原创 虹科案例 | 太赫兹技术用于香烟检测

香烟生产检测

中国卷烟行业发展的历史已经有上千年的历史，在这千多年的时间里，中国卷烟行业的发展可以说是非常迅猛的。根据近期报告分析，从2018年到2020年，中国卷烟行业的市场规模从2.5万亿元攀升至3.7万亿元，增长了48.4%。在2020年，中国卷烟行业的市场规模已经达到了3.7万亿元，占全国消费品行业市场规模的8.2%。

以「中华」、「芙蓉王」、「利群」、「黄鹤楼」、「玉溪」、「云烟」、「南京」等为代表的中式卷烟品牌迅速做大规模、做强结构，取得了超过99%的超高市场份额、销售占比，奠定了中国烟草最为关键的核心竞争力。

现代意义的卷烟产品，其制作过程大致要经过烟叶初烤、打叶复烤、烟叶发酵、卷烟配方、卷烟制丝、烟支制卷、卷烟包装七个大项的生产工艺流程，才能作为商品流转到消费者手中。

在生产包装的多个环节，香烟都可能存在一些制造失误，比如香烟滤棒连接有误、包装内部存在异物等，对每一根香烟的规格都需要进行检测，从而保证生产合规。这离不开专业的检测手段，现阶段香烟行业以人工检测、白光+相机的机器视觉方案实现表面缺陷等简单检测，然而对于包装好的单支香烟、以及香烟盒内部情况的检测，却还没有广泛应用的技术方案。

太赫兹成像技术

太赫兹波是处于微波与红外之间，定义频率在0.1~10 THz, 波长在3~0.03 mm之间的电磁波。

由于其在电磁波频谱的特殊位置，其在文物检测领域具有明显优势：光子能量低，不具有电离辐射；极易透过非极性和非金属材料，包括陶瓷、帆布、木材、纸张等常见艺术品的承载材料；频段处在许多生物大分子振动和转动能级，可根据太赫兹波的强吸收和谐振特性建立分子指纹特征谱鉴别物质成分；太赫兹波段的高频率对应于更短的波长，能够达到比微波成像更高的空间分辨率；不需要接触表面，实现无损探测。基于以上优势，太赫兹成像技术在安检、生物检测与工业无损检测等方面具有极佳的应用前景。

太赫兹成像系统目前也有多种配置，比如基于飞秒激光与光电导天线的TDS系统，基于FMCW雷达的收发一体的反射式成像雷达等，根据具体应用场景可以选择不同的成像配置。香烟的外壳是纸张材质，太赫兹可以轻松穿透，基于太赫兹成像系统，我们可以对香烟进行穿透成像，查看到样品内部的情况，从而发现缺陷和异物。

太赫兹香烟成像实例

本次对香烟进行成像测试采用的是虹科太赫兹雷达扫描仪TeraScan 100，通过对不同尺寸的香烟进行太赫兹成像，成功查看到香烟的内部爆珠以及不同的成分结构，体现了太赫兹技术在香烟检测应用的绝佳潜力。

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测试样品

本次测试的样品是4种香烟，每种2支，同一种香烟的直径相同。A至D的直径分别为5mm、6mm、7mm和7mm。A组在香烟两端22mm和36mm处都有内含物，D组也由三个不同的部分组成。

测试目的是识别香烟样品的每个部分（组成与形状），并评估TeraScan 100（120GHz）是否能够区分样品的所有组成部分。除此以外，还需要确认太赫兹技术是否能够区分A样品中存在的小球形夹杂物（香烟爆珠）。

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测试设置

横向分辨率对于该测试而言是重要的，以便能够区分这些样品的不同成分。对于这个样品，我们设置横向分辨率（移动步长）为1mm。我们将平均成像，以获得高质量的成像，同时也不会有太长的扫描时间。我们在样品背面放置金属板，以增加样品的反射率，并具有更好的对比度。

采用虹科太赫兹雷达扫描仪TeraScan 100，基于连续波调频雷达的原理，中心频率为120GHz，探测速率10Hz，是一套集太赫兹雷达、扫描平台与成像软件为一体的完整成像系统。

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测试结果

下图是四组样品的生产规格图：A为5段，两段中分别有两颗爆珠。B为1段，长度更短。C由两段组成，D由三段组成，尺寸不同。

通过太赫兹雷达检测得到香烟的图像，如下图所示。

A组与B组香烟样品

样品A和B样品均符合规格， 除了1B短于2B。除A样品外，未见异常和内部夹杂物。在预期的位置可以观察到样品A的球形夹杂物（爆珠）。所有不同的部分都是可区分的。

C组与D组香烟样品

从太赫兹检测结果来看，样品C没有任何异常。而样本D并不符合规格(示意图)，这组太赫兹检测图中显示了四个不同的部分，而示意图只有三个部分，从而发现了不合规的产品。

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测试结论

TeraScan 100 太赫兹系统完全能够区分不同的样品部件，还能够识别A样品上的球形夹杂物（爆珠），以及分辨出所有样品的密度差别。显示了太赫兹技术在香烟检测应用的极大潜力。

虹科太赫兹方案

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。120G的输出波段能够有效穿透纸盒、塑料等包装材料，实现对样品内部的检测；x-y-z 机动平移台上，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，实现对样品的深度成像，查看其表面之下的缺陷及各类信息。

亚太赫兹多功能雷达：

基于GaAs肖特基二极管倍频器原理的FMCW雷达。150G的输出波段对非金属包装材料具有优异的穿透性；采集深度信息，能够获得样品不同深度位置的图像效果，空间分辨率2mm；还有厚度测量与材料识别功能，可用于样品的涂料厚度、相关参数测量等应用；紧凑单体结构，适合实验室、现场检测等多种应用环境。

TeraEyes-HV实时成像系统：

多功能、实时太赫兹成像系统，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，具有250um的最优分辨率，实现样品细节的高分辨探测；太赫兹相机每秒采集50帧图像，可实现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。