太赫兹科学技术的军事应用

太赫兹（Terahertz，缩写为THz）是频率单位, 1太赫兹等于1012赫兹。

太赫兹波是指频率0.1～10太赫兹、介于毫米波和红外线之间的电磁波。

太赫兹科学技术泛指直接研究和应用太赫兹波本身，以及利用太赫兹波研究开发的所有理论和应用，是一个非常重要、尚未开发的前沿领域。

太赫兹技术之所以具有特别的吸引力，是由于太赫兹辐射的如下特点：约50%的宇宙空间光子能量、大量星际分子的特征谱线在太赫兹范围内；大量有机分子转动和振动跃迁、半导体的子带和微带能量在太赫兹范围内；太赫兹辐射能穿透非金属和非极性材料，穿透烟雾和浮尘；太赫兹光子能量小，不会引起生物组织的光致电离。

因此，太赫兹技术在物体成像、环境监测、医疗诊断、射线天文、宽带通信、雷达等领域具有重大的科学价值和广阔的应用前景。

在世界范围，太赫兹辐射物理及其应用研究方兴未艾。

包括美国国防部、航空航天局在内，全世界已有100多个机构在从事相关研究，例如，日本政府把太赫兹技术确立为“国家支柱技术十大重点战略目标之首”予以支持。

由于信息化武器装备的工作频段逐步从微波及可见光区域向太赫兹波段延伸，太赫兹科学技术在军事上的重要性不言而喻。

谁优先掌握这一重要频段的相关技术，谁就有可能在军事上领先一个时代。

我们应该抓住太赫兹科学技术刚刚起步的机遇，不失时机地加速开展太赫兹领域的理太赫兹科学技术的军事应用张振伟　牧凯军　张存林论与应用研究，为我国的经济发展和国防建设做出贡献。

太赫兹波在军事上的优势太赫兹波的频率介于微波与红外之间，因此太赫兹系统兼顾电子学系统和光学系统的优势。

作为美国能源部的宣传页，从中可以一窥太赫兹技术的概貌。

电磁波谱图，注意太赫兹波段的位置。

一个尚待深入开发的频段资源，太赫兹波在军事上，尤其在雷达及目标识别、宽带通信、危险物探测和无损检测等方面具有潜在的应用前景。

在雷达及目标识别方面。

相对于微波，太赫兹波波长短、波束窄、方向性好，因此作用在目标上的功率密度高，成像的分辨率高，系统的体积小、易于实现空间功率合成。

相对于红外及可见光，太赫兹波波束宽度适中，易于实现对目标的跟踪瞄准；穿透性能好，能以较小的损耗穿透沙尘烟雾及非金属材料。

在通信方面。

太赫兹频段位于红外线和高频无线电之间，是目前手机通信频带宽度的1000倍左右，是很好的宽带信息载体。

太赫兹无线通信的传输速度快，而且有极高的方向性和较强的云雾穿透能力，适合于高保密卫星通信及战地高速短距离无线通信。

在安全检查方面。

太赫兹具有隔着衣物探测金属物品能力，可用于机场等重要场所的安全检查。

太赫兹探测装置不仅可以显示隐藏物的形状，而且能够确定物品的化学成分，因此具有检查爆炸物和生化武器的能力，可用于人员及邮件等物品的检查、战场化学成分寻迹等。

在无损检测方面。

太赫兹对非金属材料的穿透能力强，衰减系数比超声波小2～3个数量级, 因此太赫兹脉冲成像技术被应用于航天飞机隔热层泡沫材料中缺陷的无损探测。

除了军事应用之外，太赫兹技术在其他领域也有很宽广的应用前景。

例如，可以利用水对太赫兹辐射的强吸收特性开展宇宙探索研究：一方面可对月球这样无水特征的星体，利用太赫兹较好的穿透性进行表层地质等方面的研究；另一方面可利用太赫兹对水较差的透过性，探索其他星体是否存在水、空气以及生命体，以发现与地球一样具有生命特征的星球。

下面从技术角度，重点介绍太赫兹技术在军事领域的应用。

太赫兹雷达太赫兹波在雷达、目标识别、引信及精确制导方面具有潜在的应用前景。

利用太赫兹波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角的跟踪雷达。

利用太赫兹波穿透物质成像技术，可以探测隐藏在覆盖物或烟尘中的军事装备。

利用太赫兹波穿透沙尘烟雾的能力，可以制作全天候导航系统，在浓雾中指挥飞机着陆。

太赫兹波的频谱宽，可跨越目前隐身技术所能对抗的波段，因此以太赫兹波作为辐射源的超宽带雷达能够获取隐身飞行器的图像。

成像识别是太赫兹技术的一个重要应用领域，也是军事上实现目标监视、追踪、识别的重要技术手段。

据报道，美国已经研制出0.225太赫兹的机载雷达。

雷达系统包括辐射源以及探测散射辐射的系统。

太赫兹时域光谱系统经改进后就能成为脉冲散射测量系统。

如上图所示，通过可偏转的反射镜将太赫兹光束打到目标物上，而后调整太赫兹探测器就可接收到散射辐射。

这种结构的优点是，除了获知目标的位置和形状，利用太赫兹时域光谱系统还可以探得物体的材料特性。

希望太赫兹光源产生的光束在目标物上尽可能太赫兹雷达作战示意图。

未加硅制透镜（左）和加置硅制透镜（右）的太赫兹雷达。

生成均匀的平面波。

当频率大于0.5太赫兹时，就可以对目标进行近似均匀的照射。

而实际上，太赫兹光束近似为高斯型，而且由于衍射作用的存在，太赫兹脉冲的各频率分量会出现发散。

如果如左图所示，在太赫兹光路中增加修正波阵面的硅制光学透镜，在整个带宽范围内就能得到极其均匀的波阵面。

当硅透镜与离轴抛面镜共焦放置时，就可以确保到达目标物上的波阵面为一平面，并且光束直径与频率无关。

当然，这样做限制了可探测目标物的最大尺寸。

大多情况下，目标物都会发出散射信号，它是射束频率、入射波方向矢量和散射场角度的函数。

为了能够全角度探测到目标物，引入了收发分置角的概念，其范围为20°～210°。

如上图所示，太赫兹探测器模块被固定在一个光学轨道上，它能够绕着目标的中心位置转动。

利用固定在旋转臂的一个反射镜就可以对探测器的选通光束进行调节，从而在一个很大的范围对收发分置角进行调整。

太赫兹通信太赫兹通信还处在发展的初级阶段，这一频段的数据传输直到近几年才得以实现（2006年研制出传输距离1.5千米的太赫兹无线通信演示系统），离“太赫兹通信时代”的1太比特/秒有效数据传输率还有相当距离，但是其广阔的发展前景令人神往。

目前，在美国联邦通信委员会的通信频谱分配图中，对太赫兹所在的高于300吉赫的频段尚没有进行分配，这是一块未开垦的“处女地”。

太赫兹无线通信的传输速度可达10G 字节/秒（相当于1秒钟传输2.5部高清DVD 电影），比目前的超宽带无线传输技术快几百甚至上千倍；而且与可见光和红外相比，它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力，这就使得太赫兹系统可以以极高的带宽进行高保密通信。

与微波通信相比，太赫兹波束较窄、方向性好、能实现外差接收，因此可以用于定点保密通信或宽频带、大容量通信系统，是将来无线传输大容量多媒体信息的潜在手段。

太赫兹频段特别适合于卫星间、星地间及局域网的宽带移动通信，可望使无线移动高速信息网络成为现实。

工作在太赫兹频段的“自由空间光”（FSO）通信系统可以将无线电波和可见光的优点结合起来，能够改变探测角度的太赫兹脉冲雷达。

“自由空间光”（FSO ）通信系统终端样机。

工作在太赫兹频段的设备还在研制中。

日本在4800米高原上进行傅立叶变换试验，频率覆盖范围已达150吉赫～1.6太赫。

目前，该频段的光通信设备还在研制中。

太赫兹在350、450、620、735和870微米波长附近，有相对透明的大气窗口，可以用于太赫兹空间通信。

太赫兹波在外层空间可以无损耗地传输，用很小的功率实现远距离通信，而且相对于光学通信来说，波束较宽、容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。

太赫兹波在空间技术上的一个重要应用，就是与重返大气层的飞行器（如导弹、飞船等）进行通信。

当飞行器重返大气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离形成等离子体，使通信遥测信号迅速衰减以至中断。

此时，太赫兹系统是惟一有效的通信工具。

太赫兹信号在大气中传输距离有限，且指向性很好，这些特性有利于在战场环境中提供近距离保密战术通信。

在某些情况中，鉴于作战地带通信声道的混乱和拥塞，有限的传输距离反而成为优势。

大气衰减有利于实现隐蔽的近距离通信，因为太赫兹信号根本无法传播到远处敌人的监听站，使敌人无法在通信途中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。

倘若太赫兹通信设备能够做得足够小而轻，则可以实现班排级单位甚至单兵之间的通信。

太赫兹安全检查太赫兹安全检查是一种结合太赫兹光谱技术、太赫兹成像技术的综合应用，可用于毒品、爆炸物、大分子生物以及武器、炸弹的探测，对公共安全和国土防御起到重要作用。

这是由于，多种爆炸物、毒品分子的振动和转动能级谱处于太赫兹频段（100吉赫～10太赫）。

太赫兹光谱和成像技术不同于X-射线和超声成像等手段,不仅可以提供物体形状,而且测得的光谱信息与已有的爆炸物和毒品的太赫兹谱库进行比较，可用于材料特性识别。

利用太赫兹时域光谱测量（TDS）技术可以得到这些特征谱，进而分析物质的内部结构信息。

在美国“9.11”事件后，发展监控、探测、辨别隐藏的危险物品（如捆绑在人身上的塑性炸药或信封中的生物药剂）的全新方法，对公共安全越来越重要。

由于吸毒贩毒活动的日渐猖獗，如何有效地探测毒品并进行品种和纯度的快速、精确检定，无论是在缉毒领域还是对毒贩量刑方面，都极为战场中坦克之间太赫兹保密通信示意图。

部分爆炸物（左）和毒品（右）在0.2～2.5太赫范围内的特征吸收指纹谱。

太赫兹时域光谱测量（TDS ）技术原理图。

重要。

复杂的有机分子（如毒气战剂）在太赫兹波段存在转动吸收光谱。

太赫兹光谱技术对此非常灵敏，目前在实验室中能够辨别十亿分之一浓度的气体分子，并通过烟雾中的反向散射体直接获取足够的信息。

另外，生物战剂（如炭疽）在太赫兹波段有明显的声子共振现象，也同样可以探测到。

通过标识出它们在大气中的散布范围，可以提示战斗人员及时采取防护措施，避免误入化学毒气或生物战剂沾染地域。

太赫兹波可穿透衣物、纸张、塑料、皮革和陶瓷等绝缘材料，而且光子能量很低，不会在生物组织中产生有害的光致电离。

因此，太赫兹成像技术是探测人员藏匿及包装内隐蔽危险物的一种极具竞争力的方法，可以在机场、车站等地对行李、物品、旅客进行安全检测。

金属探测器和X 射线系统是探测隐蔽武器的传统方法，但金属探测器无法探测到陶瓷手枪、塑料刀具和塑料炸弹，难以区别普通的金属物品和凶器；X 射线系统对人体的可能危害妨碍了它的使用。

太赫兹成像技术能够穿透一般的衣物探查到隐蔽物体，成像分辨率比微波要高，而且可以进一步发展为远距离太赫兹成像，在50甚至100米以外对可疑人身和物品进行检查。

太赫兹无损检测太赫兹脉冲成像技术还被用于探测航天飞机隔离层泡沫材料中的缺陷。

通过逐点扫描得到各部分的时域波形，然后分析波形的变化来判断缺陷的大小、形状、位置和种类。

2003年2月1日，美国哥伦比亚号航天飞机返回地球时在62千米高空发生爆炸，机上7名宇航员遇难。

事故调查委员会把这一悲剧归因于，一块手提箱大小的外置燃料箱泡沫隔热层在起飞过程中发生脱离，然后砸破航天飞机左翼隔热板。

当航天飞机重返大气层时，3000℃的高温气体从破洞中进入，导致机毁人亡。