太赫茲檢測林木表面下的蟲害痕跡

樹木具有保持生態(tài)平衡、防風(fēng)固沙的作用，能夠改善貧瘠的土地與惡劣的氣候，對人類的生存環(huán)境而言必不可少，并且處理后的木材也是建筑、家具、文化產(chǎn)業(yè)等必不可少的原料。

然而，由于氣候變化和全球化，近年來樹木蟲害的情況顯著增加。蛀蟲通常在枯木和活樹的樹皮正下方的區(qū)域繁殖，蟲蛋孵化后，每只幼蟲都會吃掉自己的韌皮，這就導(dǎo)致了物種典型的鉆孔。甲蟲和幼蟲以所謂的韌皮為生。在樹皮內(nèi)是樹木的血管，用來運輸水分和營養(yǎng)物質(zhì)。如果一棵樹受到嚴(yán)重影響，樹冠和樹根之間的水和營養(yǎng)物質(zhì)流動就會受到干擾，最終樹就會死亡，并且這種蟲害是會擴(kuò)散到整個森林區(qū)域的。

為了防止大范圍的蟲害，經(jīng)常在沒有必要的情況下砍伐了健康的樹干，需要砍伐的病害樹目前只能通過目測來確定。然而，通常最早發(fā)生蟲害的區(qū)域在樹木的較高處，這種視覺評估是不可能的。

蟲害對林業(yè)來說正成為一個代價越來越高的問題，特別是在干旱加劇和與氣候變化有關(guān)的炎熱地區(qū)。目前人們主要采取預(yù)防的方式，比如通過誘捕裝置和信息素的結(jié)合監(jiān)測低密度的蛀干害蟲成蟲的種群動態(tài)，但是對樹木內(nèi)部的蟲害監(jiān)測，特別是在沒有外部表現(xiàn)時的蟲害判斷，是很難實現(xiàn)的。

到目前為止，還沒有一種技術(shù)方法可以在不去除樹皮的情況下定性地評估昆蟲挖洞的存在或傳播。因此，需要一種非破壞性的方式中獲得關(guān)于木材質(zhì)量等級的精確信息，從而實現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的林業(yè)使用和保護(hù)。

看到表面以下

科學(xué)家們提出了一種新的太赫茲成像技術(shù)，可以通過在木材外部可見之前檢測到木材內(nèi)部的昆蟲損傷來幫助減緩蟲害侵?jǐn)_的傳播。該研究發(fā)布在光學(xué)學(xué)會雜志《應(yīng)用光學(xué)》（Applied Optics）上，研究人員報告了他們?nèi)绾问褂锰掌濓w行時間斷層掃描技術(shù)來非侵入性地識別木材樣品，這些木材樣品具有甲蟲造成的內(nèi)部損傷，這種甲蟲感染了歐洲的云杉和其他針葉樹，他們還能夠通過太赫茲成像技術(shù)重建木材樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

檢測的云杉樣本。(a)、(b)測量面積用鋁制矩形表示。(c)， (d)去除表面后的樣品顯示了蛀蟲侵染引起的樹皮以下的不同結(jié)構(gòu)。

太赫茲技術(shù)是大約三十年前興起的一項技術(shù)，能夠訪問100 GHz到10太赫茲(30毫米和30毫米)之間難以捉摸的電磁頻譜，從那時起已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。太赫茲輻射越來越多地被用于跨學(xué)科研究，以確定不同形式的材料空腔在各個領(lǐng)域，包括藝術(shù)、醫(yī)學(xué)或質(zhì)量控制。電磁頻譜的太赫茲區(qū)域位于微波和紅外區(qū)域之間。它用于許多機(jī)場的全身掃描儀等應(yīng)用，因為它不會傷害人或被檢查的材料，并且可以穿透衣服、塑料和植物材料等材料。

這是第一次使用太赫茲的技術(shù)方法來檢測昆蟲鉆孔，太赫茲飛行時間斷層掃描的工作原理與超聲波測量非常相似，因為木材樣品中的每個界面都反映了一定量的太赫茲輻射，這些輻射根據(jù)其時間依賴順序進(jìn)行檢測和分析。昆蟲建造的每個地下隧道都通向一個新的界面，輻射被反射在上面。

(a)未感染云杉和(b)感染云杉樣本的表面模型，測量區(qū)域用彩色矩形突出顯示，白色虛線分別表示(c)和(d)中太赫茲數(shù)據(jù)對應(yīng)截面的位置。

“受感染的樣本將比未感染的樣本反射更多的太赫茲輻射，因為界面會更少，”克魯格納說?！按送?，單個反射的太赫茲信號可用于形成整個區(qū)域的圖片，以便可視化受感染木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“我們的方法可用于檢測樹干，進(jìn)口木材或早期侵?jǐn)_階段木制品上的早期昆蟲侵?jǐn)_，”來自德國HAWK應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊成員Kirsti Krügener說。“這可能有助于阻止來自其他國家的有害昆蟲，并在侵?jǐn)_蔓延到整個森林之前阻止侵?jǐn)_。

將太赫茲技術(shù)納入便攜式儀器可以評估森林中的個別樹木，以便只需要清除受感染的樹木。因為它不會損壞正在成像的樣品，所以該技術(shù)也可用于調(diào)查木乃伊，研究和修復(fù)藝術(shù)或工業(yè)質(zhì)量控制。

不止平坦表面

盡管太赫茲飛行時間斷層掃描已經(jīng)使用了近20年，但直到最近，它只能應(yīng)用于平面樣品。兩年前，研究人員開發(fā)了新程序，使用機(jī)械臂逐點掃描任意形狀的樣品，同時保持發(fā)射器 -接收器 -頭垂直于樣品表面并與樣品表面保持規(guī)定的距離。

研究人員將這些方法應(yīng)用于對具有已知和未知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的木材樣品進(jìn)行成像。他們將結(jié)果與傳統(tǒng)斷層掃描技術(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)由太赫茲信號重建的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與X射線或計算機(jī)斷層掃描可以實現(xiàn)的效果非常吻合。他們能夠通過檢測甲蟲洞穴來區(qū)分受感染和未受感染的樣品，這些洞穴位于木材表面以下達(dá)1cm處。

“太赫茲測量的深度分辨率高于傳統(tǒng)的X射線技術(shù)，可與顯微CT相媲美，”Krügener說?！叭欢c顯微CT不同，太赫茲系統(tǒng)可以用于任何尺寸的樣品。

太赫茲橫截面與 CT圖像之間的比較。

研究人員現(xiàn)在正在努力提高測量和數(shù)據(jù)分析的速度，并開發(fā)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，使該方法更適用于檢測受感染的木材。他們還希望開發(fā)一種可用于現(xiàn)場的便攜式儀器，能夠讓林業(yè)人員在森林現(xiàn)場快速監(jiān)測林木是否受到蟲害侵蝕，不過目前距離這樣的便攜式設(shè)備還需要更多的研究投入。

對于林業(yè)，太赫茲除了對蟲害進(jìn)行探測以外，還可以對真菌感染的木材做評估。該課題組的成員還利用太赫茲輻射對木材樣品中真菌的生長程度做了研究，他們發(fā)現(xiàn)從太赫茲測量中提取的參數(shù)與真菌侵染的進(jìn)展之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，這表明太赫茲成像可能是一種有價值的非接觸檢測木材的工具。

因此，太赫茲成像技術(shù)對于林業(yè)，一方面可以用于林木內(nèi)部蟲害、真菌感染等損傷情況做無損檢測，從而在病害初期遏制住擴(kuò)散，減少自然損失和經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，在木材進(jìn)入市場之前，太赫茲成像技術(shù)也有潛力對木材的質(zhì)量做相應(yīng)評估，在投入建筑、家具等市場應(yīng)用之前排除不良品，避免造成后續(xù)潛在的嚴(yán)重后果。

虹科太赫茲成像方案

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同應(yīng)用場景的太赫茲成像檢測方案，可用于實驗室的林木樣品蟲害的檢測研究，以及用于現(xiàn)場檢測的相關(guān)便攜式設(shè)備的開發(fā)。

虹科亞太赫茲多功能雷達(dá)：

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達(dá)。150G的輸出波段對木材具有優(yōu)異的穿透性；采集深度信息，能夠獲得不同深度位置的圖像效果，空間分辨率2mm；還有厚度測量與材料識別功能；緊湊單體結(jié)構(gòu)，適合實驗室、現(xiàn)場檢測等多種應(yīng)用環(huán)境。

虹科TeraEyes-HV實時成像系統(tǒng)：

多功能、實時太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應(yīng)用?；诹孔蛹壜?lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源，具有250um的最優(yōu)分辨率，實現(xiàn)細(xì)節(jié)的高分辨探測；太赫茲相機(jī)每秒采集50幀圖像，可實現(xiàn)林木樣品的實時穿透成像，查看內(nèi)部缺陷情況，并最終可實現(xiàn)三維重建效果。

虹科TeraScan 100：

基于 FMCW雷達(dá)技術(shù)的深度 3D亞太赫茲掃描儀。120G的輸出波段能夠有效穿透木材，實現(xiàn)對樣品內(nèi)部的檢測；x-y-z機(jī)動平移臺上，可掃描 300x300mm的大樣本；結(jié)合定制設(shè)計的可互換光學(xué)元件，能夠提供 1.8mm的空間分辨率；內(nèi)部開發(fā)的雷達(dá)信號處理算法在 100 ms的單次測量中允許超過 60 dB的動態(tài)范圍，實現(xiàn)對小尺寸林木樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類信息。

參考文獻(xiàn)

【1】Kirsti Krügener et al, THz tomography for detecting damages on wood caused by insects, Applied Optics (2019), 58（22）, 6063

【2】Kirsti Krügener et al, Monitoring fungus infestation of common beech wood using terahertz radiation, Holzforschung, vol. 74, no. 7, 2020, pp. 635-641.

審核編輯 黃昊宇