太赫兹技术在军事应用领域内的发展与潜力

摘 要： 太赫兹技术作为一种先进的前沿技术，对于军事发展来说是机遇也是挑战。本文论述了太赫兹技术、太赫兹的产生和探测以及太赫兹波的物理特性，总结分析了目前主流的太赫兹技术在军事领域内的应用，对航天飞机特种部件的无损检测、飞行器“黑障区”通讯、反导反隐身太赫兹雷达、太赫兹军事预警侦察、短距离地面战场保密通信和“6G”通信电子战等方面的军事应用展开了论述，为军事科学前沿研究人员快速掌握太赫兹军事应用的相关进展提供全景参考，提出太赫兹技术在军事应用方面具有巨大潜力。虽然距离稳定可靠的大规模使用还有一段距离，但应紧跟太赫兹科学技术的前沿，积极应对太赫兹技术给军事带来的机遇和挑战。

关键词：太赫兹技术；军事通信；无损检测；反导反隐身雷达；电子战

中图分类号： TJ760；E96

文献标识码：A

文章编号：1673-5048（2022）05-0028-07

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0071

0 引  言

太赫兹（Terahertz，THz）技术作为科学研究的前沿技术之一，在生物学、化学、材料学、天文学等基础学科展现了巨大的发展潜力［1-2］。随着各国对太赫兹技术的研究，越来越多的THz应用被开发，THz技术也逐渐在军事应用领域呈现出了巨大的发展潜力，以THz技术为基础的军事科学前沿和研究热点逐渐出现在大众视野中。

本文通过大量THz技术及其军事应用的相关文献，结合科学前沿和研究热点，对THz源和THz探测技术的发展以及THz辐射的物理特性进行了论述，归纳整理了目前主流的THz技术在军事领域的应用，为军事科学前沿研究人员快速掌握THz军事应用的相关进展提供全景参考。

1 背  景

1.1 THz技术

THz波指频率在0.1～10 THz、波长在0.03～3 mm之间的电磁波，其介于微波和红外之间。THz技术被称为21世纪最重要的新兴学科技术，也被誉为“改变世界的十大技术”之一，电磁波谱如图1所示。

自19世纪后，THz技术受到产业界重点关注，各国持续部署了相关战略项目，如美国NSF、DoD、NASA、DAPRA，欧盟，英国EPSRC、太空署，法国国家研究总署（ANR），德国研究联合会（DFG），日本振兴机构（JST）和学术振兴会（JSPS）等机构部署了多个THz项目，致力于开发THz核心器件。

THz技术近年来广泛应用于国防、 通信、医疗等多个领域，其特殊的频率也赋予其不同于其他电磁波的物理特性，能够适用于不同的应用领域，如宽频性、强抗干扰性等性质使其在军事领域有较大的发展潜力。随着THz技术的逐渐成熟，以THz波为基础技术逐渐在航天飞机特种部件的无损检测、“黑障区”通讯、反导反隐身、战场侦察、保密通信和电子战等军用领域展开应用。

1.2 THz波的源和探测器

THz波段处于微波波段和红外波段之间，与其相邻的微波和红外波技术应用相比，稳定性和可靠性还不够成熟，然而要实现THz技术的广泛应用，首先要解决源和探测的问题。当前产生THz波的方法主要有电子学和光学两类：电子学方法主要有反波管技术、耿氏二极管振荡器技术［3］等；光学方法主要有光电导天线技术［4］、光整流技术［5］、 THz空气等离子体技术［6］等。THz探测技术主要分为主动型和被动性两种：对于主动型探测技术往往是THz波产生原理的逆过程， 如光电导天线、 电光晶体和空气等离子等；对于被动型THz探测技术，主要有辐射热计探测器技术、热释电探测器技术、高莱探测器（Golay）技术等基于热敏反应的探测技术［3］。

1.2.1 光电导天线的产生和探测

光电导天线是目前最常见、最商业化的脉冲式THz波发射器和探测器，原理是利用超快飞秒激光打到半导体表面激发载流子，在电场的作用下产生THz辐射，光电导天线的探测原理为产生原理的逆过程。光电导天线的组成方式为在周期生长的砷化镓半导体上镀电极，因此利用这类方式产生和探测的THz信号质量主要取决于半导体材料的生长工艺。这类源和探测器得到的THz信号不仅包含光强信息，还包含了相位信息，并且具有非常窄的脉宽，适用于如物质成分分析等需要精细光谱分辨率的测量应用。

1.2.2 光整流和电光取样探测技术

光致直流电场也被称为光整流，其原理是光场与具有非线性性质的介质（一般为非线性晶体）相互作用时，相同频率的光子差频得到直流电场，电光检测可以看作光整流的逆过程，THz波的电场使晶体具有双折射的性质，会改变偏振态，电光检测技术就是利用THz脉冲的偏振态变化描述THz辐射源的时间波形。这类技术的产生原理是利用飞秒激光激发晶体产生太赫兹辐射，由于晶体本身对太赫兹辐射的特征吸收，太赫兹辐射的产生和探测方式在有效阈值内会存在一定缺失。

1.2.3 空气等离子体产生和探测

2000年，Cook等［7］首次发现利用双色激光可以诱导空气等离子体产生更宽频的THz辐射，目前已有多个研究小组对这类THz的产生和探测方式进行了研究，但对于这一现象的物理机制解释仍然不明确。常见的理论模型主要有非线性四波混频理论和微观离化电流模型。对于宽带空气等离子体产生THz辐射，有利用探测THz场致激光二次谐波的方法，特别是将该方法发展为带有偏置调制场的空气相干检测技术后，得到了更广泛的应用［8］，这类方法具有超宽频带、无损伤阈值等特点。也有部分研究小组在空气靶产生THz辐射的基础上，陆续开展了对液体靶和固体靶的研究，有望实现更宽频、更高能的THz辐射源。

1.2.4 其他THz波发射源

反波管THz源是一种基于电子学的THz波产生方式，由微波技术发展而来。在反波管阴极端的电子枪发射电子束后，电子经过高压电场加速到反波管的阳极端，再经过腔内的电极组做周期性减速运动，动能转化为电磁能量产生THz辐射释放，这一物理过程是反波管产生THz辐射的原理。

耿氏二极管振荡器是一种电子学的THz产生方式，其原理是基于一种负电阻振荡效应产生THz辐射。耿式二极管振荡器产生的电磁波谱的频率较低，主要集中在微波波段，一般为0.1 THz以下的电磁波。若需要产生0.1 THz以上高频THz辐射，需要借助如肖特基电子元件进行倍频，将产生的低频THz辐射经倍频器进行放大。

除此之外，还有基于气体激光器、半导体量子级联激光器、同步辐射和自由电子激光器的THz波产生方式。但这一类基于激光器的THz源目前尚未成熟，还存在着能量转化效率低、苛刻的低温环境工作条件，以及成本高昂等条件限制。

1.2.5 其他THz波探测器

被动式的THz探测器主要有辐射热计探测器、热释电探测器、高莱探测器（Golay）等，这一类探测器不需要配合对应的THz源来工作，是非相干的探测技术。以上3种THz探测器都是利用量热的原理，通过探测到物体的热辐射的变化来探测THz辐射。这类探测器的优点是使用简单、探测频段宽，但存在探测灵敏度低、背景噪声大和响应时间慢等缺点。

除了基于探热原理的探测器外，还有一种混频器和差频检测的方式。常见的混频器有肖特基二极管混频器、超导体-绝缘体-超导体混频器、热电子辐射计混频器等。其主要工作方式是与振荡器相结合进行差频测量，缺点是成本高、结构复杂，并很难做成阵列式的THz探测器，导致检测速率难以提高。

近些年来，随着超快激光技术和半导体器件的迅猛发展，研究人员逐渐突破了THz波的产生和探测等关键技术，为THz技术奠定了发展基础。但不同原理的THz波产生和探测方式依然存在类型的限制，技术水平还存在着相当大的优化空间。

1.3 THz波的物理特性

THz技术之所以在众多科学领域内有了越来越广阔的应用前景，除了激光技术与新材料的迅速发展使得THz源和THz探测器得到了广泛应用外，还因为该波段具备许多其他电磁辐射不存在的独特优势，作为唯一未被充分开发的频段，THz电磁波具备相干性、低能性、“指纹谱”、宽带性等特点［9］。

（1） 相干性：THz辐射具有高度的时间和空间一致性，能够直接得到被测物品的相位信息，可以在不使用Kramers-Kronig变换的情况下，通过快速傅里叶变换（FFT）直接得到THz电场的幅度和相位，减小物质分析时的计算复杂度，同时也可以在一定程度上避免由于算法问题带来测试结果的不准确性。

（2） 低能性：THz波的光子能量低，不会对目标造成电离伤害。因此，可以将THz应用于活检和非破坏性检测，如研究生物分子的特性、特殊功能材料的检测等。

（3） 高透视性：一些非极性物质和介电材料在THz频段内具有很高的响应，THz辐射对于一些非极性材料具有良好的穿透性，可以利用THz技术进行成像。THz波比可见光的波长要长，可以不受包括烟雾、浮尘在内的大颗粒物质阻拦，实现有效传播，因而在沙尘暴、战场等恶劣环境下可以实现一般的光学成像技术所达不到的效果。

（4） 指纹性：大多数如爆炸物、毒品等分子的特征吸收峰落在THz频段范围内，这些分子的特征吸收峰具有和指纹相同的独特性，可用于物质识别，因此THz物质吸收光谱也被称为THz指纹图谱。除此之外，大部分的星际分子物质的特征谱线也落在THz范围内，因而可以利用THz技术对空间宇宙和射线天文等领域进行研究。通过对物质的THz光谱的研究，有助于理解其物理性质和成分结构，同时也可利用光谱信息进行成像。

（5） THz波与相邻的微波相比，带宽更宽，因此传输速度可比当前超宽带技术速度更快；THz波的波束窄、方向性好，有更好的保密性及抗干扰能力，更适应战场上较为复杂的电磁环境；相对于微波雷达等成像技术，THz波的频率更高、波长更短、成像空间分辨率也更高。

（6） THz波对水分子的吸收灵敏度很高，因此可以通过分析目标样品对THz辐射的吸收程度来分析其含水量，分析被测样品的化学物理状态。

基于以上特性，THz技术在特种材料的无损探测、天文遥感、雷达探测、二维三维成像和宽带无线通信等方面有极大的研究价值和应用前景。

2 THz技术的军事应用

2.1 航天飞机特种部件的无损检测

THz检测技术是美国航空航天局（NASA）等国外机构的关键检测技术，目前已被列为NASA四大无损检测技术之一。2003年，“哥伦比亚号航天飞机事故”之后，NASA开始研究使用THz技术检测飞机燃料箱外部喷涂的泡沫绝缘材料SOFI（Sprayed-on Foam Insulation）及其质量控制，如图2所示。

NASA和伦斯勒理工学院的研究人员利用THz无损检测技术成功检测了航天飞机的喷涂泡沫绝缘材料的孔隙和脱粘缺陷［10］，如图3所示。

美国API利用THz无损检测技术对雷达罩进行无损检测，成功检测到雷达罩的水侵入等缺陷，如图4所示。

有报道称，美国空军研究实验室（AFRL）采用THz检测技术，对进气口涂层材料厚度进行了无损测量，指出THz技术为飞机进气口质量检测提供了一种新的测量方式。

THz无损检测技术作为一种新兴的无损检测技术，能够实现原位、无损、非接触检测，符合无损检测技术的发展趋势；针对特种部件采用的如陶瓷材料、隐身材料、泡沫疏松材料为基础的新型功能材料，THz无损检测技术的检测能力展现了其独特的优势。目前，THz无损检测技术已在欧美国家投入使用。特别是在涂层材料体系和防热结构材料体系已经能够开展THz技术应用，为航天飞机特种部件提供了新的无损检测思路。

2.2  “黑障区”通讯

飞行器能极大地提升近地空间防御能力，是各国抢占空中资源的战略武器。因此，解决临近空间的通信中断问题就显得至关重要。为了保障飞行器的飞行安全，需要迫切解决飞行器的“黑障区”通讯问题。