虹科案例|太赫兹技术探测林木的内部虫洞

 

树木具有保持生态平衡、防风固沙的作用，能够改善贫瘠的土地与恶劣的气候，对人类的生存环境而言必不可少，并且处理后的木材也是建筑、家具、文化产业等必不可少的原料。
 

然而，由于气候变化和全球化，近年来树木虫害的情况显著增加。蛀虫通常在枯木和活树的树皮正下方的区域繁殖，虫蛋孵化后，每只幼虫都会吃掉韧皮，这就导致了物种典型的钻孔。甲虫和幼虫以所谓的韧皮为生，在树皮内是树木的血管，用来运输水分和营养物质。如果一棵树受到严重影响，树冠和树根之间的水和营养物质流动就会受到干扰，最终树就会死亡，并且这种虫害是会扩散到整个森林区域的。

 

为了防止大范围的虫害，经常在没有必要的情况下砍伐了健康的树干，需要砍伐的病害树目前只能通过目测来确定。然而，通常最早发生虫害的区域在树木的较高处，这种视觉评估是不可能的。

虫害对林业来说正成为一个代价越来越高的问题，特别是在干旱加剧和与气候变化有关的炎热地区。目前人们主要采取预防的方式，比如通过诱捕装置和信息素的结合监测低密度的蛀干害虫成虫的种群动态，但是对树木内部的虫害监测，特别是在没有外部表现时的虫害判断，是很难实现的。

 

 

到目前为止，还没有一种技术方法可以在不去除树皮的情况下定性地评估昆虫虫洞的存在或传播。因此，需要一种非破坏性的方式中获得关于木材质量等级的精确信息，从而实现更经济、更环保的林业使用和保护。

 

PART.TWO

看到表面之下

科学家们提出了一种新的太赫兹成像技术，可以通过在木材外部可见之前检测到木材内部的昆虫损伤来帮助减缓虫害侵扰的传播。该研究发布在光学学会杂志《应用光学》（Applied Optics）上，研究人员报告了他们如何使用太赫兹飞行时间断层扫描技术来非侵入性地识别木材样品，这些木材样品具有甲虫造成的内部损伤，这种甲虫感染了欧洲的云杉和其他针叶树，他们还能够通过太赫兹成像技术重建木材样品的内部结构。

“实验中检测的云杉样本”

 

实验样品
 

(a)、(b)测量面积用铝制矩形表示。(c)， (d)去除表面后的样品显示了蛀虫侵染引起的树皮以下的不同结构。

太赫兹技术是大约三十年前兴起的一项技术，能够得到频率在100 GHz到10THz之间难以捉摸的电磁频谱，到现在已经取得了长足的进展。目前，太赫兹辐射越来越多地被用于跨学科研究，在各个领域用来探测不同形式的材料内部情况，包括艺术、医学或质量控制。电磁频谱的太赫兹区域位于微波和红外区域之间，它用于许多机场的全身扫描仪等应用，因为它不会伤害人或被检查的材料，并且可以穿透衣服、塑料和木材等材料。

这是第一次使用太赫兹的技术方法来检测昆虫钻孔，太赫兹飞行时间断层扫描的工作原理与超声波测量非常相似，因为木材样品中的每个界面都反映了一定量的太赫兹辐射，这些辐射根据其时间依赖顺序进行检测和分析。昆虫建造的每个钻孔都通向一个新的界面，太赫兹辐射则被每一个界面反射到探测器。

(a)未受虫害的云杉和(b)受虫害的云杉样本的表面模型，测量区域用彩色矩形突出显示，白色虚线分别表示(c)和(d)中太赫兹数据对应截面的位置。

“受感染的样本将比未感染的样本反射更多的太赫兹辐射，因为界面会更少，”克鲁格纳说。“此外，单个反射的太赫兹信号可用于形成整个区域的图片，以便可视化受感染木材的内部结构。“我们的方法可用于检测树干、进口木材或早期侵扰阶段木制品上的早期昆虫侵扰，”来自德国HAWK应用科学与艺术大学的研究团队成员Kirsti Krügener说。“这可能有助于阻止来自其他国家的有害昆虫，并在侵扰蔓延到整个森林之前阻止侵扰。"将太赫兹技术纳入便携式仪器可以评估森林中的个别树木，以便只需要清除受感染的树木。因为它不会损坏正在成像的样品，所以该技术也可用于调查木乃伊，研究和修复艺术或工业质量控制。

PART.THREE

不止平坦表面

尽管太赫兹飞行时间断层扫描已经使用了近20年，但由于反射信号的采集限制，之前只能应用于平面样品。两年前，研究人员开发了新程序，使用机械臂逐点扫描任意形状的样品，同时保持发射器 - 接收器 - 头垂直于样品表面并与样品表面保持规定的距离。

研究人员使用机械臂进行的时域太赫兹断层扫描检测了木材样本中的昆虫损伤，正在获得反射太赫兹断层扫描图像测量

研究人员将这些方法应用于对具有已知和未知内部结构的木材样品进行成像。他们将结果与传统断层扫描技术进行了比较，发现由太赫兹信号重建的内部结构与X射线或计算机断层扫描可以实现的效果非常吻合。他们能够通过检测甲虫洞穴来区分受感染和未受感染的样品，这些洞穴位于木材表面以下达1cm处。

“太赫兹测量的深度分辨率高于传统的X射线技术，可与显微CT相媲美，”Krügener说。“然而，与显微CT不同，太赫兹系统可以用于任何尺寸的样品。"

“太赫兹与CT的比较”

 

太赫兹成像技术

太赫兹横截面与 CT 图像之间的比较。

研究人员现在正在努力提高测量和数据分析的速度，并开发更复杂的数据分析，使该方法更适用于检测受感染的木材。他们还希望开发一种可用于现场的便携式仪器，能够让林业人员在森林现场快速监测林木是否受到虫害侵蚀，不过目前距离这样的便携式设备还需要更多的研究投入。对于林业，太赫兹除了对虫害进行探测以外，还可以对真菌感染的木材做评估。该课题组的成员还利用太赫兹辐射对木材样品中真菌的生长程度做了研究，他们发现从太赫兹测量中提取的参数与真菌侵染的进展之间存在很强的相关性，这表明太赫兹成像可能是一种有价值的非接触检测木材的工具。因此，太赫兹成像技术对于林业，一方面可以用于林木内部虫害、真菌感染等损伤情况做无损检测，从而在病害初期遏制住扩散，减少自然损失和经济损失；另一方面，在木材进入市场之前，太赫兹成像技术也有潜力对木材的质量做相应评估，在投入建筑、家具等市场应用之前排除不良品，避免造成后续潜在的严重后果。

PART.FOUR

虹科太赫兹成像方案

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同应用场景的太赫兹成像检测方案，可用于实验室的林木样品虫害的检测研究，以及用于现场检测的相关便携式设备的开发。

虹科 TeraScan 100 雷达扫描仪
 

 

基于 FMCW 雷达技术的深度 3D 亚太赫兹扫描仪，完整成像方案。120G的输出波段能够有效穿透木材，实现对林木内部空洞、损伤痕迹的检测；搭配x-y-z 机动平移台，可扫描 300x300mm 的大样本；结合定制设计的可互换光学元件，能够提供 1.8mm 的空间分辨率；内部开发的雷达信号处理算法在 100 ms 的单次测量中允许超过 60 dB 的动态范围，实现对林木样品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各类信息。

虹科多功能太赫兹 NDT 雷达
 

基于GaAs肖特基二极管倍频器原理的FMCW雷达。150G的输出波段对林木等材料具有优异的穿透性；FMCW雷达原理能够采集深度信息，获取林木材料内部不同深度位置的图像效果；空间分辨率可达2mm，从而探测到林木内部的虫害痕迹；除此以外，雷达还有厚度测量与材料识别功能，对木材等材料进行种类鉴别以及测厚；收发一体，紧凑单体结构，可集成机械臂，适合实验室、现场检测等多种应用环境。

虹科TeraEyes-HV实时成像系统
 

多功能、实时太赫兹成像的完整系统，适用于全场高分辨率应用。基于量子级联激光器原理的高频段（2~5THz）太赫兹源，能够根据材料特点选择合适的太赫兹波长；结合太赫兹相机实现250um的最优分辨率，实现细节的高分辨探测；光学模块实现最大10×10cm2的照明区域，结合相机每秒采集50帧图像，可实现林木样品的实时穿透成像，查看内部缺陷情况，并最终可实现三维重建效果。