太赫兹技术在国防军工领域的应用

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近年来，随着激光技术、量子阱技术和半导体技术的发展，为太赫兹脉冲的产生提供了稳定、可靠的激发光源，使太赫兹在产生机理、检测技术和应用技术等方面的研究得到蓬勃发展。由于太赫兹波在电磁波谱中处于微波和红外之间，具有安全性、穿透性、指纹谱、抗干扰、相干性等许多优点，从而在天文、生物、材料、石油、化工、通讯等领域有着非常重要的学术和应用价值。太赫兹技术因此受到各国政府和研究机构的高度重视，太赫兹在国防安全和军工领域的研究和应用首当其冲。

太赫兹在国防军工领域的应用主要包括太赫兹雷达、毒品爆炸物检测、太赫兹在军工材料的无损检测等。

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太赫兹雷达

太赫兹雷达主要靠接收目标的反射信号来发现目标。如果目标表面能使雷达波被吸收或散射，就可大大减小被发现的概率，从而达到隐身的目的。太赫兹雷达有如下几个特点：

• 太赫兹的波长很短，大约在30μm—3mm的范围内，远小于微波与毫米波的波长，因而可以用于探测更小的目标和更精确的定位；

• 太赫兹频段丰富的频率，有着非常宽的带宽，能以成千上万种频率发射纳秒以至皮秒级的脉冲，大大超过现有隐身技术的作用范围；

• 太赫兹频段对隐形飞机常用的吸波材料具有良好的透过率，可无视吸波涂层，在理论上具有较强的反隐形能力；

• 太赫兹波还可以在等离子体中传播，能有效对抗等离子体隐形；

• 现役的毫米波反隐形雷达体积过大，太赫兹雷达的体积和重量都可以控制在较小范围内。

太赫兹潜在的最大应用价值还在于它的光谱分析能力，它根据材料的分子结构的共振吸收，可以获得材料的组织成分的一些相关信息，由此太赫兹可用来做目标物的识别，而这是其他远距离探测方法所难以做到的。因此，无论是基于外形的隐形技术还是隐形涂层，甚至是传说中的等离子体隐形，太赫兹波都能有效反制，让它们“无处遁形”！

美国是最早提出太赫兹雷达这一概念的国家，并先后进行了0.2THz、1.56THz、0.6THz等高分辨率雷达实验。中国在太赫兹雷达领域的研发工作进展迅速，中国的太赫兹雷达项目可能在中国现有的第六代战机制造计划框架下实施。太赫兹雷达作为未来高精度、反隐身雷达的发展方向之一，在军事上有广阔的应用前景。

太赫兹军用雷达应用方向包括：目标识别雷达、制导雷达、火控和精密跟踪雷达、战场监视雷达和机载雷达。

太赫兹雷达与目前的主战雷达

有哪些优势？

与微波雷达相比：

● 分辨率更高

● 太赫兹被动成像

● 低仰角、高精度

● 更高的抗干扰能力

● 更好的反隐身效果

● 更小的尺寸等

与红外雷达和激光雷达相比：

● 太赫兹波在悬浮微粒和在尘埃、烟雾和战场 污染等条件下的衰减较低，因此，太赫兹雷达较红外和激光雷达具有更强穿透沙尘、烟雾的能力，可以实现全天候工作。

太赫兹雷达作用：

● 可以探测到敌方隐蔽的武器、伪装埋伏的武 装人员，以及烟雾、沙尘中的军事装备。

● 还可探测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体。

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太赫兹波谱用于爆炸物检测与区分

太赫兹时域光谱(太赫兹TDS)是一种非常有效的测试技术，典型的太赫兹时域谱系统主要是由超快脉冲激光器、太赫兹发射元件、太赫兹探测和时间延迟控制系统组成。太赫兹时域光谱包含了关于物质结构的丰富信息，不同种类的炸药会在特定频率处产生较强的吸收，不同爆炸物的吸收谱和色散不同，可以根据这些信息来鉴别炸药。下图所示是首师大太赫兹光电子学教育部重点实验室与公安部一所合作的四种爆炸物检测的吸收谱。

16种爆炸物的吸收峰参数信息：

应用：人体炸弹监测

人体炸弹的监测在国际反恐领域一直都是个难题。太赫兹军用安检透射仪能够排查人体炸弹、简易爆炸装置、远距离爆炸物探测、危险人员排检、隐蔽武装人员或武器装备探测、战地巡逻的爆炸物等违禁品，相比于传统安检手段漏检率低，能识别更多的违禁品，有着更广阔的的市场应用前景。

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毒气战剂和生物战剂感测

太赫兹在探测、识别、跟踪大气中生物武器方面也有很大的应用价值。生物分子的大振幅运动：低频振动模式，扭转，氢键拉伸、弯曲，振转能级跃迁；生物分子的折叠利用大振幅运动来修正其形状以实现其在生物系统中的作用，利用太赫兹对这些运动的敏感性可以检测甚至识别这些复杂（生物）分子。毒气战剂独特的太赫兹化学信号（利用旋转谱线）以及声子激发的生物战剂，都是利用高分辨率太赫兹光谱仪将其探测出来。复杂的有机分子（例如毒气战剂）在太赫兹波段有一个转动吸收光谱，通过整个光谱包络可以来区分各种气体。大多数显著的光谱细节都落在了0.25-0.3THz这个波段，常压下并且在海平面下可以测得这个波段中很长的传输通道。因此窄带调谐脉冲源完全可以用来探测大气中的毒气，并且还可以标示出它们分布的空间区域和它们的活动情况。如果在烟雾中要从反向散射体直接获得足够的信息，那么充足的脉冲能量是必不可少的。但是配有回射器的遥控飞行器（RPVs）可以增强从相对微弱的源中获取的信号。

生物战剂（如炭疽）在太赫兹波段有明显的声子共振现象，这样就可以用类似上面所说的做法把它们鉴别出来，并且能标示出它们在大气中的散布范围。光谱吸收测量法同样可以处理载物玻片上的细菌芽孢外被，处理结果显示有一个复杂的声子群共振，杆状菌的太赫兹光谱结构如图所示。与毒气战剂的分子光谱相比，细菌的光谱与其内部结构有关，所以细菌的光谱不易受外界环境的影像。如果太赫兹的功率足够大，生物战剂的反向散射可以提供一个比较方便的办法，来标示出依靠风传播的毒气分布的全部区域。这样就可以让战斗人员撤出这个毒气区或者是提醒他们能够穿上防护服。

太赫兹对于毒品爆炸物的无损检测广泛应用于军事和安全领域，是有效的安全防护手段。

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军事通信

太赫兹波穿透云层、浓雾及伪装物的能力比红外线强。这一特性在军事和国防上很有价值。作为一个极具研究和应用前景的通信频段，具有通信容量大、方向性好、保密性及抗干扰能力强等特点，其军事信息领域应用前景十分广阔，一直受到发达国家军事部门的关注和重视。美国十分重视太赫兹技术的发展规划，美国国防预先研究计划局(DARPA)制定了“太赫兹作战延伸后方(THOR)”计划，该计划包含研发和评估一系列可用于移动的Ad-Hoc 自由空间光通信系统的技术，通过移动自由空间光路径将宽带通信( 宽管道类型)延伸到战区。与现有的RF 链路比较，THOR的数据速率提高了40 倍，设备尺寸、重量、功耗乃至成本则仅为其十分之一。

利用太赫兹大气传输窗口也可以进行太赫兹近距离战术通信。某些情况中，鉴于战区作战地带通信通道的混乱和拥塞，有限的传输距离反而成为优势。

太赫兹通信所遇到的挑战：

• 大气中的水蒸气会对太赫兹辐射有强烈的吸收作用，太赫兹不能透过大气层；

• 现有的太赫兹辐射源效率较低，可用功率也相 对较低。

尽管存在以上不利因素，太赫兹通信还是可以期望的。如卫星间的通信，除卫星擦过地球大气层那段轨道外，大气吸收根本不存在任何影响。

太赫兹通信优势：

• 比微波通信的带宽更宽，因此具有更高的数据传输；

• 太赫兹频段干扰较少；

• 太赫兹器件的体积较小。

虽然目前太赫兹通信技术尚处于研究阶段，但随着基础器件成熟和关键技术的突破，太赫兹通信凭其独有的优势，在军事领域的应用前景十分广阔，主要应用领域可归纳为以下三个方面：

1、战术通信网

战术通信网是军事信息栅格的重要组成部分，网内各无线中心与节点之间用无线接力链路，电(光)缆、卫星链路连接。在战场环境条件下，网内电台和武器用频设备密集，电磁环境复杂，极易出现通信信道的严重干扰(来自敌方或己方)、拥塞。在这种情况下，利用THz大气传输窗口也可进行THz波近距离大容量通信，是战术通信网的一种有效的抗干扰通信手段。在一些特殊环境下，如光缆固定敷设一旦遭摧毁不易修复，卫星通信易受干扰及摧毁、卫星故障或被毁，THz通信可实现隐蔽的近距离应急通信。另外，在太赫兹通信装备的体积和重量能适应野战环境的情况下，也可用于班排级之间及单兵之间的近距离通信。

方向性好适用于战场上单兵之间，坦克之间，单个作战单元之间的定向保密通讯；国防边界哨所与哨所间的保密通信

因为水蒸气的密度会随着海拔的增高而急剧衰减，所以对处于在20000英尺高的高空中(或者更高的高度)飞行的飞行器来说，它们可以和几公里外的目标进行太赫兹通信，而且他们还能和太空中的航天器之间进行太赫兹通信。可以利用太赫兹进行长距离通信以及对空间物体进行远距离探测。

2、天基通信系统

天基通信系统是不同卫星之间，以及卫星与无人机、地面之间的高速通信网络，也是军事信息栅格的重要部分。THz 波在300、450、620、735 和870 m波长附近存在着相对透明的大气窗口。与微波通信相比，THz 波束较窄，波束方向性好，可以实现外差接收，可以作定点保密通信或作宽频带、大容量的通信系统。在外层空间，THz波可以无损耗传输，用很小的功率就可实现远距离通信，而且相对于光谱通信来说，其波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。

3、宽带无线安全接入

未来战争是信息作战，战场要传输和处理的信息量剧增，指挥所内部(室内) 的宽带无线通信的需求日益迫切，某些特殊需求业务的带宽可达GHz，目前的无线通信方法(包括正在研究的UWB 等) 均无法胜任，而采用THz(100 GHz以上) 可以满足宽带无线安全接入的需求，带宽是UWB 的1000多倍。为使信息栅格网络覆盖范围延伸，机固结合，接入方式多元、灵活，THz FSO 系统有望成为一种重要的Ad hoc 网络接入方式。

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无损检测

太赫兹脉冲成像技术在军工航天中用途广泛。由于航空航天以及现代化武器装备中采用了很多复合材料，太赫兹对复合材料有很好的穿透性，能够很好地发现复合材料内部和涂层的缺陷。太赫兹无损检测技术应用在战机等武器装备检测、航天军工材料检测、战略导弹和航母检测等几个方面。

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。据称在以前的发射中，泡沫隔热材料撞击航天飞机的情况至少发生过7 次。因此，泡沫材料中缺陷的检查成为了确保航天飞机发射安全的关键所在。

业已证明，泡沫塑料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率，太赫兹波可以穿过几英寸厚的泡沫材料，并探测到深埋其中的缺陷。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点太赫兹脉冲的整个时域波形，从而提供了多维信息。举例来说，记录各个交界层反射的太赫兹脉冲后，利用太赫兹成像就能看到被监测物不同层中存在的缺陷。

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应用价值，美国已经开始应用太赫兹技术对战机等武器装备进行检测。

F35战机的检测和修复

太赫兹无损检测可用于石墨纤维等复合材料的检测。石墨纤维复合材料是飞行器制作中一种非常常用的材料，它是以石墨纤维为骨架填充树脂材料制成的。这种材料的优点是轻且坚固，缺点是被加热到超过200℃时容易损坏。航空/国防领域复合材料需求预计从2011年7694吨增至2020年的18462吨。复合材料成本高昂，检测在生产过程中非常重要，太赫兹无损检测具有明显的优势。

雷达罩的无损检测

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太赫兹武器

强太赫兹辐射可引发物质的原子剧烈震荡，打断物质的分子键，由于物质原子的剧烈震荡，物质会瞬间升温，任何隐身材料都会脱落，继续剧烈震荡升温，物质分子更加活跃碰撞，增加热能，频率越高，增温越快，效率越高。类似微波炉，但比微波炉频率更高，比微波炉能量更大。

强太赫兹微波防空武器既是侦察成像设备，同时也可作微波防空武器，可根据用途，调节能量配置。强太赫兹雷达既可车载移动，专门用于有效探测侦察、搜集情报、信息成像、有效防空，也可有效打击摧毁超高空、超高速、超隐身的飞机群。强太赫兹微波防空武器的核心技术：一是强太赫兹雷达需要强大功率的太赫兹发生器与发射器，二是强大的电功率支持。

经过20多年的发展，目前大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术等相关研究都取得了突破性进展，未来太赫兹技术将在军事通信、战场侦察、精确制导、反隐身和电磁对抗等军事领域发挥重要作用。可以说，谁先掌握了太赫兹这一第五维战场的重要频段，谁就将占据未来军事制高点。中国太赫兹技术开发及应用水平处于国际领先地位，这也将推动着我国在国防军工领域实力更加强大，在国际军事舞台上拥有至要地位！

来源：远大恒通

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小蓝君
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