太赫兹相机在安检方面的应用前景

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太赫兹相机在安检方面的应用前景

1 国内外THz相机产品的现状介绍

1.1 国内外太赫兹相机的发展现状

太赫兹波指频率在0.1THz-10.0THz（30um-3mm）范围的电磁波。它具有很多优异的性质，被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一。目前，THz技术的研究主要围绕三大部分内容展开，THz产生源、THz探测和应用研究。

国外太赫兹技术研究成果已经商业化，有二十多个公司研究并生产太赫兹技术及相关产品，太赫兹各类元件、太赫兹探测器、太赫兹源、太赫兹时域光谱仪、太赫兹相机以及太赫兹人体安检仪等等。太赫兹探测器作为太赫兹波的接收单元在太赫兹应用及系统中发挥着非常重要的作用，而太赫兹探测器阵列及太赫兹相机更是国外研究机构及生产厂家的关注热点。

国际上生产并销售太赫兹相机的厂家主要集中在欧美国家，例如我公司代理的俄罗斯Terasense，以及加拿大INO、美国Traycer、日本NEC等公司，目前太赫兹相机已经可以做到：像素384*288，最佳频谱为3THz，像素间距为35um，视频输出为GigE Link接口，温度为-10到50℃（这是2014年4月的水平）。

1.2 国内现状

中国太赫兹技术及研究起步稍晚，目前处于实验室研发阶段，也有应用型的产品问世。国内太赫兹技术主要侧重于THz产生源和THz探测这两个方面的研究。国内苏州纳米所2012年底研制的太赫兹探测器探测频率达到800-1100 GHz，电流响应度大于70 mA/W，电压响应度大于3.6 kV/W，等效噪声功率小于40 pW/Hz^0.5，综合指标达到国际上商业化的肖特基二极管检测器指标。中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室（四室）太赫兹器件研究组研制出截止频率达到3.37THz的太赫兹肖特基二极管和应用于太赫兹频段的石英电路。该器件作为太赫兹倍频器核心元件，经中电集团41所验证，性能与国际同类产品相当。但是国内还没有太赫兹探测器阵列及太赫兹相机产品的商业化产品，这也是国内太赫兹技术需要攻克的技术难题之一。

2 产品介绍

2.1工作原理

太赫兹成像所依据的基本原理是：透过成像样品的太赫兹电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布。将透射太赫兹电磁波的强度和相位的二维信息记录下来,并经过适当的处理和分析，就能得到样品的THz图像。

我公司代理的Tera系列THz相机由许多小的THz探测器组成，探测器像元尺寸为1.5 x1.5mm，能够捕获100-700GHz的太赫兹辐射，且为被动操作模式。因此在使用太赫兹相机时需要一个太赫兹辐射源激发目标的太赫兹辐射，从而产生图像。该辐射源为太赫兹发生器。

Tera系列太赫兹相机的核心探测器是的新型半导体探测器技术—等离子探测器（厂家已申请专利保护），该探测器有非常高的灵敏度，价格与其他技术原理的探测器相比非常低，同时能够批量化生产，可根据客户的频谱范围进行定制，是做太赫兹相机非常理想的面阵探测器。

下图为我公司代理的太赫兹相机产品图片及成像图片：

 

太赫兹相机          用太赫兹相机对包装盒成像

            

CD盘的太赫兹成像图  剪刀的太赫兹成像图   枪械太赫兹成像图

 

2.2实现功能

通过太赫兹相机对人体进行成像，并能够穿透如塑料、纸片、纺织品以及皮革等外包装材料，“看到”隐藏在包裹、行李、纸箱、衣物中的管制刀具、非法枪械等危险品等。更重要的是，太赫兹相机能有效识别诸如塑胶炸药、陶瓷刀、ABS手枪（3D打印工程塑料手枪）等非金属危险物品，这些在现有的X射线检查仪、金属探测门和手持金属探测器上是很难检测的。

2.3技术参数

Tera系列太赫兹相机产品技术参数如下：

 

2.4使用条件

室温操作，相机通过USB接口直接连接在电脑上，不需要额外的直流电源。

3 产品优势

3.1太赫兹技术应用于人体安检仪的优势

Ø   与X光机相比，THz波能量低，太赫兹安检仪扫描1秒钟的辐射与手机1秒钟的辐射相等，因此对人体更安全。

Ø   太赫兹波对塑料、纸片、纺织品以及皮革等材料具有极佳的穿透力，可以迅速发现藏在衣服和箱包中的违禁物品。

Ø   太赫兹波不仅能够穿透衣物和包装发现危险品，还可以判断出物品的种类是传统武器、化学武器还是爆炸物；随着技术的改进，太赫兹波已经可以在30米左右的距离识别爆炸物，扩大了安检的防范范围。

Ø   太赫兹人体安检仪避免了金属检测仪需要手检的缺陷，极大地保护个人隐私。

3.2 我公司太赫兹相机优势

Ø  世界上第一台高速亚太赫兹成像相机，频谱范围为0.05-0.7THz，响应率50kV/W。

Ø  成像速度快。带放大电路的64*64帧相机的成像时间仅为100ms。

Ø  系列化，可根据实际需要选择像素：256（16*16）、1064（32*32）、4096（64*64）

Ø  尺寸小且成本低，是一款经济型太赫兹相机。

4 可行性分析

物理学的研究成果表明，自然界的任何物体，只要其表面温度高于绝对零度（273℃），它就是一个能量辐射体，包括太赫兹波能量。物体所辐射出的太赫兹波射线能量大小取决于其物理性能和温度高低。人体辐射的太赫兹波能量比之金属、陶瓷、塑料炸药、粉状炸药及衣物、绝缘材料等都多，而太赫兹波可以穿透任何绝缘材料，如所有衣物布料及大多数建筑材料。所以，在太赫兹波摄像机面前，如下图所示人身上的衣物不见了。身上藏匿有手枪、炸弹、毒品等违禁物品，就会一览无余。因此，太赫兹波摄像机是最有效的人体安全检查监视手段。

太赫兹成像检测出隐藏在报纸中的刀具

作为机场用人体安检设备，以我公司代理的太赫兹相机为核心部件的太赫兹成像系统包含如下几部分：太赫兹相机、太赫兹源（推荐使用我公司代理的IMPATT Diode）、电脑（笔记本电脑），不再需要其他设备或者仪器。为了达到人体全身成像，需要使用3个太赫兹相机和4个太赫兹源，见下图：

如图所示，太赫兹源照射在人体上，太赫兹相机实时获取人体的太赫兹波，配套软件完成所有的成像任务，捕获相机的读出，并将其转换成标准的图像显示在计算机上，成像结果如下图所示：

书本中夹带的小刀成像

在该成像系统中，太赫兹相机和太赫兹源须安装在同一轴上，与被测物的距离均为1米。

此外，THz辐射成像与X射线成像相比，THz射线是一种不电离的射线，它的光子能量很低，只有毫电子伏特，因此不容易破坏被检测物质。如果用太赫兹检测物质，就可以发现内部瑕疵而又不损害该物质。特别适合于对生物组织进行活体检查，则能将X照射对人体的伤害降低100万倍，这样降低了在安检过程中对于人体的伤害。

太赫兹相机在人体安检设备中的功能是接收人体反射及透射的太赫兹波，从而形成图像显示在电脑显示屏上，因此太赫兹相机作为安检设备中成像的核心器件是必不可少的。我公司代理的太赫兹相机具有价格低、尺寸小、响应率高的特点，因此是您研发、生产安检设备的最佳选择。

5 应用案例

美国Digital Barrier公司基于太赫兹扫描技术研发并生产ThruVision系列人体安检仪，TS4是室内型人体安检仪，TS5为室外用人体安检仪。TS4的传感器是0.25 THz被动成像探测器阵列，附带带宽为+/-20GHz的彩色CCTV相机或近红外CCTV相机。之所以选择0.25THz的原因有两个，一个是纺织品在这个频率是透明的，另一个原因是人体和其他物品在这个频率的反射对比很明显，例如人体皮肤的反射率是25%，金属是100%，因此通过0.25THz成像可以清晰地显示人体是否携带或隐藏危险品或爆炸物等。

组图1：TS4及成像图片

组图2：TS5及成像图片