太赫茲技術及其在國防與安全領域的應用

　　太赫茲波是指頻率介于0.1~10THz之間的電磁波，其波長范圍為 0.03~3 mm。太赫茲波在電磁波譜中的位置位于微波和紅外輻射之間，故對其研究手段由電子學理論逐漸過渡為光子學理論。

　　20世紀90年代以前，人們對太赫茲波的認識非常有限。近年來，隨著激光技術、量子阱技術和半導體技術的發展，為太赫茲脈沖的產生提供了穩定、可靠的激發光源，使太赫茲輻射的產生機理、檢測技術和應用技術等方面的研究得到蓬勃發展。由于太赫茲波在電磁波譜中所處的特殊位置，因而其具有許多優越的性質，從而在天文、生物、化學等領域有著非常重要的學術和應用價值。尤其在軍事和安全領域，太赫茲技術更是有著廣闊的應用前景。太赫茲技術因得到了各國政府和研究機構的高度重視，成為了當前國防和反恐中的重點研究項目。

　　1太赫茲波的特性

　　太赫茲波綜合了電子學和光子學的優越性能，具有很多不同于其他電磁波的特殊性質。也正是這些特性，使之成為當前科技界最熱鬧的前沿領域之一。

　　指 紋 特 性

　　物質的太赫茲光譜包含著豐富的分子結構信息。大部分物質晶格的振動以及分子的轉動和振動能級之間的躍遷都對應于太赫茲波段范圍，每一種物質在該波段透射-吸收光譜的位置、強度和形狀均不相同。因此太赫茲光譜能反映分子種類和結構的細微變化，使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點，所以太赫茲光譜也稱為分子指紋譜。根據太赫茲波譜的分子指紋特性可以分析研究物質成分、微觀結構及其相互作用關系。圖1展示了二硝基苯甲醚(DNAN)、六硝基芪(HNS)和二硝基亞甲基-四唑(DNMT)三種軍用粉末炸藥的太赫茲透射光譜，可以看出，三種炸藥各自都有大量的特征吸收峰，將被測物質吸收峰的峰位及強度通過與標準譜對比，很容易能夠辨識出物質種類。

圖 1 DNAN、HNS 和 DNMT 三種炸藥的太赫茲透射光譜

(引自李茜，三種軍用炸藥的太赫茲光譜研究[M]，中北大學，2012)

　　透 射 特 性

　　太赫茲波在各類物質中的傳播特性還有待進一步深入研究。但根據已有的研究結果，太赫茲輻射對有極電介質、無極電介質及金屬導體的透射性有很大區別。有極電介質存在等效的電偶極矩，金屬導體內部則存在大量自由移動的電荷，兩者與太赫茲波相互作用時會出現共振吸收，因此太赫茲波對這兩種物質的穿透性很低。而無極電介質對太赫茲波不會產生共振吸收效應，從而具有很強的穿透性。由此太赫茲成像可以將不同的材質加以區分。很多包裝材料如塑料、紙箱、布料、木材等都屬于無極電介質，但它們對可見光都是不透明的。故可結合相應技術對不透明的物體進行太赫茲透視成像，作為X射線和超聲等成像技術的補充，探測材料內部缺陷和密封包裝內的物品。

　　安 全 特 性

　　根據公式 ε=hν，太赫茲波的光子能量只有毫電子伏特的數量級。例如頻率為1THz 的光子能量為 4.1meV，約為X射線光子能量的百萬分之一。該能量遠低于各種化學鍵的鍵能，不會對物體尤其是生物組織引起有害的電離反應。由于水是極性物質，所以水對太赫茲波有強烈的吸收，因此太赫茲輻射無法穿透人體的皮膚，對人體的影響只停留在皮膚表層，非常適用于針對人體或其他生物體的活體檢測。

　　2太赫茲技術

　　太赫茲光譜技術

　　由于太赫茲光譜的分子指紋特性，故可利用其研究物質的化學物理性質。將太赫茲脈沖入射到樣品表面后，采集透射譜或反射譜，便可以獲得與物質作用后的太赫茲信號的振幅和相位信息。然后通過傅里葉變換進行相關計算，可以得到樣品的光譜信息、吸收系數、折射率等參數。分析這些參數，就能獲知樣品的組成元素、內部構造等相關信息。

　　太赫茲成像技術

　　太赫茲成像是將已知波形的太赫茲波作為成像射線，通過物質反射或透射獲取相應強度及相位信息，并經過適當的數字處理和頻譜分析，得到目標物體的太赫茲電磁波圖像。太赫茲光譜圖像不僅包含物質的外觀幾何信息，而且還包含物質對太赫茲脈沖響應的理化信息。通過對光譜信息進行分析計算，能夠得到物質各個像素點上的相關光學參數，為物質成分鑒定、化學結構分析提供了必要的參考。

　　太赫茲通信技術

　　太赫茲波處于電子學向光子學過渡的領域，它集合了微波通信與光通信的優點。太赫茲波作為微波的延伸，它所提供的通信帶寬遠大于微波，傳輸容量更大，速度更快，這是太赫茲通信的最大優勢。2013 年，太赫茲高速無線通信的速率已經突破100 Gbps。此外，太赫茲由于波束窄，所以方向性更好，可以實現更好的保密性及抗干擾抗截獲能力。相對光通信而言，太赫茲波的傳輸受煙霧、沙塵等惡劣環境的影響很小。此外，太赫茲波的波長較短，因而天線可以做得非常小，能夠將設備做成納米級別，實現納米級設備之間的通信。

　　3太赫茲在國防與安全領域的應用

　　太赫茲雷達

　　太赫茲雷達工作在太赫茲波段，與傳統微波雷達相比，它具有一系列獨特優勢。

　　首先，太赫茲雷達的波長更短，可以對目標實現高精度成像。太赫茲雷達對運動目標的多普勒頻移較大，對于緩慢移動物體的識別更有優勢。2008年，美國噴氣推進實驗室(JPL)成功研制了工作頻率為 0.58THz 的三維成像探測系統，該系統的分辨能力可達到亞厘米級。

　　其次，太赫茲雷達具有反隱身特性。用吸波材料做成的隱形目標只能在一個很窄的波段有隱形效果，而太赫茲頻段具有很寬的帶寬，吸波材料對隱形波段之外的電磁波沒有吸波效果，有利于對隱身目標的探測。對于外形隱身目標，從目標散射中心返回的寬帶太赫茲雷達回波攜帶了不同的角度信息，通過逆合成孔徑處理可進行目標成像，從而實現對目標的識別。此外，太赫茲波能夠在等離子體中傳播。所以不管探測目標采用雷達吸波隱身、外形隱身還是等離子體隱身都對太赫茲雷達“無所遁形 ”。2012年，我國研制了用于探測隱身目標的頻率為0.89THz 的激光器。同時，還實現了將太赫茲雷達和無人機相結合，進行成像分析。未來太赫茲雷達將會在軍事上對現有隱身技術產生顛覆性影響。

圖 2 T80 坦克和 F16 戰機模型及太赫茲成像結果

　　第三，太赫茲雷達對大多數非金屬材料具有透視性，可以探測到敵方隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員，以及煙霧、沙塵中的軍事裝備。美國國防部先進研究項目局從2012年5月開始研發基于視頻合成的孔徑雷達 ViSAR，其工作頻段為 0.2315~0.235THz，該項目的目標是透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行太赫茲成像，并能夠定位機動目標。

　　由于空氣與水分子對太赫茲的吸收作用，近距離雷達是目前太赫茲應用的主要方向，可以在抗震救災的搜救和地下雷場的探測中發揮重要作用。但太赫茲雷達難以應用于遠距離探測也成為了其最大的缺陷。研制穩定的大功率發射機、高靈敏度的接收機以及降低大氣衰減，將是未來解決這一難題的主要方向。近年來，德國應用科學研究所研制的太赫茲成像雷達，其探測距離可達500 m，成像分辨力可達到1.8 cm。

　　2000年美國陸軍國家地面智能中心和馬薩諸塞州立大學亞毫米波技術實驗室成功研制了1.56THz 雷達系統，并用其測試了T80坦克、F16戰機等典型戰術目標的縮比模型(圖2)，由縮比模型的測試結果給出了實際目標在太赫茲波段的雷達散射截面。試驗證明了利用太赫茲雷達系統測試的散射截面以及成像結果和真實目標實際測試結果吻合很好。

　　太赫茲軍事通信

　　由于水分子對太赫茲波的吸收作用，太赫茲波的傳播受空氣影響比較大，因此太赫茲波只能用于近距離通信。也正因為傳輸的距離比較短，反而增加了保密性能。在軍事作戰中，太赫茲通信可以用作專門的隱蔽通信。

　　對于外層空間，由于沒有大氣的影響，太赫茲波則可以無損耗的傳輸，用很小的功率就可實現遠距離通信。因此，太赫茲頻段可以廣泛應用于太空衛星通信。同時由于太赫茲波束方向性好，具有很強的保密性，可以進行衛星間的高速明碼通信。而且太赫茲波穿透大氣層能力差，因此星間通信可以免受地面測控的干擾，更為安全。由此可知，太赫茲通信在軍事衛星通信中具有很大優勢，在現代信息化戰爭中占有重要地位。

　　太赫茲安檢與反恐

　　近年來，世界恐怖主義勢力日益抬頭，為全社會帶來極大的安全隱患。公共安全問題成為了全社會每個成員性命攸關的大事，為各國政府所高度重視。在重要的公共場所對人員進行安全檢查是預防公共安全事件、打擊恐怖主義最重要的手段之一。目前安檢領域常用的方法有X 射線法和金屬探測法。然而這些方法要么對人體會造成一定傷害，只能用于行李、貨物的檢測。要么功能單一，只能報警，無法定位，后續還需要安檢人員進行接觸性手動搜索。太赫茲技術的興起，為槍支、刀具、爆炸物或毒品等危險品的安全檢查工作提供了一種全新的探測和識別方法。

　　由于太赫茲對大多數包裝物具有透視性，可以實現非接觸、非破壞性的探測。太赫茲成像可以有效地檢測和識別隱藏在各種遮蓋物下的槍支、刀具等武器(如圖3所示)。現有的金屬探測器和X射線安檢等設備無法識別的陶瓷刀具、塑料炸藥等新型恐襲武器，同樣可以利用太赫茲成像技術進行有效檢測。太赫茲光譜技術則可以檢測隱藏物質的成分，通過特征光譜將爆炸物、毒品等化學生物制劑從分子層次加以識別。太赫茲安檢技術將成像與理化分析結合起來，能同時偵測密閉包裝內物品的外形與成分，大大提高了安檢的可靠性。

圖 3 太赫茲探測在安全檢查中穿透衣物發現隱藏的武器

　　2012 年中科院電子所設計了0.2 THz聚焦波束掃描成像系統，實現了對人體隱藏危險武器的探測。2014 年6月，德國弗勞恩霍夫物理測試技術研究所與霍伯納公司聯合研制了太赫茲信件安檢設備。這款信件安檢設備通過分析透過信件的太赫茲信號，幾秒鐘內可確定其太赫茲“指紋譜”，經過與數據庫的比對，確定信件內是否存在危險品如爆炸物、細菌、毒品等。北京市 THz 波譜與成像重點實驗室研制開發了太赫茲無損檢測裝置，采用太赫茲波段的指紋譜對海洛因等 12種毒品及RDX 等5種爆炸物進行了檢驗測試。

　　由于太赫茲光譜能量低，對人體安全，彌補了當前X射線只檢物不檢人的缺點。將太赫茲成像用于人體探測，避免了金屬探測器對人檢測只報警無法定形定位的不足。太赫茲由于具有強穿透性和非電離性，可設計成固定式或移動式探測儀，在 機場、車站、碼頭等人口密集區提供大范圍預警(如圖4所示)。2014年2月，美國噴氣推進實驗室研制的工作頻率 0.6THz 的太赫茲探測儀能迅速探測出25米外隱藏武器或爆炸物的人員。特別是美國橡樹嶺國家實驗室和田納西大學聯合開展的“穿墻計劃”，利用太赫茲成像技術從外部獲得墻內信息。這些研究成果為反恐斗爭提供了進一步保障，對社會安全具有重要意義。

　　此外，太赫茲安檢具有快速實時等特點。據了解，太赫茲安檢儀掃描一下就能完成整個人體安檢，人均約為1到2 秒，是傳統安檢儀效率的 5 倍以上。從而達到了快速、安全、準確的效果。

圖 5 固定式和移動式太赫茲遠距離探測示意圖

　　4結 語

　　太赫茲技術的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。但太赫茲技術在軍事安全領域仍處于研究和發展階段，無法達到規模化和實用化。盡管如此，太赫茲獨有的特性與優勢已向世人展示了其誘人的應用前景，在不遠將來必將會突破理論與技術壁壘，向著遠距離、高穩定、小體積、低功耗的方向發展。