基于太赫兹时域成像技术的三合板检测

徐雨田，蒋 玲，虞江萍

(南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

基于太赫兹时域成像技术的三合板检测

徐雨田，蒋 玲，虞江萍

(南京林业大学信息科学技术学院，江苏 南京 210037)

本文采用太赫兹时域成像技术研究了三合板的特性参数。太赫兹时域成像系统(THz-TDS)研究了三合板表面和截面的成像特性。太赫兹成像能快速检测出三合板表面的纹理特征，并测得第一层的厚度为92 μm。由于三合板第二层为木材颗粒压缩而成，导致太赫兹能量的大量耗散，无法得到准确的内部特性。通过提高系统信噪比和成像分辨率，能进一步分析三合板的内部信息，从而完成对三合板表面和内部的无损检测。

三合板；太赫兹；时域成像

太赫兹波(THz)是指频率在0.1 THz～10 THz之间的电磁波[1，2]。伴随着激光技术的发展，太赫兹技术被大量关注。由于太赫兹波的高透过性和无损性，因此可以利用其特性对样本进行无损检测[3]。

太赫兹成像技术在化学、生物、医学、安检和航空等领域被广泛引用[4-6]。1995年Hu等采用逐点扫描式的太赫兹时域成像系统[7]，并且运用这种方法对样品进行成像。2007年，Zhang等利用不同材料对THz频谱吸收不同的特点，实现对常见爆炸物的成像[8]。德国科技大学利用太赫兹时域系统鉴定木塑材料的含水量，同时利用太赫兹波对水的敏感性来观察植物中水的流动[9]。然而，在板材检测中，仍很少利用太赫兹波段进行检测。同时，传统的太赫兹时域成像系统采用一个飞秒激光器进行发射和检测，导致其成像速度较慢。

本文提出了一种利用远红外光(THz波段)对三合板进行检测的方法。利用太赫兹时域成像系统对三合板表面纹理和内部结构进行检测，对三合板的表面先进行成像，之后对内部截面进行成像，检验三合板的各层厚度。该系统利用了差频延迟太赫兹光谱技术，提高了成像的速度，为人造板检测提供了新的方法。

1 实验方法

1.1 太赫兹时域光谱原理

太赫兹时域光谱系统由飞秒激光、光电导天线、时间延迟系统、数据采集等组成[8-10]。机械延迟的缺点很明显，稳定性差和系统速度慢。利用差频延迟方法能够提高光谱成像系统的速度。差频延迟太赫兹光谱系统采用两个频率稍有差异的飞秒激光抽运光电导天线，通过异步取样产生和探测太赫兹波。

通过检测分析反射的太赫兹波脉冲的延迟时间或振幅，以非破坏的方式分析厚度[11]。根据反射原理，表面的反射系数r1，第一层内部的反射系数r2可由式(1)、(2)获得

(1)

(2)

式中：n1为表面第一层折射率，n2为第二层折射率。

表面的厚度L可由式(3)求得

(3)

式中：Δt为两次反射波峰值的时间差。

1.2 装置及条件

本实验采用TAS7500IM太赫兹时域成像仪。该仪器由太赫兹光发生模块、太赫兹成像分析单元和太赫兹光谱分析单元组成。图1为太赫兹时域成像系统原理图，实验装置通过同步控制系统产生两束激光，一束驱动发射器，另一束激发探测器。

图1 太赫兹时域成像仪TAS7500IM原理图

1.3 实验处理

本实验装置采用逐点扫描成像系统，扫描探头的移动范围和步长由计算机控制。在扫描方式中，采用了同心圆扫描方式。相比于传统的方法，同心圆扫描在确保了精度的同时节省了时间。因为采用封闭式太赫兹时域系统，所以对样本尺寸、质量有着要求。与此同时，因为空间分辨率对本实验结果影响较大，所以预先验证系统的表面成像分辨率为0.2 mm，再进行三合板表面和内部截面成像的研究。

2 结果与讨论

实验测试用的三合板为边长是1 cm的正方形，上下两层为薄木板，中间层为木屑颗粒压制而成，表面存在纹理，内部存在分层。图2为三合板表面成像图，(a)为光谱图像，(b)为对应的太赫兹图像。不同的颜色代表着不同的反射强度。太赫兹图像清晰地反映了木材的纹理，测试的条纹宽度与实际宽度一致，均为2 mm。不仅如此，与光学图像相比，太赫兹图像对三合板表面纹理区分更加明显，信号强度的变化反映了表面的凸凹不平。但是我们也观察到太赫兹图像存在边缘数据丢失的现象。这可能因为系统以同心圆扫描成像，使得成像结果只能是圆形，从而影响了对三合板表面整体的成像。图3为三合板表面不同两点(M和N)的时域光谱图，其中M点的光谱图为黑色谱线，N点的光谱图为红色谱线，不同的波峰代表着不同的反射强度。图3存在多个反射波峰，表明三合板的内部存在分层情况，第一个波峰表现明显，随着太赫兹波逐渐进入板材内部，板材对太赫兹信号的吸收，波峰峰值逐渐下降。

(a) 光学图像 (b) 太赫兹图像

图3 三合板M、N两点光谱图

除此之外，还对三合板的内部进行了成像研究，用于更好地了解木材的浅层情况。我们对厚度为2.9 mm的板材进行了太赫兹成像，如图4(a)为三合板的光学照片，三合板的第一层厚度为100 μm。图4(b)是三合板浅层内部太赫兹成像结果。太赫兹成像中存在不同的颜色带，不同的颜色代表着不同的太赫兹反射强度，绿色带的反射强度为负值，结果与实际情况不相符合。失真的原因可能是，三合板第二层为木屑颗粒压制而成，内部存在大量的空隙以及胶合剂，使得太赫兹波在进入第二层时发生了多层反射，信号强度大大减弱，导致信噪比急剧减小，从而造成测试结果失真[12]；其次由于木材本身对太赫兹波也有一定程度的吸收，使得太赫兹波能量不断衰减，很难检测到微弱的反射信号。在图4(b)中，第一层橙色段的厚度为92 μm，与三合板第一层的厚度100 μm较接近，这说明在厚度测量上，太赫兹时域成像仪的精度可接近100 μm。由于太赫兹信号在木材深层内部耗散过大，无法有效检测更深层内部信息。

图4 三合板截面成像

3 结论

本实验成功地实现了对三合板表面和浅层进行太赫兹成像的研究。结果表明，太赫兹时域成像系统检测出三合板表面的基本纹理特征，成像结果直观且较可靠，且深度分辨率可接近100 μm。同时，随后对三合板的截面进行成像，测得的第一层的厚度误差在8%以内，随着样品厚度的加深，导致太赫兹信号在板材内部的大量耗散，成像结果完全失真。总之，太赫兹时域成像系统能够对三合板表面和浅层进行快速成像，但是木材深度信息的提取还需进一步提高系统信噪比，或者选取密度更均匀的木材样品。

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[2] 张存林.太赫兹波谱与成像[N].中国光学学会2008年全息与光信息处理专委会学术年会,4-5.

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[12] Goldsmith PF.Quasioptical Systems[M].IEEE Press,1998.

Detection of Three-ply Board Based on Terahertz Time-domain Imaging Technologe

Xu Yutian, Jiang Ling, Yu Jiangping

(CollegeofInformationScienceandTechnology,NanjingForestryUniversity,NanjingJiangsu210037,China)

The paper mainly studies the characteristic parameter of three-ply board with terahertz imaging technology. The imaging system investigates the superficial and sectional imaging characters. The terahertz imaging can detect the superficial texture properties rapidly, and the thickness of the first layer is 92 m. Since the second layer is made of condensed particles, so it results the energy waste of THz signal, and can not obtain the precise inner information. With the improvement of signal to noise ration and imaging resolution, the further analyze can be made for the inner information and achieve the nondestructive detection of the superficial and inner information in the future.

three-ply board; terahertz; time domain imaging

2017-03-02

徐雨田(1990- )，男，江苏宿迁人 ，硕士，研究方向：无损检测。

1674- 4578(2017)02- 0018- 03

TP274

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