基于反射式太赫兹时域光谱与一维卷积神经网络技术的二次爆炸物分类研究

本文系统研究了RDX、HMX、TNT、PETN及Tetryl等五种高能二次爆炸物在反射几何构型下的太赫兹时域光谱（THz-TDS）特性，通过提取吸收谱、折射率及快速傅里叶变换（FFT）特征，结合主成分分析（PCA）与监督学习算法（SVM/KNN/RF），最终采用一维卷积神经网络（1D-CNN）实现了超过95%的分类准确率，为爆炸物快速无损检测提供了创新性技术方案。

　　

研究亮点

样品制备

本研究选取了五种典型二次爆炸物样品：三硝基甲苯（TNT）、环四亚甲基四硝胺（HMX）、环三亚甲基三硝胺（RDX）、季戊四醇四硝酸酯（PETN）及特屈儿（Tetryl）。为制备分析样品，精确称取100毫克爆炸物材料与200毫克特氟龙粉末混合，该粉末作为粘合剂确保最终产物的均匀性与稳定性。制备过程中采用液压机在5吨压力下将混合物压制成厚度约1.5毫米、直径13毫米的均匀颗粒，最终样品实物如图1所示。

太赫兹时域光谱结果与分析

图2(a)展示了镀金镜面（作为参考信号）与各爆炸物样品（RDX、TNT、HMX、PETN和Tetryl）获得的反射太赫兹时域信号。镀金镜面因在太赫兹频段具有高反射率和可忽略的吸收，可提供可靠的参考信号。由于各自独特的分子振动模式和介电特性，每种爆炸材料均表现出独特的时域响应。通过比较样品信号与参考信号，可提取出每个爆炸物样本的光学参数。

图2(b)显示了五种爆炸物在0.2-3.0太赫兹频率范围内的吸收系数谱。所有爆炸物在特定频率处均表现出明显的吸收峰，这些特征峰源于分子间振动、晶格振动或旋转跃迁。例如，RDX在0.82、1.05、1.37、1.55、1.95和2.20太赫兹处显示吸收峰；HMX在0.83、1.05、1.39、1.57、1.72、1.95和2.20太赫兹处有吸收峰；TNT在1.18、1.55、1.72、1.95和2.20太赫兹处呈现吸收特征；PETN在0.88、1.25、1.55、1.72、1.95和2.20太赫兹处存在吸收峰；而Tetryl在0.80、1.05、1.55、1.72、1.95和2.20太赫兹处显示出吸收峰。这些特征吸收峰可作为识别不同爆炸物的指纹谱。

图2(c)展示了五种爆炸物的折射率谱。折射率值通过分析参考信号与样品信号之间的相位差异计算得出。所有爆炸物的折射率在0.2-3.0太赫兹范围内均呈现色散特性，且不同爆炸物之间的折射率值存在显著差异。例如，TNT的折射率约为1.2-1.3，RDX为1.3-1.4，HMX为1.4-1.5，PETN为1.5-1.6，Tetryl为1.6-1.7。这些折射率的差异为区分不同爆炸物提供了补充光学依据。

结论

本研究通过反射几何构型的太赫兹时域光谱技术（THz-TDS），成功测量了高能二次爆炸物RDX、TNT、HMX、PETN和Tetryl的光学特性（包括吸收系数和折射率）。光谱分析覆盖0.2-3.0太赫兹频率范围，全面表征了材料的光学行为。吸收谱中获得的鲜明特征峰与折射率值的显著差异，表明太赫兹光谱具有有效区分这些爆炸物的潜力。