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太赫茲相機在安檢方面的應用前景

發布日期:2019-10-25

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太赫茲相機在安檢方面的應用前景

1 國內外THz相機產品的現狀介紹

1.1 國內外太赫茲相機的發展現狀

太赫茲波指頻率在0.1THz-10.0THz30um-3mm)范圍的電磁波。它具有很多優異的性質,被美國評為改變未來世界的十大技術之一。目前,THz技術的研究主要圍繞三大部分內容展開,THz產生源、THz探測和應用研究。

國外太赫茲技術研究成果已經商業化,有二十多個公司研究并生產太赫茲技術及相關產品,太赫茲各類元件、太赫茲探測器、太赫茲源、太赫茲時域光譜儀、太赫茲相機以及太赫茲人體安檢儀等等。太赫茲探測器作為太赫茲波的接收單元在太赫茲應用及系統中發揮著非常重要的作用,而太赫茲探測器陣列及太赫茲相機更是國外研究機構及生產廠家的關注熱點。

國際上生產并銷售太赫茲相機的廠家主要集中在歐美國家,例如我公司代理的俄羅斯Terasense,以及加拿大INO、美國Traycer、日本NEC等公司,目前太赫茲相機已經可以做到:像素384*288,最佳頻譜為3THz,像素間距為35um,視頻輸出為GigE Link接口,溫度為-1050(這是20144月的水平)。

1.2 國內現狀

中國太赫茲技術及研究起步稍晚,目前處于實驗室研發階段,也有應用型的產品問世。國內太赫茲技術主要側重于THz產生源和THz探測這兩個方面的研究。國內蘇州納米所2012年底研制的太赫茲探測器探測頻率達到800-1100 GHz,電流響應度大于70 mA/W,電壓響應度大于3.6 kV/W,等效噪聲功率小于40 pW/Hz0.5,綜合指標達到國際上商業化的肖特基二極管檢測器指標。中國科學院微電子研究所微波器件與集成電路研究室(四室)太赫茲器件研究組研制出截止頻率達到3.37THz的太赫茲肖特基二極管和應用于太赫茲頻段的石英電路。該器件作為太赫茲倍頻器核心元件,經中電集團41所驗證,性能與國際同類產品相當。但是國內還沒有太赫茲探測器陣列及太赫茲相機產品的商業化產品,這也是國內太赫茲技術需要攻克的技術難題之一。

2 產品介紹

2.1工作原理

太赫茲成像所依據的基本原理是:透過成像樣品的太赫茲電磁波的強度和相位包含了樣品復介電函數的空間分布。將透射太赫茲電磁波的強度和相位的二維信息記錄下來,并經過適當的處理和分析,就能得到樣品的THz圖像。

我公司代理的Tera系列THz相機由許多小的THz探測器組成,探測器像元尺寸為1.5 x1.5mm,能夠捕獲100-700GHz的太赫茲輻射,且為被動操作模式。因此在使用太赫茲相機時需要一個太赫茲輻射源激發目標的太赫茲輻射,從而產生圖像。該輻射源為太赫茲發生器。

Tera系列太赫茲相機的核心探測器是的新型半導體探測器技術等離子探測器(廠家已申請專利?;ぃ?,該探測器有非常高的靈敏度,價格與其他技術原理的探測器相比非常低,同時能夠批量化生產,可根據客戶的頻譜范圍進行定制,是做太赫茲相機非常理想的面陣探測器。

下圖為我公司代理的太赫茲相機產品圖片及成像圖片:

 

太赫茲相機          用太赫茲相機對包裝盒成像

            

CD盤的太赫茲成像圖  剪刀的太赫茲成像圖   槍械太赫茲成像圖

 

2.2實現功能

通過太赫茲相機對人體進行成像,并能夠穿透如塑料、紙片、紡織品以及皮革等外包裝材料,看到隱藏在包裹、行李、紙箱、衣物中的管制刀具、非法槍械等危險品等。更重要的是,太赫茲相機能有效識別諸如塑膠炸藥、陶瓷刀、ABS手槍(3D打印工程塑料手槍)等非金屬危險物品,這些在現有的X射線檢查儀、金屬探測門和手持金屬探測器上是很難檢測的。

2.3技術參數

Tera系列太赫茲相機產品技術參數如下:

型號

Tera-256

Tera-1024

Tera-4096

像素

25616×16

102432×32

409664×64

像元大小

1.5×1.5mm2

1.5×1.5mm2

1.5×1.5mm2

響應率

50kV/W

50kV/W

50kV/W

NEP

1nW/Hz0.5

1nW/Hz0.5

1nW/Hz0.5

外形尺寸

10×10×5.5cm

10×10×5.5cm

20×20×10cm

產品圖片

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2.4使用條件

室溫操作,相機通過USB接口直接連接在電腦上,不需要額外的直流電源。

3 產品優勢

3.1太赫茲技術應用于人體安檢儀的優勢

?   X光機相比,THz波能量低,太赫茲安檢儀掃描1秒鐘的輻射與手機1秒鐘的輻射相等,因此對人體更安全。

?   太赫茲波對塑料、紙片、紡織品以及皮革等材料具有極佳的穿透力,可以迅速發現藏在衣服和箱包中的違禁物品。

?   太赫茲波不僅能夠穿透衣物和包裝發現危險品,還可以判斷出物品的種類是傳統武器、化學武器還是爆炸物;隨著技術的改進,太赫茲波已經可以在30米左右的距離識別爆炸物,擴大了安檢的防范范圍。

?   太赫茲人體安檢儀避免了金屬檢測儀需要手檢的缺陷,極大地?;じ鋈艘?。

3.2 我公司太赫茲相機優勢

?  世界上第一臺高速亞太赫茲成像相機,頻譜范圍為0.05-0.7THz,響應率50kV/W。

?  成像速度快。帶放大電路的64*64幀相機的成像時間僅為100ms。

?  系列化,可根據實際需要選擇像素:25616*16)、106432*32)、409664*64

?  尺寸小且成本低,是一款經濟型太赫茲相機。

4 可行性分析

物理學的研究成果表明,自然界的任何物體,只要其表面溫度高于絕對零度(273),它就是一個能量輻射體,包括太赫茲波能量。物體所輻射出的太赫茲波射線能量大小取決于其物理性能和溫度高低。人體輻射的太赫茲波能量比之金屬、陶瓷、塑料炸藥、粉狀炸藥及衣物、絕緣材料等都多,而太赫茲波可以穿透任何絕緣材料,如所有衣物布料及大多數建筑材料。所以,在太赫茲波攝像機面前,如下圖所示人身上的衣物不見了。身上藏匿有手槍、炸彈、毒品等違禁物品,就會一覽無余。因此,太赫茲波攝像機是最有效的人體安全檢查監視手段。

太赫茲成像檢測出隱藏在報紙中的刀具

作為機場用人體安檢設備,以我公司代理的太赫茲相機為核心部件的太赫茲成像系統包含如下幾部分:太赫茲相機、太赫茲源(推薦使用我公司代理的IMPATT Diode)、電腦(筆記本電腦),不再需要其他設備或者儀器。為了達到人體全身成像,需要使用3個太赫茲相機和4個太赫茲源,見下圖:

如圖所示,太赫茲源照射在人體上,太赫茲相機實時獲取人體的太赫茲波,配套軟件完成所有的成像任務,捕獲相機的讀出,并將其轉換成標準的圖像顯示在計算機上,成像結果如下圖所示:

書本中夾帶的小刀成像

在該成像系統中,太赫茲相機和太赫茲源須安裝在同一軸上,與被測物的距離均為1米。

此外,THz輻射成像與X射線成像相比,THz射線是一種不電離的射線,它的光子能量很低,只有毫電子伏特,因此不容易破壞被檢測物質。如果用太赫茲檢測物質,就可以發現內部瑕疵而又不損害該物質。特別適合于對生物組織進行活體檢查,則能將X照射對人體的傷害降低100萬倍,這樣降低了在安檢過程中對于人體的傷害。

太赫茲相機在人體安檢設備中的功能是接收人體反射及透射的太赫茲波,從而形成圖像顯示在電腦顯示屏上,因此太赫茲相機作為安檢設備中成像的核心器件是必不可少的。我公司代理的太赫茲相機具有價格低、尺寸小、響應率高的特點,因此是您研發、生產安檢設備的最佳選擇。

5 應用案例

美國Digital Barrier公司基于太赫茲掃描技術研發并生產ThruVision系列人體安檢儀,TS4是室內型人體安檢儀,TS5為室外用人體安檢儀。TS4的傳感器是0.25 THz被動成像探測器陣列,附帶帶寬為+/-20GHz的彩色CCTV相機或近紅外CCTV相機。之所以選擇0.25THz的原因有兩個,一個是紡織品在這個頻率是透明的,另一個原因是人體和其他物品在這個頻率的反射對比很明顯,例如人體皮膚的反射率是25%,金屬是100%,因此通過0.25THz成像可以清晰地顯示人體是否攜帶或隱藏危險品或爆炸物等。

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組圖1TS4及成像圖片

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組圖2TS5及成像圖片