太赫茲技術(shù)用于香煙檢測(cè)

在生產(chǎn)包裝的多個(gè)環(huán)節(jié)，香煙都可能存在一些制造失誤，比如香煙濾棒連接有誤、包裝內(nèi)部存在異物等，對(duì)每一根香煙的規(guī)格都需要進(jìn)行檢測(cè)，從而保證生產(chǎn)合規(guī)。這離不開專業(yè)的檢測(cè)手段，現(xiàn)階段香煙行業(yè)以人工檢測(cè)、白光+相機(jī)的機(jī)器視覺方案實(shí)現(xiàn)表面缺陷等簡(jiǎn)單檢測(cè)，然而對(duì)于包裝好的單支香煙、以及香煙盒內(nèi)部情況的檢測(cè)，卻還沒有廣泛應(yīng)用的技術(shù)方案。

太赫茲成像技術(shù)

太赫茲波是處于微波與紅外之間，定義頻率在0.1~10 THz, 波長(zhǎng)在3~0.03 mm之間的電磁波。

由于其在電磁波頻譜的特殊位置，其在文物檢測(cè)領(lǐng)域具有明顯優(yōu)勢(shì)：光子能量低，不具有電離輻射；極易透過非極性和非金屬材料，包括陶瓷、帆布、木材、紙張等常見藝術(shù)品的承載材料；頻段處在許多生物大分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，可根據(jù)太赫茲波的強(qiáng)吸收和諧振特性建立分子指紋特征譜鑒別物質(zhì)成分；太赫茲波段的高頻率對(duì)應(yīng)于更短的波長(zhǎng)，能夠達(dá)到比微波成像更高的空間分辨率；不需要接觸表面，實(shí)現(xiàn)無損探測(cè)?；谝陨蟽?yōu)勢(shì)，太赫茲成像技術(shù)在安檢、生物檢測(cè)與工業(yè)無損檢測(cè)等方面具有極佳的應(yīng)用前景。

太赫茲成像系統(tǒng)目前也有多種配置，比如基于飛秒激光與光電導(dǎo)天線的TDS系統(tǒng)，基于FMCW雷達(dá)的收發(fā)一體的反射式成像雷達(dá)等，根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景可以選擇不同的成像配置。香煙的外殼是紙張材質(zhì)，太赫茲可以輕松穿透，基于太赫茲成像系統(tǒng)，我們可以對(duì)香煙進(jìn)行穿透成像，查看到樣品內(nèi)部的情況，從而發(fā)現(xiàn)缺陷和異物。

太赫茲香煙成像實(shí)例

本次對(duì)香煙進(jìn)行成像測(cè)試采用的是虹科太赫茲雷達(dá)掃描儀TeraScan 100，通過對(duì)不同尺寸的香煙進(jìn)行太赫茲成像，成功查看到香煙的內(nèi)部爆珠以及不同的成分結(jié)構(gòu)，體現(xiàn)了太赫茲技術(shù)在香煙檢測(cè)應(yīng)用的絕佳潛力。

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測(cè)試樣品

本次測(cè)試的樣品是4種香煙，每種2支，同一種香煙的直徑相同。A至D的直徑分別為5mm、6mm、7mm和7mm。A組在香煙兩端22mm和36mm處都有內(nèi)含物，D組也由三個(gè)不同的部分組成。

測(cè)試目的是識(shí)別香煙樣品的每個(gè)部分（組成與形狀），并評(píng)估TeraScan 100（120GHz）是否能夠區(qū)分樣品的所有組成部分。除此以外，還需要確認(rèn)太赫茲技術(shù)是否能夠區(qū)分A樣品中存在的小球形夾雜物（香煙爆珠）。

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測(cè)試設(shè)置

橫向分辨率對(duì)于該測(cè)試而言是重要的，以便能夠區(qū)分這些樣品的不同成分。對(duì)于這個(gè)樣品，我們設(shè)置橫向分辨率（移動(dòng)步長(zhǎng)）為1mm。我們將平均成像，以獲得高質(zhì)量的成像，同時(shí)也不會(huì)有太長(zhǎng)的掃描時(shí)間。我們在樣品背面放置金屬板，以增加樣品的反射率，并具有更好的對(duì)比度。

采用虹科太赫茲雷達(dá)掃描儀TeraScan 100，基于連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá)的原理，中心頻率為120GHz，探測(cè)速率10Hz，是一套集太赫茲雷達(dá)、掃描平臺(tái)與成像軟件為一體的完整成像系統(tǒng)。

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測(cè)試結(jié)果

下圖是四組樣品的生產(chǎn)規(guī)格圖：A為5段，兩段中分別有兩顆爆珠。B為1段，長(zhǎng)度更短。C由兩段組成，D由三段組成，尺寸不同。

通過太赫茲雷達(dá)檢測(cè)得到香煙的圖像，如下圖所示。

A組與B組香煙樣品

樣品A和B樣品均符合規(guī)格， 除了1B短于2B。除A樣品外，未見異常和內(nèi)部夾雜物。在預(yù)期的位置可以觀察到樣品A的球形夾雜物（爆珠）。所有不同的部分都是可區(qū)分的。

C組與D組香煙樣品

從太赫茲?rùn)z測(cè)結(jié)果來看，樣品C沒有任何異常。而樣本D并不符合規(guī)格(示意圖)，這組太赫茲?rùn)z測(cè)圖中顯示了四個(gè)不同的部分，而示意圖只有三個(gè)部分，從而發(fā)現(xiàn)了不合規(guī)的產(chǎn)品。

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測(cè)試結(jié)論

TeraScan 100 太赫茲系統(tǒng)完全能夠區(qū)分不同的樣品部件，還能夠識(shí)別A樣品上的球形夾雜物（爆珠），以及分辨出所有樣品的密度差別。顯示了太赫茲技術(shù)在香煙檢測(cè)應(yīng)用的極大潛力。

虹科太赫茲方案

• TeraScan 100雷達(dá)掃描儀：

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紙盒、塑料等包裝材料，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品內(nèi)部的檢測(cè)；x-y-z 機(jī)動(dòng)平移臺(tái)上，可掃描 300x300mm 的大樣本；結(jié)合定制設(shè)計(jì)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(hào)處理算法在 100 ms 的單次測(cè)量中允許超過 60 dB 的動(dòng)態(tài)范圍，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類信息。

• 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(duì)非金屬包裝材料具有優(yōu)異的穿透性；采集深度信息，能夠獲得樣品不同深度位置的圖像效果，空間分辨率2mm；還有厚度測(cè)量與材料識(shí)別功能，可用于樣品的涂料厚度、相關(guān)參數(shù)測(cè)量等應(yīng)用；緊湊單體結(jié)構(gòu)，適合實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等多種應(yīng)用環(huán)境。

• TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)：

多功能、實(shí)時(shí)太赫茲成像系統(tǒng)，適用于全場(chǎng)高分辨率應(yīng)用。基于量子級(jí)聯(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(shí)現(xiàn)樣品細(xì)節(jié)的高分辨探測(cè)；太赫茲相機(jī)每秒采集50幀圖像，可實(shí)現(xiàn)樣品的實(shí)時(shí)穿透成像，查看內(nèi)部缺陷情況，并最終可實(shí)現(xiàn)三維重建效果。