第1章绪论
1.1基于太赫兹的无损检测技术及其应用
1.1.1太赫兹波
太赫兹（terahertz，1THz=10l2Hz）波通常指频率在0.1～10THz频段范围内的电磁波，位于红外和微波之间，是电磁波谱上由电子学向光子学过渡的特殊区域，也是宏观**理论向微观量子理论的过渡区域，如图1.1所示。
图1.1电磁波谱中的太赫兹频段示意图
太赫兹波具有很多不同于其他电磁波的特殊性质，因此近年来被开发用于许多前沿场景。
（1）瞬态性：太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，可以方便地对各种材料包括液体、气体、半导体、高温超导体、铁磁体等进行时间分辨光谱技术的研究，而且通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰，得到高信噪比
（signal-to-noise ratio，SNR）的太赫兹时域谱。
（2）宽带性：太赫兹脉冲源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千兆赫兹至几十太赫兹的范围，便于在大的范围里分析物质的光谱性质。
（3）相干性：太赫兹的相干性源于其相干产生机制，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。太赫兹相干测量技术能够直接测量电场的振幅和相位，进而方便地提取样品的折射率、吸收系数，大大减少了计算和不确定性，提高了精度和可靠性。
（4）高透射性：太赫兹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技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。
（5）指纹谱性：太赫兹频段包含了丰富的物理和化学信息。大多数极性分子和生物大分子的振动和能级跃迁都处在太赫兹频段，因此根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，分析物体的物理化学性质。
早期太赫兹在不同的领域有不同的名称，在光学领域习惯被称为远红外辐射，而在电子学领域，则称其为亚毫米波、超微波等。在20世纪80年代中期之前，太赫兹频段两侧的红外和微波技术发展已相对比较成熟，但是人们对太赫兹频段的认识仍然非常有限，究其原因是此频段既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究；同时缺乏有效地产生和检测太赫兹波的手段，理论与设备的缺失形成了所谓的“太赫兹空隙”（THzgap）。太赫兹波技术在20世纪90年代初期得到了长足发展，随着微电子和半导体技术的进步，在1991年，日本和英国的研究团队几乎同时发明了可图像化电离室用于太赫兹波探测，使太赫兹波探测器性能大幅提高。2001年，美国科学家发明了使用光纤作为太赫兹波传播介质的新技术，大大增加了太赫兹检测系统的传输距离和抗干扰能力。2005年左右，太赫兹成像技术实现了对物质内部结构及其变化的高精度探测，并逐渐应用于材料检测、医学影像、安检、生物检测等领域。
近年来，超快光电子技术和低尺度半导体技术的发展为太赫兹频段提供了较为合适的光源和探测手段，太赫兹技术得以快速发展，太赫兹技术研究受到各国重视。2004年，美国将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大技术”之一，日本将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之*。欧洲、亚洲等许多国家和地区，以及澳大利亚等国的政府、企业、大学和研究机构等也纷纷投入太赫兹技术研发中。我国在2005年召开了“香山科技会议”，确立了太赫兹技术的战略地位，制定了我国太赫兹技术发展规划。
1.1.2太赫兹无损检测技术
太赫兹光谱包含了丰富的物质信息，利用太赫兹波可对物质进行探测和分类。太赫兹波*特的透视性、安全性及光谱分辨能力，为太赫兹时域光谱仪（terahertz time-domain spectroscopy，THz-TDS）在物质检测、物质结构特性、物质定性及定量分析等方面的应用奠定了基础。典型的太赫兹时域光谱系统实验装置图如图1.2所示。
图1.2典型太赫兹时域光谱系统实验装置图
太赫兹时域光谱系统是基于太赫兹时域光谱技术研发，并在太赫兹频段进行光谱测量与分析的光学系统，是进行太赫兹频谱研究的基本工具，常被称为“太赫兹光谱仪”。THz-TDS主要有3个技术框架：太赫兹波产生技术、探测技术，以及光学参数提取技术。THz-TDS相对于传统远红外光谱测量技术与微波测量技术，具有*特的技术优势：
（1）测量带宽可以覆盖0.1～10THz的频谱范围；
（2）具有较高的信噪比和时间分辨光谱；
（3）脉冲THz信号具有较快的时间响应；
（4）可同时测量电场的振幅与相位信息，在室温下工作。
太赫兹波能够透过泡沫、陶瓷、塑料、高分子复合材料、磁性材料等可见光与红外波，甚至超声波都无法透过的材料，可实现对这些材料的无损检测。太赫兹无损检测技术，其原理主要基于太赫兹波成像技术。太赫兹波成像技术利用太赫兹波对大部分非极性材料具有非常强的穿透特性及THz-TDS的*特技术优势，可以同时实现振幅成像和相位成像，并且具有更高的分辨率。实现太赫兹无损检测的技术途径主要分为连续波成像与脉冲成像。
1.1.3太赫兹无损检测技术的应用
太赫兹波的特点，使其在电力系统、文物保护、军事航天、生物医学、食品、安检和农产品等多个领域得到广泛应用。
？4？太赫兹检测技术及其在电气设备中的应用
1.太赫兹无损检测技术在电力系统中的应用
1）变压器绝缘油的检测与分析
李猛[1]运用太赫兹时域光谱技术对变压器电性故障、热性故障和局部受潮等情况下的变压器故障绝缘油进行了定性实验分析，得到的热性故障和电性故障分析准确率分别达到98.55%和98.18%。Lim等[2]运用太赫兹时域光谱仪检测了不同使用时长的变压器绝缘油，测量了太赫兹光谱的振幅和相位信息，计算了样品的折射率和吸收系数等光学参数，利用此方法可准确得到电力变压器绝缘油性能的恶化信息。Kang等[3]也运用太赫兹时域光谱仪检测了不同老化程度的绝缘油在0.2～3.0THz范围内的相关复光学常数、折射率和吸收及复介电性能，得出老化矿物绝缘油的太赫兹响应存在明显差异。2）油纸绝缘水分含量的检测水是极性分子，绝缘油为弱极性，水分子化学键在太赫兹频段的弯*振动及氢键拉伸，使水对其有强烈的吸收，并且随着含水量不同，其吸收量不同。蒋强等[4]利用太赫兹时域光谱技术对变压器油进行了水含量检测，获得了不同水含量变压器油的吸收系数和折射率，并将实验数据与洛伦兹-洛伦茨、比尔-朗伯模型的数据进行对比分析，得到相一致的实验结论。研究结果还显示，变压器油的太赫兹吸收系数、折射率与水含量呈一定线性关系，这表明利用太赫兹时域光谱技术对变压器油的水含量进行定量测试具有可靠性。李猛[1]研究了局部受潮故障中变压器绝缘油含水量，运用偏*小二乘法优化技术分析太赫兹吸收光谱，实现了运用太赫兹时域光谱对变压器绝缘油水分含量的定量检测。孔旭晖等[5]根据变压器油的吸收系数与水含量的线性关系，得到了不同水分含量变压器油的时域、频域、吸收系数和折射率，实现了变压器油中水分含量的定量检测应用。Wang等[6]运用太赫兹时域光谱系统测量了绝缘油中的水分含量，结果表明样品含水率越高，透射波的功率越低，相位延迟越大。
水分具有加速绝缘纸纤维素降解的催化作用，电力变压器油纸水分含量的增加，会导致油纸绝缘老化程度加深，其绝缘能力和机械强度变差，从而加速变压器绝缘劣化。成立等[7]利用太赫兹时域光谱系统对植物绝缘油和矿物绝缘油不同水分含量的绝缘纸板样品进行了实验，得出了不同含水量的绝缘纸板在太赫兹时域光谱上的光谱响应特征，以及不同绝缘油样品的峰值时间与峰值大小均与绝缘油的含水量存在近似正比关系。实验对响应信号结果进行拟合，估计得出峰值时间和峰值大小与含水量的计算公式，预测评估油浸绝缘纸样品中的水分含量。被测样品的时域太赫兹信号通过快速傅里叶变换，得到频域响应信号。随着水分含量的增加，样品频域信号幅值整体下降，据此得出样品频域信号峰值与水分含量呈现负相关性，初步得到基于太赫兹透射频域信号的样品含水量判断公式。实验表明，透射式太赫兹时域光谱系统可以快速、安全、无损地检测出绝缘纸板含水量，并且可以通过谱图得出水分的平面分布状况。
3）变压器绝缘油纸老化分析
王亮[8]运用太赫兹光谱技术检测了变压器绝缘油纸的老化状态。实验中运用太赫兹时域光谱技术方法试验经加速热老化后的矿物绝缘油，得到光谱信息，测量其在太赫兹频段的折射率、吸收系数、介电特性等，对比分析各参数的老化变化规律，结合传统的老化判断指标，可知特征吸收峰和折射率随其老化程度的增加而变强，据此得到老化的特征参量。实验还发现，太赫兹参数与矿物绝缘油中糠醛浓度存在良好的相关性。同时应用仿真实验对绝缘纸中的纤维素单体进行频率振动的量子化学计算，归属其吸收峰，研究发现不同热老化程度的纤维素绝缘纸的太赫兹波折射率不同，折射率随绝缘纸老化程度的变化而变化，并且不同热老化程度绝缘纸的聚合度与折射率之间也存在一定相关性。Lee[9]研究了太赫兹时域光谱法检测纤维素纸板热老化效应，脉冲太赫兹波频率折射率的变化表明，太赫兹波测量可以清楚地分析热老化程度和热击穿条件。通过确定介电完整性，可以检查纤维素纸板内部的电气绝缘强度。Wang等[10]用太赫兹时域光谱（在0.1～1.8THz范围内）分析了不同老化间隔后绝缘纸的光学参数，结果表明不同老化间隔后的纸张样
品具有不同的折射率，*小二乘拟合显示聚合度与纸张折射率之间存在线性关系。
4）电力设备缺陷的无损检测
太赫兹波对非金属材料具有穿透性，可以利用其对一些金属材料以外的电力设备进行检测，如绝缘材料内部缺陷和裂痕的检测。太赫兹无损检测技术不仅能够对电气设备内部微小缺陷进行无损检测，还可以通过时域或频域的方法对缺陷清晰成像，获得直观的检测信息。此技术在检测电缆绝缘层气隙缺陷和绝缘子交界面蚀损缺陷上有较成功的研究案例。张中浩等[11]测试了复合绝缘子界面气隙、蚀损缺陷情形下的太赫兹反射波，分析了太赫兹波在含缺陷界面中的反射传播特性；针对气隙缺陷，提出了通过太赫兹波形特征比对的定量检测方法；针对蚀损缺陷，提出了基于波形差值的成像检测方法。对实际缺陷的测试表明，太赫兹时域反射波在复合绝缘子界面缺陷检测中具有较高的应用价值。Zhang等[12]提出了一种基于波形数据库的内部气隙定量测量方法，分析了太赫兹波在介质中的传播特性，提出了一种定量诊断界面气隙缺陷的方法。Cheng等[13]运用太赫兹时域光谱技术对新型复合绝缘子缺陷进行了无损检测，运用0.02～2THz频段的脉冲波对现场过热的500kV复合绝缘子和含有人工空洞缺陷的样品进行了测试。实验表明，在足够功率的前提下，其可对复合绝缘子进行远距离检测。谢声益等[14]提出了一种基于太赫兹时域光谱技术的交联聚乙烯电缆无损检测新方法。通过采集太赫兹时域光谱透过样品的时域信号，以信号幅值和相位为特征量有效辨别交联聚乙烯电缆样品的隐藏气隙，并能得出隐藏气隙的几何尺寸信息及气隙位置和形状特征信息。
2.太赫兹无损检测在文物保护领域的应用
Gallerano等[15]在2009年*次尝试将THz技术用于镀金画板的检测，成功测试了被石膏层部分遮蔽的由金箔和颜料所组成的模型画板。Abraham等[16]利用反射式THz-TDS成功检测了不同颜料覆盖下的石墨铅笔绘图。
德国Krugener小组[17]利用THz技术对汉诺威的下萨克森州国家博物馆的一个石质圆形浮雕内部裂隙进行了探测，通过THz时间延迟差不仅精确测量了5～7mm的隐藏裂隙，还有效检测了16世纪釉面陶土层下的缺陷。山西大同大学研究小组利用云冈石窟不同风化深度砂岩样品的THz光谱数据，结合支持向量机建立了风化深度预测模型[18]。Bardon等[19]系统研究了历史文献上的各种墨水，通过光谱的差别
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