanelofthevirtualdevice5结论自制的应变片式传感器能够不失真的采集到脉搏信息,真实反映脉搏的波动状况。测量结果表明,经过放大和滤波之后,得到的脉搏波形与人体的实际脉搏波十分相似。用LABVIEW虚拟仪器编写的程序能够显示脉搏波的波形。图11程序框图Fig11Flowchart6前景(1LABVIEW软件还有很大的扩展空间,可继续丰富数据的处理,使之能够显示脉搏的频率。(2可以通过输出电压和血压的关系,计算出人体的舒张压和收缩压。(3用硬件(如液晶屏代替LABVIEW来显示脉搏波形和频率,更为经济,有利于产品化。参考文献[1]吴宗岱,陶宝祺主编.应变电测原理及技术.北京:国防工业出版社,1982[2]强锡富主编.传感器.北京:机械工业出版社,2001[3]吴秀清,周荷琴编著.微型计算机原理与接口技术.北京:中国科学技术大学出版社,2001[4]郑毛祥主编.单片机原理及应用.北京:电子科技大学出版社,2001[5]张国雄,金篆芷编著.测控电路.北京:机械工业出版社,2000[6]杨乐平,李海涛,肖相生,等编著.LabVIEW程序设计与应用.北京:电子工业出版社,2001(2005-10-25收稿,2005-12-10修回(上接第506页WorkbenchMutisim7软件得到了系统变量时变波形图;在微机控制仿真方面,得到了符合技术指标要求的仿真实现;在线圈磁场建模方面,得到了单线圈三维磁场分布情况以及多线圈的轴线磁场分布情况,为日后寻找线圈的最佳刺激位置和线圈的优化工作打下了良好的基础。参考文献[1]BarkerAT.Anintroductiontothebasicprincipleofmagneticnervestimulation.JClinNeurophysiol,1991,8:26[2]乔清理,王秀宏,等.磁刺激用平面线圈机构的优化研究.中国生物医学工程学报,2003,22(4:236-239[3]乔清理,王秀宏,等.磁刺激技术及其进展.生物物理学报,2001,17(2:217-223[4]BassetPJ,RothBJ.Stimulationofmyelinatednerveaxonbyelectromagneticinduction.MedBiOEng&Comput,1991,29:261[5]吴昌哲,于阳,等.经颅磁刺激系统地设计及其实现.中国医疗器械杂志,2005,29(1:17-18[6]刘洪广,周琳,等.中枢神经的无创性磁刺激技术及其应用.中国生物医学工程学报,2001,18(2:169-172[7]王洪,郑小林.经颅磁刺激器的设计及磁场分布的测量.医疗卫生装备,2004,8:3-5-0902-·523·第5期人体脉搏波信号检测系统信号与系统实验指导书27实验二锯齿波信号的分解引子：信号虽多样,分解见真容内容提要●掌握利用付氏级数谐波分析的方法；●学习和掌握不同频率的正弦波相位差是否为零的鉴别和测试方法。实验三锯齿波信号的分解28一、实验目的1、掌握利用付氏级数谐波分析的方法。2、学习和掌握不同频率的正弦波相位差是否为零的鉴别和测试方法。二、实验原理说明2．1电信号的分解原理任何电信号都是由各种不同频率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。对周期信号由它的傅里叶级数展开可知，各次谐波为基波频率的整数倍。而非周期信号包含了从零到无穷大的所有频率成分，每一频率成分的幅度均趋向无限小。如图3－1锯齿波信号的傅里叶级数展开式为3sin312sin21(sin2(+++-=tttAAtfωωωπ（3－1）其中Tπω2=为锯齿波信号的角频率。图3－1锯齿波由式（3－1）可知，锯齿波信号中分别含有奇次谐波和偶次谐波的正弦分量。将锯齿波信号通过一选频网络可以将锯齿波信号中所包含的各次谐波分量提取出来。本实验采用有源带通滤波器作为选频网络，共5路。各带通滤波器的BW＝2Hz，如图3－2所示。图3－2带通滤波器将被测信号加到选频网络上，从每一带通滤波器的输出端可以用示波器观察到相应频率的谐波分量。本实验采用的被测信号为100Hz的锯齿波，通过各滤波器后，可观察到1、2、3次谐波，如图3-3。而2、4次谐波在理想情况下应该无输出信号，但实际上方波可能有少量失真以及受滤波器本身滤波特性的限制而使偶次谐波分量未能达到理想的情况。信号与系统实验指导书图3－3锯齿波的1、2、3次谐波2．2实验电路图2．2．1电路框图实验三锯齿波信号的分解30三、实验内容与步骤实验布局图见图3-7所示1、S401接于“2”，S402接于“2-3”，S403接于“SQU”。SG401、SG402、SG403相连，示波器接于TP401。2、调整w402占空比，使其为90%。3、S403接于“TRI”，调节w403频率为100Hz，幅度为0.5V有效值。4、连接SG401与SG3。5、示波器分别接于TP3f1、TP3f2、TP3f3、TP3f4、TP3f5，再对应分别调整“信号分解”电位器，使其输出最大。6、测量滤波器的幅频特性。表3—1也可用同样方法依次测出2fo、3fo„5fo各次谐波的频率特性，测量出个滤波器△f、Q值。其中：Q=fo△f7、验证各高次谐波与基波之间的相位差是否为零。示波器工作方式为“X-Y”，用李沙育图形法进行测量。示波器的CH1接TP3f1，示波器的CH2分别接于TP3f2、TP3f3、TP3f4、TP3f5，调整各“信号分解”电位器，并与图3-6相比较。当各高次谐波与基波波形如图3—6所示相同时，则各次谐波与基波相位差为零，否则不为零。图3—6各高次谐波与基波相位比较四实验报告要求1实验目的，要求。2整理数据，并画出各次谐波分量的幅频响应图。3测量各次谐波滤波器的△f，并计算各Q值。四次谐波与基波二次谐波与基波三次谐波与基波五次谐波与基波信号与系统实验指导书314用李沙育图形分析不同频率的正弦波相位差是否为零的鉴别方法。五实验设备1双踪示波器1台2信号系统实验箱1台注：实测参考波形：注-1锯齿波激励注-2锯齿波基波注-3锯齿波二次谐波注-4锯齿波三次谐波TP301TP3f1TP3f2TP3f3实验三锯齿波信号的分解TP3f4锯齿波四次谐注-5锯齿波四次谐波TP3f5锯齿波五次谐注-6锯齿波五次谐波二次谐波与基波四次谐波与基波三次谐波与基五次谐波与基波注-7各高次谐波与基波相位比较32信号与系统实验指导书图3-7实验布局图33姓名：姓名：_________________________()班別：__________ 日期：_______________相關課題：光波及電磁波譜（第11課）利用太赫茲波透視人體到現時為止，在可穿透物件的電磁波中，X射線（X光）是最常用的。例如，醫生會利用X射線檢查病人的內臟及骨骼。病人需緊貼底片，然後X射線會由儀器、經病人身體到達底片。底片曝光後，醫生就能由底片上的影像診斷病症。利用相似的原理，機場的海關人員會利用X射線檢查旅客的行李。其實，除了X射線，太赫茲電磁波（即頻率為1012Hz的電磁波）同樣能穿透物件。最近，歐洲的科學家利用這電磁波，發明一部可穿透衣服、身體甚至牆壁的攝影機。該攝影機的原理是將由物件發出的太赫茲波轉化為影像。測試這部攝影機時，科學家嘗試拍攝一隻放在厚厚書本後面的手，結果拍得的影像輪廓分明。這科技相信有助於醫療、保安等方面的發展，而歐洲太空總署將運用這科技於人造衛星上，使衛星在烏雲密佈的天氣下同樣可以進行監察。（2002年10月7日新聞報導）1 文章中的太赫茲波跟X射線是否屬於同一類型的波？若屬同一類的話，它們有甚麼分別？ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________2 照X光片的原理是甚麼？檢查時，為甚麼在底片上會看到部分肌肉和骨骼？可參考網頁中的「Howdoestheprocedurework?」。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________3 若利用太赫茲波攝影機代替X光掃描進行身體檢查會有甚麼好處？可參考網頁。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________4 現在這科技屬起步階段，這部攝影機的造價相當昂貴。但當技術成熟時，這類產品的價格將變得大眾化，跟數碼相機的發展相似。試想想若這攝影機變成大眾化後，會帶給社會哪些好處和壞處。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

1 太赫茲波和X射線都是電磁波。 太赫茲波的頻率比X射線高，因此太赫茲波的能量亦較高。2 當X光照射在人體時，部分X光會被人體吸收，而部分會穿透人體。因此，進行身體檢查時，未被吸收的X光會落在底片上，令底片變黑，底片上顏色較淺的地方就是肌肉和骨骼。3 由於X射線會電離人體細胞，損害人體的DNA，導致癌症，所以X光掃描其實會對病人構成某程度的危險。由於太赫茲波攝影機是收集由人體放射出來的太赫茲波，而非放射太赫茲波到人體身上，所以將不會損害人體細胞，保障病人安全。4 當這科技變得成熟時，醫生可以利用太赫茲波攝影機代替X光掃描機為病人檢查身體，減低病人所受的傷害。同時，警務人員也可以輕易地利用這攝影機，檢查可疑人物是否攜帶危險物品。 不過，不法分子同時可以利這攝影機進行偷竊或搶劫，而某些人亦會利用這工具侵犯他人的私隱。太赫兹波科学与技术ScienceandTechnologyofTerahertzWave周泽魁张同军张光新(浙江大学信息科学与工程学院自动化仪表研究所,杭州310027摘要:太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的电磁辐射区域,它在成像、医学诊断、安全检查、信息通信、空间天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、应用领域,阐述了太赫兹波的产生、太赫兹波探测的机理和方法,并简单讨论了太赫兹技术的发展前景:被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一的太赫兹波科学技术,将会在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用。关键词:太赫兹波太赫兹波的产生太赫兹波的探测成像中图分类号:O434.3文献标识码:AAbstract:Terahertzwaveisanelectromagneticradiationareawithsignificantscientificvalue,buthasnotbeenfullydeveloped.Itsapplica2tionspossesswideprospectsinimaging,medicaldiagnosis,securityinspection,informationcommunication,astronomyandmilitaryresearch,etc.Theuniquecharacteristicsandtheapplicableareasofterahertzwavearegenerallyintroduced,andthemechanismandmethodologyofgen2erationanddetectionofterahertzwavearereviewed.Thedevelopingtrendofterahertztechnologyisbrieflydiscussed.Itissaidthatterahertzwaveisoneoftentechnologiesinfluencinghumanfuturein21century,anditwillmaturegraduallyandbeappliedwidelyincomingdecades.Keywords:TerahertzwaveGenerationofterahertzwaveDetectionofterahertzwaveImaging0引言太赫兹波(又称THz波、T射线通常是指频率在0.1~10THz(1THz=1012Hz范围内的电磁辐射,在电磁波谱上位于微波和红外线之间,如图1所示[5〗。THz频段是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的最后一个电磁辐射区域。许多年来,由于缺乏切实可行的THz波产生方法和检测手段,人们对THz波段的特性知之甚少,以致于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”。图1电磁波谱Fig.1Electromagneticspectrum太赫兹波段位于电子学与光子学的交界处,用传统的电子学和光学方法均难以产生和检测太赫兹波。20世纪90年代以后,激光技术、量子阱技术和化合物半导体等技术的发展,为太赫兹辐射提供了稳定、可靠的激发光源。由超快激光技术发展出来的太赫兹时域光谱技术(THz-TDS为太赫兹波的研究提供了有效的手段,因此20世纪末对于太赫兹波段的研究取得了很大的进展。尽管目前太赫兹波科学技术还远未成熟,但是其重要的理论研究价值和广泛的应用前景已经引起了学术界的普遍关注和极大兴趣,对于该波段的研究已成为21世纪科学研究最前沿的领域之一。1太赫兹波的独特性质太赫兹波的频率范围处于电子学与光子学的交叉区域。在长波方向,它与毫米波有重叠;在短波方向,它与红外线有重叠。在频域上,太赫兹处于宏观经典理论向微观量子理论的过渡区。由于其所处的特殊位置,太赫兹波表现出一系列不同于其他电磁辐射的特殊性质:①THz脉冲的典型脉宽在亚皮秒量级,不但可以方便地对各种材料(包括液体、半导体、超导体、生物样品等进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究,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,得到具有很高信噪比(大于太赫兹电磁波时域谱,并且具有对黑体辐射或者热背景不敏感的优点;②THz脉冲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GHz至几十THz的范围,便于在大范围里分析物质的光谱性质;③THz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,THz波的时域光谱技术(THz-TDS直接测量THz波的时域电场,通过傅立叶变换给出THz波的振幅和相位。因此,无需使用Kramers-Kronig色散关系,就可以提供介电常数的实部和虚部。这使测得的与THz波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确;④THz波的光子能量较低,1THz频率处的光子能量大约只有4mV,比X射线的光子能量弱107~108倍。因此THz波不会对生物组织产生导致电离和破坏的有害光,特别适合于对生物组织进行活体检查[7~8〗。THz光子能量约为可见光,用THz做信息载体比用可见光和近中红外光能量效率高得多;⑤THz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方向性。THz波也可以被特定的准光学器件反射、聚焦和准直,可以在特定的波导中传输。THz波对于很多非极性物质具有较强的穿透能力,可以穿透很多对于可见光和红外线不透明的物质如塑料、陶瓷、有机织物、木材、纸张等,因而可用来对已经包装的物品进行质检或者用于安全检查[11〗;⑥凝聚态体系的声子吸收很多位于THz波段,自由电子对THz波也有很强的吸收和散射,太赫兹时域光谱技术是一个研究凝聚态材料中物理过程的很好的工具[6〗。特别是许多有机分子在THz波段呈现出强烈的吸收和色散特性,不同分子对于THz波的吸收和色散特性是与分子的振动和转动能级有关的偶极跃迁相联系的,而分子的偶极跃迁犹如人的指纹,是千差万别的,因此可以通过光谱分析实现分子的识别,就如同识别人的指纹一样。THz光谱通过介电函数的实部和虚部来描述分子的转动和振动[9~10〗。大多数极性分子如水分子、氨分子等对THz辐射有强烈的吸收,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[1]。2太赫兹波的应用技术THz波频率很高(波长比微波小1000倍以上,因而其空间分辨率很高;THz脉冲很短(飞秒级,因而THz辐射又具有很高的时间分辨率。THz时域光谱技术和THz成像技术就构成了THz应用的两个主要关键技术。2.1THz时域光谱技术太赫兹时域光谱(THz-TDS技术是20世纪80年代由AT&T、Bell实验室和IBM的T.J.Watson研究中心发展起来的,是最新的太赫兹技术[1]。THz-TDS技术具有很多优点,如大带宽、高信噪比、可在室温下工作等,这些优点促成了THz-TDS技术越来越多的应用。目前THz-TDS技术主要应用在研究材料在THz波段的性质及物理现象,此外也用于THz成像系统。THz-TDS技术利用THz脉冲透射样本或者从样本上反射,测量由此产生的THz时域电场,通过傅立叶变换获得频域上幅度和相位的变化量,进而得到样本的信息[2〗。典型的THz时域透射光谱系统如图2所示。图2THz时域光谱系统Fig.2THz-TDSsystem太赫兹时域光谱技术作为最新的太赫兹技术,近十年来已经得到了相当的发展和应用。但是目前THz-TDS技术的光谱分辨率与窄波段技术相比还很粗糙,其可以测量的频谱范围也比傅立叶变换光谱(FTS技术小。提高光谱分辨率和扩大测量频谱范围将是未来THz-TDS技术发展的主要方向。2.2THz成像技术[19〗THz波广泛应用于无损检测领域,因此各种THz波成像技术成为THz波应用技术中最主要的研究方向[3~4〗。THz波成像技术有很多种,不同的THz波成像技术有着不同的应用,但目前这些成像技术大多尚在研究中,主要有:①用光电导偶极子的T射线常规成像技术;②用CCD摄像机的电光T射线成像技术;③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;④利用基尔霍夫移动的T射线反射成像技术;⑤动态孔径和暗场T射线成像技术;⑥T射线计算机层析成像技术,简称T射线CT;⑦T射线衍射层析成像技术,简称T射线DT;⑧T射线显微镜成像技术,利用近场技术等手段,分辨率可以达到微米;⑨50~200m的T射线成像技术。3太赫兹波的应用领域THz时域光谱技术和THz成像技术在很多基础研究领域、生物医学领域、公共安全领域、信息通信领域甚至军事领域中都有着广阔的应用前景。3.1医学领域由于THz波具有类似X射线的穿透能力,而且其光子能量较低,没有X射线对活体组织的破坏作用,因此THz波成像技术已经成为医学检查的一个有效工具。癌变组织和正常组织的THz波具有不同的振幅、波形和时间延迟,对人体组织器官进行THz成像,可以从中得到肿瘤的大小和形状,可做出肿瘤的早期诊断。目前英国剑桥大学、日本东芝欧洲研究院等机构已经实现了对皮肤癌、乳腺癌和牙齿等的THz波成像,获得的图像成为外科诊断和治疗的重要依据。3.2安全检查领域由于物质的THz光谱具有指纹特性,因而可以运用THz时域光谱技术检测包裹或信件中的毒品、爆炸物以及生物化学危险品等[12〗。并且可实现非接触、非破坏性的探测。美国911事件后,在信封中夹带生物病毒的恐怖活动曾引起了极大的恐慌和混乱,而THz波探测技术为防止此类恐怖活动提供了一个有力的工具。同样的方法还可用于多种生物大分子以及基因的分析与鉴别。THz波可以穿透衣物、纸盒、塑料等电介质,而液态水、金属等对于THz波具有强烈的吸收,因此THz波成像可以作为X射线成像、金属探测器的互补技术运用于机场、海关等处的安全检查。目前英国剑桥大学已经获得了人体的THz波透视图象。3.3通信领域THz波在通信方面的应用(如卫星间通信、短程大气通信、短程地面无线局域网通信等一直受到各方面的高度重视。THz波是很好的宽带信息载体,它比微波的带宽和讯道数多得多,特别适合用作卫星间、星地间及局域网的宽带无线通信。THz波用于通信可以获得10Gbps的无线传输速度,这比当前的超宽带技术还要快几百到一千倍。与可见光和红外线相比,THz波同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力,因而THz通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于金属和水对于THz波有强烈的吸收,THz波无线通信技术非常适合用于军事保密通信。3.4天文学领域THz是射电天文学极其重要的频段,美国国家航空航天局(NASA对于宇宙背景辐射的研究结果表明,在可观测的星系辐射中,亚毫米波和太赫兹波占相当大的比例,这些辐射大多来自低温的宇宙尘埃,较老的星系(如银河系等就充满了这样的宇宙尘埃,因此观测和分析这些太赫兹波段的辐射就成为天文学家研究宇宙的一个重要手段。美国国家射电天文观测局和几个国际合作组织计划建立一个1500GHz的地面射电望远镜用于天文观测。小型太赫兹波空间探测器则可用于小行星和彗星探测,欧洲航天局计划发射的卫星Rosetta将携带一个562GHz的太赫兹波探测器,用来观测Wirtanen彗星头部和尾部的水蒸汽和碳化物。由于太赫兹波的波长较短,使得无论是地面的还是空间的太赫兹波探测器的尺寸比传统的射电探测器小,但却不影响其观测质量和分辨能力。美国NASA的Aura卫星上载有一个2.4THz的激光器,用以测量同温层内OH-的浓度和分布等。3.5其他领域THz技术还可应用于国防军事领域,如THz雷达分辨率很高,可成为未来高精度雷达的发展方向,可以完成远程监视、武器探测以及在战场上显示前方灰尘或烟雾中的坦克等任务。大气层中的水、氧气、氮化物、氯化物等同样辐射THz波,通过卫星携带的THz波探测器,可以对大气中这些气体的含量及分布等进行监测,从而为近年来引起广泛关注的全球气候变暖、臭氧层消失等世界性的环境问题,提供大量第一手的数据和资料。THz波在物理学、等离子熔融诊断学、电子束诊断学及THz波显微成像学等研究领域也有着广泛应用前景。4太赫兹波的产生THz波的产生是THz科学技术的关键。缺乏大功率、低成本、便携式的室温发射源是当前THz技术发展的最主要的障碍。常见的用于产生THz的方法主要有宽带脉冲技术和窄带连续波技术。4.1宽频带太赫兹发射源大多数宽带THz发射源都是基于不同材料的超短激光脉冲受激发射原理。如光电导偶极天线技术、光学整流效应、半导体表面技术、等离子体振荡、非线性传输线等。①20世纪90年代初,D.H.Auston、D.Grisch2kowsky等人用光电导偶极天线技术产生了THz电磁辐射脉冲。这种方法是现阶段产生和探测THz波的最常用方法[13~14〗。其基本原理是:在光电导半导体材料表面淀积金属制成偶极天线电极,用光子能量大于半导体禁带宽度的超短脉冲激光泵浦半导体材料(如低温生长的GaAs等,使半导体材料产生电子-空穴对。被激发的自由载流子在该外加偏置电压的作用下辐射出具有皮秒脉宽的THz电磁辐射脉冲,并通过天线向空间传播;②光学整流产生THz电脉冲的方法由张希成等人最先提出。光整流效应是一种非线性效应,是利用超短激光脉冲(脉宽在亚皮秒量级和非线性介质(如ZnTe[18〗电光晶体等相互作用而产生低频电极化场,此电极化场辐射出THz电磁波。激光脉冲的特征和非线性介质的性质决定了THz波的振幅强度和频率分布;③从裸露的半导体表面产生THz波是基于很多半导体的表面状态被完全占用,于是靠近半导体表面与空气交界处的费米能级被牵制,导带和价带发生弯曲,从而产生一个耗尽区和一个表面强电场Eb。这个电场与交界面垂直,代表值为105V/cm。当一个光子能量大于半导体带隙的超短入射光脉冲照射半导体表面时,入射的光载流子在半导体表面耗尽并被表面电场加速,从而产生超短瞬态电流,进而辐射出THz频率的电磁波[15〗。如图3所示,产生的THz波频率可通过改变激发脉冲的入射角进行调整。很多半导体如InP、GaAs、GaSb、InSb、CdTe、CdSe、Ge等都已用这种方法产生THz辐射[16~17〗。图3半导体表面THz产生原理图Fig.3PrincipleofTHzgenerationonsurfaceofsemiconductor4.2窄频带太赫兹发射源窄带THz发射源在高分辨率光谱、卫星间通信等领域有很大的应用潜力。因此,在过去的几十年里,窄带THz发射源的研究吸引了许多科学家的兴趣。目前的研究主要集中在两个方向:一个是电子学的方向[30〗,就是将电子学的方法向高频延伸,这类方法的特点是效率较高,可以产生大功率甚至是超大功率的THz波,但频率较低(1THz以下;另一个是光学方向,即将光学特别是激光技术向低频延伸,这类方法的特点是可以产生方向性和相干性很好的THz波,但是输出功率较小,适合产生1THz以上频率的太赫兹波。目前这两个发展方向也有相互融合的趋势。还有其他一些产生THz波的技术正处于发展中,包括非线性光学混频技术、光学参量转换技术、自由电子激光技术、量子级联激光技术等。①非线性光学混频技术:两束连续波激光在一块光电导材料中进行混频,可以产生频率等于两束激光频率差值的光电流[20~22〗。当频率差位于THz波段时,光电流可沿着发射线传播或通过天线向自由空间辐射。有两种光混频器:分离元件光混频器和分布式光混频器。分离元件光混频器使用MEMS(微机电系统技术制作具有微小光电导缝隙的电极,在电极之间施加很大的偏置电场,光电导体放置在天线或天线阵列的策动点上,被两束激光所照射。分离元件光混频器工作方式类似极大带宽的电流源,在THz波段驱动天线产生辐射。分布式光混频器基于相似的原理,但由激光所产生的光场将沿着混频器的结构传播,并不像分离元件混频器那样位于一个单独的点上;②光学参量转换:通过非线性光学晶体中受激极化散射引起的参量光散射可以获得连续可调的THz波[23~24〗。光学非线性晶体如LiNbO3或掺MgO的LiNbO3在被近红外范围的纳秒脉冲强激光照射时会产生受激极化散射。这种激光脉冲频率为几十个MHz,能量范围为20~50mJ/脉冲;③自由电子激光器FEL(freeelectronlaser:自由电子激光器是一种传统的THz辐射源,其基本原理是:由粒子加速器提供的高速电子流(流速接近光速通过偏转磁铁导入一个扭摆磁场,电子在洛伦兹力作用下加速运动,通过自发辐射,产生THz电磁波。自由电子激光器的频率随入射电子能量的增大而增大,因而是连续可调的,其频谱可以从远红外跨越到X射线。同时自由电子激光器还具有频谱范围广、峰值功率和平均功率大、相干性好等优点。但是它体积庞大,使用不方便,一般只用于科学研究。这是目前可以获得THz最高输出功率的方法[25〗;④量子级联激光器:1994年美国贝尔实验室发明的量子级联激光器(QCL将固体半导体激光器技术延伸到THz波段[26〗。THz量子级联激光器的研制成功是半导体固态THz辐射源发展史上的一个里程碑。常规半导体激光器是通过半导体材料导带中的电子和价带中空穴的复合来实现激射,其激射波长完全由半导体材料的能隙决定。量子级联激光器从根本上改变了这一激射机制,它是只有电子参与的单极型激光器。电子从较高的能量状态跃迁到较低的能量状态,发射出光子,以激光的形式辐射出来。其激射波长取决于由量子限制效应决定的量子阱两个激发态之间的能量差,而与半导体材料的能隙无关。THz量子级联激光器体积小、能耗低、便于集成,需要解决的关键问题是提高这些量子级联激光器的工作温度;⑤电子学振荡器频率转换(倍频:它也是一种常用的产生低功率(<100μW连续波THz辐射源的方法。频率上转换可以通过一系列的平面GaAs肖特基二极管倍增器来实现。第一台工作在1THz以上的平面肖特基倍增器通过使用薄膜技术实现。在室温下这台设备能产生80μw的1.2THz辐射,在120K时为200μW,50K时为250μW。使用同样的技术还制成了三倍增器,在2.7THz时输出功率为1μW。THz倍增器因其紧凑的结构和高集成度,是一种非常有发展潜力的小型化、高效率THz源。此外,使用纳米器件产生和探测THz辐射也展现出了极为诱人的前景[26〗。5太赫兹波探测器现阶段THz辐射源大多具有低发射功率与相对较高热背景耦合的特性,因而需要高灵敏度的探测手段。在宽波段THz探测中,最常用的方法是基于热吸收的直接探测,需要冷却以降低热背景。常用的装置是液氦冷却的热辐射测量仪(bolometer,以及利用超导技术研制成功的非常灵敏的超导(SIS混频技术,它是一种低噪声检测技术,也是目前THz射电天文和大气物理研究的核心技术。SIS探测器以光子辅助隧穿机制为理论基础,探测频率为0.1~1.2THz;另一种高灵敏度探测器是近年来利用声子和电子散射冷却机制发展起来的热电子辐射热计(HEB,其响应频率很快,在1THz辐射的探测上较SIS技术有更好的性能,目前其可探测的最高频率约为5THz。上述装置使用方便,但只能测出辐射的强度,仅能做非相干测量,不能提供相位信息,并且灵敏度受到背景辐射的限制。测量太赫兹时域光谱系统中的THz脉冲,需要使用相干探测器。目前最常用的方法是光电导采样和自由空间电光采样,这两种方法直接记录THz辐射电场的振幅时间波形,由傅立叶变换得到其振幅和相位的光谱分布。光电导天线是最早用于探测THz脉冲的相干探测工具[27〗。光电导采样[28〗基于光电导发射机理的逆过程,其基本原理是使用半导体光电导天线作为太赫兹接收元件,利用探测光在半导体上产生的光电流与太赫兹驱动电场成正比的特性,可测量太赫兹瞬间电场。用这种方法已探测到高达60THz的宽波段太赫兹辐射。但是这种探测技术存在一种内在的Hertzian偶极子共振特性,所探测的THz电磁信号波形与所用的光导天线的共振响应函数有关,以致于得不到准