【特别推荐】颠覆未来作战的前沿技术系列——太赫兹技术
本文由《军事文摘》杂志授权发布，刊登在2015年第6期，敬请关注！
太赫兹波泛指频率位于红外和微波之间、0.1～10THz波段内的电磁波，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。由于处于交叉过渡区，太赫兹波既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波的理论来研究。过去很长一段时间，太赫兹波段两侧的红外和微波技术的发展相对比较成熟，但是人们对太赫兹波段的认识仍然非常有限，形成了所谓的“太赫兹空白”。近年来，太赫兹波以其独特的性能和广泛的应用而越来越受到世界各国的关注，已被国际科学界公认为是高科技领域的必争之地，其研究和应用对于未来作战与国家安全将具有重大的战略意义。
太赫兹波性能独特，蕴含巨大应用前景
太赫兹技术之所以引起科学界广泛的关注，是由于太赫兹波频率上要高于微波，低于红外线；能量大小则在电子和光子之间，与其他频率的电磁波相比，具有很多独特的性质。
高穿透性，太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补；
低能量性，太赫兹光子能量只是X射线光子能量的约1%，太赫兹辐射不会导致光致电离而破坏被检质，非常适用于针对人体或其他生物样品的检查；吸水性，水对太赫兹辐射有极强的吸收性，太赫兹波不易穿透含水物体；
瞬态性，太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒数量级，通过取样测量技术，能够有效地抑制背景辐射噪声的干扰；
相干性，太赫兹的相干性源于其相干产生机制，能够直接测量电场的振幅和相位，从而方便提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等参数；
指纹光谱，大多数极性分子和生物大分子的振动和转动能级间距都处在太赫兹波段，通过特有的光谱特征可以识别分子结构并分析物质成分，具有指纹般的惟一性，就像利用指纹可以识别不同的人一样，根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够鉴别物体的组成成分。
太赫兹技术可用于安检
太赫兹波的独特性能给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、医学成像、安全检查等领域带来了深远的影响。太赫兹的应用仍然在不断的开发研究当中，其广袤的科学前景为世界所公认。
军事作战领域 太赫兹波的频率很高、波长很短，具有很高的时域频谱信噪比，且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很少，可以穿透墙体对房屋内部进行扫描，是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。目前，太赫兹波已能识别出50多种爆炸物；利用太赫兹波照射路面，还可以远距离探测地下的雷场分布和炸弹情况；太赫兹雷达对隐身目标、高超音速目标等具有较强的探测能力，会在军事上对现有隐身技术产生颠覆性影响；太赫兹波集成了微波通信与光通信的优点，具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性，可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的战场环境下以极高的带宽进行定向、高保密军事通信，在军事通信应用上的前景诱人。
安全与反恐领域 太赫兹波是天生的反恐和安检“专家”，许多爆炸物及其相关成分和毒品在太赫兹波段都有指纹谱，再加上太赫兹波的非电离性、强穿透性，可使其在机场、车站、码头等人口密集区提供远距离、大范围的预警。现有金属探测器和X光安检等设备无法识别陶瓷刀具、塑料炸药等新型作案工具或武器，但这些材料在太赫兹波段的透明度较低，可以利用太赫兹成像技术有效地对隐藏在衣服下、包裹中的违禁品进行成像鉴别，同时还能保证对生物体危害极小，因此在安检和反恐领域受到各国高度关注。
检验检测领域 太赫兹时域光谱技术可用于对储油层岩石的性质及其内部构造形态进行测量，并根据测量结果对岩石类型进行区分和鉴别；太赫兹光谱仪信噪比高，可以对炸药进行无损、非电离、高灵敏度的光谱测量，适合于危化品鉴别与检测，国内外已经建立了大量有关危化品的太赫兹指纹谱数据库；利用太赫兹技术可进行食品检测，包括水含量检测、有害成分检测、禁用化学成分检测等；太赫兹三维成像还可以用于检测汽车仪表盘、建筑物内的墙后和地板材料表面完整性、瓷砖和纸张等的表面平整度、印刷电路板是否脱层等问题。
航天领域 将太赫兹探测器与光学遥感技术相结合，可以实现空间高分辨率、快速成像和波谱探测功能，空间太赫兹被动遥感技术是目前太赫兹技术在天文和深空探测领域的主流应用方向。许多欧美发达国家已经实施或计划实施太赫兹空间计划，利用空间太赫兹设备在一定程度上实现了对地球大气成分、对流层的化学性质及其动力学、温度压力等情况的科学研究工作。利用太赫兹技术可对航天器进行损伤、疲劳和化学剥蚀检查，太赫兹成像技术现已成为美国航天局用来检测航天器缺陷的四大技术之一，如利用太赫兹技术有效地检测出了导致“哥伦比亚”号惨剧的原因（外部燃料箱泡沫脱粘所致）。
生物与医学领域 太赫兹成像技术可应用于检查人体组织以发现病变区域，诊断疾病程度以及监测医疗药品的制造等；太赫兹时域光谱技术则可用于检验药品质量、测定药品成分等；由于生物大分子的振动和转动频率的共振频率均在太赫兹波段，因此太赫兹在粮食选种、优良菌种的选择等农业和食品加工行业有着良好的应用前景。
太赫兹成像装置
受到各国高度关注，多项技术逐渐成熟
随着对太赫兹价值认识的不断深入，各国纷纷加快了针对这一波段的探索，掀起一股研究太赫兹的热潮。太赫兹技术在美国得到了很大的重视和发展，2004年被列为“改变未来世界的十大技术”之一，2006年被列为国防重点科学，目前美国有多个研究机构正在积极发展此项技术。美国国防高级研究计划局（DARPA）开展了TIFT项目研究，开发安全应用方面的小型高感度太赫兹感测系统；美国劳伦斯·伯克利国家实验室开展了先进太赫兹光源以及基于新型半导体材料的太赫兹器件的研究等；美国斯坦福国家加速器实验室在开展基于加速器和基于激光等离子体相互作用的超短高峰值功率的太赫兹脉冲光源；与加州理工大学联合的喷气推进实验室已经在太赫兹远距离成像、太赫兹光谱成像生物医学应用等方面做出了突出贡献。
在欧洲，政府和企业围绕太赫兹技术的广泛应用，加强产学研合作的研发日益活跃。英国开展了WANTED项目研究，开发了l～10THz的广域半导体振动器和检波器，开展了TERAVISION项目，开发应用高功率、小型近红外短脉冲激光的小型医用太赫兹脉冲成像装置；法国实施了NANO-TERA项目，研究太赫兹波段信号处理装置。
2005年1月，日本政府把太赫兹技术确立为十年内重点开发的“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，其标志性成果是2006年研制出的1500米太赫兹无线通信演示系统，完成世界首例太赫兹通信演示。
在各国多项研究计划的带动下，太赫兹技术取得了重要突破，为其实用化与商业化奠定了基础。
应用研究持续推进，军事价值日益显现
近年来，太赫兹应用研究发展迅速，应用范围已从基础科学逐渐向武器装备、航空航天、雷达探测、通信、反恐缉毒等方面不断扩展，在军事领域的应用持续推进，潜在的巨大价值日益显现。
太赫兹成像技术用于公共区域安全监视巡逻
开展各类目标在太赫兹频段散射特性的研究，建立相关的目标特性数据库，对于研究武器装备在太赫兹频段隐身与反隐身突防具有重要作用。美欧等国已经建立了多个太赫兹波特性实验室。其中比较典型的有美国麻省罗尼尔大学所属的太赫兹波实验室，其建立了多套连续太赫兹波实验装置，并对多种频率的目标特性进行了深入研究。丹麦技术大学的研究人员搭建了一套太赫兹准后向模拟目标散射测量系统，后向散射角约6.6°，系统测试频率覆盖了0～3THz。
利用太赫兹成像可以有效地分辨爆炸物、生化制剂以及枪支刀具等危险物品，可作为传统安检手段有力的补充，用于对危险物体和目标的预警和识别。2007年，DARPA立项资助了太赫兹成像与安全监控技术研究，该计划重点研究了太赫兹隐蔽目标探测技术及太赫兹焦平面成像应用概念设计，将太赫兹成像技术用于战场营地安全防护和公共区域安全监视巡逻。2009年，英国ThruVision公司展示了一种利用太赫兹成像技术的新型安检系统，能够在3～15米的安全距离对人群成像，并筛选出隐藏了不明物体的人员。2013年，美国密歇根大学开发出一种光导太赫兹组件，该组件比现有器件的输入功率高出50倍，接收灵敏度高出30倍，总体性能增强1500倍，采用这种高灵敏度新型太赫兹组件，能探测更远距离、更小剂量的爆炸物和毒品。2013年1月，美国加州理工大学开发出一种低成本的微小成像硅芯片，这种芯片能够产生并发射出太赫兹波，激发出比现有器件强近1000倍的信号，成为世界上第一个集成的太赫兹扫描阵列。
与传统微波雷达相比，太赫兹雷达的波长更短，能提供更宽的带宽，能对目标实现高精度成像。太赫兹雷达发射的波束极窄，可提高对多目标的区分和识别能力。由于太赫兹雷达具有极宽的带宽，不管目标采用外形隐身或雷达吸波隐身，对它都“无处遁形”，因此它又是一种反隐身雷达。
喷气推进实验室研制的太赫兹雷达
美国在太赫兹雷达领域取得了较多成果，马萨诸塞大学、喷气推进实验室、DARPA等机构均开展了太赫兹雷达技术的研究，并通过实验对其关键技术进行了验证。2010年，马萨诸塞大学用太赫兹量子级联激光器制造了一部2.408THz的相干雷达，并对1:72的T-80BV坦克模型进行了逆合成孔径雷达成像，获得了整体轮廓清楚的坦克模型图像。2012年，喷气推进实验室利用0.675THz扫描成像雷达探测到了隐藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。2012年，DARPA开展“视频合成孔径雷达”项目，研制能够透过云层、灰尘和其他遮蔽物进行视频合成孔径成像的太赫兹探测雷达。2014年2月，喷气推进实验室称，其研制的工作频率0.6THz的雷达能迅速探测出25米外隐藏武器的人员。该太赫兹雷达有如此高的分辨率，是因为采用了频率调制连续波雷达技术。
其他国家在太赫兹雷达领域也有所进展。2007年，德国高频物理与雷达技术研究所研制了工作频率0.22THz的太赫兹成像雷达COBRA-220，作用距离500米，成像分辨率达到1.8厘米。2010年，瑞典查尔姆斯科技大学基于倍频链路与外差接收链路制造了一部0.34THz的太赫兹成像雷达。
结 语
太赫兹技术是一门极具活力的前沿领域，其应用非常广泛。随着科学技术的不断发展，太赫兹技术领域的新理论、新现象、新方法和新应用层出不穷。经过不懈的努力，中国已经在太赫兹技术这一“真空地带”有所建树，我们要有高度的紧迫感和责任感，努力推动太赫兹技术及其应用更进一步的发展，在这一重要战略前沿领域占据制高点和主动权。
（来源：《军事文摘》杂志，作者：李乔）
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