樹木具有保持生態(tài)平衡、防風(fēng)固沙的作用，能夠改善貧瘠的土地與惡劣的氣候，對(duì)人類的生存環(huán)境而言必不可少，并且處理后的木材也是建筑、家具、文化產(chǎn)業(yè)等必不可少的原料。

然而，由于氣候變化和全球化，近年來樹木蟲害的情況顯著增加。蛀蟲通常在枯木和活樹的樹皮正下方的區(qū)域繁殖，蟲蛋孵化后，每只幼蟲都會(huì)吃掉韌皮，這就導(dǎo)致了物種典型的鉆孔。甲蟲和幼蟲以所謂的韌皮為生，在樹皮內(nèi)是樹木的血管，用來運(yùn)輸水分和營養(yǎng)物質(zhì)。如果一棵樹受到嚴(yán)重影響，樹冠和樹根之間的水和營養(yǎng)物質(zhì)流動(dòng)就會(huì)受到干擾，最終樹就會(huì)死亡，并且這種蟲害是會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)森林區(qū)域的。

為了防止大范圍的蟲害，經(jīng)常在沒有必要的情況下砍伐了健康的樹干，需要砍伐的病害樹目前只能通過目測(cè)來確定。然而，通常最早發(fā)生蟲害的區(qū)域在樹木的較高處，這種視覺評(píng)估是不可能的。

蟲害對(duì)林業(yè)來說正成為一個(gè)代價(jià)越來越高的問題，特別是在干旱加劇和與氣候變化有關(guān)的炎熱地區(qū)。目前人們主要采取預(yù)防的方式，比如通過誘捕裝置和信息素的結(jié)合監(jiān)測(cè)低密度的蛀干害蟲成蟲的種群動(dòng)態(tài)，但是對(duì)樹木內(nèi)部的蟲害監(jiān)測(cè)，特別是在沒有外部表現(xiàn)時(shí)的蟲害判斷，是很難實(shí)現(xiàn)的。

到目前為止，還沒有一種技術(shù)方法可以在不去除樹皮的情況下定性地評(píng)估昆蟲蟲洞的存在或傳播。因此，需要一種非破壞性的方式中獲得關(guān)于木材質(zhì)量等級(jí)的精確信息，從而實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更環(huán)保的林業(yè)使用和保護(hù)。

PART.TWO

看到表面之下

科學(xué)家們提出了一種新的太赫茲成像技術(shù)，可以通過在木材外部可見之前檢測(cè)到木材內(nèi)部的昆蟲損傷來幫助減緩蟲害侵?jǐn)_的傳播。該研究發(fā)布在光學(xué)學(xué)會(huì)雜志《應(yīng)用光學(xué)》（Applied Optics）上，研究人員報(bào)告了他們?nèi)绾问褂锰掌濓w行時(shí)間斷層掃描技術(shù)來非侵入性地識(shí)別木材樣品，這些木材樣品具有甲蟲造成的內(nèi)部損傷，這種甲蟲感染了歐洲的云杉和其他針葉樹，他們還能夠通過太赫茲成像技術(shù)重建木材樣品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)的云杉樣本”

實(shí)驗(yàn)樣品

(a)、(b)測(cè)量面積用鋁制矩形表示。(c)， (d)去除表面后的樣品顯示了蛀蟲侵染引起的樹皮以下的不同結(jié)構(gòu)。

太赫茲技術(shù)是大約三十年前興起的一項(xiàng)技術(shù)，能夠得到頻率在100 GHz到10THz之間難以捉摸的電磁頻譜，到現(xiàn)在已經(jīng)取得了長足的進(jìn)展。目前，太赫茲輻射越來越多地被用于跨學(xué)科研究，在各個(gè)領(lǐng)域用來探測(cè)不同形式的材料內(nèi)部情況，包括藝術(shù)、醫(yī)學(xué)或質(zhì)量控制。電磁頻譜的太赫茲區(qū)域位于微波和紅外區(qū)域之間，它用于許多機(jī)場(chǎng)的全身掃描儀等應(yīng)用，因?yàn)樗粫?huì)傷害人或被檢查的材料，并且可以穿透衣服、塑料和木材等材料。

這是第一次使用太赫茲的技術(shù)方法來檢測(cè)昆蟲鉆孔，太赫茲飛行時(shí)間斷層掃描的工作原理與超聲波測(cè)量非常相似，因?yàn)槟静臉悠分械拿總€(gè)界面都反映了一定量的太赫茲輻射，這些輻射根據(jù)其時(shí)間依賴順序進(jìn)行檢測(cè)和分析。昆蟲建造的每個(gè)鉆孔都通向一個(gè)新的界面，太赫茲輻射則被每一個(gè)界面反射到探測(cè)器。

(a)未受蟲害的云杉和(b)受蟲害的云杉樣本的表面模型，測(cè)量區(qū)域用彩色矩形突出顯示，白色虛線分別表示(c)和(d)中太赫茲數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)截面的位置。

“受感染的樣本將比未感染的樣本反射更多的太赫茲輻射，因?yàn)榻缑鏁?huì)更少，”克魯格納說?！按送猓?strong>單個(gè)反射的太赫茲信號(hào)可用于形成整個(gè)區(qū)域的圖片，以便可視化受感染木材的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。“我們的方法可用于檢測(cè)樹干、進(jìn)口木材或早期侵?jǐn)_階段木制品上的早期昆蟲侵?jǐn)_，”來自德國HAWK應(yīng)用科學(xué)與藝術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成員Kirsti Krügener說?！?strong>這可能有助于阻止來自其他國家的有害昆蟲，并在侵?jǐn)_蔓延到整個(gè)森林之前阻止侵?jǐn)_。"將太赫茲技術(shù)納入便攜式儀器可以評(píng)估森林中的個(gè)別樹木，以便只需要清除受感染的樹木。因?yàn)樗粫?huì)損壞正在成像的樣品，所以該技術(shù)也可用于調(diào)查木乃伊，研究和修復(fù)藝術(shù)或工業(yè)質(zhì)量控制。

PART.THREE

不止平坦表面

盡管太赫茲飛行時(shí)間斷層掃描已經(jīng)使用了近20年，但由于反射信號(hào)的采集限制，之前只能應(yīng)用于平面樣品。兩年前，研究人員開發(fā)了新程序，使用機(jī)械臂逐點(diǎn)掃描任意形狀的樣品，同時(shí)保持發(fā)射器 - 接收器 - 頭垂直于樣品表面并與樣品表面保持規(guī)定的距離。

研究人員使用機(jī)械臂進(jìn)行的時(shí)域太赫茲斷層掃描檢測(cè)了木材樣本中的昆蟲損傷，正在獲得反射太赫茲斷層掃描圖像測(cè)量

研究人員將這些方法應(yīng)用于對(duì)具有已知和未知內(nèi)部結(jié)構(gòu)的木材樣品進(jìn)行成像。他們將結(jié)果與傳統(tǒng)斷層掃描技術(shù)進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)由太赫茲信號(hào)重建的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與X射線或計(jì)算機(jī)斷層掃描可以實(shí)現(xiàn)的效果非常吻合。他們能夠通過檢測(cè)甲蟲洞穴來區(qū)分受感染和未受感染的樣品，這些洞穴位于木材表面以下達(dá)1cm處。

“太赫茲測(cè)量的深度分辨率高于傳統(tǒng)的X射線技術(shù)，可與顯微CT相媲美，”Krügener說?！叭欢?，與顯微CT不同，太赫茲系統(tǒng)可以用于任何尺寸的樣品。"

“太赫茲與CT的比較”

太赫茲成像技術(shù)

太赫茲橫截面與 CT 圖像之間的比較。

研究人員現(xiàn)在正在努力提高測(cè)量和數(shù)據(jù)分析的速度，并開發(fā)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析，使該方法更適用于檢測(cè)受感染的木材。他們還希望開發(fā)一種可用于現(xiàn)場(chǎng)的便攜式儀器，能夠讓林業(yè)人員在森林現(xiàn)場(chǎng)快速監(jiān)測(cè)林木是否受到蟲害侵蝕，不過目前距離這樣的便攜式設(shè)備還需要更多的研究投入。對(duì)于林業(yè)，太赫茲除了對(duì)蟲害進(jìn)行探測(cè)以外，還可以對(duì)真菌感染的木材做評(píng)估。該課題組的成員還利用太赫茲輻射對(duì)木材樣品中真菌的生長程度做了研究，他們發(fā)現(xiàn)從太赫茲測(cè)量中提取的參數(shù)與真菌侵染的進(jìn)展之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性，這表明太赫茲成像可能是一種有價(jià)值的非接觸檢測(cè)木材的工具。因此，太赫茲成像技術(shù)對(duì)于林業(yè)，一方面可以用于林木內(nèi)部蟲害、真菌感染等損傷情況做無損檢測(cè)，從而在病害初期遏制住擴(kuò)散，減少自然損失和經(jīng)濟(jì)損失；另一方面，在木材進(jìn)入市場(chǎng)之前，太赫茲成像技術(shù)也有潛力對(duì)木材的質(zhì)量做相應(yīng)評(píng)估，在投入建筑、家具等市場(chǎng)應(yīng)用之前排除不良品，避免造成后續(xù)潛在的嚴(yán)重后果。

PART.FOUR

虹科太赫茲成像方案

虹科提供不同波段、不同成像方法以及不同應(yīng)用場(chǎng)景的太赫茲成像檢測(cè)方案，可用于實(shí)驗(yàn)室的林木樣品蟲害的檢測(cè)研究，以及用于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的相關(guān)便攜式設(shè)備的開發(fā)。

虹科 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，完整成像方案。120G的輸出波段能夠有效穿透木材，實(shí)現(xiàn)對(duì)林木內(nèi)部空洞、損傷痕跡的檢測(cè)；搭配x-y-z 機(jī)動(dòng)平移臺(tái)，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)林木樣品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各類信息。

虹科多功能太赫茲 NDT 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)林木等材料具有優(yōu)異的穿透性；FMCW雷達(dá)原理能夠采集深度信息，獲取林木材料內(nèi)部不同深度位置的圖像效果；空間分辨率可達(dá)2mm，從而探測(cè)到林木內(nèi)部的蟲害痕跡；除此以外，雷達(dá)還有厚度測(cè)量與材料識(shí)別功能，對(duì)木材等材料進(jìn)行種類鑒別以及測(cè)厚；收發(fā)一體，緊湊單體結(jié)構(gòu)，可集成機(jī)械臂，適合實(shí)驗(yàn)室、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)等多種應(yīng)用環(huán)境。

虹科TeraEyes-HV實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)

多功能、實(shí)時(shí)太赫茲成像的完整系統(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，能夠根據(jù)材料特點(diǎn)選擇合適的太赫茲波長；結(jié)合太赫茲相機(jī)實(shí)現(xiàn)250um的最優(yōu)分辨率，實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)的高分辨探測(cè)；光學(xué)模塊實(shí)現(xiàn)最大10×10cm2的照明區(qū)域，結(jié)合相機(jī)每秒采集50幀圖像，可實(shí)現(xiàn)林木樣品的實(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。