基于太赫兹光谱的爆炸物检测技术研究

发布时间：2018-02-01 05:18

  本文关键词： 太赫兹 爆炸物 时域光谱 模糊聚类 定量分析　出处：《中北大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：太赫兹光谱一般特指0.1THz~10THz波段电磁辐射,在电磁波谱中位于微波和红外辐射之间,广义的太赫兹辐射可指0.1THz~100THz的红外辐射。与其它电磁辐射相比,太赫兹光谱具有瞬态性、宽带性、低能性、穿透性等特殊性质。随着交通运输的发展,各车站港口的安检压力增大,人们对安检仪器和安检手段也提出了更高的要求。而许多爆炸物分子在太赫兹波段具有不同的特征吸收峰,即具有“指纹”特性。太赫兹光谱技术可提供一些传统探测技术如微波和X射线技术不能提供的信息,在爆炸物探测、地雷探测、军用通信等军事领域以及安全检查、医学人体成像等民用领域都有广阔的应用前景。论文研究内容包括:(1)描述了太赫兹波性质、探测原理和爆炸物发展现状,提出了基于太赫兹光谱的爆炸物检测方法,并进行了仿真、实验与结果分析。(2)介绍了典型爆炸物基本原理和爆炸物太赫兹光谱仿真方法,研究了爆炸物制备工艺。(3)使用分子动力学方法计算得到了PETN、TNT、HMX、LLM105、RDX、DNAN、HNS、DNMT八种爆炸物在0.1THz~60THz波段的太赫兹光谱。(4)构建基于时域光谱分析的太赫兹光谱测试系统实现了爆炸物太赫兹光谱检测,用模糊聚类和线性回归法进行了光谱分析,最后研究了吸收峰与化学键和基团的对应关系。具体开展工作及创新点如下:(1)用分子动力学Gaussian软件通过分子建模,结构优化和频率计算对PETN、TNT、HMX、LLM105、RDX等八种典型爆炸物的太赫兹光谱进行仿真。发现爆炸物分子在10THz~60THz波段内有很强的吸收,在0.1THz~10THz波段也有较小的吸收信号,利用Matlab软件对几种炸药0.1THz~10THz波段的光谱进行了数据提取。(2)用傅里叶红外光谱仪对压片状和粉末状PETN、TNT、HMX、LLM105、RDX五种爆炸物光谱进行探测,获得了10.5THz~60THz太赫兹吸收光谱并提取了特征吸收峰,测得的特征吸收峰与仿真结果基本吻合。(3)自建了太赫兹时域光谱系统,测量了RDX、HMX、钝感RDX、钝感HMX、LLM105五种爆炸物0.1THz~2.5THz太赫兹吸收光谱并提取了特征峰,测得的特征吸收峰与仿真结果基本吻合。(4)为了便于公共安检应用,采用便携式Mini-Z太赫兹光谱仪对HNS、DNAN、DNMT三种粉末爆炸物进行了反射和透射光谱探测(光谱范围0.1THz~2.5THz),提取了特征吸收峰;采用便携式TAS7500SP光谱仪测得了TNT在较宽范围内(0.5THz~4THz)的五种光谱,包括吸收系数、反射谱、反射比、透射谱和透射比,并提取了特征峰值。(5)用模糊聚类方法对RDX、HMX、DNAN、HNS、DNMT、LLM105进行了分类,为进一步建立炸药太赫兹光谱数据库奠定了基础;采用线性回归方法对RDX进行定量分析,验证了太赫兹时域光谱技术在炸药含量测量应用中的可行性。(6)从分子动力学的角度,运用Masterial Studio的Dmol3模块计算HMX、DNAN的特征吸收峰,结合实验结果利用可视化模块分析了HMX、DNAN分子在特征频率处的振动模式,发现特征吸收峰的产生与分子的基团振动、扭动、旋转以及化学键的伸缩振动有密切的关系。上述研究工作为丰富爆炸物光谱,建立爆炸物的太赫兹指纹库,实现公共安全应用奠定基础。
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【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：D918.93;O657.3
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本文编号：1481033