李 喬

顛覆未來(lái)作戰(zhàn)的前沿技術(shù)系列之太赫茲技術(shù)

李 喬

太赫茲波泛指頻率位于紅外和微波之間、0.1～10THz波段內(nèi)的電磁波，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過(guò)渡階段。由于處于交叉過(guò)渡區(qū)，太赫茲波既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理，也不完全適合用微波的理論來(lái)研究。過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，太赫茲波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)的發(fā)展相對(duì)比較成熟，但是人們對(duì)太赫茲波段的認(rèn)識(shí)仍然非常有限，形成了所謂的“太赫茲空白”。近年來(lái)，太赫茲波以其獨(dú)特的性能和廣泛的應(yīng)用而越來(lái)越受到世界各國(guó)的關(guān)注，已被國(guó)際科學(xué)界公認(rèn)為是高科技領(lǐng)域的必爭(zhēng)之地，其研究和應(yīng)用對(duì)于未來(lái)作戰(zhàn)與國(guó)家安全將具有重大的戰(zhàn)略意義。

不同電磁頻譜及其應(yīng)用

太赫茲波性能獨(dú)特，蘊(yùn)含巨大應(yīng)用前景

太赫茲技術(shù)之所以引起科學(xué)界廣泛的關(guān)注，是由于太赫茲波頻率上要高于微波，低于紅外線；能量大小則在電子和光子之間，與其他頻率的電磁波相比，具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。

高穿透性，太赫茲波對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對(duì)不透明物體進(jìn)行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補(bǔ)；低能量性，太赫茲光子能量只是X射線光子能量的約1%，太赫茲輻射不會(huì)導(dǎo)致光致電離而破壞被檢質(zhì)，非常適用于針對(duì)人體或其他生物樣品的檢查；吸水性，水對(duì)太赫茲輻射有極強(qiáng)的吸收性，太赫茲波不易穿透含水物體；瞬態(tài)性，太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒數(shù)量級(jí)，通過(guò)取樣測(cè)量技術(shù)，能夠有效地抑制背景輻射噪聲的干擾；相干性，太赫茲的相干性源于其相干產(chǎn)生機(jī)制，能夠直接測(cè)量電場(chǎng)的振幅和相位，從而方便提取樣品的折射率、吸收系數(shù)、消光系數(shù)、介電常數(shù)等參數(shù)；指紋光譜，大多數(shù)極性分子和生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間距都處在太赫茲波段，通過(guò)特有的光譜特征可以識(shí)別分子結(jié)構(gòu)并分析物質(zhì)成分，具有指紋般的惟一性，就像利用指紋可以識(shí)別不同的人一樣，根據(jù)這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術(shù)能夠鑒別物體的組成成分。

太赫茲波的獨(dú)特性能給通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗、電磁武器、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域帶來(lái)了深遠(yuǎn)的影響。太赫茲的應(yīng)用仍然在不斷的開發(fā)研究當(dāng)中，其廣袤的科學(xué)前景為世界所公認(rèn)。

軍事作戰(zhàn)領(lǐng)域太赫茲波的頻率很高、波長(zhǎng)很短，具有很高的時(shí)域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對(duì)房屋內(nèi)部進(jìn)行掃描，是復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下尋敵成像的理想技術(shù)。目前，太赫茲波已能識(shí)別出50多種爆炸物；利用太赫茲波照射路面，還可以遠(yuǎn)距離探測(cè)地下的雷場(chǎng)分布和炸彈情況；太赫茲雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)、高超音速目標(biāo)等具有較強(qiáng)的探測(cè)能力，會(huì)在軍事上對(duì)現(xiàn)有隱身技術(shù)產(chǎn)生顛覆性影響；太赫茲波集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn)，具有傳輸速率高、容量大、方向性強(qiáng)、安全性高及穿透性好等諸多特性，可以在大風(fēng)、沙塵以及濃煙等惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下以極高的帶寬進(jìn)行定向、高保密軍事通信，在軍事通信應(yīng)用上的前景誘人。

安全與反恐領(lǐng)域太赫茲波是天生的反恐和安檢“專家”，許多爆炸物及其相關(guān)成分和毒品在太赫茲波段都有指紋譜，再加上太赫茲波的非電離性、強(qiáng)穿透性，可使其在機(jī)場(chǎng)、車站、碼頭等人口密集區(qū)提供遠(yuǎn)距離、大范圍的預(yù)警?，F(xiàn)有金屬探測(cè)器和X光安檢等設(shè)備無(wú)法識(shí)別陶瓷刀具、塑料炸藥等新型作案工具或武器，但這些材料在太赫茲波段的透明度較低，可以利用太赫茲成像技術(shù)有效地對(duì)隱藏在衣服下、包裹中的違禁品進(jìn)行成像鑒別，同時(shí)還能保證對(duì)生物體危害極小，因此在安檢和反恐領(lǐng)域受到各國(guó)高度關(guān)注。

檢驗(yàn)檢測(cè)領(lǐng)域太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)可用于對(duì)儲(chǔ)油層巖石的性質(zhì)及其內(nèi)部構(gòu)造形態(tài)進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果對(duì)巖石類型進(jìn)行區(qū)分和鑒別；太赫茲光譜儀信噪比高，可以對(duì)炸藥進(jìn)行無(wú)損、非電離、高靈敏度的光譜測(cè)量，適合于?；疯b別與檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建立了大量有關(guān)?；返奶掌澲讣y譜數(shù)據(jù)庫(kù)；利用太赫茲技術(shù)可進(jìn)行食品檢測(cè)，包括水含量檢測(cè)、有害成分檢測(cè)、禁用化學(xué)成分檢測(cè)等；太赫茲三維成像還可以用于檢測(cè)汽車儀表盤、建筑物內(nèi)的墻后和地板材料表面完整性、瓷磚和紙張等的表面平整度、印刷電路板是否脫層等問(wèn)題。

航天領(lǐng)域?qū)⑻掌澨綔y(cè)器與光學(xué)遙感技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)空間高分辨率、快速成像和波譜探測(cè)功能，空間太赫茲被動(dòng)遙感技術(shù)是目前太赫茲技術(shù)在天文和深空探測(cè)領(lǐng)域的主流應(yīng)用方向。許多歐美發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)實(shí)施或計(jì)劃實(shí)施太赫茲空間計(jì)劃，利用空間太赫茲設(shè)備在一定程度上實(shí)現(xiàn)了對(duì)地球大氣成分、對(duì)流層的化學(xué)性質(zhì)及其動(dòng)力學(xué)、溫度壓力等情況的科學(xué)研究工作。利用太赫茲技術(shù)可對(duì)航天器進(jìn)行損傷、疲勞和化學(xué)剝蝕檢查，太赫茲成像技術(shù)現(xiàn)已成為美國(guó)航天局用來(lái)檢測(cè)航天器缺陷的四大技術(shù)之一，如利用太赫茲技術(shù)有效地檢測(cè)出了導(dǎo)致“哥倫比亞”號(hào)慘劇的原因（外部燃料箱泡沫脫粘所致）。

生物與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域太赫茲成像技術(shù)可應(yīng)用于檢查人體組織以發(fā)現(xiàn)病變區(qū)域，診斷疾病程度以及監(jiān)測(cè)醫(yī)療藥品的制造等；太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)則可用于檢驗(yàn)藥品質(zhì)量、測(cè)定藥品成分等；由于生物大分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種、優(yōu)良菌種的選擇等農(nóng)業(yè)和食品加工行業(yè)有著良好的應(yīng)用前景。

太赫茲技術(shù)可用于安檢

受到各國(guó)高度關(guān)注，多項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟

隨著對(duì)太赫茲價(jià)值認(rèn)識(shí)的不斷深入，各國(guó)紛紛加快了針對(duì)這一波段的探索，掀起一股研究太赫茲的熱潮。

太赫茲技術(shù)在美國(guó)得到了很大的重視和發(fā)展，2004年被列為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，2006年被列為國(guó)防重點(diǎn)科學(xué)，目前美國(guó)有多個(gè)研究機(jī)構(gòu)正在積極發(fā)展此項(xiàng)技術(shù)。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）開展了TIFT項(xiàng)目研究，開發(fā)安全應(yīng)用方面的小型高感度太赫茲感測(cè)系統(tǒng)；美國(guó)勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開展了先進(jìn)太赫茲光源以及基于新型半導(dǎo)體材料的太赫茲器件的研究等；美國(guó)斯坦福國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室在開展基于加速器和基于激光等離子體相互作用的超短高峰值功率的太赫茲脈沖光源；與加州理工大學(xué)聯(lián)合的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)在太赫茲遠(yuǎn)距離成像、太赫茲光譜成像生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用等方面做出了突出貢獻(xiàn)。

在歐洲，政府和企業(yè)圍繞太赫茲技術(shù)的廣泛應(yīng)用，加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作的研發(fā)日益活躍。英國(guó)開展了WANTED項(xiàng)目研究，開發(fā)了1～10THz的廣域半導(dǎo)體振動(dòng)器和檢波器，開展了TERAVISION項(xiàng)目，開發(fā)應(yīng)用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫(yī)用太赫茲脈沖成像裝置；法國(guó)實(shí)施了NANO-TERA項(xiàng)目，研究太赫茲波段信號(hào)處理裝置。

2005年1月，日本政府把太赫茲技術(shù)確立為十年內(nèi)重點(diǎn)開發(fā)的“國(guó)家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，其標(biāo)志性成果是2006年研制出的1500米太赫茲無(wú)線通信演示系統(tǒng)，完成世界首例太赫茲通信演示。

在各國(guó)多項(xiàng)研究計(jì)劃的帶動(dòng)下，太赫茲技術(shù)取得了重要突破，為其實(shí)用化與商業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。

太赫茲成像裝置

太赫茲成像技術(shù)用于公共區(qū)域安全監(jiān)視巡邏

日本科學(xué)家研發(fā)的太赫茲無(wú)線通信技術(shù)

應(yīng)用研究持續(xù)推進(jìn)，軍事價(jià)值日益顯現(xiàn)

近年來(lái)，太赫茲應(yīng)用研究發(fā)展迅速，應(yīng)用范圍已從基礎(chǔ)科學(xué)逐漸向武器裝備、航空航天、雷達(dá)探測(cè)、通信、反恐緝毒等方面不斷擴(kuò)展，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用持續(xù)推進(jìn)，潛在的巨大價(jià)值日益顯現(xiàn)。

開展各類目標(biāo)在太赫茲頻段散射特性的研究，建立相關(guān)的目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)于研究武器裝備在太赫茲頻段隱身與反隱身突防具有重要作用。美歐等國(guó)已經(jīng)建立了多個(gè)太赫茲波特性實(shí)驗(yàn)室。其中比較典型的有美國(guó)麻省羅尼爾大學(xué)所屬的太赫茲波實(shí)驗(yàn)室，其建立了多套連續(xù)太赫茲波實(shí)驗(yàn)裝置，并對(duì)多種頻率的目標(biāo)特性進(jìn)行了深入研究。丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員搭建了一套太赫茲準(zhǔn)后向模擬目標(biāo)散射測(cè)量系統(tǒng)，后向散射角約6.6°，系統(tǒng)測(cè)試頻率覆蓋了0～3THz。

利用太赫茲成像可以有效地分辨爆炸物、生化制劑以及槍支刀具等危險(xiǎn)物品，可作為傳統(tǒng)安檢手段有力的補(bǔ)充，用于對(duì)危險(xiǎn)物體和目標(biāo)的預(yù)警和識(shí)別。2007年，DARPA立項(xiàng)資助了太赫茲成像與安全監(jiān)控技術(shù)研究，該計(jì)劃重點(diǎn)研究了太赫茲隱蔽目標(biāo)探測(cè)技術(shù)及太赫茲焦平面成像應(yīng)用概念設(shè)計(jì)，將太赫茲成像技術(shù)用于戰(zhàn)場(chǎng)營(yíng)地安全防護(hù)和公共區(qū)域安全監(jiān)視巡邏。2009年，英國(guó)ThruVision公司展示了一種利用太赫茲成像技術(shù)的新型安檢系統(tǒng)，能夠在3～15米的安全距離對(duì)人群成像，并篩選出隱藏了不明物體的人員。2013年，美國(guó)密歇根大學(xué)開發(fā)出一種光導(dǎo)太赫茲組件，該組件比現(xiàn)有器件的輸入功率高出50倍，接收靈敏度高出30倍，總體性能增強(qiáng)1500倍，采用這種高靈敏度新型太赫茲組件，能探測(cè)更遠(yuǎn)距離、更小劑量的爆炸物和毒品。2013年1月，美國(guó)加州理工大學(xué)開發(fā)出一種低成本的微小成像硅芯片，這種芯片能夠產(chǎn)生并發(fā)射出太赫茲波，激發(fā)出比現(xiàn)有器件強(qiáng)近1000倍的信號(hào)，成為世界上第一個(gè)集成的太赫茲掃描陣列。

與傳統(tǒng)微波雷達(dá)相比，太赫茲雷達(dá)的波長(zhǎng)更短，能提供更寬的帶寬，能對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高精度成像。太赫茲雷達(dá)發(fā)射的波束極窄，可提高對(duì)多目標(biāo)的區(qū)分和識(shí)別能力。由于太赫茲雷達(dá)具有極寬的帶寬，不管目標(biāo)采用外形隱身或雷達(dá)吸波隱身，對(duì)它都“無(wú)處遁形”，因此它又是一種反隱身雷達(dá)。

美國(guó)在太赫茲雷達(dá)領(lǐng)域取得了較多成果，馬薩諸塞大學(xué)、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、DARPA等機(jī)構(gòu)均開展了太赫茲雷達(dá)技術(shù)的研究，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。2010年，馬薩諸塞大學(xué)用太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器制造了一部2.408THz的相干雷達(dá)，并對(duì)1:72的T-80BV坦克模型進(jìn)行了逆合成孔徑雷達(dá)成像，獲得了整體輪廓清楚的坦克模型圖像。2012年，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室利用0.675THz掃描成像雷達(dá)探測(cè)到了隱藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。2012年，DARPA開展“視頻合成孔徑雷達(dá)”項(xiàng)目，研制能夠透過(guò)云層、灰塵和其他遮蔽物進(jìn)行視頻合成孔徑成像的太赫茲探測(cè)雷達(dá)。2014年2月，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室稱，其研制的工作頻率0.6THz的雷達(dá)能迅速探測(cè)出25米外隱藏武器的人員。該太赫茲雷達(dá)有如此高的分辨率，是因?yàn)椴捎昧祟l率調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)技術(shù)。

其他國(guó)家在太赫茲雷達(dá)領(lǐng)域也有所進(jìn)展。2007年，德國(guó)高頻物理與雷達(dá)技術(shù)研究所研制了工作頻率0.22THz的太赫茲成像雷達(dá)COBRA-220，作用距離500米，成像分辨率達(dá)到1.8厘米。2010年，瑞典查爾姆斯科技大學(xué)基于倍頻鏈路與外差接收鏈路制造了一部0.34THz的太赫茲成像雷達(dá)。

噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室研制的太赫茲雷達(dá)

結(jié) 語(yǔ)

太赫茲技術(shù)是一門極具活力的前沿領(lǐng)域，其應(yīng)用非常廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，太赫茲技術(shù)領(lǐng)域的新理論、新現(xiàn)象、新方法和新應(yīng)用層出不窮。經(jīng)過(guò)不懈的努力，中國(guó)已經(jīng)在太赫茲技術(shù)這一“真空地帶”有所建樹，我們要有高度的緊迫感和責(zé)任感，努力推動(dòng)太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用更進(jìn)一步的發(fā)展，在這一重要戰(zhàn)略前沿領(lǐng)域占據(jù)制高點(diǎn)和主動(dòng)權(quán)。

責(zé)任編輯：劉靖鑫