布料的太赫兹波透射特性研究

王启超,汪家春,王科伟,苗　雷,赵大鹏,刘　洋

（1.电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037；2.中国人民解放军陆航部驻西安地区军事代表室，陕西西安 710065）

布料的太赫兹波透射特性研究

王启超1*,汪家春1,王科伟2,苗雷1,赵大鹏1,刘洋1

（1.电子工程学院脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽合肥 230037；2.中国人民解放军陆航部驻西安地区军事代表室，陕西西安 710065）

为获得太赫兹波对常见衣物布料的穿透特性，基于布料的物理结构以及太赫兹波传输的影响因素，建立了常见布料的太赫兹波传输模型，计算获得了不同相对湿度条件下典型太赫兹波长对布料的透过率。随后，利用太赫兹时域光谱系统对棉质布料样品进行透射实验测试，获得了布料在0.1～2 THz范围内不同相对湿度条件下的透过率。通过理论计算结果与实验测试结果的对比分析，验证了该传输模型的有效性，获得了太赫兹波对常见棉质布料的穿透特性。此外，在30%相对湿度条件下，实验研究了多层棉质布料的太赫兹透射特性。研究结果表明，在可见光波段“不透明”的衣物布料，利用太赫兹波可实现良好的“透视”，但其对布料的穿透特性一定程度上受到环境相对湿度的影响，该研究对于衣物内隐藏危险物品的快速检测具有重要意义。

太赫兹；布料；传输模型；透射实验

1 引 言

太赫兹波（Terahertz或THz）是对一个特定波段的电磁波的统称，由于其频率在太赫兹量级（THz），所以被称为太赫兹波。一般认为，它是指频率在0.1～10 THz（对应波长3 000～30 μm）范围内的电磁波，它是电子学向光子学过渡的频段。在电磁频谱中，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经比较成熟，但是太赫兹科学与技术还存在“空白”，在相当长的一段时期，很少有人问津电磁波谱中的这一波段，从而也就形成了科学家们通常所说的“太赫兹空隙”［1-2］。

近年来，太赫兹科学技术之所以引起人们广泛的关注，首先是因为物质的太赫兹光谱包含着非常丰富的物理和化学信息，研究物质在该波段的光谱特性对于物质结构探究具有重要意义；其次是因为太赫兹波与可见光、红外线、微波等其他波段的电磁波相比具有很多独特的性质，有着潜在的应用价值和前景［3-5］。

太赫兹波具有独特的瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等特性。例如，太赫兹波的光子能量在毫电子伏量级，只是X射线光子能量的百万分之几，低于各种化学键的键能，因此太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检物质，非常适用于针对人体或其他生物体的活体检测［6］。太赫兹波对水分子十分敏感，其对太赫兹辐射的强吸收有利于利用太赫兹成像技术实现对水分含量的检测［7-8］。太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像的有效互补手段，可用于安检和质检过程中的无损检测［9-10］。

同时，太赫兹光谱相干测量技术能够直接测量太赫兹波的时域电场，通过傅立叶变换后能够同时确定太赫兹脉冲电场在频域的振幅和位相信息，从而可以给出被测物质的透射谱、吸收谱、消光系数、介电常数、电导率和折射率色散特性，对于材料光学性质的分析具有极大的帮助［11-12］。

近年来，恐怖袭击在全世界范围内日益猖獗且愈演愈烈，恐怖分子通常将炸弹、枪械以及刀具等危险物隐藏在衣物内并携带到机场、车站等人员密集的公共场所进行施暴，其危害性不言而喻。因此，探究一种可有效进行物质识别并可同时实现非接触式无损探测的手段在安检方面具有重要意义。太赫兹技术由于其独特的穿透性和低能性，在该领域具有极大的应用潜力。

太赫兹波对衣物布料的穿透特性对于该探测手段的实现至关重要，然而有关该方面的研究报道相对较少。本文首先依据常见衣物布料的物理结构建立布料的太赫兹波传输模型，对不同相对湿度条件下的布料在太赫兹波段的透过率进行理论计算；随后，利用太赫兹时域光谱系统测试单层棉质布料样品在0.1～2 THz范围内的透过率，并与理论模型获得的结果进行比较分析；此外，对于多层棉质布料的透射特性进行实验测试，并与单层布料测试进行了对比分析。

2 布料的太赫兹波传输模型

由于布料大多暴露于大气环境中，其对大气中水汽的吸收使其与周围环境达到平衡状态。通常认为布料纺线表面和纺线之间的空隙内充满水汽。然而，氮气作为大气中含量最多的气体，其吸收谱线的中心均处于太赫兹波段之外，故可不考虑其对太赫兹波传输的影响。另外，虽然二氧化碳分子的吸收谱线最为丰富，但其谱线强度比水汽小11个数量级，在建模过程中可忽略其影响［7］。因此，布料与太赫兹波的相互作用很大程度上受到水汽的影响。

2.1布料结构模型的建立

对于常见衣物布料，其纺织结构可类比于“篮筐”周期结构，如图1所示。

图1　含水分空隙的“篮筐”编织结构布料模型Fig.1 Model of simple basket woven fabric with water in interstitial voids

图中，P为单元格的尺寸，H为位于单元格中心的空隙的有效尺寸。虽然部分布料的编织结构并不能完全描述为“篮筐”周期结构，但由于影响太赫兹波传输的主要因素是其表面和内部空隙内的水汽，而纺线表面和空隙内的水汽含量均随环境相对湿度的变化而变化。

从相对湿度为0开始，随着相对湿度的增加，纺线表面的水分含量会快速增加，纺线之间的空隙也被水汽快速充填。当相对湿度达到80%以上时，纺线几乎被“浸透”，空隙被“填满”，在高相对湿度区域，布料达到了“浸湿”状态。

布料中水分含量与环境相对湿度之间的关系可由下式表示［13］：

式中，W为布料中水分含量，NRH为相对湿度。两者之间的关系如图2所示，当环境相对湿度达到80%以上时，布料的水分含量急剧增加。

图2　布料中水分含量与环境相对湿度之间的关系Fig.2 Percent moisture in fabric as a function of relative humidity of atmosphere

2.2布料对太赫兹波的衰减

对于入射的太赫兹波，在位于单元格内的纺线表面发生反射，透过位于单元格中心的空隙，整个单元格对太赫兹波的吸收衰减可简化为高损耗传输线模型［14］。通过这种周期结构的透过系数子和反射系数y可分别表示为：

单元格尺寸P由编织工艺和纺线尺寸确定。对于相同编织结构的布料，其内部空隙的尺寸H与单元格尺寸P以及布料中水分含量有关。因此，其为相对湿度的函数。在该模型中，H可表示为：

式中，Ktex为纺线的号数，是指长度为1 000 m的纺线在公定回潮率下重量的克数，其值越大，纺线越粗。根据式（2）～（6），可计算获得布料的透过率。图3为在1 THz（300 μm）波长上不同号数的布料在不同相对湿度条件下的透过率曲线。

图3　不同号数的布料在不同相对湿度下的透过率（λ= 300 μm）Fig.3 Transmission of fabric with different denier number on different relative humidity levels（λ=300 μm）

由图3可以看出，布料在1 THz频率处的透过率随环境相对湿度的增加而减小，因为随着相对湿度的增大，布料中的水分含量W单调增大。对于同一号数纺线的布料，W的增大使得H减小，导致对太赫兹波的透过率减小。当相对湿度大于80%时，其透过率迅速减小。这主要是由于高相对湿度环境导致布料中的水分含量迅速增加，其对该波长处的太赫兹波具有较强的吸收［15］。其次，随着布料纺线号数的增大，布料在该波长处的透过率逐渐减小，这是由于Ktex的增大使得H减小，从而布料整体对太赫兹波的反射增大，导致其透过率减小。

3 布料的太赫兹波透射实验研究

在获得太赫兹波对布料在不同相对湿度下的传输特性后，我们利用太赫兹时域光谱系统对常见棉质布料样品进行透射实验测试，以验证模型的有效性。

3.1实验样品与测试系统

实验选用常见棉质布料，样品尺寸为5 cm× 5 cm，其表面平整无缺陷。利用样品夹将样品夹持，保证样品表面无褶皱和拉伸。利用测厚仪测得布料样品的厚度为0.43 mm。

测试选用的太赫兹时域光谱系统所使用的激光源为瑞士OneFive公司生产的Origami系列低噪声飞秒激光器，中心波长为1 040 nm，重复频率为80 MHz，输出功率为143.4 mW。系统的光谱测试范围为0.1～2 THz，实验装置图如图4所示。

图4　太赫兹时域光谱系统实验装置图Fig.4 Experimental setup of THz time-domain system

为获得该布料样品的太赫兹波透过光谱，测试过程在吸收池内进行。布料样品置于吸收池内，吸收池尺寸为10 cm×10 cm×10 cm，两通光面各安装太赫兹波片（1 in）。测试采用加充氮气和加湿器的方法对样品仓内的空气湿度进行控制，从而获得某一相对湿度环境，并利用湿度计测试样品仓内的相对湿度。同时考虑到衣物等通常暴露于大气环境中，而实际大气通常处于中等相对湿度条件，因此，测试环境选择相对湿度的范围为20%～70%。

通过数据处理获得布料样品的太赫兹波透过光谱，从而获得该布料样品的透过率曲线，并与文中所建立的传输模型获得的结果进行对比分析。

3.2测试结果与分析

图5为相对湿度为30%时的参考信号（空气）和布料样品的太赫兹时域光谱，其记录的是太赫兹脉冲电场随时间的变化情况，经过傅里叶变换可得到脉冲的频域分布，如图6所示。

从图5可以看出，在时域光谱中，有样品时的时域信号峰值相对于参考信号存在一定的延迟，且峰值强度也存在一定的衰减。出现延迟的原因是布料在太赫兹波段的折射率大于空气的折射率。在发射天线和探测天线位置固定的情况下，折射率的变化相当于增加了太赫兹脉冲的光程，而该系统中太赫兹脉冲的探测属于相干探测，光程的增加导致等光程点的变化，增加的光程需要延迟线进行补偿，因此出现了延迟现象。峰值强度的减小是由于样品对太赫兹脉冲存在一定的衰减。

图5　参考信号和布料样品的太赫兹时域光谱Fig.5 THz time-domain spectra of reference signal and measurement signal of fabric sample

在图6中，不同频率处太赫兹脉冲的衰减程度不同，该频域光谱为布料样品和吸收池内空气中的水汽对太赫兹脉冲的共同作用，由于测试环境不变，因此可利用频域谱中测试信号和参考信号的比值得到布料样品在0.1～2 THz范围内的透过率，如图7所示。

由图7可以看出，布料样品的透过率随频率增大而迅速减小。在1 THz以下，其透过率均在0.6以上，说明太赫兹波对常见衣物布料具有良好的穿透特性。同时，在整个测试波段，不存在特征吸收峰。在1 THz处，其透过率为0.629 2；而在图3中，其值为0.642 7（Ktex=1.67，NRH= 30%）。其余相对湿度条件下的理论计算值和测试值见表1。

图6　参考信号和布料样品的太赫兹频域光谱Fig.6 THz frequency-domain spectra of reference signal and measurement signal of fabric sample

表11　THz处不同相对湿度条件下布料样品透过率的计算值与测试值对比（Ktex=1.67）Tab.1 Compare of theoretical and experimental transmission of fabric sample on different RH levels at 1 THz（Ktex=1.67）

可以看出，文中所建立的布料的太赫兹波传输模型的计算误差在4%以下，表明了传输模型的有效性。

图7　布料样品的太赫兹光谱透过率Fig.7 THz transmission spectrum of the fabric sample

图8　布料样品的太赫兹吸收系数Fig.8 THz absorption coefficient of fabric sample

随后，根据Dorney等提出的材料光学参数的提取方法［12］计算得到30%相对湿度条件下该布料样品的太赫兹波吸收系数，如图8所示。可以看出，布料样品的吸收系数随频率的增大而增大，在1.6 THz以下，其值处于50/cm以下。

3.3多层布料的太赫兹透射特性分析与实验

通过上文的分析可以看出，由于太赫兹波对布料良好的透过性，使得利用其进行隐藏物体的探测成为可能。但以上研究仅仅是针对单层布料进行的，而在实际情况中，衣物通常由两层或多层布料组成，下面对多层布料情况进行分析。

人体自身会通过新陈代谢产生一定的热量并与周围环境进行热交换，并通过各种调节方式来维持热平衡和保持体温。蒸发散热作为多种调节方式之一，主要包括呼出水分的热损失和皮肤表面的蒸发散热损失。而皮肤表面散热与环境相对湿度以及所穿着衣物的材质有关。当人们从低湿度环境进入高湿度环境时，衣物会吸收空气中的水分，水分液化产生的潜热会释放到衣物中从而对人体的换热产生影响。同样，当从高湿度进入低湿度环境时，衣物会排湿出其中的水分，对衣物产生预冷作用，加速人体散热，降低皮肤温度。衣物材料的吸湿性和排湿性与衣物材质密切相关，会使人体在环境条件变化的一段时间后与环境达到热平衡状态，在此状态下，衣物中的含水量仅与环境的相对湿度和衣物材质有关。对于实际多层布料情况，经过一段时间的热交换之后，衣物、环境和人体将达到热平衡状态。

由图7可知，棉质布料在0.1～2 THz范围内并没有特征吸收峰，其对太赫兹波的衰减主要源自纺线表面。因此，对于多层布料的衣物，在相同的相对湿度条件下，相当于多次透过单层布料，故衣物的透过率将减小；在不同的相对湿度条件下，随着相对湿度的增大，单层布料的H将减小，其对入射波的反射将增大，经过多层布料之后，整体的透过率也将随相对湿度的增大而减小。

为此，在30%相对湿度条件下，进一步对双层、三层和四层棉质布料样品的太赫兹光谱透过特性进行了实验测试，测试样品与单层样品性质一致，测试结果如图9所示，并与单层情况进行对比分析。

可以看出：（1）多层布料样品的太赫兹光谱透过率与单层样品的变化趋势类似，在0.1～2 THz范围内，不同层数布料样品的透过率均随着频率的增大而减小，且不存在特征吸收峰；（2）随着层数的增加，其透过率整体减小，但在0.1～1 THz范围内，多层布料仍然具有良好的透过性，只是在强度方面存在一定差别。实验测试结果与理论分析较为一致，说明太赫兹波能够对“不透明”的衣物在一定程度上实现“透视”。该结果对于隐藏物检测同样具有一定的积极作用。

然而，在实际应用过程中，为实现快速非接触式的隐藏物检测，应当选取透过率较高的波长或波段；同时，由于实际大气环境大多处于中等相对湿度条件，所以应避开水在太赫兹波段的强吸收峰，选择太赫兹波段的“大气窗口”进行检测。

图9　多层布料样品的太赫兹光谱透过率Fig.9 THz transmission spectra of multilayers fabric sample

4 结 论

基于常见布料的物理结构建立了布料的太赫兹波传输模型，计算获得了布料在不同相对湿度条件下的透过率。通过太赫兹时域光谱系统进行了透射实验，测试获得棉质布料样品在0.1～2 THz范围内不同相对湿度条件下的透过率，并与模型计算结果进行对比，模型的计算误差小于4%，验证了模型的有效性。此外，通过进一步对多层布料的透过特性进行测量，得到了类似的实验结果。研究结果表明，棉质布料在太赫兹波段的吸收系数较小，具有良好的透过率，且不存在特征吸收峰。这对于利用太赫兹波进行衣物内隐藏物品的快速检测具有一定参考意义。

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王启超（1989-），男，陕西咸阳人，博士研究生，2014年于电子工程学院获得硕士学位，主要从事太赫兹辐射传输方面的研究。

E-mail：wqc_wqc@126.com

Transmission Characteristic of Fabric in Terahertz Band

WANG Qi-chao1*，WANG Jia-chun1，WANG Ke-wei2，MIAO Lei1，ZHAO Da-peng1，LIU Yang1
（1.State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology，Electronic Engineering Institute，Hefei 230037，China；2.Military Representative Office of Army Aviation Department in Xi蒺an Area，Xi蒺an 710065，China）*Corresponding Author，E-mail：wqc_wqc@126.com

In order to acquire penetrability of terahertz（THz）for common fabric，transmission model of fabric at THz frequency was built and described，which was based on physical structure of it and various influencing factors on THz transmission in atmosphere，to calculate the transmittance of fabric at THz on different relative humidity（RH）levels.Then，transmission experiment about cotton sample on different RHs was conducted by using terahertz time-domain spectroscopy to obtain the transmittance of sample at 0.1-2 THz.The effectiveness and veracity of the model were verified by comparing the results of theoretical calculation and experiment.And transmission characteristic of THz for cotton fabric at different environmental conditions was obtained.In addition，transmission experiment of THz for multilayers fabric was conducted on 30%RH.The results show that the fabrics，which are opaque in visible region，are almost transparent in terahertz region.But the transmission characteristic is partly influenced by environmental RH.Therefore，this research is of significance in rapid detection and identification of concealed danger in cloth.

terahertz；fabric；transmission model；transmission experiment

O436.2；TN29

A

10.3788/fgxb20163706.0737

1000-7032（2016）06-0737-07

2016-01-19；

2016-03-21

预研基金（14Y023）资助项目