太赫兹技术在实际应用中的探索

太赫兹波所具有的超凡特性,使其在成像、通信、雷达、频谱学等多个领域都具有重要的研究价值和广阔的应用前景。

(1)太赫兹成像

对于塑料、纸、陶瓷等非极性材料,可见光无法穿透,使用X射线成像技术则存在图像对比度不高的缺陷,而太赫兹波对这些材料具有非常强的穿透力,可以有效地填补现有技术的空白。太赫兹成像系统最早由B.B.Hu和M.C.Nuss于1995年提出[11],经过数十年的发展,相关技术已经在生活中的各个领域得到了广泛应用。比如:在安全检测领域,太赫兹波能够穿过表面覆盖物,对内部藏匿的危险品、爆炸物、毒品进行有效的鉴别;在建筑领域,太赫兹波可以对混凝土结构内部钢筋的腐蚀程度进行检测。此外,由于太赫兹波的低能量性,其穿透物质时不会损害人体或者生物组织,所以太赫兹成像技术也适用于生物医学领域的相关研究[12-13]。

(2)太赫兹通信

随着无线通信技术的不断发展,人们对空闲频谱资源的需求日益提升,发展太赫兹波段的通信技术成为必然趋势。与当今发展较为成熟的微波通信和光通信相比,太赫兹通信拥有更多的优异特性[14-15]:①太赫兹波频率高,通信容量大,更适用于宽带无线通信领域;②太赫兹波的波束较窄,具有良好的方向性,因此其抗干扰能力更强,安全性更高;③太赫兹波穿透性更强,可以大幅降低恶劣天气对通信系统的影响,实现全天候的工作效果;④太赫兹波波长短,天线尺寸相对较小,结构也不复杂,有利于节约成本。太赫兹通信的这些优异特性能够有效地解决现有通信技术中带宽和安全性的问题,在近距离战术通信、空间通信等特殊场景中具有重要的研究和应用价值。

(3)太赫兹雷达(www.xing528.com)

现代化战争主要围绕信息展开,而雷达技术在信息化战争中具有十分重要的地位,只有准确、迅速地对敌方单位进行侦查与预警,保持对信息的控制权,才能在瞬息万变的战争中获得先机。与常规雷达相比,太赫兹雷达具有工作带宽大、波长短、波束窄的特点,拥有极高的“空、时、频”分辨力:在空间上成像分辨率高,能够对目标的细节进行精密刻画;在时间上成像帧率高,能够对目标进行实时成像和准确制导;在频谱上多普勒敏感,有利于微动探测和高精度速度估计[16-17]。最近,国防科技大学[18]设计了一种0.22 THz的车载SAR成像系统,利用太赫兹雷达成功地获取了自行车目标的清晰图像,如图0-2所示。除此之外,现有的军事隐形技术主要针对微波雷达系统,使用太赫兹雷达能够对隐形的目标进行侦测,起到反制的目的[19]。

图0-2 车载SAR成像与结果

(4)太赫兹频谱学

太赫兹波丰富的频谱特征和宽带性使其在频谱学领域具有非常广阔的应用前景。一个典型的太赫兹脉冲能够覆盖非常宽的频率范围,其中就包含了许多轻分子的转动频率和大分子的振动频率[20]。同时众多半导体材料的等离子体频率也处于该频段内,所以太赫兹波可以用来表征半导体的载流子密度及迁移率[21]。此外,药品、爆炸物等极性材料在该频段内都具有非常丰富的频谱特征,通过对比待测样品与已知物质的频谱可方便地对样品材质进行鉴别。目前,太赫兹时域光谱技术已经在有机物、毒品、爆炸物的鉴别上取得了不错的成果[22]。