太赫茲技術在軍事和安全領域的應用

1 引言

太赫茲(THz)波是指頻率在0.1～10THz(即波長為3000μm～30μm)的電磁波(1THz=1012Hz)，該波段處於微波和紅外光之間的亞毫米波和遠紅外波段，屬於前人研究較少的電磁波譜「空隙」區。

近年來，隨著超快激光技術的迅速發展，太赫茲脈衝的激發光源得以更加穩定和可靠，為進一步研究太赫茲波譜技術創造了條件。另外，太赫茲成像技術也受到了各國 政府、科研機構、高等院校等研究單位的高度重視，除了脈衝太赫茲成像技術的發展，連續波太赫茲成像技術包括主動成像與被動成像技術均得到了廣泛的研究，其 中利用太赫茲波成像進行安全檢測和關鍵部門的安全檢查已經得到了一定範圍的實際應用。與此同時，各種機制的太赫茲輻射源、探測器以及一些關鍵功能器件的研 究也在飛速發展，為太赫茲技術在化學、生物、材料、石油、化工、通信等領域的應用奠定了基礎，尤其在軍事和安全領域，由於太赫茲波所具有的獨特的性質以及 這一波段的技術空白，使得太赫茲技術有著廣闊的應用前景。

2 太赫茲波的特性

太赫茲波獨特的波譜特性，使其具有重要的學術和應用價值，其主要特點為：

1)室溫條件下的物體都會存在熱輻射，位於6THz頻段。

2)有機分子在從GHz到THz頻段的躍遷過程中，由於分子旋轉和震動產生較強的吸收和色散特性，呈現出具有唯一性的太赫茲指紋光譜。

3)太赫茲光子的能量較低，不會在生物組織中引起光損傷及光化電離，(1THz條件下，光子能量約為4.1meV。

4)太赫茲波的時域光譜技術可以直接測量太赫茲波的時域電場。與傳統的光學方法只能測量莫伊頻率光的強度不同，通過時域數據的傅里葉變換可以給出太赫茲波的大小和相位。可以直接提供介電常數的實部和虛部，這使得測量與太赫茲波相互作用的介質折射率和吸收係數變得更精確。

3 太赫茲技術在軍事領域的應用

3.1 可對爆炸物進行探測和鑒別

鑒於爆炸性物質在安全檢測和反恐中的重要地位，其光譜和成像是目前的研究熱點。通過對不同爆炸物的電光取樣時間分辨光譜進行比較，可以看出不同頻率下吸收譜和色散關係有所不同，因此利用太赫茲波獨特的吸收性質，對爆炸物進行特徵識別和安全檢測具有潛在應用價值。

3.2 可進行無損檢測

針 對哥倫比亞號太空梭失事事件，美國科研人員採用脈衝中心頻率為1THz的太赫茲波對PAL-RampSOFI絕熱泡沫層進行探測和成像，可以成功檢測出 泡沫層內的缺陷，該技術在戰略導彈、航空航天結構材料的檢測和評估方面具有重要的應用價值，已被美國宇航局選擇為發射中缺陷檢測的技術之一。洛克希德馬丁 公司開發的太赫茲檢測系統，用來確保F-35戰鬥機的生產質量。

3.3 可進行遠程探測與成像

由 於雷達靠接收回波來發現和確定目標，應用太赫茲技術設計寬頻雷達，可以比微波雷達具有更寬的頻譜、更高的時間檢測精度和解析度。應用吸波材料設計的隱形飛 機、艦船，使得常規窄帶雷達對其不能進行有效探測，但吸波材料只能對帶寬一定的信號進行吸收，而寬頻太赫茲雷達由於具有豐富的頻率分量，可以使得隱形軍事 目標的吸波塗層失去作用。

太 赫茲技術也可以用來對物體進行三維立體成像，將戰場上灰塵或煙霧中的坦克、隱蔽的炸彈及地雷等顯示出來。美國國防部先進研究項目局(DARPA)投入大量 資金，對THz成像陣列技術進行研究，並最終成功研製出遠距離、攜帶型THz成像雷達，它可以在沙塵暴、濃煙及海上濃霧中探測到目標並清晰成像。

美 國噴氣推進實驗室(JPL)在0.56～0.635THz，0.66～0.69THz，0.675THz等波段，對太赫茲雷達成像系統進行了研究，取得良 好的成像效果。其中，研製的高分辨力雷達探測系統，工作頻率0.6THz，可實現5s內對25m遠、50cm×50cm視場的視場成像。一維測距解析度當 目標距離為4m時，約為2cm，改進的三維成像探測系統，在距離4m條件下解析度為0.5cm，之後進一步研製的THz頻段的快速高分辨雷達，成功的在 5s內對25m外隱藏的武器進行探測。另有美國西北太平洋國家實驗室的0.35THz成像系統，美國馬薩諸塞大學的1.56THz成像系統等。德國應用科 學研究所(FGAN)研製的太赫茲ISAR成像雷達，可探測到近距離隱藏的武器、軍營和艦艇，當探測距離為500m，工作頻率為0.22THz的條件下， 成像分辨力可達到1.8cm。瑞典0.21THz三維ISAR成像系統，以色列0.33THz掃描成像系統，蘇格蘭0.34THz三維掃描成像系統，都取 得了良好的成像效果。

3.4 可用於太空通信

由 於太赫茲波比微波頻率更高、頻帶更寬、容量更大，在系統設計過程中，可以使用更小尺寸的天線，更高速的數據流，安全性更高。太赫茲頻段在外層空間傳輸損耗 與大氣中傳輸小很多，且能量集中，方向性強，與微波波段相比較更利於太空通信。由於太赫茲波受空氣影響比較大，通信時傳輸的距離比較短，在實際作戰中，可 以專門進行隱蔽通信，適合配合隱形戰機等作戰設備形成隱形作戰系統。而國際電信聯盟已為下一步衛星通信預留了200GHz的頻段，隨著衛星通信的進一步發 展，必定進入300GHz以上的範圍，這實際上就是太赫茲通信。由於太赫茲波在大氣中傳輸容易受到各種氣候條件的影響，且傳輸距離有限，其實質性應用將會 遇到很多困難和挑戰。

3.5 可用於末端精確制導

導 彈制導方式可分為自主制導，尋的制導、遙控制導和複合制導。其中應用較多的尋的制導可以應用雷達制導、紅外製導、電視制導、激光制導和毫米波制導。由於太 赫茲波具有波束窄、方向性強等特點，採用太赫茲波與常用制導方式相結合，遠端採用常規制導方法，接近目標後，採用太赫茲修正的方法，即提高了制導的準確 性，又可以很好的避免大氣對太赫茲波的吸收，可以進一步提高導彈攻擊的準確性。在實際應用中，由於太赫茲波在空氣中傳輸距離有限，仍然面臨很大挑戰。

4 太赫茲技術在安全領域的應用

4.1 可用於安檢設備

目 前公共場所的安檢系統都以X射線成像為主，輔助以金屬探測器進行人工檢查，由於X射線本身固有的特點，無法檢查出隱藏的非金屬危險品、武器、毒品和爆炸 物。通過太赫茲技術可以很好的解決這一問題，該技術不僅對人體更加安全，還能夠與物聯網連接，對城市進行高效的管理。由我國中國電子科技集團公司開發出的 太赫茲安檢儀可以快速準確的完成安檢。新澤西理工學院通過採用0.1THz連續窄帶寬輻射太赫茲波進行掃描，在儀器中創建對象點的二維圖像，該圖像以每幀 16毫秒的速率被四元檢測器陣列重構，圖像的解析度和質量由檢測器的數量、檢測陣列的結構和基線校準的好壞決定，如圖1所。

圖1太赫茲波掃描圖像

Fig.1Terahertzwavescanningimaging

2014 年6月，德國弗勞恩霍夫應用技術研究聯合會公布由弗勞恩霍夫物理測試技術研究所(IPM)與霍伯納(Hü bner)公司應用太赫茲成像技術聯合研製的代號為「T-COGNITION」的太赫茲信件安檢設備即將投放市場。這款信件安檢設備的核心是太赫茲掃描 儀，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」，經過與資料庫的比對，確定信件內是否存在危險品如爆炸物、細菌、毒品等。

4.2 用於生物藥品檢測

由於大部分物質都會對太赫茲波有相應，而且一些分子吸收譜會分布在太赫茲頻段，據此可以將太赫茲技術用於生物藥品檢測，以此防止生物恐怖襲擊。例如通過測定「炭疽熱」粉末對太赫茲波的吸收情況，來判定樣品中是否含有該物質，該技術在反恐和國土安全領域有著一定的應用價值。

4.3 用於毒品檢測

毒 品是指具有毒害性質的、能夠使人成癮並且為國家有關法律明令禁止的物品，其對家庭、社會及個人都有非常大的傷害。分為鴉片類、大麻類、可卡類。通常的毒品 檢測方法已經取得了較好的效果，但也都存在一定的局限性，經實驗研究，很多毒品經過太赫茲波照射後，會在特定的頻率上產生較強的吸收從而出現吸收峰，形成 太赫茲「指紋譜」，以此可以鑒別不同種類的毒品。

5 結論

近 二十多年來，太赫茲技術在一些領域已經取得了重要進展，其應用涵蓋醫學、材料、化學、生物、軍事、安全、天文、通信等諸多領域，但整體來說，由於受到光 源、探測手段的限制，還無法達到規模化和實用化，隨著對太赫茲技術研究的進一步深入，太赫茲技術應用更加廣泛，太赫茲技術必將會在更多的領域取得突破。

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