太赫兹波科学与技术

太赫兹波是一个非常有科学价值但尚未被完全认识和利用的电磁辐射区域，它在成像、医学诊断、安全检查、信息通信、空间天文学乃至军事等领域都有着广阔的应用前景。从总体上介绍了太赫兹波的独特性质、应用领域，阐述了太赫兹波的产生、太赫兹波探测的机理和方法，并简单讨论了太赫兹技术的发展前景：被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一的太赫兹波科学技术，将会在未来的数十年间逐渐成熟并得到广泛的应用。     

太赫兹科学技术的综述

太赫兹技术是一项极其重要的技术,其电磁波段的开发和利用具有重大的科学意义和潜在的应用价值.本文综述了太赫兹技术的研究和发展,介绍了太赫兹波的独特性质,太赫兹产生和检测的方法,概述了太赫兹技术在生物医学、反恐安检、无损探测、天文大气以及无线通信等领域的应用和进展.     

基于太赫兹的危险品智能识别系统

基于太赫兹线性扫描成像和深度学习技术,实现包裹危险品实时智能识别。采用太赫兹线性扫描成像技术,穿透包裹、衣物、信封等物品,探测隐匿的塑胶凶器、塑胶炸弹、流体炸药和易燃易爆液体等危险品,形成太赫兹图像。对太赫兹图像采用基于深度学习的目标检测方法,实现危险品检测识别。实验结果表明,该系统对危险品成像,能显现X射线扫描仪不易探测的危险品,能自动识别,精度高、实时性好。该系统是一种成像质量好、识别精度高、实时性好的包裹危险品智能识别系统。     

太赫兹逐点扫描计算机成像算法

利用本校率先在国内建立起的一套具有较高应用价值的透射式逐点扫描太赫兹（THz）辐射成像装置可以获得成像物体上每一点的光谱数据。每一点的光谱数据对应一个文本文件,这些数据虽具备物理含义,但本身不具备图像数据的特征。根据太赫兹振幅成像的实际物理意义,提出了一种根据成像物体上每一点的光谱数据,在计算机上构造太赫兹振幅图像的算法。实验证明,该算法取得理想的效果,对THz成像技术和THz光谱分析的研究具有一定的意义。     

二维复式晶格光控四波长太赫兹波调制器

给出的基于复式晶格光子晶体的太赫兹波调制器是一种用数字基带信号对太赫兹载波进行强度调制的外调制器。该调制器利用复式晶格一个点缺陷可同时调制两个缺陷模的特点来同时控制四束不同太赫兹波的传输,从而实现对太赫兹载波的通、断调制。这种基于复式晶格光子晶体的调制器具有光子禁带大、体积小,了等许多优点。     

太赫兹波的特点及其在国家安全等方面的应用

太赫兹（THz）波在电磁波谱上位于微波和红外线之间，是人类目前尚未完全开发的波谱“空隙”区。近十几年，伴随着一系列的新技术、新材料的发展和应用，尤其是超快激光技术的发展，极大地促进了对太赫兹辐射的机理、检测、成像和应用技术的研发，使其迅速成为一门新的极具活力的前沿领域。由国内外的研发成果表明，太赫兹技术在物理、化学、材料、生物、医学、信息、通信、国家安全等领域，具有重大的科学价值和广阔的应用前景。本文介绍太赫兹波的特点及其在国家安全等方面的应用，并展望其发展前景。     

基于Ⅰ型谐振结构的太赫兹超材料吸收体传感器研究

基于"Ⅰ"型谐振结构的太赫兹超材料吸波器可在0.523 THz处产生吸收率为99.5%,谐振峰半高宽为14 GHz,品质因数为37的极窄吸收峰,具有较强的频率选择性。在待测分析物厚度为8μm,折射率范围为1.0～1.8的情况下,该太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度为80.7 GHz/RIU,可作为高灵敏度的折射率传感器实现对待测分析物的检测。对谐振单元表面覆盖不同待测分析物情况下的电磁场分布进行仿真分析,揭示了折射率传感器的传感机理。此外,仿真研究了待测分析物厚度对该超材料吸收体传感器谐振频率及折射率灵敏度的影响。基于"Ⅰ"型谐振结构的太赫兹超材料吸波器具有结构简单、品质因数高、折射率灵敏度高等特点,在无标记的高灵敏度生物医学传感中具有潜在的应用前景。     

基于小波变换的太赫兹图像识别

太赫兹（THz）波对很多物质都有成像功能,可以侦测物质的化学性质,进行物质的识别。其成像技术在反恐、医学成像、无损探伤等方面显示出了巨大的应用前景。采用小波变换和图像的灰度直方图匹配技术对葵花籽的太赫兹信号数据进行分析实验,提出了一种识别被测物质的方法,在此方面进行了探索尝试,结果表明此方法可以对葵花籽仁、葵花籽皮和其他区域的太赫兹信号数据进行准确地分类,实现利用计算机自动识别物质的功能,这将有利于进一步进行太赫兹技术在物质鉴别方面的应用研究。     

太赫兹固态放大器研究进展

随着半导体技术的发展,晶体管特征频率不断提高,已经进入到太赫兹(THz)频段,使得固态器件可以在THz频段工作。THz放大器可以将微弱的信号进行放大,在THz系统中起着关键作用。介绍了基于氮化镓(Gallium Nitride, GaN)高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor, HEMT)器件、磷化铟(Indium Phosphide, InP) HEMT器件和InP异质结双极晶体管/双异质结双极晶体管(InP Heterojunction Bipolar Transistor/Double Heterojunction Bipolar Transistor, HBT/DHBT)器件的THz单片放大器研究进展。     

基于LabVIEW的太赫兹时域光谱分析软件

针对目前太赫兹光谱仪的数据采集和数据处理软件不能兼容的情况,设计了一个基于LabVIEW软件平台的THz时域光谱分析软件。主要研究了THz时域光谱系统的反射式以及透射式样品光学信息提取算法、支持向量机分类算法、以及偏最小二乘等分析算法以及它们的LabVIEW实现。该软件采用全LabVIEW代码实现,能够实现样品光学信息提取,物质分类识别以及多组分样品浓度分析,并且具有很高的移植性,可扩展性,与数据采集软件具有很好的兼容性。利用该光谱分析软件,分析了三种塑化剂的THz时域光谱信号,得到了它们在THz波段的折射率和吸收系数, 结果表明三种塑化剂可以用THz时域光谱完全区分,软件运行稳定可靠。     

基于太赫兹超材料吸波结构的研究进展

以太赫兹技术和基本的电磁理论为基础,主要从带宽、吸收率、灵敏度、频带、材料、重要使用领域等方面介绍了太赫兹超材料吸波结构近些年的一些主要研究成果。     

太赫兹技术应用进展

近年来太赫兹技术的高速发展为太赫兹技术应用提供了基础。太赫兹以其高频率高穿透性以及低光子能量等优势,在多个领域受到了重点关注,并在多个具体的应用方向上实现了初步的探索。着重讨论用于高速率高带宽通信的太赫兹无线通信技术、用于生物化学物质检测研究以及用于医学领域的太赫兹光谱成像技术、用于无损探测系统的光谱成像以及谱分析技术、用于安全检查领域的太赫兹人体成像技术等太赫兹技术应用领域的进展,并对应用中存在的挑战进行了简要总结。     

基于I型谐振结构的太赫兹超材料吸收体传感器研究

基于“Ｉ”型谐振结构的太赫兹超材料吸波器可在0.523THz处产生吸收率为99.5%,谐振峰半高宽为14GHz,品质因数为37的极窄吸收峰,具有较强的频率选择性。在待测分析物厚度为8μｍ,折射率范围为1.0~ 1.8的情况下,该太赫兹超材料吸波器的折射率灵敏度为80.7GHz/RIU,可作为高灵敏度的折射率传感器实现对待测分析物的检测,对谐振单元表面覆盖不同待测分析物情况下的电磁场分布进行仿真分析,揭示了折射率传感器的传感机理。 此外,仿真研究了待测分析物厚度对该超材料吸收体传感器谐振频率及折射率灵敏度的影响。基于“Ｉ”型谐振结构的太赫兹超材料吸波器具有结构简单、品质 因数高、折射率灵敏度高等特点,在无标记的高灵敏度生物医学传感中具有潜在的应用前景。     

宽频太赫兹时域光谱在药物鉴别中的初步研究

利用THz-ABCD(Terahertz Air Breakdown Coherent Detection)系统对同一厂家生产的牛黄上清片(有效期至2019年3月/有效期至2019年12月)分别进行压片测量,对时域信号进行处理分析,得到它们在0. 5～7 THz之间的有效特征吸收谱线,分析结果表明:在2. 37 THz之后,过期药品和正常药品的吸收幅值差距比较明显。与此同时利用太赫兹时域光谱技术对3种不同产地(川贝母、平贝母、浙贝母)的贝母中药进行测量和分析,得到了3种贝母在0. 5～6 THz之间的有效特征吸收谱,不同类型的贝母呈现不同的吸收光谱。结果表明,宽谱太赫兹时域光谱技术在药品控制和检测中有一定的应用前景。     

基于石墨烯材料的太赫兹波段频率可重构八木天线

传统天线中使用电子开关或PIN二极管开关等方式实现天线可重构功能,但是在太赫兹波段上会面临切换速度慢,偏置电路复杂等问题。石墨烯具有优异的电磁性能,可运用于太赫兹可重构天线中。根据石墨烯表面电导率模型,研究其电导率随频率、化学势的变化关系,证明了石墨烯在可重构天线设计中的可行性。设计了一款太赫兹波段石墨烯频率可重构八木天线,通过改变石墨烯贴片偏置电压改变石墨烯化学势,从而改变天线的工作模式。在HFSS软件中进行仿真优化,天线具有300GHz和500GHz两种频率的工作模式,最大增益分别达到9.29dB和10.28dB,表现出良好的辐射特性。     

一种基于BWO的太赫兹波透射式检测系统设计

搭建了以BWO（返波振荡器）为辐射源的透射式光路太赫兹检测系统,设计搭建了差分式的光路,并使用两个锁相放大器,完成了整个系统参数的配合及优化工作,使用VC＋＋．Net编译环境,采用多线程技术完成了对双锁相放大器的同步数据采集,操作方便,旨在为今后的太赫兹波传感器研究工作奠定基础。     

吡虫啉和代森锰锌的太赫兹光谱研究

为了解吡虫啉和代森锰锌两种农药在太赫兹波段的光谱特性,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术测量了室温下吡虫啉和代森锰锌在0.2-2.0 THz的高分辨率吸收谱和折射率谱.结果表明两种农药样品在此波段都有明显的特征吸收峰,且吸收谱存在显著差异.两种样品的平均折射率分别为1.65和1.32,随着频率的增加,吡虫啉的折射率增大,而代森锰锌的折射率减少.太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术可以鉴别不同种的农药分子,这对进一步利用该技术检测农药残留有重要的意义.     

高效快速融合的双LAN太赫兹无线局域网MAC协议

为了使两个独立运行的太赫兹无线局域网能快速完成协调融合以及提升融合后网络的性能,提出一种高效快速融合的双LAN太赫兹无线局域网MAC协议——EFC-MAC(efficient and fast convergence of MAC protocols)。首先,针对现有网桥节点选举机制不完善以及网络协调融合机制存在不足之处的问题,提出了在第一个网间节点进行申请入网时就开始进行网桥节点的选举,并将选举结果在下一超帧的BP时段进行通告的机制,并根据网络是否已经完成了协调融合而决定是否申请CTA以转发heartbeat消息的机制,使网络能高效快速完成融合;然后,针对网间节点申请公共时隙方式不够灵活的问题,提出根据P-CTAP所剩时隙量来动态申请CTA的机制,提升了网络的性能;最后,针对网桥节点切换机制尚不明确的问题,提出了采用一个CAP时段长度完成网桥节点切换的机制。仿真结果表明,所提协议有效提高了网络吞吐量,提升了时隙利用率以及降低了数据传输时延。     

基于网络协调器高效切换的太赫兹无线个域网接入协议

针对现有的太赫兹无线个域网（THz-WPAN）相关接入协议涉及到的网络协调器（PNC）切换流程不够完善、存在传输冗余信息和较为明显的时隙资源浪费问题,提出一种基于PNC高效切换的太赫兹无线个域网接入协议（PCHEH-AP）。PCHEH-AP通过利用删除指定节点冗余信息、切换先确认以及PNC切换自适应时隙分配等新机制优化了PNC切换流程,提高了信道利用率,减少了数据时延,使得PNC切换更加合理和高效,能够更好地适应于太赫兹无线网络高业务量的需求。仿真结果表明,相比IEEE 802.15.3c定义的协议及HTLL-MAC协议,PCHEH-AP的数据时延至少降低了8.98%,MAC层吞吐量也提升3.90%。