樹木具有保持生態(tài)平衡、防風固沙的作用，能夠改善貧瘠的土地與惡劣的氣候，對人類的生存環(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，每只幼蟲都會吃掉韌皮，這就導致了物種典型的鉆孔。甲蟲和幼蟲以所謂的韌皮為生，在樹皮內是樹木的血管，用來運輸水分和營養(yǎng)物質。如果一棵樹受到嚴重影響，樹冠和樹根之間的水和營養(yǎng)物質流動就會受到干擾，最終樹就會死亡，并且這種蟲害是會擴散到整個森林區(qū)域的。

為了防止大范圍的蟲害，經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，這種視覺評估是不可能的。

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

到目前為止，還沒有一種技術方法可以在不去除樹皮的情況下定性地評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于木材質量等級的精確信息，從而實現(xiàn)更經濟、更環(huán)保的林業(yè)使用和保護。

PART.TWO

看到表面之下

科學家們提出了一種新的太赫茲成像技術，可以通過在木材外部可見之前檢測到木材內部的昆蟲損傷來幫助減緩蟲害侵擾的傳播。該研究發(fā)布在光學學會雜志《應用光學》（Applied Optics）上，研究人員報告了他們如何使用太赫茲飛行時間斷層掃描技術來非侵入性地識別木材樣品，這些木材樣品具有甲蟲造成的內部損傷，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重建木材樣品的內部結構。

“實驗中檢測的云杉樣本”

實驗樣品

(a)、(b)測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構。

太赫茲技術是大約三十年前興起的一項技術，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)在已經取得了長足的進展。目前，太赫茲輻射越來越多地被用于跨學科研究，在各個領域用來探測不同形式的材料內部情況，包括藝術、醫(yī)學或質量控制。電磁頻譜的太赫茲區(qū)域位于微波和紅外區(qū)域之間，它用于許多機場的全身掃描儀等應用，因為它不會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方法來檢測昆蟲鉆孔，太赫茲飛行時間斷層掃描的工作原理與超聲波測量非常相似，因為木材樣品中的每個界面都反映了一定量的太赫茲輻射，這些輻射根據(jù)其時間依賴順序進行檢測和分析。昆蟲建造的每個鉆孔都通向一個新的界面，太赫茲輻射則被每一個界面反射到探測器。

(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)對應截面的位置。

“受感染的樣本將比未感染的樣本反射更多的太赫茲輻射，因為界面會更少，”克魯格納說?！按送猓?strong>單個反射的太赫茲信號可用于形成整個區(qū)域的圖片，以便可視化受感染木材的內部結構?！?strong>我們的方法可用于檢測樹干、進口木材或早期侵擾階段木制品上的早期昆蟲侵擾，”來自德國HAWK應用科學與藝術大學的研究團隊成員Kirsti Krügener說?！?strong>這可能有助于阻止來自其他國家的有害昆蟲，并在侵擾蔓延到整個森林之前阻止侵擾。"將太赫茲技術納入便攜式儀器可以評估森林中的個別樹木，以便只需要清除受感染的樹木。因為它不會損壞正在成像的樣品，所以該技術也可用于調查木乃伊，研究和修復藝術或工業(yè)質量控制。

PART.THREE

不止平坦表面

盡管太赫茲飛行時間斷層掃描已經使用了近20年，但由于反射信號的采集限制，之前只能應用于平面樣品。兩年前，研究人員開發(fā)了新程序，使用機械臂逐點掃描任意形狀的樣品，同時保持發(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。

研究人員使用機械臂進行的時域太赫茲斷層掃描檢測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量

研究人員將這些方法應用于對具有已知和未知內部結構的木材樣品進行成像。他們將結果與傳統(tǒng)斷層掃描技術進行了比較，發(fā)現(xiàn)由太赫茲信號重建的內部結構與X射線或計算機斷層掃描可以實現(xiàn)的效果非常吻合。他們能夠通過檢測甲蟲洞穴來區(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1cm處。

“太赫茲測量的深度分辨率高于傳統(tǒng)的X射線技術，可與顯微CT相媲美，”Krügener說?！叭欢c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

太赫茲橫截面與 CT 圖像之間的比較。

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

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用場景的太赫茲成像檢測方案，可用于實驗室的林木樣品蟲害的檢測研究，以及用于現(xiàn)場檢測的相關便攜式設備的開發(fā)。

虹科 TeraScan 100 雷達掃描儀

基于 FMCW 雷達技術的深度 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，實現(xiàn)對林木內部空洞、損傷痕跡的檢測；搭配x-y-z 機動平移臺，可掃描 300x300mm 的大樣本；結合定制設計的可互換光學元件，能夠提供 1.8mm 的空間分辨率；內部開發(fā)的雷達信號處理算法在 100 ms 的單次測量中允許超過 60 dB 的動態(tài)范圍，實現(xiàn)對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

基于GaAs肖特基二極管倍頻器原理的FMCW雷達。150G的輸出波段對林木等材料具有優(yōu)異的穿透性；FMCW雷達原理能夠采集深度信息，獲取林木材料內部不同深度位置的圖像效果；空間分辨率可達2mm，從而探測到林木內部的蟲害痕跡；除此以外，雷達還有厚度測量與材料識別功能，對木材等材料進行種類鑒別以及測厚；收發(fā)一體，緊湊單體結構，可集成機械臂，適合實驗室、現(xiàn)場檢測等多種應用環(huán)境。

虹科TeraEyes-HV實時成像系統(tǒng)

多功能、實時太赫茲成像的完整系統(tǒng)，適用于全場高分辨率應用。基于量子級聯(lián)激光器原理的高頻段（2~5THz）太赫茲源，能夠根據(jù)材料特點選擇合適的太赫茲波長；結合太赫茲相機實現(xiàn)250um的最優(yōu)分辨率，實現(xiàn)細節(jié)的高分辨探測；光學模塊實現(xiàn)最大10×10cm2的照明區(qū)域，結合相機每秒采集50幀圖像，可實現(xiàn)林木樣品的實時穿透成像，查看內部缺陷情況，并最終可實現(xiàn)三維重建效果。