军事与安全领域中太赫兹技术的运用

　　1引言

　　太赫兹（THz）波是指频率在0.1~10THz（即波长为3000μm~30μm）的电磁波（1THz=1012Hz），该波段处于微波和红外光之间的亚毫米波和远红外波段，属于前人研究较少的电磁波谱"空隙"区[1-3].

　　近年来，随着超快激光技术的迅速发展，太赫兹脉冲的激发光源得以更加稳定和可靠，为进一步研究太赫兹波谱技术创造了条件。另外，太赫兹成像技术也受到了各国政府、科研机构、高等院校等研究单位的高度重视，除了脉冲太赫兹成像技术的发展，连续波太赫兹成像技术包括主动成像与被动成像技术均得到了广泛的研究，其中利用太赫兹波成像进行安全检测和关键部门的安全检查已经得到了一定范围的实际应用。与此同时，各种机制的太赫兹辐射源、探测器以及一些关键功能器件的研究也在飞速发展，为太赫兹技术在化学、生物、材料、石油、化工、通信等领域的应用奠定了基础，尤其在军事和安全领域，由于太赫兹波所具有的独特的性质以及这一波段的技术空白，使得太赫兹技术有着广阔的应用前景。

　　2太赫兹波的特性

　　太赫兹波独特的波谱特性，使其具有重要的学术和应用价值，其主要特点为[4-5]:

　　1）室温条件下的物体都会存在热辐射，位于6THz频段。

　　2）有机分子在从GHz到THz频段的跃迁过程中，由于分子旋转和震动产生较强的吸收和色散特性，呈现出具有唯一性的太赫兹指纹光谱。

　　3）太赫兹光子的能量较低，不会在生物组织中引起光损伤及光化电离，（1THz条件下，光子能量约为4.1meV.

　　4）太赫兹波的时域光谱技术可以直接测量太赫兹波的时域电场。与传统的光学方法只能测量莫伊频率光的强度不同，通过时域数据的傅里叶变换可以给出太赫兹波的大小和相位。可以直接提供介电常数的实部和虚部，这使得测量与太赫兹波相互作用的介质折射率和吸收系数变得更精确。

　　3太赫兹技术在军事领域的应用

　　3.1可对爆炸物进行探测和鉴别
　　
　　鉴于爆炸性物质在安全检测和反恐中的重要地位，其光谱和成像是目前的研究热点。通过对不同爆炸物的电光取样时间分辨光谱进行比较，可以看出不同频率下吸收谱和色散关系有所不同，因此利用太赫兹波独特的吸收性质，对爆炸物进行特征识别和安全检测具有潜在应用价值[6-7].

　　3.2可进行无损检测

　　针对哥伦比亚号航天飞机失事事件，美国科研人员采用脉冲中心频率为1THz的太赫兹波对PAL-RampSOFI绝热泡沫层进行探测和成像，可以成功检测出泡沫层内的缺陷，该技术在战略导弹、航空航天结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值，已被美国宇航局选择为发射中缺陷检测的技术之一[1,5,8].洛克希德马丁公司开发的太赫兹检测系统，用来确保F-35战斗机的生产质量。

　　3.3可进行远程探测与成像

　　由于雷达靠接收回波来发现和确定目标，应用太赫兹技术设计宽带雷达，可以比微波雷达具有更宽的频谱、更高的时间检测精度和分辨率。应用吸波材料设计的隐形飞机、舰船，使得常规窄带雷达对其不能进行有效探测，但吸波材料只能对带宽一定的信号进行吸收，而宽带太赫兹雷达由于具有丰富的频率分量，可以使得隐形军事目标的吸波涂层失去作用[5].

　　太赫兹技术也可以用来对物体进行三维立体成像，将战场上灰尘或烟雾中的坦克、隐蔽的炸弹及地雷等显示出来[9-11].美国国防部先进研究项目局（DARPA）投入大量资金，对THz成像阵列技术进行研究，并最终成功研制出远距离、便携式THz成像雷达，它可以在沙尘暴、浓烟及海上浓雾中探测到目标并清晰成像[12].

　　美国喷气推进实验室（JPL）在0.56~0.635THz,0.66~0.69THz,0.675THz等波段，对太赫兹雷达成像系统进行了研究，取得良好的成像效果[13-14].其中，研制的高分辨力雷达探测系统[15],工作频率0.6THz,可实现5s内对25m远、50cm×50cm视场的视场成像。一维测距分辨率当目标距离为4m时，约为2cm[13],改进的三维成像探测系统，在距离4m条件下分辨率为0.5cm[14],之后进一步研制的THz频段的快速高分辨雷达，成功的在5s内对25m外隐藏的武器进行探测[16].另有美国西北太平洋国家实验室的0.35THz成像系统[17],美国马萨诸塞大学的1.56THz成像系统等。

　　德国应用科学研究所（FGAN）研制的太赫兹ISAR成像雷达[18],可探测到近距离隐藏的武器、军营和舰艇，当探测距离为500m,工作频率为0.22THz的条件下，成像分辨力可达到1.8cm[19].瑞典0.21THz三维ISAR成像系统，以色列0.33THz扫描成像系统，苏格兰0.34THz三维扫描成像系统，都取得了良好的成像效果[20].

　　3.4可用于太空通信

　　由于太赫兹波比微波频率更高、频带更宽、容量更大，在系统设计过程中，可以使用更小尺寸的天线，更高速的数据流，安全性更高。

　　太赫兹频段在外层空间传输损耗与大气中传输小很多，且能量集中，方向性强，与微波波段相比较更利于太空通信。由于太赫兹波受空气影响比较大，通信时传输的距离比较短，在实际作战中，可以专门进行隐蔽通信，适合配合隐形战机等作战设备形成隐形作战系统[21].而国际电信联盟已为下一步卫星通信预留了200GHz的频段，随着卫星通信的进一步发展，必定进入300GHz以上的范围，这实际上就是太赫兹通信[22].由于太赫兹波在大气中传输容易受到各种气候条件的影响，且传输距离有限，其实质性应用将会遇到很多困难和挑战[10-23].

　　3.5可用于末端精确制导

　　导弹制导方式可分为自主制导，寻的制导、遥控制导和复合制导。其中应用较多的寻的制导可以应用雷达制导、红外制导、电视制导、激光制导和毫米波制导。由于太赫兹波具有波束窄、方向性强等特点，采用太赫兹波与常用制导方式相结合，远端采用常规制导方法，接近目标后，采用太赫兹修正的方法，即提高了制导的准确性，又可以很好的避免大气对太赫兹波的吸收，可以进一步提高导弹攻击的准确性。在实际应用中，由于太赫兹波在空气中传输距离有限，仍然面临很大挑战[24].

　　4太赫兹技术在安全领域的应用

　　4.1可用于安检设备

　　目前公共场所的安检系统都以X射线成像为主，辅助以金属探测器进行人工检查，由于X射线本身固有的特点，无法检查出隐藏的非金属危险品、武器、毒品和爆炸物。通过太赫兹技术可以很好的解决这一问题，该技术不仅对人体更加安全，还能够与物联网连接，对城市进行高效的管理。由我国中国电子科技集团公司开发出的太赫兹安检仪可以快速准确的完成安检。新泽西理工学院通过采用0.1THz连续窄带宽辐射太赫兹波进行扫描，在仪器中创建对象点的二维图像，该图像以每帧16毫秒的速率被四元检测器阵列重构，图像的分辨率和质量由检测器的数量、检测阵列的结构和基线校准的好坏决定，如图1所示[25].

　　2014年6月，德国弗劳恩霍夫应用技术研究联合会公布由弗劳恩霍夫物理测试技术研究所（IPM）与霍伯纳（Hübner）公司应用太赫兹成像技术联合研制的代号为"T-COGNITION"的太赫兹信件安检设备即将投放市场。这款信件安检设备的核心是太赫兹扫描仪，通过分析透过信件的太赫兹信号，几秒钟内可确定其太赫兹"指纹谱",经过与数据库的比对，确定信件内是否存在危险品如爆炸物、细菌、毒品等。

　　4.2用于生物药品检测

　　由于大部分物质都会对太赫兹波有相应，而且一些分子吸收谱会分布在太赫兹频段，据此可以将太赫兹技术用于生物药品检测，以此防止生物恐怖袭击。例如通过测定"炭疽热"粉末对太赫兹波的吸收情况，来判定样品中是否含有该物质，该技术在反恐和国土安全领域有着一定的应用价值[12].

　　4.3用于毒品检测

　　毒品是指具有毒害性质的、能够使人成瘾并且为国家有关法律明令禁止的物品，其对家庭、社会及个人都有非常大的伤害。分为鸦片类、大麻类、可卡类。通常的毒品检测方法已经取得了较好的效果，但也都存在一定的局限性，经实验研究，很多毒品经过太赫兹波照射后，会在特定的频率上产生较强的吸收从而出现吸收峰，形成太赫兹"指纹谱",以此可以鉴别不同种类的毒品[26].

　　5结论

　　近二十多年来，太赫兹技术在一些领域已经取得了重要进展，其应用涵盖医学、材料、化学、生物、军事、安全、天文、通信等诸多领域，但整体来说，由于受到光源、探测手段的限制，还无法达到规模化和实用化，随着对太赫兹技术研究的进一步深入，太赫兹技术应用更加广泛，太赫兹技术必将会在更多的领域取得突破。

　　参考文献：
　　[1]刘盛纲。太赫兹科学技术的新发展[J].中国基础科学，2006,8（1）：7-12.
　　[2]赵国忠。太赫兹科学技术研究的新发展[J].国外电子测量技术，2014,33（2）：1-20.