Обнаружение и визуализация химических веществ и скрытых взрывчатых веществ с помощью терагерцовой временной спектроскопии и глубокого обучения

Видеть скрытую опасность, не раскрывая коробку

Представьте, что можно определить химическое вещество внутри запечатанного конверта или флакона с таблетками — вплоть до того, является ли порошок взрывчатым веществом или безвредным ингредиентом лекарства — не вскрывая и не прикасаясь к упаковке. Это исследование показывает, как особый вид «невидимого света» в сочетании с искусственным интеллектом может сделать именно это, предлагая более безопасный и точный способ обнаружения скрытых взрывчатых веществ и проверки качества лекарств.

Почему терагерцовое излучение — мощный следопыт

Исследователи работают в терагерцовом диапазоне спектра, который лежит между микроволнами и инфракрасным излучением. Терагерцовые волны проходят через повседневные материалы, такие как бумага, одежда и некоторые виды пластика, и при этом не несут достаточно энергии, чтобы повредить объекты, в отличие от рентгеновского излучения. Многие химические вещества поглощают терагерцовые волны характерным образом, оставляя своего рода спектральный отпечаток. Это делает терагерцовое излучение привлекательным для проверки безопасности, производства лекарств, сельского хозяйства и контроля пищевых продуктов. Но в реальных условиях — при нерегулярных формах, переменной толщине и разной упаковке — эти отпечатки могут искажаться, что затрудняет надежную идентификацию содержимого.

Создание высокочувствительной системы визуализации

Чтобы решить эту задачу, команда построила продвинутую систему терагерцовой временной спектроскопии, которая посылает крайне короткие терагерцовые импульсы на образец и измеряет, как они отражаются во времени. Они используют специально сконструированные плазмонические наноантенные массивы — крошечные металлические структуры, усиливающие взаимодействие света с детектором — чтобы генерировать и обнаруживать эти импульсы с высокой чувствительностью и широкой полосой пропускания, до 4,5 терагерц. Образец располагается на моторизованной платформе, которая сканирует точка за точкой, поэтому система регистрирует полный временной терагерцовый сигнал для каждого пикселя в маленькой области. Поскольку дизайн основан на отражении, система может работать на расстоянии от объекта, что важно для практических задач безопасности и инспекции.

Преобразование сырых импульсов в химические карты с помощью ИИ

Вместо преобразования всей временной записи в спектр, исследователи сосредотачиваются на отдельных отражённых импульсах. Когда терагерцовый импульс сталкивается с таблеткой на металлической подложке, появляются несколько эх: одно от верхней поверхности, одно от металлического слоя и другие от внутренних отражений внутри материала. Каждый из ключевых импульсов несёт информацию о веществе, через которое он прошёл. Команда разработала автоматический метод извлечения этих импульсов из каждого пикселя и затем подаёт их на вход двум нейронным сетям. Одна сеть, называемая EdgeNet, определяет границы образца. Другая, ClassNet, анализирует каждый импульс и предсказывает, какому химическому веществу он соответствует, включая фон — металл, если образец отсутствует. Заключительный этап очистки использует простые пространственные правила — проверку показаний соседних пикселей — чтобы сгладить случайные ошибки и получить чёткие химические изображения.

Обнаружение взрывчатки, даже под покровом

Исследователи проверили восемь разных веществ: четыре распространённых фармацевтических ингредиента и четыре взрывчатых вещества, включая известные военные и промышленные соединения. В слепых тестах на не покрытых образцах их система достигла средней точности около 99 процентов на уровне пикселя, корректно выделяя контуры таблеток и гранул взрывчатки. Удивительно, но система хорошо работала и на треснувших и неправильной формы образцах, хотя сети обучались только на идеально сформированных, потому что ключевые формы импульсов оставались схожими. Настоящим испытанием стало маскирование взрывчатки непрозрачной бумагой, имитирующей письма, посылки или пакеты. Не перестраивая модели на покрытых образцах, система всё ещё обнаруживала скрытую взрывчатку с средней точностью около 89 процентов, успешно различая разные типы взрывчатых веществ в одном поле зрения.

От лабораторной демонстрации к инструменту для реального мира

Сканирование области 12 на 12 миллиметров в настоящее время занимает несколько минут, но после сбора данных нейронные сети генерируют полную химическую карту примерно за одну секунду. Будущие версии с матричными детекторами вместо механического сканирования могут существенно ускорить процесс и уменьшить габариты аппаратуры. Поскольку метод недеструктивен, бесконтактен и высокоспецифичен к типу химического вещества, его можно применять для проверки таблеток, обнаружения поддельных лекарств и скрининга почты или багажа на предмет скрытых взрывчатых веществ. Проще говоря, работа показывает, что сочетание быстрых терагерцовых импульсов и глубокого обучения может превращать невидимые отражения в детализированные, надёжные карты содержимого объекта — без необходимости его вскрывать.

Цитирование: Jiang, X., Li, Y., Li, Y. et al. Detection and imaging of chemicals and hidden explosives using terahertz time-domain spectroscopy and deep learning. Light Sci Appl 15, 80 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02190-z

Ключевые слова: терагерцовое изображение, обнаружение взрывчатых веществ, глубокое обучение, недеструктивный контроль, химическая картография