太赫茲技術在軍事技術領域中的前景

太赫茲波泛指頻率位于紅外和微波之間、0.1~10THz波段內的電磁波，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。由于處于交叉過渡區，太赫茲波既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合用微波的理論來研究。過去很長一段時間，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術的發展相對比較成熟，但是人們對太赫茲波段的認識仍然非常有限，形成了所謂的“太赫茲空白”.近年來，太赫茲波以其獨特的性能和廣泛的應用而越來越受到世界各國的關注，已被國際科學界公認為是高科技領域的必爭之地，其研究和應用對于未來作戰與國家安全將具有重大的戰略意義。

　　太赫茲波性能獨特，蘊含巨大應用前景

　　太赫茲技術之所以引起科學界廣泛的關注，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，具有很多獨特的性質。

　　高穿透性，太赫茲波對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補；低能量性，太赫茲光子能量只是X射線光子能量的約1%,太赫茲輻射不會導致光致電離而破壞被檢質，非常適用于針對人體或其他生物樣品的檢查；吸水性，水對太赫茲輻射有極強的吸收性，太赫茲波不易穿透含水物體；瞬態性，太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒數量級，通過取樣測量技術，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生機制，能夠直接測量電場的振幅和相位，從而方便提取樣品的折射率、吸收系數、消光系數、介電常數等參數；指紋光譜，大多數極性分子和生物大分子的振動和轉動能級間距都處在太赫茲波段，通過特有的光譜特征可以識別分子結構并分析物質成分，具有指紋般的惟一性，就像利用指紋可以識別不同的人一樣，根據這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術能夠鑒別物體的組成成分。

　　太赫茲波的獨特性能給通信、雷達、電子對抗、電磁武器、醫學成像、安全檢查等領域帶來了深遠的影響。太赫茲的應用仍然在不斷的開發研究當中，其廣袤的科學前景為世界所公認。軍事作戰領域 太赫茲波的頻率很高、波長很短，具有很高的時域頻譜信噪比，且在濃煙、沙塵環境中傳輸損耗很少，可以穿透墻體對房屋內部進行掃描，是復雜戰場環境下尋敵成像的理想技術。目前，太赫茲波已能識別出50多種爆炸物；利用太赫茲波照射路面，還可以遠距離探測地下的雷場分布和炸彈情況；太赫茲雷達對隱身目標、高超音速目標等具有較強的探測能力，會在軍事上對現有隱身技術產生顛覆性影響；太赫茲波集成了微波通信與光通信的優點，具有傳輸速率高、容量大、方向性強、安全性高及穿透性好等諸多特性，可以在大風、沙塵以及濃煙等惡劣的戰場環境下以極高的帶寬進行定向、高保密軍事通信，在軍事通信應用上的前景誘人。

　　安全與反恐領域 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、強穿透性，可使其在機場、車站、碼頭等人口密集區提供遠距離、大范圍的預警。現有金屬探測器和X光安檢等設備無法識別陶瓷刀具、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有效地對隱藏在衣服下、包裹中的違禁品進行成像鑒別，同時還能保證對生物體危害極小，因此在安檢和反恐領域受到各國高度關注。

　　檢驗檢測領域 太赫茲時域光譜技術可用于對儲油層巖石的性質及其內部構造形態進行測量，并根據測量結果對巖石類型進行區分和鑒別；太赫茲光譜儀信噪比高，可以對炸藥進行無損、非電離、高靈敏度的光譜測量，適合于危化品鑒別與檢測，國內外已經建立了大量有關危化品的太赫茲指紋譜數據庫；利用太赫茲技術可進行食品檢測，包括水含量檢測、有害成分檢測、禁用化學成分檢測等；太赫茲三維成像還可以用于檢測汽車儀表盤、建筑物內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題。

　　航天領域 將太赫茲探測器與光學遙感技術相結合，可以實現空間高分辨率、快速成像和波譜探測功能，空間太赫茲被動遙感技術是目前太赫茲技術在天文和深空探測領域的主流應用方向。許多歐美發達國家已經實施或計劃實施太赫茲空間計劃，利用空間太赫茲設備在一定程度上實現了對地球大氣成分、對流層的化學性質及其動力學、溫度壓力等情況的科學研究工作。利用太赫茲技術可對航天器進行損傷、疲勞和化學剝蝕檢查，太赫茲成像技術現已成為美國航天局用來檢測航天器缺陷的四大技術之一，如利用太赫茲技術有效地檢測出了導致“哥倫比亞”號慘劇的原因（外部燃料箱泡沫脫粘所致）。

　　生物與醫學領域 太赫茲成像技術可應用于檢查人體組織以發現病變區域，診斷疾病程度以及監測醫療藥品的制造等；太赫茲時域光譜技術則可用于檢驗藥品質量、測定藥品成分等；由于生物大分子的振動和轉動頻率的共振頻率均在太赫茲波段，因此太赫茲在糧食選種、優良菌種的選擇等農業和食品加工行業有著良好的應用前景。

　　受到各國高度關注，多項技術逐漸成熟

　　隨著對太赫茲價值認識的不斷深入，各國紛紛加快了針對這一波段的探索，掀起一股研究太赫茲的熱潮。太赫茲技術在美國得到了很大的重視和發展，2004年被列為“改變未來世界的十大技術”之一，2006年被列為國防重點科學，目前美國有多個研究機構正在積極發展此項技術。美國國防高級研究計劃局（DARPA）開展了TIFT項目研究，開發安全應用方面的小型高感度太赫茲感測系統；美國勞倫斯·伯克利國家實驗室開展了先進太赫茲光源以及基于新型半導體材料的太赫茲器件的研究等；美國斯坦福國家加速器實驗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；與加州理工大學聯合的噴氣推進實驗室已經在太赫茲遠距離成像、太赫茲光譜成像生物醫學應用等方面做出了突出貢獻。

　　在歐洲，政府和企業圍繞太赫茲技術的廣泛應用，加強產學研合作的研發日益活躍。英國開展了WANTED項目研究，開發了l~10THz的廣域半導體振動器和檢波器，開展了TERAVISION項目，開發應用高功率、小型近紅外短脈沖激光的小型醫用太赫茲脈沖成像裝置；法國實施了NANO-TERA項目，研究太赫茲波段信號處理裝置。

　　2005年1月，日本政府把太赫茲技術確立為十年內重點開發的“國家支柱技術十大重點戰略目標”之首，其標志性成果是2006年研制出的1500米太赫茲無線通信演示系統，完成世界首例太赫茲通信演示。在各國多項研究計劃的帶動下，太赫茲技術取得了重要突破，為其實用化與商業化奠定了基礎。

　　應用研究持續推進，軍事價值日益顯現

　　近年來，太赫茲應用研究發展迅速，應用范圍已從基礎科學逐漸向武器裝備、航空航天、雷達探測、通信、反恐緝毒等方面不斷擴展，在軍事領域的應用持續推進，潛在的巨大價值日益顯現。

　　開展各類目標在太赫茲頻段散射特性的研究，建立相關的目標特性數據庫，對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。美歐等國已經建立了多個太赫茲波特性實驗室。其中比較典型的有美國麻省羅尼爾大學所屬的太赫茲波實驗室，其建立了多套連續太赫茲波實驗裝置，并對多種頻率的目標特性進行了深入研究。

　　丹麥技術大學的研究人員搭建了一套太赫茲準后向模擬目標散射測量系統，后向散射角約6.6°，系統測試頻率覆蓋了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物品，可作為傳統安檢手段有力的補充，用于對危險物體和目標的預警和識別。2007年，DARPA立項資助了太赫茲成像與安全監控技術研究，該計劃重點研究了太赫茲隱蔽目標探測技術及太赫茲焦平面成像應用概念設計，將太赫茲成像技術用于戰場營地安全防護和公共區域安全監視巡邏。2009年，英國ThruVision公司展示了一種利用太赫茲成像技術的新型安檢系統，能夠在3~15米的安全距離對人群成像，并篩選出隱藏了不明物體的人員。2013年，美國密歇根大學開發出一種光導太赫茲組件，該組件比現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1500倍，采用這種高靈敏度新型太赫茲組件，能探測更遠距離、更小劑量的爆炸物和毒品。2013年1月，美國加州理工大學開發出一種低成本的微小成像硅芯片，這種芯片能夠產生并發射出太赫茲波，激發出比現有器件強近1000倍的信號，成為世界上第一個集成的太赫茲掃描陣列。

　　與傳統微波雷達相比，太赫茲雷達的波長更短，能提供更寬的帶寬，能對目標實現高精度成像。太赫茲雷達發射的波束極窄，可提高對多目標的區分和識別能力。由于太赫茲雷達具有極寬的帶寬，不管目標采用外形隱身或雷達吸波隱身，對它都“無處遁形”,因此它又是一種反隱身雷達。

　　美國在太赫茲雷達領域取得了較多成果，馬薩諸塞大學、噴氣推進實驗室、DARPA等機構均開展了太赫茲雷達技術的研究，并通過實驗對其關鍵技術進行了驗證。2010年，馬薩諸塞大學用太赫茲量子級聯激光器制造了一部2.408THz的相干雷達，并對1:72的T-80BV坦克模型進行了逆合成孔徑雷達成像，獲得了整體輪廓清楚的坦克模型圖像。2012年，噴氣推進實驗室利用0.675THz掃描成像雷達探測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”項目，研制能夠透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行視頻合成孔徑成像的太赫茲探測雷達。2014年2月，噴氣推進實驗室稱，其研制的工作頻率0.6THz的雷達能迅速探測出25米外隱藏武器的人員。該太赫茲雷達有如此高的分辨率，是因為采用了頻率調制連續波雷達技術。

　　其他國家在太赫茲雷達領域也有所進展。2007年，德國高頻物理與雷達技術研究所研制了工作頻率0.22THz的太赫茲成像雷達COBRA-220,作用距離500米，成像分辨率達到1.8厘米。2010年，瑞典查爾姆斯科技大學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。

　　結 語

　　太赫茲技術是一門極具活力的前沿領域，其應用非常廣泛。隨著科學技術的不斷發展，太赫茲技術領域的新理論、新現象、新方法和新應用層出不窮。經過不懈的努力，中國已經在太赫茲技術這一“真空地帶”有所建樹，我們要有高度的緊迫感和責任感，努力推動太赫茲技術及其應用更進一步的發展，在這一重要戰略前沿領域占據制高點和主動權。