太赫茲技術(shù)在未來(lái)陸海空天的軍事應(yīng)用?

張 劍 楊 悅

（1.海軍裝備部裝備項(xiàng)目管理中心 北京 100071）（2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 石家莊 050081）

1 引言

太赫茲技術(shù)是指應(yīng)用太赫茲波的科學(xué)技術(shù)。太赫茲波的頻段位于紅外線與微波之間，一般將0.1THz～10THz頻段為太赫茲波頻段。2000年前后，太赫茲波技術(shù)在歐美的學(xué)術(shù)界引起了廣泛關(guān)注。

與其他頻率的電磁波相比，太赫茲波的特性更為與眾不同，如高穿透性、吸水性、瞬態(tài)性、光譜特征的唯一性與相干機(jī)制等。上述特性使得太赫茲波能夠快速穿透多種不含水的電材料，且由于與其他電波之間具有極強(qiáng)的相干特性，能夠有效進(jìn)行物質(zhì)識(shí)別[1]。

正是由于太赫茲波的非典型特性，太赫茲技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事與民用領(lǐng)域。在軍事領(lǐng)域中，太赫茲技術(shù)在空間通信、保密通信、雷達(dá)探測(cè)、電子對(duì)抗、電磁武器等方向均有廣泛的應(yīng)用前景。在通信領(lǐng)域內(nèi)，太赫茲波的高頻率、窄波束、強(qiáng)穿透力等特性，能夠有效地解決帶寬受限與可靠傳輸問(wèn)題，因而，相比于微波與光波，太赫茲波更適合保密通信、空間通信等軍事通信的特殊場(chǎng)景。

2 太赫茲技術(shù)研究現(xiàn)狀

當(dāng)前，太赫茲技術(shù)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，美國(guó)、俄羅斯、日本、韓國(guó)等主要軍事強(qiáng)國(guó)均致力于太赫茲技術(shù)的研發(fā)，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面都取得了較大進(jìn)展。

2.1 美國(guó)

美國(guó)是太赫茲技術(shù)研究的領(lǐng)軍國(guó)家，開(kāi)展研究最早，研究領(lǐng)域覆蓋最為全面。2004年，美國(guó)提出“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”，太赫茲技術(shù)就位列其中。2006年，“國(guó)防重點(diǎn)科學(xué)”也將太赫茲技術(shù)納入其中。十幾年來(lái)，美國(guó)的大學(xué)、研究所、公司等在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)行太赫茲技術(shù)的研究，并取得了優(yōu)秀的技術(shù)成果。

在太赫茲通信技術(shù)領(lǐng)域，2017年，布朗大學(xué)研發(fā)實(shí)現(xiàn)了50 Gb/s通信速率[2]，與現(xiàn)有的4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)相比，速度提升了約100倍。這一研究成果，使得太赫茲技術(shù)成為了未來(lái)6G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)。在太赫茲探測(cè)及成像技術(shù)領(lǐng)域，美國(guó)宇航局、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室等都取得了多項(xiàng)成果，大大提升了探測(cè)成像的分辨率。在太赫茲器件研究領(lǐng)域，美國(guó)的多家大學(xué)與實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合進(jìn)行高峰值功率太赫茲光源與新型半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)與研發(fā)，部分技術(shù)成果已應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1]。

2.2 日本

2005年，日本提出了“國(guó)家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”，太赫茲技術(shù)赫然在列。十五年來(lái)，在國(guó)家的大力支持下，在大學(xué)、研究所、電器公司等多家機(jī)構(gòu)的共同努力下，太赫茲技術(shù)在日本的發(fā)展相當(dāng)迅速，尤其是在太赫茲通信領(lǐng)域。

2006年，日本就已研發(fā)實(shí)現(xiàn)了1500m太赫茲無(wú)線通信演示系統(tǒng)[1]。這一通信演示系統(tǒng)屬世界首例，該系統(tǒng)的問(wèn)世，奠定了日本太赫茲技術(shù)在全球的領(lǐng)軍地位。2017年，日本國(guó)家信息與通信研究所、廣島大學(xué)與松下電器聯(lián)合，三家機(jī)構(gòu)形成產(chǎn)學(xué)研的研發(fā)體系，其研制的太赫茲發(fā)射機(jī)在頻率290GHz～315GHz頻率下，實(shí)現(xiàn)了105Gb/s的單通道數(shù)據(jù)速率。據(jù)最新的消息，日本將在2020年的奧運(yùn)會(huì)上使用太赫茲通信作為賽事轉(zhuǎn)播的重要手段。

2.3 歐洲

歐洲各國(guó)也在太赫茲技術(shù)領(lǐng)域來(lái)戰(zhàn)了多項(xiàng)研究，其中以英國(guó)為主要代表。

英國(guó)開(kāi)展了WANTED項(xiàng)目與TERAVISION項(xiàng)目的研發(fā)，兩個(gè)項(xiàng)目主要應(yīng)用于民用領(lǐng)域[1]。WANTED項(xiàng)目，Wireless Area Networking of Terahertz Emitters and Detectors，以半導(dǎo)體器件為研發(fā)目標(biāo)，在1THz～10THz波段中研發(fā)振動(dòng)器和檢波器。TERAVISION項(xiàng)目，Terahertz Frequency Imaging Systems for Optically Labeled Signals，以醫(yī)學(xué)成像為研發(fā)目標(biāo)，研制小型高功率的短脈沖激光成像設(shè)備。

瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院在2014年研制完成一種新型的激光器[3]。該激光器采用量子級(jí)聯(lián)技術(shù)，中心波長(zhǎng)為24.1μm，在22K的溫度下中心波長(zhǎng)為24.4 μm，輸出功率的平均峰值為0.6mW。

2.4 中國(guó)

我國(guó)的太赫茲技術(shù)研究主要集中在高速無(wú)線通信領(lǐng)域，面向5G與6G的通信需求，研發(fā)高頻的太赫茲通信系統(tǒng)。主要的研究頻段為220GHz與340GHz。2012年，中國(guó)工程物理研究院在340GHz實(shí)驗(yàn)完成了3Gbps的實(shí)時(shí)通信，傳輸距離達(dá)50m[4]。2019年，電子科技大學(xué)聯(lián)合上海航天電子技術(shù)研究所在220GHz研發(fā)太赫茲全雙工通信系統(tǒng)，仿真實(shí)現(xiàn)了正交模轉(zhuǎn)換器和分諧波混頻器，有效驗(yàn)證了系統(tǒng)的合理性與可行性[5]。

3 太赫茲在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

太赫茲通信技術(shù)可用于遠(yuǎn)距離衛(wèi)星之間的空間通信，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星互聯(lián)與星間組網(wǎng)，是天基網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一環(huán)。利用太赫茲通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空中機(jī)載平臺(tái)與地面設(shè)備和主控平臺(tái)之間的連接，實(shí)現(xiàn)空間與地面的組網(wǎng)；利用太赫茲波，通過(guò)空中機(jī)載平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)士兵與指揮中心的通信；利用太赫茲保密通信技術(shù)，在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)短近距離的軍事保密通信，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)設(shè)備的隨遇接入，保障戰(zhàn)場(chǎng)信息的高效安全可靠傳遞。在戰(zhàn)場(chǎng)上，太赫茲技術(shù)還可用于雷達(dá)探測(cè)，進(jìn)行遠(yuǎn)程探測(cè)成像與爆炸物的檢測(cè)。

圖1所描繪的是未來(lái)太赫茲技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。虛線部分為太赫茲通信，實(shí)線部分為其他通信手段。在未來(lái)海陸空天一體化作戰(zhàn)場(chǎng)景中，太赫茲通信將用于星間組網(wǎng)、無(wú)人機(jī)集群、單兵與戰(zhàn)場(chǎng)設(shè)備間通信及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境探測(cè)。

3.1 太赫茲軍事通信應(yīng)用

根據(jù)引言中的描述，太赫茲波具有高穿透性、吸水性、瞬態(tài)性等特性。上述特性使得太赫茲波在通信中具有以下的優(yōu)勢(shì)[6]：1）太赫茲波的頻率高，相應(yīng)的通信能力強(qiáng)；2）太赫茲波的波束窄，具備更好的指向性、方向性及抗干擾特性；3）太赫茲波的波長(zhǎng)短，其通信系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，更易生產(chǎn)；4）太赫茲波穿透能力強(qiáng)，在沙塵遍布的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境與霧霾雨雪的惡劣天氣下均能正常工作，可實(shí)現(xiàn)7*24小時(shí)全年無(wú)休的工作狀態(tài)。

圖1 太赫茲技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

3.1.1 近距離軍事保密通信

高頻段的太赫茲波在空中傳播時(shí)，由于受到空氣的影響以及水分的吸收，導(dǎo)致信號(hào)衰減異常嚴(yán)重，受制于大氣衰減和調(diào)制技術(shù)，傳輸速率較低且傳輸距離相對(duì)較短[7]。但是，由于太赫茲波與微波波束相比，具有更強(qiáng)的抗干擾能力，可以用作專門的保密通信，尤其適用于大容量短距離的戰(zhàn)場(chǎng)保密通信需求。保密通信主要有兩方面的應(yīng)用，一是戰(zhàn)時(shí)的隱蔽通信，用于配合隱形戰(zhàn)車、隱形戰(zhàn)機(jī)等地面與空中的作戰(zhàn)設(shè)備，形成空間地面相結(jié)合的隱形作戰(zhàn)系統(tǒng)[8]。二是短距離的定向通信，即戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的25km之內(nèi)的通信，該距離內(nèi)的通信通常為定向保密通信，主要用于作戰(zhàn)設(shè)備的群組及編隊(duì)間的內(nèi)部通信。

3.1.2 外太空通信

隨著人類的探索空間向外太空拓展，研究人員發(fā)現(xiàn)，太赫茲波更適用于在太空中傳輸。太赫茲波在太空中傳輸?shù)闹饕獌?yōu)勢(shì)在于，傳輸損耗小、所需功率低、頻率高、頻帶寬、通信容量大，這些優(yōu)點(diǎn)使得外層空間的太赫茲通信具備了傳輸速率更高、安全性更高、方向性更強(qiáng)、設(shè)備尺寸更小等優(yōu)勢(shì)。太赫茲數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在空間及外太空具有良好的發(fā)展前景。

衛(wèi)星編隊(duì)、星間集群、星間組網(wǎng)等技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，都需要高效高速安全可靠地的星間太赫茲通信技術(shù)。美國(guó)正在研發(fā)25Gb/s～250Gb/s傳輸速率的太赫茲衛(wèi)星交鏈通信系統(tǒng)。國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）已為下一代的星間通信預(yù)留了200GHz的頻段，相信未來(lái)將會(huì)達(dá)到300GHz以上的頻段范圍[9]。

3.1.3 美軍DARPA的戰(zhàn)略部署

2003年，美國(guó)國(guó)防預(yù)先研究計(jì)劃局（DARPA）提出了THOR——太赫茲作戰(zhàn)延伸后方計(jì)劃。THOR計(jì)劃的最終目標(biāo)是要實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)作戰(zhàn)單元與本土指揮中心之間的通信。該計(jì)劃提出采用太赫茲通信鏈路提升寬帶通信能力，在提升數(shù)據(jù)傳輸速率的同時(shí)，提升戰(zhàn)斗設(shè)備的性能。雖然由于經(jīng)濟(jì)的原因，2010年前后THOR計(jì)劃被暫停，但是太赫茲技術(shù)的作戰(zhàn)部署已可見(jiàn)一斑。

在空間通信領(lǐng)域，DARPA提出了F6項(xiàng)目，該項(xiàng)目以空間設(shè)備間的太赫茲通信為研發(fā)重點(diǎn)，以小衛(wèi)星編隊(duì)飛行的群間通信為主要研究目標(biāo)，最終實(shí)現(xiàn)未來(lái)分布式空間集群系統(tǒng)的快速、靈活、可靠通信。

3.2 太赫茲軍事雷達(dá)應(yīng)用

對(duì)于軍事雷達(dá)而言，分辨能力強(qiáng)與截獲概率低是最重要的條件，太赫茲波本身的高頻率、寬帶寬、窄波束正好符合了上述要求。因而，軍事太赫茲雷達(dá)近年來(lái)受到了全球的廣泛關(guān)注。

3.2.1 遠(yuǎn)程探測(cè)與成像

太赫茲波的高穿透性，使其具備穿透灰塵、濃煙與霧霾的能力尤其適用于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境。美國(guó)DARPA已研制出一款太赫茲成像雷達(dá)，該雷達(dá)適用于遠(yuǎn)距離戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的探測(cè)與成像[10]。利用太赫茲技術(shù)，還可穿透墻體對(duì)建筑內(nèi)部進(jìn)行探測(cè)與成像，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的尋敵成像。

美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)研發(fā)了太赫茲的雷達(dá)成像系統(tǒng)，在0.56THz～0.635THz，0.66THz～0.69THz，0.675THz等波段獲得了良好的成像效果[11～12]。工作頻率為0.6THz的高分辨力雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，可在5s內(nèi)對(duì)25m外隱藏的武器進(jìn)行探測(cè)[13]。此外，西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室與馬薩諸塞大學(xué)分別研發(fā)了0.35THz成像系統(tǒng)與1.56THz成像系統(tǒng)[14]。

德國(guó)的應(yīng)用科學(xué)研究所（FGAN）在2008年研制出一款太赫茲ISAR成像雷達(dá)，可在0.22THz頻率下實(shí)現(xiàn)500m外的1.8cm的分辨率[15]。瑞典、以色列和蘇格蘭等國(guó)家，都在0.3THz附近研發(fā)出了三維成像系統(tǒng)[16]。

3.2.2 爆炸物的探測(cè)與鑒別

由于太赫茲波獨(dú)特的光譜特征，可用于檢測(cè)多種物質(zhì)，尤其是化學(xué)及危險(xiǎn)物品，此用途在安全檢測(cè)、反恐、戰(zhàn)場(chǎng)探測(cè)等領(lǐng)域具有重要的地位。

最新的研究顯示，太赫茲波能夠識(shí)別的爆炸物質(zhì)已超過(guò)50種。在民用領(lǐng)域，專用的爆炸物檢測(cè)儀器——太赫茲光譜儀已投入使用，該光譜儀采用光譜測(cè)量技術(shù)檢測(cè)爆炸物及化學(xué)物品，主要用于安保、反恐、消防等場(chǎng)景。在軍事領(lǐng)域，太赫茲波的探測(cè)技術(shù)主要用于戰(zhàn)場(chǎng)地面的探測(cè)，用于遠(yuǎn)距離探測(cè)地下雷場(chǎng)和炸彈的分布情況。

4 結(jié)語(yǔ)

太赫茲技術(shù)在戰(zhàn)場(chǎng)上具備特殊的優(yōu)勢(shì)地位，是奪取戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的關(guān)鍵。在不遠(yuǎn)的將來(lái)，太赫茲通信技術(shù)將應(yīng)用于聯(lián)合作戰(zhàn)中的近距離保密通信、空間通信、外天空通信，太赫茲雷達(dá)技術(shù)將用于戰(zhàn)場(chǎng)的目標(biāo)成像與環(huán)境探測(cè)，二者聯(lián)手打造陸?？仗煲惑w化的戰(zhàn)術(shù)互聯(lián)網(wǎng)。