基于THz光谱的HNS单体猛炸药含量分析系统

李 静, 鲁旭涛, 吕海峰, 孙运强

1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051 2. 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051

基于THz光谱的HNS单体猛炸药含量分析系统

李 静1,2, 鲁旭涛1,2, 吕海峰1,2, 孙运强1,2

1. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051 2. 中北大学电子测试技术国家重点实验室, 山西 太原 030051

现有的傅里叶变换红外光谱仪无法实现六硝基芪的光谱定量分析，而作为常见单体猛炸药而言，能够快速识别并定量分析其含量具有重要意义，故研究设计了一种基于THz光谱技术的HNS检测系统。系统采用透射式吸收光谱计算模式。光路中引入电光调制模块，实现稳定快速的光程静态扫描。在实验获取HNS特征吸收峰位置的基础上，结合空气在此波段的吸收特性，获得了光谱数据相关系数表达式，并由此确定了多特征波长选择依据。结合比尔-朗伯定律，给出了HNS含量的函数表达式及其系数公式。实验通过化学配置法得到不同HNS含量的样品粉末，并以此含量作为标准值。将不同含量的多组HNS样品粉末进行压片处理，分别采用太赫兹光谱仪和本系统进行HNS含量检测。实验结果可知，HNS含量在0.10%～50.00%范围内两种检测方法效果相近，与标准值误差均低于5.0%，且本系统具有更好的线性度。

太赫兹技术；光谱检测；光谱匹配；六硝基芪

引 言

六硝基芪(hexanitrostibene，HNS) 是—种单体猛炸药，CAS： 20062-22-0，其化学分子式为[C6H2(NO2)3CH]2(六硝基二苯基乙烯)。其特点是低感度、高熔点、化学特性稳定和机械感度低。其被广泛地应用于爆破、熔铸炸药制造等方面，对其快速检测具有重要意义和实用价值[1-2]。

国内外对常见爆炸物的检测手段包括： X射线探测法、中子活化探测法[3]、核磁共振法[4]、等离子谱检测法[5]、红外光谱吸收法和THz检测法。X射线探测法[6]是利用X射线具有强穿透性的特点，从而可以判断是否存在高密度固体炸药，其常用于机场、车站的安检。但其主要依据密度检测，基本不具备识别种类的能力。中子活化探测法[7]是通过发射γ射线照射爆炸物，其表面产生化学反应从而分析其种类及浓度，精度高、稳定性好，但其设备结构复杂且具有一定的放射性，限制了其应用范围。核磁共振法[8]是通过被测物中氢核的共振特性不同而实现的，通过计算其含氢量反演爆炸物的种类和浓度。但其检测结果受被测物挥发性的影响，对于低挥发性的炸药并不适用。等离子谱检测法[9]是通过检测由离子跃迁产生的特定波长的物质识别方法，虽然其识别能力强，但受被测物质纯净程度的影响明显。红外光谱分析法通过被测物的光谱吸收特性分析物质的成分和含量，被广泛应用于物质分析领域，但包括六硝基芪在内的多种单体猛性炸药在近红外光谱范围内都没有明显的特征吸收峰，所以很难应用该法实现定性定量的分析。THz检测法[10-12]是介于红外与微波间的特殊波段，其特点在于有机物而言具有明显的吸收特性，故非常适合应用于对有机物构成的炸药的定性定量检测。本研究基于THz光谱检测技术对六硝基芪进行定量分析。

1 系统设计

基于THz波段的物质检测技术主要分为透射式和反射式，相比而言，透射式系统的检测精度高、稳定性好，故采用透射式检测六硝基芪的样品粉末。

如图1所示，系统由THz光源、分束器、调制模块(调制电路、换能器、调制晶体)、反射镜、光电探测器、样品池、处理器等构成。THz激光由系统产生，入射样品检测模块。其中一束透射样品池从而获得包含样品特征波长信息的透射光，另一束作为参考光。为了获取一定的光程扫描范围且避免机械运动部件的扰动，采用在参考光路2中加入调制模块的方式，使参考光与信号光相干从而产生干涉信号。在对干涉信号进行傅里叶变换后得到含有HNS吸收特征信息的光谱分布函数，再与THz光谱数据库中HNS的特征分布进行比较从而实现对未知粉末中HNS含量的检测。其中，样品池中采用的粉末需要制成压片，压片厚度大约为0.6 mm，过厚会大幅影响透射效果，过薄吸收量少特征峰值不明显影响信噪比。

图1 透射式太赫兹检测系统原理图

2 HNS含量求解

采用透射模式可以套用定律[13]进行计算，但由于HNS含量计算是针对HNS粉末压片而言，即非一定是低浓度又不能保证高均匀性，故直接代入公式求解不合适，需要进行校正。首先给出定律纯HNS粉末的基本表达式

(1)

式(1)中d表示吸光被测样品的厚度，α(λ)表示摩尔吸收系数，It(λ)表示透射被测物质后的光强，I0(λ)表示初始光强。在此基础上，通过求解高低浓度标准值和选取多个特征波长的方式完成对HNS检测浓度的校正。首先，对初始光进行光谱分析，获取其光谱分布函数，作为HNS含量0%的光谱特性函数。其次将纯HNS粉末制作成HNS压片进行光谱分析，获取其光谱分布函数，作为HNS含量100%的光谱特性函数。由此限定HNS粉末光强吸收范围，减小其他物质对HNS含量检测的影响。最后，在特征光谱中选择若干个具有HNS光谱特性的且相关系数小的特征波长，并将该数据融合求解HNS含量。

2.1 系数计算

在通过初始光和透射光计算HNS浓度之前，首先要获取标准量计算条件下的系统系数值。由于静态调制范围小，故将THz信号产生的弱电场和HNS样品的作用过程近似为线性关系。则其信号比值为

(2)

式(2)中，Et(λ)表示HNS样品产生的复电场信号，Eo(λ)表示参考光产生的复电场信号，T(λ)表示穿透HNS样品的THz电场强度，Δδ(λ)表示相位产生的变化量。由此可知，信号比的获得依赖于对T(λ)和Δδ(λ)的求解，T(λ)是直接探测得到的，故Δδ(λ)和α(λ)可别求解得到式(3)和式(4)

(3)

(4)

由式(2)和式(3)可知，在有样品关于波长的折射率函数n(λ)和透射光强T(λ)的基础上，信号比即可获得。然后通过对含量为0%和100%的HNS样品进行定标就可以进行任意含量HNS粉末的检测了。

2.2 获取特征峰

对于传统的透射式吸收光谱浓度求解而言，只需找到对被测物质吸收效果最强的波长位置即可，但这样不能排除干扰物质的影响，受样本组成影响明显。本系统中选择多个特征波长，其中包括吸收效果最强的波长位置以及多个参考波长位置，用于排除干扰物造成的光谱变化。为了得到合适的特征波长位置，采用型THz光谱仪完成对HNS样品特征光谱的获取，其THz光谱分布如图2所示。

图2 HNS的THz透射特征光谱

通过对HNS粉末在1.5～2.0 THz范围内的光谱分析可知，其在1.54 THz处存在一个明显的吸收峰。由此可知，可以通过对中心波长1.54 THz附近进行波长扫描，从而实现精确的HNS含量求解。

2.3 最佳光谱匹配

在得到了HNS的THz光谱分布及其主特征吸收峰位置的基础上，还需要考虑实际测试中空气介质对样品测试的影响，故首先获取空气在1.5～2.0 THz范围内存在的主要特征吸收峰，为1.47和1.76 THz。在此基础上，利用光谱匹配算法完成对多特征波长的选择从而实现最佳光谱匹配。

对于光谱数据的匹配，主要考虑HNS特征光谱分布与空气特征光谱分布对应特征波长位置上的相关系数，从而可以分析光谱数据的平均值以及协方差，计算两组光谱数据的最佳匹配分布。为了尽量降低外部环境对HNS含量的检测影响，确保数据分布的同比例效果，在统一的标准化数据基础上，设HNS的光谱数据为xi|HNS，空气的光谱数据为xj|air，有两组数据的相关系数表达式为式(5)

(5)

在光谱数据选择过程中，依据以上两组光谱数据的相关性确定特征波长的选择。

3 实验部分

3.1 仪器

光源采用系列THz激光器，调制系统采用铌酸锂晶体及调制电路完成。被测单体猛炸药为六硝基芪(HNS)，实验测试对应样品粉末的含量，被测样品被做成厚度0.6 mm的薄片，再通过1000型太赫兹光谱仪的测试数据进行对比分析。

3.2 结果分析

采用化学配制法(A)配制不同含量的多组HNS混合粉末样品，并以配制百分比作为标准值，将采用型THz光谱仪(B)对样品粉末进行分析，同时与本系统(C)的测试结果进行对比，从而分析采用调制型THz光谱仪对HNS含量的检测能力。不同HNS含量粉末的检测数据如表1所示。

通过对实验数据的分析可知，对HNS含量在0.10%～50.00%范围内的多组样品进行检测，检测结果基本符合标准值。当HNS含量在0.10%～10.00%范围内时，检测误差优于5.0%，当HNS含量在20.00%～50.00%范围内时，检测误差优于3.0%。实验结果显示，随着被测样品中HNS的含量的增加，检测误差降低，对比太赫兹光谱仪也有此种变化特性，分析其原因是由于HNS比重增大而使THz激光吸收过程充分，受样品中HNS分布位置影响降低所致。相比之下，两种方法均可对HNS含量进行准确检测，但对实验数据进行数值分析可知，本系统的测试结果线性度更高，有利于对未知含量的HNS粉末进行标定。

表1 不同HNS含量粉末的检测数据表

4 结 论

研究了一种基于THz光谱分析的六硝基芪单体猛炸药定量检测系统，设计了系统整体结构。给出了HNS含量函数表达式及其对应系数计算方程。通过实验获取了六硝基芪与空气的THz光谱数据分布及其主特征峰位置信息，在此基础上，推导了光谱数据相关系数表达式，并由此确定了多特征波长选择依据。实验针对不同含量的多组HNS标准样品进行HNS含量检测，并对比太赫兹光谱仪与本系统的实验数据，结果显示，在0.10%～50.00%范围内，两种系统的实验数据相近，误差均小于5.0%，并且本系统的线性度略优于太赫兹光谱仪。由此可见，本系统符合设计要求。

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(Received Apr. 12, 2015; accepted Aug. 20, 2015)

Study on the Design of Explosive (HNS) Content Analysis System Based on THz Spectrum Monomer

LI Jing1,2, LU Xu-tao1,2, LÜ Hai-feng1,2, SUN Yun-qiang1,2

1. Key Laboratory of Instrumentation Science & Dynamic Measurement，North University of China, Ministry of Education, Taiyuan 030051, China 2. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology of North University of China, North University of China, Taiyuan 030051, China

HNS quantitative spectral analysis can not be achieved with the existing infrared Fourier transform spectrometer. As a common monomer explosive concerned, quick identification and quantitative analysis of the substance is important，so it is necessary to research and design a HNS detection system based on THz spectroscopy. Transmissive mode was used in the system to calculate the content of HNS. Electro-optic modulator module was introduced in the system, in order to achieve steady and rapid static scanning optical path. In the experiments HNS characteristic absorption peak positions were acquired. With this basis, combined air absorption characteristics of the wavelength band and spectrum data correlation expression was obtained, thus more characteristic wavelengths selected were determined. According to Beer-Lambert law, the function expression of HNS content and coefficient formula were presented. In the experiment different content of HNS sample powder was obtained with chemical configuration method with the content at the standard level. It made HNS sample powder into HNS Sample slice for all HNS samples, and it carried out HNS content testing with MINI-Z Terahertz spectroscopy and the system. Experimental results show that the results of the two methods are similar in the range of 0.10% to 50.00% for HNS content. Their error is less than 5.0% compared to the standard value, and the system has better linearity.

Terahertz technology; spectroscopy; spectrum matching; HNS

2015-04-12，

2015-08-20

国家自然科学基金项目(51305409)，山西省教育厅高等学校科技创新项目(2014141) 资助

李 静，女，1983年生，中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室讲师 e-mail: lijnuc@163.com

TP216

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)11-3506-04