巖石彈性波速度和飽和度-孔隙流體分布的關(guān)系(完整版)實(shí)用資料

巖石彈性波速度和飽和度_孔隙流體分布的關(guān)系（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）

巖石彈性波速度和飽和度、孔隙流體分布的關(guān)系巖石彈性波速度和飽和度_孔隙流體分布的關(guān)系（完整版）實(shí)用資料(可以直接使用，可編輯完整版實(shí)用資料，歡迎下載）史1沈文略1楊東全21北京大學(xué)地質(zhì)學(xué)系,北京1008712清華大學(xué)工程力學(xué)系,北京100084摘要在實(shí)驗(yàn)室對6種砂巖進(jìn)行了連續(xù)的進(jìn)水和失水實(shí)驗(yàn).測量了兩個(gè)過程的縱波速度VP、橫波速度VS進(jìn)水和失水速率隨飽和度SW的變化;分析了低飽和度時(shí)流體對巖石彈性性質(zhì)的影響.實(shí)驗(yàn)表明,進(jìn)水和失水過程顯示不同的縱、橫波速度與飽和度關(guān)系,速度不僅與飽和度有關(guān),還與不同飽和階段的孔隙流體分布有關(guān),而且也是水和巖石骨架之間的物理及化學(xué)作用所致.關(guān)鍵詞波速飽和度孔隙流體分布巖石物理文章編號(hào)0001-5733(200301-138-05中圖分類號(hào)P584收稿日期2001-05-18,2002-06-20收修定稿.THERELATIONSHIPWAVEVELOCITIESWITHSATURATIONANDFLUIDDISTRIBUTIONINPORESPACESHIGE1SHENWENLUE1YANGDONGQUAN21DepartmentofGeology,PekingUniversity,Beijing100871,China2DepartmentofEngineeringMechanicsofTsinhuaUniversity,Beijing100084,ChinaAbstractContinuousimbibitionanddehydratingexperimentsarecarriedoutforsixsamplesinlaboratory.Compressionalwavevelocity(VPandshearwavevelocity(VS,theimbibition’sanddehydratingratewithwatersaturationaremeasuredduringthetwoprocesses.Theinfluenceofporefluidonrockelasticpropertiesatlowsaturationisanalyzed.Theexperimentsshowthatdifferentsaturationprocessleadstodifferentvelocity2saturationrelationship.Thevelocitiesarenotonlyrelatedtowatersaturation,butalsorelatedtoporefluiddistributionduringdifferentsaturationstage.Thevelocitiesarealsorelatedtothephysicalandchemicalinteractionbetweenwaterandrockskeleton.KeywordsVelocity,Saturation,Porefluiddistribution,Rockphysics.1引言根據(jù)Biot理論和Gassmann方程,孔隙流體使巖石的縱波速度VP增加,而橫波速度VS略有降低[1,2].這一結(jié)論是建立在流體在孔隙中均勻分布的假設(shè)基礎(chǔ)之上的.許多實(shí)驗(yàn)證實(shí)縱、橫波速度和飽和度有關(guān)[3~6].Gregory[7]認(rèn)為,飽和度對低孔隙巖石速度的影響要大于對高孔隙度巖石的影響;完全水飽和巖石的VP明顯大于部分飽和的巖石;VS并不總是隨飽和度的增加而降低,而是和壓力、孔隙度、孔隙流體與巖石骨架之間的化學(xué)作用等因素有關(guān).Domenico[8]的研究表明,含水飽和度較低時(shí),隨著飽和度增加,樣品密度的增加使VP有所降低;但當(dāng)飽和度達(dá)到較高值時(shí),巖石的孔隙度明顯增加,超基金項(xiàng)目國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(49774239.作者簡介史,女,1943年生,1966年畢業(yè)于北京大學(xué)地球物理系,教授,博士生導(dǎo)師,從事地球物理教學(xué)和超聲波地震模型實(shí)驗(yàn)及巖石物第46卷第1期2003年1月地球物理學(xué)報(bào)CHINESEJOURNALOFGEOPHYSICSVol.46,No.1Jan.,2003過了密度增大引起的速度變化,從而使VP有明顯增大.對于橫波,由于剪切模量和飽和度的關(guān)系不大,所以,當(dāng)密度隨飽和度的增加而增加時(shí)VS隨飽和度的增加有所降低.速度隨飽和度的變化規(guī)律并不完全由孔隙流體的飽和度決定.Domenico[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同的飽和過程會(huì)導(dǎo)致速度的變化,認(rèn)為速度與孔隙流體在孔隙尺度范圍的微觀分布有關(guān).Knight和Nolen2Hoeksema[3]的實(shí)驗(yàn)表明,在進(jìn)水過程中,含水飽和度達(dá)到80%時(shí)VP值急劇上升,而在其他飽和度范圍沒有明顯的變化.在失水過程中,砂巖顯示出明顯的弛豫現(xiàn)象.本文應(yīng)用不同頻率的換能器對6種砂巖進(jìn)行了連續(xù)的進(jìn)水和失水實(shí)驗(yàn),測量了巖石進(jìn)水和失水過程與彈性波速度的對應(yīng)關(guān)系,分析速度分段特征與孔隙流體微觀幾何分布的關(guān)系.2樣品和儀器本文選取6種砂巖樣品,144、140、132和297號(hào)樣品來自秘魯某油田,S1和S2來自國內(nèi)某油田.表1,表2分別為巖樣參數(shù)分析和巖樣薄片分析.儀器為湘潭市無線電廠生產(chǎn)的SYC-2型超聲波巖石參數(shù)測定儀,實(shí)驗(yàn)誤差Δt/t<±0.5%,縱波換能器的頻率為54~1200kHz,橫波換能器的頻率為50~500kHz.表1巖樣參數(shù)分析Table1Parametersanalysisofsamples樣號(hào)巖樣密度(g?cm-3孔隙度(%高度(cm直徑(cm滲透率(10-3μm21442.1120.94.992.524031402.1718.74.942.52134S12.388.54.473.78S22.523.54.342.99表2巖樣薄片分析Table2Thinsectionanalysisofsamples樣號(hào)礦物組成(%石英云母長石膠結(jié)物致密情況直徑(mm磨圓度分選性鏡下定名144753220疏松0.6~1.6(主尖很差含中砂-粗粒砂巖0.3(次140701較疏松0.5~0.6(主次圓差含粗砂-中粒砂巖1.5(次132552340致密0.1(主圓很好含粉砂-細(xì)粒砂巖<0.1(次297705520致密0.2(主次圓較差中-粗?；旌仙皫r0.8~1.0(次S1803710致密0.1~0.2次棱角好中細(xì)粒石英砂巖S2*******致密0.2(主次棱角較好中細(xì)粒長石石英砂巖0.1~0.33實(shí)驗(yàn)方法在實(shí)驗(yàn)室常溫常壓下做了巖石的進(jìn)水和失水過程實(shí)驗(yàn),測量了相應(yīng)的縱、橫波速度和進(jìn)水、失水速率隨飽和度的變化.進(jìn)水實(shí)驗(yàn)時(shí),為了分析低飽和度的流體對巖石彈性性質(zhì)的影響,把通過烘箱干燥的樣品暴露于相對濕度比較高的空氣中,通過吸收水蒸氣來得到極低的含水飽和度,緊接著將樣品浸入蒸餾水中逐漸增加飽和度.失水實(shí)驗(yàn)時(shí),首先將樣品在真空干燥箱烘干,再用蒸餾水浸沒數(shù)天,直到重量不再發(fā)生變化.然后將高飽和度樣品置于空氣中,使其自然干燥.由于進(jìn)水、失水速率無法適時(shí)測量和控制,所以同一巖樣曾進(jìn)行多次反復(fù)試驗(yàn).飽和度的計(jì)算公式為SW=m-mdms-md,式中md是干樣重量,m是樣品部分飽和時(shí)的重量,ms是樣品飽和時(shí)的重量.4結(jié)果與討論4.1進(jìn)水過程現(xiàn)以140、144、132和297樣品為例,討論進(jìn)水過程.圖1為144、140、132、297號(hào)樣品的進(jìn)水速率曲線.從圖1看到樣品從干燥狀態(tài)開始吸滲水時(shí),進(jìn)水速率非?？?隨著時(shí)間增加進(jìn)水速率減慢.樣品的孔隙度和致密程度不同會(huì)導(dǎo)致樣品的進(jìn)水速率不同,疏松樣品140和144號(hào)的進(jìn)水速率大于致密樣品9311期史等:巖石彈性波速度和飽和度、孔隙流體分布的關(guān)系132和297號(hào).圖1144、140、132和297號(hào)樣品的進(jìn)水速率Ir曲線Fig.1Imbibition’srateofsamples144、140、132and297versussaturationduringimbibition’sexperiment進(jìn)水實(shí)驗(yàn)表明,所有樣品的縱波、橫波速度-飽和度關(guān)系曲線在形式上是相似的.VP、VS與水飽和度變化有一定的規(guī)律,但個(gè)別測量數(shù)據(jù)很分散,如圖2(a,b所示,圖中示出換能器的不同頻率值.在進(jìn)水的最初階段,樣品的進(jìn)水速率大.相應(yīng)地,巖石的VP也有明顯的變化.如140號(hào)樣品(圖2a,VP是上升后略有下降,而對297號(hào)樣品(圖2b,VP呈明顯的下降,這一階段持續(xù)非常短,在低飽和度時(shí)有這種現(xiàn)象.低飽和度時(shí)的速度變化機(jī)制比較復(fù)雜,但無論Gassmann[2]方程還是Geertsma2Smit[9]方程都無法解釋在低飽和度時(shí)巖石的速度變化.為了說明速度在非常低的飽和度范圍為何有較大的變化,Clark[10]認(rèn)為是處于顆粒之間的黏土礦物的脫水作用和固化造成的.但有人在不含有黏土的多孔隙玻璃中和干凈的砂巖中也觀察到了同樣的速度變化[11].本文認(rèn)為低飽和度時(shí)速度的變化是水和巖石骨架之間的物理、化學(xué)作用以及樣品尺度范圍不同部位的孔隙流體分布的不均勻性引起的.132和297號(hào)樣品的波速測量是從完全干燥的狀態(tài)開始的.實(shí)驗(yàn)前,132和297號(hào)樣品在150℃的烘箱中烘干24h,這時(shí)巖石的剛度較大,據(jù)Murphy等[12]、Gregory[7]分析,剛度增加導(dǎo)致速度增加2%~3%.當(dāng)樣品從完全干燥狀態(tài)到較小的飽和度時(shí),由于干燥的巖石骨架和水之間的物理和化學(xué)作用,導(dǎo)致彈性模量和波速急劇下降:一方面,當(dāng)完全干燥的巖石充以流體(尤其是水等化學(xué)活性流體,即使非常之少,巖石骨架也會(huì)發(fā)生某種化學(xué)軟化,使其體積模量明顯減少,樣品速度下降,這在相反的干燥過程也會(huì)發(fā)生;另一方面,當(dāng)進(jìn)入極少量的水時(shí)(例如對于砂巖,在石英顆粒表面只需3~4層水分子,由于水的作用(如潤滑作用使巖石顆粒之間的緊密接觸結(jié)合變?nèi)?從而使巖石的剛度變小,使體積模量及速度相應(yīng)降低.圖2樣品進(jìn)水的縱、橫波速度和飽和度的關(guān)系(a140號(hào)樣品;(b297號(hào)樣品.Fig.2Compressionalandshearwavevelocitiesversussaturationduringcontinuousimbibition’sexperimentforsample140(aandforsample297(b144和140號(hào)樣品在進(jìn)水之前沒有經(jīng)烘箱烘干,開始時(shí)的狀態(tài)是處于實(shí)驗(yàn)室的空氣濕度下.進(jìn)水后飽和度增加對速度的影響遵守Biot[1]和Gassmann[2]理論,VP值上升后的略微下降是由于樣品尺度范圍內(nèi)水分布的不均勻性引起的.當(dāng)進(jìn)水速率從非?？斓碾A段進(jìn)入到較緩變化的階段時(shí),即飽和度的變化范圍約5%~60%時(shí),VP的變化較小,且無規(guī)律,這一階段巖石的剛度沒有大的變化,此時(shí),彈性波速度按Biot和Gassmann理論發(fā)生變化.當(dāng)樣品的水飽和度在60%~80%時(shí),VP都有明顯的上升.這一階段對應(yīng)于圖1中進(jìn)水速率非常低的階段.這種現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于高飽和度時(shí)所有尺度大的孔隙都已被飽和,水已代替空氣而成為孔隙中連通的液相,裂隙狀的小孔隙開始被飽和.41地球物理學(xué)報(bào)(ChineseJ.Geophys.46卷由Kauster和Toksoz[13]理論,彈性波速度和裂隙狀孔隙的剛度有非常大的關(guān)系,裂隙狀孔隙剛度的增加會(huì)明顯增加巖石的彈性波速度.所以,當(dāng)裂隙狀孔隙開始被水飽和增加其剛度時(shí),VP值有明顯的上升.4.2失水過程現(xiàn)以S1和S2樣品為例討論失水過程.液體水通過氣-液界面的蒸發(fā)和流體連通形成的毛細(xì)管中的遷移是干燥過程中主要的質(zhì)量遷移機(jī)制[5].剛開始干燥時(shí),樣品表面孔隙形成水-空氣彎月形界面,并從樣品表面開始水的蒸發(fā),蒸發(fā)失水主要發(fā)生在巖石粒間孔隙度較大的縱橫比的孔隙中.在高飽和度階段,氣-液界面進(jìn)入樣品內(nèi)部,并貫穿所有孔隙,這一階段,孔隙水總體減少,樣品的失水速率隨著飽和度的降低迅速下降,孔隙水對大縱橫比孔隙的彈性性質(zhì)影響微弱,所以VP變化不大.從能量的觀點(diǎn)看,因?yàn)闅?液界面的張力總是試圖減小這一界面而達(dá)到最低表面能狀態(tài),而水對因體骨架的浸潤性則有增大液-固界面面積的趨勢,孔隙水向更細(xì)小的孔隙集中時(shí)氣-液表面積減小了,而固-液界面的總面積卻相對增加了,這是一個(gè)能量降低的圖3S1和S2樣品的失水速率Dr曲線Fig.3DehydratingrateofsamplesS1andS2versussaturationduringdehydraingexperiment過程.隨著進(jìn)一步干燥失水,孔隙中流體的連通性將遭到破壞,這一階段失水發(fā)生在縱橫比極小的微裂隙、顆粒接觸處和小孔隙中,無論是孔隙中的熱對流還是水蒸氣擴(kuò)散都相當(dāng)緩慢,這時(shí)進(jìn)入了低速率的穩(wěn)定失水過程.圖3為S1和S2樣品的失水速率曲線.圖4樣品失水時(shí)縱、橫波速度和飽和度的關(guān)系(a140號(hào)樣品;(b297號(hào)樣品;(cS1號(hào)樣品;(dS2號(hào)樣品.P54kHz、P150kHz、P240kHz、P750kHz、P1200kHz、KBPFT200、800、1200為縱波換能器的不同頻率值.S50kHz、S100kHz、S200kHz、S500kHz、YST50、100、200、500為橫波換能器的不同頻率值.Fig.4Compressionalandshearwavevelocitiesversussaturationduringcontinuousdehydratingexperiment1411期史等:巖石彈性波速度和飽和度、孔隙流體分布的關(guān)系由圖3看出,S1樣品從衰減失水到穩(wěn)定失水有一圓滑的過渡區(qū),在飽和度為50%左右發(fā)生轉(zhuǎn)折,S2樣品在飽和度75%左右發(fā)生轉(zhuǎn)折,說明S1樣品的孔隙連通性更好.S1砂巖屬典型的顆粒支撐結(jié)構(gòu),當(dāng)飽和度降至60%以下,大約40%的孔隙水被蒸發(fā)后,剩余的水大部分將保留在非常細(xì)小的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)中,巖石總體的體積模量隨著飽和度的降低顯著減小,導(dǎo)致VP迅速減小.S2砂巖為雜基式支撐,石英、長石顆粒分散于鈣質(zhì)膠結(jié)物中,以裂隙式為主的狹長孔隙主要分布在礦物-膠結(jié)物界面和少量的礦物顆粒接觸面內(nèi).高飽和度區(qū)內(nèi),VP衰減緩慢,從SW=60%開始,VP迅速下降.當(dāng)飽和度降至15%~20%時(shí),自然干燥不能使樣品完全失水,巖石中仍保留的一部分束縛水基本上以骨架表面吸附水的形式存在,失水速率近似為零.通過進(jìn)一步的人為烘干,吸附水的喪失將使巖石的骨架硬化,使VP回升.由于剪切模量與飽和度的關(guān)系不大,介質(zhì)密度隨飽和度的減少使VS略有增加(見圖4.樣品中不同部位孔隙的飽和度是不同的,總的趨勢是樣品表面的飽和程度低于內(nèi)部的飽和程度,從而形成孔隙水在巖石中的不均勻分布,有人在低飽和度(SW=0.15時(shí)發(fā)現(xiàn)了這種飽和度的不均勻性[1].5結(jié)論由樣品的進(jìn)水與失水實(shí)驗(yàn)得出,速度隨飽和度的變化與不同階段的孔隙流體分布狀況有關(guān),而孔隙尺度的流體分布方式又取決于孔隙空間的微觀幾何結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)的表面自由能及巖石的飽和度.部分飽和流體分布的不均勻性還與孔隙的幾何形狀及其表面的化學(xué)性質(zhì)有關(guān).實(shí)驗(yàn)表明,由進(jìn)水過程的速度曲線可得到巖石孔隙結(jié)構(gòu)及孔隙流體分布方式、連通方式的有關(guān)信息.影響進(jìn)水過程中孔隙流體分布和彈性波速度-飽和度關(guān)系的主要因素是樣品尺度范圍內(nèi)流體分布的不均勻性.在干燥過程的不同階段,不同孔隙幾何形狀的失水使速度曲線形狀不同,失水速率的改變反映了孔隙流體從互相連通向互不連通狀態(tài)的轉(zhuǎn)化.由波速變化可以了解巖石孔隙水的分布狀況.影響干燥過程中孔隙流體分布和速度-飽和度關(guān)系的主要因素是孔隙的微觀幾何形狀.進(jìn)水和失水過程的速度-飽和度曲線的不可逆,表明了水和空氣在孔隙中微觀分布的不同.所有試驗(yàn)都發(fā)現(xiàn),不同飽和度下都有頻散現(xiàn)象,尤其在500kHz以下更為明顯,所以孔隙流體對巖石聲波速度的影響還與彈性波的頻率有關(guān).參考文獻(xiàn)[1]BiotMA.Theoryofpropagationofelasticwavesinafluidsaturatedporoussolid,1.lowfrequencyrange.J.Acousti.Soc.Am,1956,28(2:168~178[2]GassmannF.Elasticwavesthroughapackingofspheres.Geophysics,1951,16(4:673~682[3]KnighR,Nolen2HoeksemaR.Alaboratorystudyofthedependenceofelasticwavevelocitiesonporescalefluiddistribution.GeophysicalResearchLetters,1990,17(10:1529~1532[4]史,沈聯(lián)蒂.灰?guī)r含水飽和度對縱橫波速度影響的實(shí)驗(yàn)研究.石油地球物勘探,1990,25(4:469~479ShiGe,ShenLiandi.ExperimentalstudyofhowwatersaturationinlimestoneinfluencesthevelocitiesofP2waveandS2wave.OilGeophysicalProspecting,1990,25(4:469~479[5]GoertzD,KnightR.Elasticwavevelocitiesduringevaporativedrying.Geophysics,1998,63(1:171~183[6]劉祝萍,吳小薇,楚澤涵.巖石聲學(xué)的測量及研究.地球物理學(xué)報(bào),1994,37(5:659~666LIUZhuping,WUXiaowei,CHUZehan.Laboratorystudyofacousticparametersofrock.ChineseJ.Geophys.(ActaGeophysicaSinica,1994,37(5:659~666[7]GregoryAR.Fluidsaturationondynamicelasticpropertiesofsedimentaryrocks.Geophysics,1976,41(5:895~921[8]DomenicoSN.Effectsofwatersaturationonseismicreflectivityofsandreservoisencasedinshale.Geophysics,1974,39(6:759~769[9]GeerstmaJ,SmitsDC.Someaspectsofelasticwavepropagationinfluidsaturatedporoussolids.Geophysics,1961,26(12:169~181[10]ClarkVA,TittmannBR,SpencerTW.Effectofvolatiesonattenuation(Qandvelocityinsedimentaryrocks.J.Geophysical,1980,85(B10:5190~5198[11]T.布爾貝,O.庫索,B.甑斯納著.孔隙介質(zhì)聲學(xué).許云譯.北京:石油工業(yè)出版社,1994BourbieT,ZinsznerB,CoussyO.AcousticsinPorousMedia.TranslatedbyXUYun.Beijing:PetrolumIndustryPress,1994[12]MurphyWF,WinklerWFK,KleinbergR.Framemodulusreductioninsedimentaryrock2theeffectofadsorptionongranitecontacts.Geophys.Res.Lett,1984,11(9:805~808[13]KausterGT,ToksozMN.Velocityandattenuationofseismicwaveintwo2phasemedia.Geophysics,1974,39(5:607~618241地球物理學(xué)報(bào)(ChineseJ.Geophys.46卷第25卷第5期2006年10月北京生物醫(yī)學(xué)工程BeijingBiomedicalEngineeringVol.25No.5Oct.2006人體脈搏波信號(hào)檢測系統(tǒng)程詠梅夏雅琴尚嵐摘要脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)、強(qiáng)度、速率和節(jié)律等方面的綜合信息,能反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。將人體脈搏波轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)行測量和分析,使中醫(yī)的脈象有了一個(gè)客觀的分辨標(biāo)準(zhǔn),便于揭開脈診現(xiàn)代科學(xué)本質(zhì),為預(yù)防和治療疾病提供參考。根據(jù)人體脈搏信號(hào)特征設(shè)計(jì)了一套脈搏檢測裝置。該裝置由應(yīng)變式脈搏傳感器及其信號(hào)放大及濾波電路、AD轉(zhuǎn)換、接口及脈搏信號(hào)數(shù)字處理軟件構(gòu)成。該脈搏檢測系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是能夠用LabVIEW虛擬儀器的操作面板及相應(yīng)的程序,顯示出脈搏的波形。關(guān)鍵詞脈搏波傳感器檢測系統(tǒng)中圖分類號(hào)R318.04文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)1002-3208(200605-0520-04AHumanBloodPulseSignalDetectingSystemCHENGYongmei,XIAYaqin,SHANGLan.SchoolofMechanicalEngineeringandAppliedElectronicTechnology,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022【Abstract】Informationfromhumanbloodpulseattractsmoreandmoreattentionbecauseitcontainsmuchpathologicalinformationwhichcouldbeusedasindextodiagnosedisease.Thewaveform,intensityandspeedofpulsesignalsmostlyreadthephysicalandpathologicalcharactersofheart-bloodsysteminhumanbodies.Inthispaper,thepulsesignalthatusuallyisfeltbyfingertouchingofChinesedoctorswastransferredintoelectricsignalandthuscouldbemeasuredbymodernscientificway.Asaresult,themeasuredquantitiescanbeusedbyadoctorasamoreconsistentindextomakediagnoses.Apulsedetectingsystemwasdevelopedanditsfunctions,circuitsandsoftwarebasedonLABVIEWweredescribedindetails.Thesystemconsistsofstraingagesensors,amplifiers,filters,ADtranslators,IOportsandintegrateddigitalsignalprocessingsoftware.ThemostsignificantfeatureofthesystemisthatthepulsewaveshapecanbedisplayedonthevirtualpanelbysoftwarebasedonLABVIEW.【Keywords】bloodpulsesensordetectingsystem作者單位:北京工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院(北京100022作者簡介:程詠梅(1957—,女,副教授,從事實(shí)驗(yàn)力學(xué)分析研從脈搏波中提取人體的生理病理信息作為臨床診斷和治療的依據(jù),歷來都受到中外醫(yī)學(xué)界的重視。幾乎世界上所有的民族都用過“摸脈”作為診斷疾病的手段。脈搏波所呈現(xiàn)出的形態(tài)(波形、強(qiáng)度(波幅、速率(波速和節(jié)律(周期等方面的綜合信息,在很大程度上反映出人體心血管系統(tǒng)中許多生理病理的血流特征。這些脈搏波的特征可通過人體的表動(dòng)脈如頸動(dòng)脈、肱動(dòng)脈和橈動(dòng)脈等處很容易檢測出。其中,橈動(dòng)脈由于靠近體表外周血管,信息尤為豐富,檢測也最為方便。用手指在手腕的皮膚上即可感知脈搏的搏動(dòng),因而是獲取脈搏波的最佳檢測部位。通過對脈搏波所提取的血流信息進(jìn)行分析,就有可能預(yù)測出心血管疾病發(fā)生的可能性,及時(shí)采取措施可有效地減少危險(xiǎn)因素,使癥狀得到緩解和改善。近年來隨著生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)科的發(fā)展和電子計(jì)算機(jī)的廣泛應(yīng)用,脈搏波的檢測、記錄和分析處理儀器已不斷更新和完善。目前有以下幾種檢測方法:光電容積脈搏波法、液體耦合腔脈搏傳感器、壓阻式脈搏傳感器以及應(yīng)變式脈搏傳感器。由于應(yīng)變式脈搏傳感器具有成本低、制作方便、精確度高等優(yōu)點(diǎn),因此選用此方法。本文介紹了自行研制的應(yīng)變傳感器脈搏測量裝置,該系統(tǒng)的特點(diǎn)是能夠顯示出檢測的脈搏波形,使之更利于觀察和研究。1設(shè)計(jì)方案顯示人體脈搏波形的檢測系統(tǒng)如圖1所示。1.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器是基于應(yīng)變電測的原理,設(shè)計(jì)一個(gè)懸臂梁式彈性元件,使彈性元件隨著人體脈搏的跳動(dòng)而發(fā)生微小形變。此時(shí),粘貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變片將產(chǎn)生變形,其電阻值會(huì)相應(yīng)變化。通過全橋。圖1系統(tǒng)框圖Fig1Logicalchartofthesystem圖2所示結(jié)構(gòu)為一等截面懸臂梁,一端固定,另一端緊貼皮膚感受脈搏的變化。應(yīng)變片粘貼在兩個(gè)不同的截面位置上,可減少由于力P作用點(diǎn)偏移而引起的誤差。懸臂梁的材料為鋁合金,彈性模量E=70GPa,長度l=31.50mm,厚度h=0.24mm,寬度b=5.63mm。圖2傳感器結(jié)構(gòu)Fig2Structureofthesensor經(jīng)過標(biāo)定,得到脈搏所產(chǎn)生的壓力P和彎曲應(yīng)變?chǔ)舖的關(guān)系為:P=0.12εm,應(yīng)變片選用金屬箔式應(yīng)變片,規(guī)格為1mm×1mm,120Ψ;靈敏系數(shù)K=2。1.2測量電橋及其平衡電路懸臂梁式傳感器在測量脈搏時(shí)產(chǎn)生的是彎曲變形,采用等臂全橋測量彎曲應(yīng)變,可以消除拉伸(壓縮變形的影響,所以應(yīng)變儀輸出應(yīng)變?chǔ)舏=4εm。為了保證電橋中電流不超過應(yīng)變片的最大工作電流,因此選用供橋電壓u0=3.3V。橋路中設(shè)置了預(yù)調(diào)平衡電路,保證電阻處于平衡狀態(tài)時(shí)電橋無輸出。1.3放大及濾波電路為了保證放大電路具有較高的輸入阻抗和精度,低輸入失調(diào)電壓,低漂移,選用AD524精密儀用放大器。1.3.1第一級(jí)放大電路第一級(jí)放大電路的放大倍數(shù)為1000。原理圖如圖3所示。圖4(a是脈搏信號(hào)經(jīng)放大1000倍后所得的圖3第一級(jí)放大電路原理圖Fig3Thefirstamplifierstage1.67Hz。圖4(b是實(shí)際人體脈搏波形,可以看出,采集到的脈搏波形與實(shí)際人體波形十分相似。但從圖中可以觀察到有高頻的干擾,通過低通濾波器濾掉高頻干擾。圖4采集到的人體脈搏波形和實(shí)際人體脈搏波形對比Fig4Comparisonbetween(athecollectedwaveformand(btherealhumanbloodpusle1.3.2第二級(jí)放大電路為了去除傳感器安裝時(shí)的靜壓力以及高頻干擾(尤其是50Hz的工頻干擾,在第一級(jí)放大電路的輸出端和第二級(jí)放大電路的輸入端之間加了帶通濾波器,其帶通范圍為0.16Hz～33.9Hz。消除了直流偏置以及一部分高頻·521·第5期人體脈搏波信號(hào)檢測系統(tǒng)噪聲對電路的干擾。第二級(jí)放大電路如圖5所示,電路的放大倍數(shù)在20～50之間可調(diào)。對比發(fā)現(xiàn)當(dāng)放大倍數(shù)為30時(shí),波形最為滿意。兩級(jí)放大后的脈搏波形如圖6所示。圖5第二級(jí)放大電路Fig5Thesecondamplifierstage圖6兩級(jí)放大及濾波后的脈搏波Fig6Pulsewaveaftertwostageamplifiedandfiltered2AD轉(zhuǎn)換AD轉(zhuǎn)換電路由采樣保持器和AD轉(zhuǎn)換器組成。采樣保持器選用AD582,AD轉(zhuǎn)換器選擇AD574A。原理圖如圖7所示。AD574A采用雙極性工作方式,選用8位工作模式,只用高8位數(shù)據(jù)線輸出8位數(shù)字量,量化單位為0.0392。模擬輸入電壓范圍-5～+5V。38051接口及串行通信3.1AD574A和8051的接口電路圖8為AD574A和8位單片機(jī)8051的接口電路。P0口設(shè)置為數(shù)據(jù)方式,接收AD574輸出的數(shù)字量。CS為低電平有效,用CE作啟動(dòng)轉(zhuǎn)換信號(hào)。RC、A0、CE由P2口控制。STS和P1.0相連,工作方式采用查詢法。3.2AD驅(qū)動(dòng)及串行通信程序設(shè)計(jì)圖7AD轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig7ADcircuit圖8AD574和8051的接口電路Fig8AD574AandCircuitof8051serial口,并且在AD轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)傳送轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)。中斷服務(wù)子程序是用來驅(qū)動(dòng)AD轉(zhuǎn)換。由于AD圖9程序流程圖Fig9Flowchartofthecompulercode·522·北京生物醫(yī)學(xué)工程第25卷轉(zhuǎn)換采用8位工作方式,采樣頻率為500Hz,采用中斷法控制采樣頻率。串口設(shè)置:8051的串行工作方式為方式1,波特率為9600。4LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計(jì)用LabVIEW編寫的程序要能夠?qū)崿F(xiàn)和8051的串行通信,將接收到的數(shù)據(jù)處理后,顯示出波形。圖10是LABVIEW程序的前面板,用來顯示脈搏波形及脈搏瞬時(shí)值,并且控制程序的運(yùn)行和選擇所用的串口。圖中所示波形即為采集到的脈搏波形。圖11是LABVIEW程序框圖,它包括串行通信部分、數(shù)據(jù)處理部分和數(shù)據(jù)顯示部分。圖10人體脈搏測試虛擬儀器前面板Fig10Thedesignedpanelofthevirtualdevice5結(jié)論自制的應(yīng)變片式傳感器能夠不失真的采集到脈搏信息,真實(shí)反映脈搏的波動(dòng)狀況。測量結(jié)果表明,經(jīng)過放大和濾波之后,得到的脈搏波形與人體的實(shí)際脈搏波十分相似。用LABVIEW虛擬儀器編寫的程序能夠顯示脈搏波的波形。圖11程序框圖Fig11Flowchart6前景(1LABVIEW軟件還有很大的擴(kuò)展空間,可繼續(xù)豐富數(shù)據(jù)的處理,使之能夠顯示脈搏的頻率。(2可以通過輸出電壓和血壓的關(guān)系,計(jì)算出人體的舒張壓和收縮壓。(3用硬件(如液晶屏代替LABVIEW來顯示脈搏波形和頻率,更為經(jīng)濟(jì),有利于產(chǎn)品化。參考文獻(xiàn)[1]吳宗岱,陶寶祺主編.應(yīng)變電測原理及技術(shù).北京:國防工業(yè)出版社,1982[2]強(qiáng)錫富主編.傳感器.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001[3]吳秀清,周荷琴編著.微型計(jì)算機(jī)原理與接口技術(shù).北京:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2001[4]鄭毛祥主編.單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:電子科技大學(xué)出版社,2001[5]張國雄,金篆芷編著.測控電路.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000[6]楊樂平,李海濤,肖相生,等編著.LabVIEW程序設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社,2001(2005-10-25收稿,2005-12-10修回(上接第506頁WorkbenchMutisim7軟件得到了系統(tǒng)變量時(shí)變波形圖;在微機(jī)控制仿真方面,得到了符合技術(shù)指標(biāo)要求的仿真實(shí)現(xiàn);在線圈磁場建模方面,得到了單線圈三維磁場分布情況以及多線圈的軸線磁場分布情況,為日后尋找線圈的最佳刺激位置和線圈的優(yōu)化工作打下了良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)[1]BarkerAT.Anintroductiontothebasicprincipleofmagneticnervestimulation.JClinNeurophysiol,1991,8:26[2]喬清理,王秀宏,等.磁刺激用平面線圈機(jī)構(gòu)的優(yōu)化研究.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2003,22(4:236-239[3]喬清理,王秀宏,等.磁刺激技術(shù)及其進(jìn)展.生物物理學(xué)報(bào),2001,17(2:217-223[4]BassetPJ,RothBJ.Stimulationofmyelinatednerveaxonbyelectromagneticinduction.MedBiOEng&Comput,1991,29:261[5]吳昌哲,于陽,等.經(jīng)顱磁刺激系統(tǒng)地設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn).中國醫(yī)療器械雜志,2005,29(1:17-18[6]劉洪廣,周琳,等.中樞神經(jīng)的無創(chuàng)性磁刺激技術(shù)及其應(yīng)用.中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào),2001,18(2:169-172[7]王洪,鄭小林.經(jīng)顱磁刺激器的設(shè)計(jì)及磁場分布的測量.醫(yī)療衛(wèi)生裝備,2004,8:3-5-0902-·523·第5期人體脈搏波信號(hào)檢測系統(tǒng)信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書27實(shí)驗(yàn)二鋸齒波信號(hào)的分解引子：信號(hào)雖多樣,分解見真容內(nèi)容提要●掌握利用付氏級(jí)數(shù)諧波分析的方法；●學(xué)習(xí)和掌握不同頻率的正弦波相位差是否為零的鑒別和測試方法。實(shí)驗(yàn)三鋸齒波信號(hào)的分解28一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握利用付氏級(jí)數(shù)諧波分析的方法。2、學(xué)習(xí)和掌握不同頻率的正弦波相位差是否為零的鑒別和測試方法。二、實(shí)驗(yàn)原理說明2．1電信號(hào)的分解原理任何電信號(hào)都是由各種不同頻率、幅度和初相的正弦波迭加而成的。對周期信號(hào)由它的傅里葉級(jí)數(shù)展開可知，各次諧波為基波頻率的整數(shù)倍。而非周期信號(hào)包含了從零到無窮大的所有頻率成分，每一頻率成分的幅度均趨向無限小。如圖3－1鋸齒波信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)展開式為3sin312sin21(sin2(+++-=tttAAtfωωωπ（3－1）其中Tπω2=為鋸齒波信號(hào)的角頻率。圖3－1鋸齒波由式（3－1）可知，鋸齒波信號(hào)中分別含有奇次諧波和偶次諧波的正弦分量。將鋸齒波信號(hào)通過一選頻網(wǎng)絡(luò)可以將鋸齒波信號(hào)中所包含的各次諧波分量提取出來。本實(shí)驗(yàn)采用有源帶通濾波器作為選頻網(wǎng)絡(luò)，共5路。各帶通濾波器的BW＝2Hz，如圖3－2所示。圖3－2帶通濾波器將被測信號(hào)加到選頻網(wǎng)絡(luò)上，從每一帶通濾波器的輸出端可以用示波器觀察到相應(yīng)頻率的諧波分量。本實(shí)驗(yàn)采用的被測信號(hào)為100Hz的鋸齒波，通過各濾波器后，可觀察到1、2、3次諧波，如圖3-3。而2、4次諧波在理想情況下應(yīng)該無輸出信號(hào)，但實(shí)際上方波可能有少量失真以及受濾波器本身濾波特性的限制而使偶次諧波分量未能達(dá)到理想的情況。信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書圖3－3鋸齒波的1、2、3次諧波2．2實(shí)驗(yàn)電路圖2．2．1電路框圖實(shí)驗(yàn)三鋸齒波信號(hào)的分解30三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟實(shí)驗(yàn)布局圖見圖3-7所示1、S401接于“2”，S402接于“2-3”，S403接于“SQU”。SG401、SG402、SG403相連，示波器接于TP401。2、調(diào)整w402占空比，使其為90%。3、S403接于“TRI”，調(diào)節(jié)w403頻率為100Hz，幅度為0.5V有效值。4、連接SG401與SG3。5、示波器分別接于TP3f1、TP3f2、TP3f3、TP3f4、TP3f5，再對應(yīng)分別調(diào)整“信號(hào)分解”電位器，使其輸出最大。6、測量濾波器的幅頻特性。表3—1也可用同樣方法依次測出2fo、3fo?5fo各次諧波的頻率特性，測量出個(gè)濾波器△f、Q值。其中：Q=fo△f7、驗(yàn)證各高次諧波與基波之間的相位差是否為零。示波器工作方式為“X-Y”，用李沙育圖形法進(jìn)行測量。示波器的CH1接TP3f1，示波器的CH2分別接于TP3f2、TP3f3、TP3f4、TP3f5，調(diào)整各“信號(hào)分解”電位器，并與圖3-6相比較。當(dāng)各高次諧波與基波波形如圖3—6所示相同時(shí)，則各次諧波與基波相位差為零，否則不為零。圖3—6各高次諧波與基波相位比較四實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，要求?整理數(shù)據(jù)，并畫出各次諧波分量的幅頻響應(yīng)圖。3測量各次諧波濾波器的△f，并計(jì)算各Q值。四次諧波與基波二次諧波與基波三次諧波與基波五次諧波與基波信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書314用李沙育圖形分析不同頻率的正弦波相位差是否為零的鑒別方法。五實(shí)驗(yàn)設(shè)備1雙蹤示波器1臺(tái)2信號(hào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱1臺(tái)注：實(shí)測參考波形：注-1鋸齒波激勵(lì)注-2鋸齒波基波注-3鋸齒波二次諧波注-4鋸齒波三次諧波TP301TP3f1TP3f2TP3f3實(shí)驗(yàn)三鋸齒波信號(hào)的分解TP3f4鋸齒波四次諧注-5鋸齒波四次諧波TP3f5鋸齒波五次諧注-6鋸齒波五次諧波二次諧波與基波四次諧波與基波三次諧波與基五次諧波與基波注-7各高次諧波與基波相位比較32信號(hào)與系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書圖3-7實(shí)驗(yàn)布局圖33姓名：姓名：_________________________()班別：__________ 日期：_______________相關(guān)課題：光波及電磁波譜（第11課）利用太赫茲波透視人體到現(xiàn)時(shí)為止，在可穿透物件的電磁波中，X射線（X光）是最常用的。例如，醫(yī)生會(huì)利用X射線檢查病人的內(nèi)臟及骨骼。病人需緊貼底片，然後X射線會(huì)由儀器、經(jīng)病人身體到達(dá)底片。底片曝光後，醫(yī)生就能由底片上的影像診斷病癥。利用相似的原理，機(jī)場的海關(guān)人員會(huì)利用X射線檢查旅客的行李。其實(shí)，除了X射線，太赫茲電磁波（即頻率為1012Hz的電磁波）同樣能穿透物件。最近，歐洲的科學(xué)家利用這電磁波，發(fā)明一部可穿透衣服、身體甚至牆壁的攝影機(jī)。該攝影機(jī)的原理是將由物件發(fā)出的太赫茲波轉(zhuǎn)化為影像。測試這部攝影機(jī)時(shí)，科學(xué)家嘗試拍攝一隻放在厚厚書本後面的手，結(jié)果拍得的影像輪廓分明。這科技相信有助於醫(yī)療、保安等方面的發(fā)展，而歐洲太空總署將運(yùn)用這科技於人造衛(wèi)星上，使衛(wèi)星在烏雲(yún)密佈的天氣下同樣可以進(jìn)行監(jiān)察。（2002年10月7日新聞報(bào)導(dǎo)）1 文章中的太赫茲波跟X射線是否屬於同一類型的波？若屬同一類的話，它們有甚麼分別？ ____________________________________________________________________ ____________________________________________________________________2 照X光片的原理是甚麼？檢查時(shí)，為甚麼在底片上會(huì)看到部分肌肉和骨骼？可參考網(wǎng)頁中的「Howdoestheprocedurework?」。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________3 若利用太赫茲波攝影機(jī)代替X光掃描進(jìn)行身體檢查會(huì)有甚麼好處？可參考網(wǎng)頁。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________4 現(xiàn)在這科技屬起步階段，這部攝影機(jī)的造價(jià)相當(dāng)昂貴。但當(dāng)技術(shù)成熟時(shí)，這類產(chǎn)品的價(jià)格將變得大眾化，跟數(shù)碼相機(jī)的發(fā)展相似。試想想若這攝影機(jī)變成大眾化後，會(huì)帶給社會(huì)哪些好處和壞處。 _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________

1 太赫茲波和X射線都是電磁波。 太赫茲波的頻率比X射線高，因此太赫茲波的能量亦較高。2 當(dāng)X光照射在人體時(shí)，部分X光會(huì)被人體吸收，而部分會(huì)穿透人體。因此，進(jìn)行身體檢查時(shí)，未被吸收的X光會(huì)落在底片上，令底片變黑，底片上顏色較淺的地方就是肌肉和骨骼。3 由於X射線會(huì)電離人體細(xì)胞，損害人體的DNA，導(dǎo)致癌癥，所以X光掃描其實(shí)會(huì)對病人構(gòu)成某程度的危險(xiǎn)。由於太赫茲波攝影機(jī)是收集由人體放射出來的太赫茲波，而非放射太赫茲波到人體身上，所以將不會(huì)損害人體細(xì)胞，保障病人安全。4 當(dāng)這科技變得成熟時(shí)，醫(yī)生可以利用太赫茲波攝影機(jī)代替X光掃描機(jī)為病人檢查身體，減低病人所受的傷害。同時(shí)，警務(wù)人員也可以輕易地利用這攝影機(jī)，檢查可疑人物是否攜帶危險(xiǎn)物品。 不過，不法分子同時(shí)可以利這攝影機(jī)進(jìn)行偷竊或搶劫，而某些人亦會(huì)利用這工具侵犯他人的私隱。太赫茲波科學(xué)與技術(shù)ScienceandTechnologyofTerahertzWave周澤魁張同軍張光新(浙江大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院自動(dòng)化儀表研究所,杭州310027摘要:太赫茲波是一個(gè)非常有科學(xué)價(jià)值但尚未被完全認(rèn)識(shí)和利用的電磁輻射區(qū)域,它在成像、醫(yī)學(xué)診斷、安全檢查、信息通信、空間天文學(xué)乃至軍事等領(lǐng)域都有著廣闊的應(yīng)用前景。從總體上介紹了太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)、應(yīng)用領(lǐng)域,闡述了太赫茲波的產(chǎn)生、太赫茲波探測的機(jī)理和方法,并簡單討論了太赫茲技術(shù)的發(fā)展前景:被譽(yù)為21世紀(jì)影響人類未來的十大技術(shù)之一的太赫茲波科學(xué)技術(shù),將會(huì)在未來的數(shù)十年間逐漸成熟并得到廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:太赫茲波太赫茲波的產(chǎn)生太赫茲波的探測成像中圖分類號(hào):O434.3文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAbstract:Terahertzwaveisanelectromagneticradiationareawithsignificantscientificvalue,buthasnotbeenfullydeveloped.Itsapplica2tionspossesswideprospectsinimaging,medicaldiagnosis,securityinspection,informationcommunication,astronomyandmilitaryresearch,etc.Theuniquecharacteristicsandtheapplicableareasofterahertzwavearegenerallyintroduced,andthemechanismandmethodologyofgen2erationanddetectionofterahertzwavearereviewed.Thedevelopingtrendofterahertztechnologyisbrieflydiscussed.Itissaidthatterahertzwaveisoneoftentechnologiesinfluencinghumanfuturein21century,anditwillmaturegraduallyandbeappliedwidelyincomingdecades.Keywords:TerahertzwaveGenerationofterahertzwaveDetectionofterahertzwaveImaging0引言太赫茲波(又稱THz波、T射線通常是指頻率在0.1~10THz(1THz=1012Hz范圍內(nèi)的電磁輻射,在電磁波譜上位于微波和紅外線之間,如圖1所示[5〗。THz頻段是一個(gè)非常有科學(xué)價(jià)值但尚未被完全認(rèn)識(shí)和利用的最后一個(gè)電磁輻射區(qū)域。許多年來,由于缺乏切實(shí)可行的THz波產(chǎn)生方法和檢測手段,人們對THz波段的特性知之甚少,以致于該波段被稱為電磁波譜中的“THz空隙”。圖1電磁波譜Fig.1Electromagneticspectrum太赫茲波段位于電子學(xué)與光子學(xué)的交界處,用傳統(tǒng)的電子學(xué)和光學(xué)方法均難以產(chǎn)生和檢測太赫茲波。20世紀(jì)90年代以后,激光技術(shù)、量子阱技術(shù)和化合物半導(dǎo)體等技術(shù)的發(fā)展,為太赫茲輻射提供了穩(wěn)定、可靠的激發(fā)光源。由超快激光技術(shù)發(fā)展出來的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS為太赫茲波的研究提供了有效的手段,因此20世紀(jì)末對于太赫茲波段的研究取得了很大的進(jìn)展。盡管目前太赫茲波科學(xué)技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟,但是其重要的理論研究價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景已經(jīng)引起了學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注和極大興趣,對于該波段的研究已成為21世紀(jì)科學(xué)研究最前沿的領(lǐng)域之一。1太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)太赫茲波的頻率范圍處于電子學(xué)與光子學(xué)的交叉區(qū)域。在長波方向,它與毫米波有重疊;在短波方向,它與紅外線有重疊。在頻域上,太赫茲處于宏觀經(jīng)典理論向微觀量子理論的過渡區(qū)。由于其所處的特殊位置,太赫茲波表現(xiàn)出一系列不同于其他電磁輻射的特殊性質(zhì):①THz脈沖的典型脈寬在亞皮秒量級(jí),不但可以方便地對各種材料(包括液體、半導(dǎo)體、超導(dǎo)體、生物樣品等進(jìn)行亞皮秒、飛秒時(shí)間分辨的瞬態(tài)光譜研究,而且通過取樣測量技術(shù),能夠有效地抑制背景輻射噪音的干擾,得到具有很高信噪比(大于太赫茲電磁波時(shí)域譜,并且具有對黑體輻射或者熱背景不敏感的優(yōu)點(diǎn);②THz脈沖通常只包含若干個(gè)周期的電磁振蕩,單個(gè)脈沖的頻帶可以覆蓋從GHz至幾十THz的范圍,便于在大范圍里分析物質(zhì)的光譜性質(zhì);③THz波的相干性源于其產(chǎn)生機(jī)制,它是由相干電流驅(qū)動(dòng)的偶極子振蕩產(chǎn)生,或是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻效應(yīng)產(chǎn)生。與傳統(tǒng)的光學(xué)方法僅僅測量出某一頻率光的強(qiáng)度不同,THz波的時(shí)域光譜技術(shù)(THz-TDS直接測量THz波的時(shí)域電場,通過傅立葉變換給出THz波的振幅和相位。因此,無需使用Kramers-Kronig色散關(guān)系,就可以提供介電常數(shù)的實(shí)部和虛部。這使測得的與THz波相互作用的介質(zhì)折射率和吸收系數(shù)變得更精確;④THz波的光子能量較低,1THz頻率處的光子能量大約只有4mV,比X射線的光子能量弱107~108倍。因此THz波不會(huì)對生物組織產(chǎn)生導(dǎo)致電離和破壞的有害光,特別適合于對生物組織進(jìn)行活體檢查[7~8〗。THz光子能量約為可見光,用THz做信息載體比用可見光和近中紅外光能量效率高得多;⑤THz波是具有量子特性的電磁波,具有類似微波的穿透能力,同時(shí)又具有類似光波的方向性。THz波也可以被特定的準(zhǔn)光學(xué)器件反射、聚焦和準(zhǔn)直,可以在特定的波導(dǎo)中傳輸。THz波對于很多非極性物質(zhì)具有較強(qiáng)的穿透能力,可以穿透很多對于可見光和紅外線不透明的物質(zhì)如塑料、陶瓷、有機(jī)織物、木材、紙張等,因而可用來對已經(jīng)包裝的物品進(jìn)行質(zhì)檢或者用于安全檢查[11〗;⑥凝聚態(tài)體系的聲子吸收很多位于THz波段,自由電子對THz波也有很強(qiáng)的吸收和散射,太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)是一個(gè)研究凝聚態(tài)材料中物理過程的很好的工具[6〗。特別是許多有機(jī)分子在THz波段呈現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散特性,不同分子對于THz波的吸收和色散特性是與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)的偶極躍遷相聯(lián)系的,而分子的偶極躍遷猶如人的指紋,是千差萬別的,因此可以通過光譜分析實(shí)現(xiàn)分子的識(shí)別,就如同識(shí)別人的指紋一樣。THz光譜通過介電函數(shù)的實(shí)部和虛部來描述分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)[9~10〗。大多數(shù)極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強(qiáng)烈的吸收,可以通過分析它們的特征譜研究物質(zhì)成分或者進(jìn)行產(chǎn)品質(zhì)量控制[1]。2太赫茲波的應(yīng)用技術(shù)THz波頻率很高(波長比微波小1000倍以上,因而其空間分辨率很高;THz脈沖很短(飛秒級(jí),因而THz輻射又具有很高的時(shí)間分辨率。THz時(shí)域光譜技術(shù)和THz成像技術(shù)就構(gòu)成了THz應(yīng)用的兩個(gè)主要關(guān)鍵技術(shù)。2.1THz時(shí)域光譜技術(shù)太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS技術(shù)是20世紀(jì)80年代由AT&T、Bell實(shí)驗(yàn)室和IBM的T.J.Watson研究中心發(fā)展起來的,是最新的太赫茲技術(shù)[1]。THz-TDS技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn),如大帶寬、高信噪比、可在室溫下工作等,這些優(yōu)點(diǎn)促成了THz-TDS技術(shù)越來越多的應(yīng)用。目前THz-TDS技術(shù)主要應(yīng)用在研究材料在THz波段的性質(zhì)及物理現(xiàn)象,此外也用于THz成像系統(tǒng)。THz-TDS技術(shù)利用THz脈沖透射樣本或者從樣本上反射,測量由此產(chǎn)生的THz時(shí)域電場,通過傅立葉變換獲得頻域上幅度和相位的變化量,進(jìn)而得到樣本的信息[2〗。典型的THz時(shí)域透射光譜系統(tǒng)如圖2所示。圖2THz時(shí)域光譜系統(tǒng)Fig.2THz-TDSsystem太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)作為最新的太赫茲技術(shù),近十年來已經(jīng)得到了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展和應(yīng)用。但是目前THz-TDS技術(shù)的光譜分辨率與窄波段技術(shù)相比還很粗糙,其可以測量的頻譜范圍也比傅立葉變換光譜(FTS技術(shù)小。提高光譜分辨率和擴(kuò)大測量頻譜范圍將是未來THz-TDS技術(shù)發(fā)展的主要方向。2.2THz成像技術(shù)[19〗THz波廣泛應(yīng)用于無損檢測領(lǐng)域,因此各種THz波成像技術(shù)成為THz波應(yīng)用技術(shù)中最主要的研究方向[3~4〗。THz波成像技術(shù)有很多種,不同的THz波成像技術(shù)有著不同的應(yīng)用,但目前這些成像技術(shù)大多尚在研究中,主要有:①用光電導(dǎo)偶極子的T射線常規(guī)成像技術(shù);②用CCD攝像機(jī)的電光T射線成像技術(shù);③使用單周期脈沖T射線通過時(shí)間反演進(jìn)行物體重構(gòu)的成像技術(shù);④利用基爾霍夫移動(dòng)的T射線反射成像技術(shù);⑤動(dòng)態(tài)孔徑和暗場T射線成像技術(shù);⑥T射線計(jì)算機(jī)層析成像技術(shù),簡稱T射線CT;⑦T射線衍射層析成像技術(shù),簡稱T射線DT;⑧T射線顯微鏡成像技術(shù),利用近場技術(shù)等手段,分辨率可以達(dá)到微米;⑨50~200m的T射線成像技術(shù)。3太赫茲波的應(yīng)用領(lǐng)域THz時(shí)域光譜技術(shù)和THz成像技術(shù)在很多基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、公共安全領(lǐng)域、信息通信領(lǐng)域甚至軍事領(lǐng)域中都有著廣闊的應(yīng)用前景。3.1醫(yī)學(xué)領(lǐng)域由于THz波具有類似X射線的穿透能力,而且其光子能量較低,沒有X射線對活體組織的破壞作用,因此THz波成像技術(shù)已經(jīng)成為醫(yī)學(xué)檢查的一個(gè)有效工具。癌變組織和正常組織的THz波具有不同的振幅、波形和時(shí)間延遲,對人體組織器官進(jìn)行THz成像,可以從中得到腫瘤的大小和形狀,可做出腫瘤的早期診斷。目前英國劍橋大學(xué)、日本東芝歐洲研究院等機(jī)構(gòu)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對皮膚癌、乳腺癌和牙齒等的THz波成像,獲得的圖像成為外科診斷和治療的重要依據(jù)。3.2安全檢查領(lǐng)域由于物質(zhì)的THz光譜具有指紋特性,因而可以運(yùn)用THz時(shí)域光譜技術(shù)檢測包裹或信件中的毒品、爆炸物以及生物化學(xué)危險(xiǎn)品等[12〗。并且可實(shí)現(xiàn)非接觸、非破壞性的探測。美國911事件后,在信封中夾帶生物病毒的恐怖活動(dòng)曾引起了極大的恐慌和混亂,而THz波探測技術(shù)為防止此類恐怖活動(dòng)提供了一個(gè)有力的工具。同樣的方法還可用于多種生物大分子以及基因的分析與鑒別。THz波可以穿透衣物、紙盒、塑料等電介質(zhì),而液態(tài)水、金屬等對于THz波具有強(qiáng)烈的吸收,因此THz波成像可以作為X射線成像、金屬探測器的互補(bǔ)技術(shù)運(yùn)用于機(jī)場、海關(guān)等處的安全檢查。目前英國劍橋大學(xué)已經(jīng)獲得了人體的THz波透視圖象。3.3通信領(lǐng)域THz波在通信方面的應(yīng)用(如衛(wèi)星間通信、短程大氣通信、短程地面無線局域網(wǎng)通信等一直受到各方面的高度重視。THz波是很好的寬帶信息載體,它比微波的帶寬和訊道數(shù)多得多,特別適合用作衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶無線通信。THz波用于通信可以獲得10Gbps的無線傳輸速度,這比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)還要快幾百到一千倍。與可見光和紅外線相比,THz波同時(shí)具有極高的方向性以及較強(qiáng)的云霧穿透能力,因而THz通信可以以極高的帶寬進(jìn)行高保密衛(wèi)星通信。由于金屬和水對于THz波有強(qiáng)烈的吸收,THz波無線通信技術(shù)非常適合用于軍事保密通信。3.4天文學(xué)領(lǐng)域THz是射電天文學(xué)極其重要的頻段,美國國家航空航天局(NASA對于宇宙背景輻射的研究結(jié)果表明,在可觀測的星系輻射中,亞毫米波和太赫茲波占相當(dāng)大的比例,這些輻射大多來自低溫的宇宙塵埃,較老的星系(如銀河系等就充滿了這樣的宇宙塵埃,因此觀測和分析這些太赫茲波段的輻射就成為天文學(xué)家研究宇宙的一個(gè)重要手段。美國國家射電天文觀測局和幾個(gè)國際合作組織計(jì)劃建立一個(gè)1500GHz的地面射電望遠(yuǎn)鏡用于天文觀測。小型太赫茲波空間探測器則可用于小行星和彗星探測,歐洲航天局計(jì)劃發(fā)射的衛(wèi)星Rosetta將攜帶一個(gè)562GHz的太赫茲波探測器,用來觀測Wirtanen彗星頭部和尾部的水蒸汽和碳化物。由于太赫茲波的波長較短,使得無論是地面的還是空間的太赫茲波探測器的尺寸比傳統(tǒng)的射電探測器小,但卻不影響其觀測質(zhì)量和分辨能力。美國NASA的Aura衛(wèi)星上載有一個(gè)2.4THz的激光器,用以測量同溫層內(nèi)OH-的濃度和分布等。3.5其他領(lǐng)域THz技術(shù)還可應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域,如THz雷達(dá)分辨率很高,可成為未來高精度雷達(dá)的發(fā)展方向,可以完成遠(yuǎn)程監(jiān)視、武器探測以及在戰(zhàn)場上顯示前方灰塵或煙霧中的坦克等任務(wù)。大氣層中的水、氧氣、氮化物、氯化物等同樣輻射THz波,通過衛(wèi)星攜帶的THz波探測器,可以對大氣中這些氣體的含量及分布等進(jìn)行監(jiān)測,從而為近年來引起廣泛關(guān)注的全球氣候變暖、臭氧層消失等世界性的環(huán)境問題,提供大量第一手的數(shù)據(jù)和資料。THz波在物理學(xué)、等離子熔融診斷學(xué)、電子束診斷學(xué)及THz波顯微成像學(xué)等研究領(lǐng)域也有著廣泛應(yīng)用前景。4太赫茲波的產(chǎn)生THz波的產(chǎn)生是THz科學(xué)技術(shù)的關(guān)鍵。缺乏大功率、低成本、便攜式的室溫發(fā)射源是當(dāng)前THz技術(shù)發(fā)展的最主要的障礙。常見的用于產(chǎn)生THz的方法主要有寬帶脈沖技術(shù)和窄帶連續(xù)波技術(shù)。4.1寬頻帶太赫茲發(fā)射源大多數(shù)寬帶THz發(fā)射源都是基于不同材料的超短激光脈沖受激發(fā)射原理。如光電導(dǎo)偶極天線技術(shù)、光學(xué)整流效應(yīng)、半導(dǎo)體表面技術(shù)、等離子體振蕩、非線性傳輸線等。①20世紀(jì)90年代初,D.H.Auston、D.Grisch2kowsky等人用光電導(dǎo)偶極天線技術(shù)產(chǎn)生了THz電磁輻射脈沖。這種方法是現(xiàn)階段產(chǎn)生和探測THz波的最常用方法[13~14〗。其基本原理是:在光電導(dǎo)半導(dǎo)體材料表面淀積金屬制成偶極天線電極,用光子能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的超短脈沖激光泵浦半導(dǎo)體材料(如低溫生長的GaAs等,使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電子-空穴對。被激發(fā)的自由載流子在該外加偏置電壓的作用下輻射出具有皮秒脈寬的THz電磁輻射脈沖,并通過天線向空間傳播;②光學(xué)整流產(chǎn)生THz電脈沖的方法由張希成等人最先提出。光整流效應(yīng)是一種非線性效應(yīng),是利用超短激光脈沖(脈寬在亞皮秒量級(jí)和非線性介質(zhì)(如ZnTe[18〗電光晶體等相互作用而產(chǎn)生低頻電極化場,此電極化場輻射出THz電磁波。激光脈沖的特征和非線性介質(zhì)的性質(zhì)決定了THz波的振幅強(qiáng)度和頻率分布;③從裸露的半導(dǎo)體表面產(chǎn)生THz波是基于很多半導(dǎo)體的表面狀態(tài)被完全占用,于是靠近半導(dǎo)體表面與空氣交界處的費(fèi)米能級(jí)被牽制,導(dǎo)帶和價(jià)帶發(fā)生彎曲,從而產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)和一個(gè)表面強(qiáng)電場Eb。這個(gè)電場與交界面垂直,代表值為105V/cm。當(dāng)一個(gè)光子能量大于半導(dǎo)體帶隙的超短入射光脈沖照射半導(dǎo)體表面時(shí),入射的光載流子在半導(dǎo)體表面耗盡并被表面電場加速,從而產(chǎn)生超短瞬態(tài)電流,進(jìn)而輻射出THz頻率的電磁波[15〗。如圖3所示,產(chǎn)生的THz波頻率可通過改變激發(fā)脈沖的入射角進(jìn)行調(diào)整。很多半導(dǎo)體如InP、GaAs、GaSb、InSb、CdTe、CdSe、Ge等都已用這種方法產(chǎn)生THz輻射[16~17〗。圖3半導(dǎo)體表面THz產(chǎn)生原理圖Fig.3PrincipleofTHzgenerationonsurfaceofsemiconductor4.2窄頻帶太赫茲發(fā)射源窄帶THz發(fā)射源在高分辨率光譜、衛(wèi)星間通信等領(lǐng)域有很大的應(yīng)用潛力。因此,在過去的幾十年里,窄帶THz發(fā)射源的研究吸引了許多科學(xué)家的興趣。目前的研究主要集中在兩個(gè)方向:一個(gè)是電子學(xué)的方向[30〗,就是將電子學(xué)的方法向高頻延伸,這類方法的特點(diǎn)是效率較高,可以產(chǎn)生大功率甚至是超大功率的THz波,但頻率較低(1THz以下;另一個(gè)是光學(xué)方向,即將光學(xué)特別是激光技術(shù)向低頻延伸,這類方法的特點(diǎn)是可以產(chǎn)生方向性和相干性很好的THz波,但是輸出功率較小,適合產(chǎn)生1THz以上頻率的太赫茲波。目前這兩個(gè)發(fā)展方向也有相互融合的趨勢。還有其他一些產(chǎn)生THz波的技術(shù)正處于發(fā)展中,包括非線性光學(xué)混頻技術(shù)、光學(xué)參量轉(zhuǎn)換技術(shù)、自由電子激光技術(shù)、量子級(jí)聯(lián)激光技術(shù)等。①非線性光學(xué)混頻技術(shù):兩束連續(xù)波激光在一塊光電導(dǎo)材料中進(jìn)行混頻,可以產(chǎn)生頻率等于兩束激光頻率差值的光電流[20~22〗。當(dāng)頻率差位于THz波段時(shí),光電流可沿著發(fā)射線傳播或通過天線向自由空間輻射。有兩種光混頻器:分離元件光混頻器和分布式光混頻器。分離元件光混頻器使用MEMS(微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)制作具有微小光電導(dǎo)縫隙的電極,在電極之間施加很大的偏置電場,光電導(dǎo)體放置在天線或天線陣列的策動(dòng)點(diǎn)上,被兩束激光所照射。分離元件光混頻器工作方式類似極大帶寬的電流源,在THz波段驅(qū)動(dòng)天線產(chǎn)生輻射。分布式光混頻器基于相似的原理,但由激光所產(chǎn)生的光場將沿著混頻器的結(jié)構(gòu)傳播,并不像分離元件混頻器那樣位于一個(gè)單獨(dú)的點(diǎn)上;②光學(xué)參量轉(zhuǎn)換:通過非線性光學(xué)晶體中受激極化散射引起的參量光散射可以獲得連續(xù)可調(diào)的THz波[23~24〗。光學(xué)非線性晶體如LiNbO3或摻MgO的LiNbO3在被近紅外范圍的納秒脈沖強(qiáng)激光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生受激極化散射。這種激光脈沖頻率為幾十個(gè)MHz,能量范圍為20~50mJ/脈沖;③自由電子激光器FEL(freeelectronlaser:自由電子激光器是一種傳統(tǒng)的THz輻射源,其基本原理是:由粒子加速器提供的高速電子流(流速接近光速通過偏轉(zhuǎn)磁鐵導(dǎo)入一個(gè)扭擺磁場,電子在洛倫茲力作用下加速運(yùn)動(dòng),通過自發(fā)輻射,產(chǎn)生THz電磁波。自由電子激光器的頻率隨入射電子能量的增大而增大,因而是連續(xù)可調(diào)的,其頻譜可以從遠(yuǎn)紅外跨越到X射線。同時(shí)自由電子激光器還具有頻譜范圍廣、峰值功率和平均功率大、相干性好等優(yōu)點(diǎn)。但是它體積龐大,使用不方便,一般只用于科學(xué)研究。這是目前可以獲得THz最高輸出功率的方法[25〗;④量子級(jí)聯(lián)激光器:1994年美國貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL將固體半導(dǎo)體激光器技術(shù)延伸到THz波段[26〗。THz量子級(jí)聯(lián)激光器的研制成功是半導(dǎo)體固態(tài)THz輻射源發(fā)展史上的一個(gè)里程碑。常規(guī)半導(dǎo)體激光器是通過半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中空穴的復(fù)合來實(shí)現(xiàn)激射,其激射波長完全由半導(dǎo)體材料的能隙決定。量子級(jí)聯(lián)激光器從根本上改變了這一激射機(jī)制,它是只有電子參與的單極型激光器。電子從較高的能量狀態(tài)躍遷到較低的能量狀態(tài),發(fā)射出光子,以激光的形式輻射出來。其激射波長取決于由量子限制效應(yīng)決定的量子阱兩個(gè)激發(fā)態(tài)之間的能量差,而與半導(dǎo)體材料的能隙無關(guān)。THz量子級(jí)聯(lián)激光器體積小、能耗低、便于集成,需要解決的關(guān)鍵問題是提高這些量子級(jí)聯(lián)激光器的工作溫度;⑤電子學(xué)振蕩器頻率轉(zhuǎn)換(倍頻:它也是一種常用的產(chǎn)生低功率(<100μW連續(xù)波THz輻射源的方法。頻率上轉(zhuǎn)換可以通過一系列的平面GaAs肖特基二極管倍增器來實(shí)現(xiàn)。第一臺(tái)工作在1THz以上的平面肖特基倍增器通過使用薄膜技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在室溫下這臺(tái)設(shè)備能產(chǎn)生80μw的1.2THz輻射,在120K時(shí)為200μW,50K時(shí)為250μW。使用同樣的技術(shù)還制成了三倍增器,在2.7THz時(shí)輸出功率為1μW。THz倍增器因其緊湊的結(jié)構(gòu)和高集成度,是一種非常有發(fā)展?jié)摿Φ男⌒突?、高效率THz源。此外,使用納米器件產(chǎn)生和探測THz輻射也展現(xiàn)出了極為誘人的前景[26〗。5太赫茲波探測器現(xiàn)階段THz輻射源大多具有低發(fā)射功率與相對較高熱背景耦合的特性,因而需要高靈敏度的探測手段。在寬波段THz探測中,最常用的方法是基于熱吸收的直接探測,需要冷卻以降低熱背景。常用的裝置是液氦冷卻的熱輻射測量儀(bolometer,以及利用超導(dǎo)技術(shù)研制成功的非常靈敏的超導(dǎo)(SIS混頻技術(shù),它是一種低噪聲檢測技術(shù),也是目前THz射電天文和大氣物理研究的核心技術(shù)。SIS探測器以光子輔助隧穿機(jī)制為理論基礎(chǔ),探測頻率為0.1~1.2THz;另一種高靈敏度探測器是近年來利用聲子和電子散射冷卻機(jī)制發(fā)展起來的熱電子輻射熱計(jì)(HEB,其響應(yīng)頻率很快,在1THz輻射的探測上較SIS技術(shù)有更好的性能,目前其可探測的最高頻率約為5THz。上述裝置使用方便,但只能測出輻射的強(qiáng)度,僅能做非相干測量,不能提供相位信息,并且靈敏度受到背景輻射的限制。測量太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)中的THz脈沖,需要使用相干探測器。目前最常用的方法是光電導(dǎo)采樣和自由空間電光采樣,這兩種方法直接記錄THz輻射電場的振幅時(shí)間波形,由傅立葉變換得到其振幅和相位的光譜分布。光電導(dǎo)天線是最早用于探測THz脈沖的相干探測工具[27〗。光電導(dǎo)采樣[28〗基于光電導(dǎo)發(fā)射機(jī)理的逆過程,其基本原理是使用半導(dǎo)體光電導(dǎo)天線作為太赫茲接收元件,利用探測光在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光電流與太赫茲驅(qū)動(dòng)電場成正比的特性,可測量太赫茲瞬間電場。用這種方法已探測到高達(dá)60THz的寬波段太赫茲輻射。但是這種探測技術(shù)存在一種內(nèi)在的Hertzian偶極子共振特性,所探測的THz電磁信號(hào)波形與所用的光導(dǎo)天線的共振響應(yīng)函數(shù)有關(guān),以致于得不到準(zhǔn)