太赫茲技術(shù)在防災(zāi)減災(zāi)和安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用

張紅健 劉菲

引言

近年來，各類災(zāi)害頻發(fā)，不僅受災(zāi)地區(qū)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)受到了極大阻礙，而且嚴(yán)重威脅著人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此如何防災(zāi)減災(zāi)一直被廣泛深入地研究討論。積極探索能夠預(yù)防災(zāi)害和減輕災(zāi)后影響的新科學(xué)新技術(shù)，成為重中之重。

20 世紀(jì)90 年代以來，激光技術(shù)得到快速發(fā)展。在得到性能穩(wěn)定的激發(fā)光源后，太赫茲技術(shù)得以迅猛發(fā)展，逐步成為具有強(qiáng)大潛力的新技術(shù)。由于太赫茲波兼具微波和光波的優(yōu)越性，使其在氣象監(jiān)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警、反恐排爆、安全檢測(cè)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用價(jià)值和應(yīng)用前景。

太赫茲技術(shù)

太赫茲波（Terahertz，1THz=1012Hz）一般指頻率在0.1THz 至10THz 范圍內(nèi)、波長介于0.03mm 至3mm 之間的電磁波。其位居電子學(xué)與光子學(xué)之間的“間隙”，其低頻率段與毫米波（亞毫米波）重合，高頻段與紅外線重合（圖1）。太赫茲波兼具微波與光波的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也具備自身獨(dú)特的特點(diǎn)：波束窄，方向性好，光子能量低，大氣衰減強(qiáng)，易于穿過包裹、衣物等不透明材料且不需要與被測(cè)物品產(chǎn)生接觸。太赫茲波憑借其獨(dú)特特點(diǎn)，能夠較為精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)的高分辨率成像、復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)探測(cè)和微小目標(biāo)的探測(cè)。其功能實(shí)現(xiàn)主要依靠太赫茲成像技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中的位置

太赫茲成像技術(shù)分別為主動(dòng)式成像系統(tǒng)和被動(dòng)式成像系統(tǒng)。主動(dòng)式成像系統(tǒng)的基本工作原理是自行發(fā)射太赫茲波信號(hào)到探測(cè)目標(biāo)處，探測(cè)目標(biāo)會(huì)對(duì)太赫茲波進(jìn)行散射，成像系統(tǒng)對(duì)形成的回波信號(hào)進(jìn)行處理，進(jìn)而得到目標(biāo)圖像。太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)就是一種典型的太赫茲主動(dòng)式成像系統(tǒng)，根據(jù)成像機(jī)制的不同可以分成掃描成像、合成孔徑雷達(dá)（SAR）和逆合成孔徑雷達(dá)等，主要應(yīng)用于軍事、安檢等領(lǐng)域。被動(dòng)成像系統(tǒng)的基本工作原理是利用太赫茲波裝置接收物體及背景的太赫茲波輻射能量來探測(cè)物體特性，生成圖像。應(yīng)用于大氣遙感探測(cè)的太赫茲輻射成像就是一種被動(dòng)成像技術(shù)。

太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)的基本原理是太赫茲波照射到待測(cè)物品上，計(jì)算獲得它的時(shí)域波形，利用快速傅里葉變換將時(shí)域波形轉(zhuǎn)換到頻域光譜中，進(jìn)而得到其幅值或相位信息，最終得到樣品的光學(xué)參數(shù)。眾所周知，不同分子存在不同的原子構(gòu)成，也就存在著不同的原子內(nèi)部躍遷，因此其光子能量的輻射或者吸收也是不同的，顯示在吸收光譜上則為不同的吸收峰頻率，因此可以根據(jù)不同分子在太赫茲頻段的吸收峰位置和吸收作用的強(qiáng)弱來表征不同物質(zhì)的吸收特征。根據(jù)此原理，可以通過吸收峰所對(duì)應(yīng)的頻率及吸收強(qiáng)度對(duì)未知物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)定性和定量研究。利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)能夠?qū)赡艽嬖诘奈粗ｋU(xiǎn)品進(jìn)行無損、非電離、高靈敏的光譜測(cè)量，主要應(yīng)用于爆炸物勘測(cè)、化學(xué)泄露等危險(xiǎn)事故與人為災(zāi)害的預(yù)警方面。

基于太赫茲波的成像技術(shù)與防災(zāi)減災(zāi)

（一）太赫茲波雷達(dá)成像技術(shù)應(yīng)用于安全、軍事領(lǐng)域

SAR 是一種主動(dòng)成像系統(tǒng)，它的基本工作原理是依靠雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將小尺寸天線的接收信號(hào)疊加起來，經(jīng)過后期的數(shù)據(jù)處理，合成一個(gè)等效的大尺寸天線的接收信號(hào)，從而獲得大尺寸天線的觀測(cè)效果。

不法分子藏匿于衣物下的危險(xiǎn)物品如槍支、刀具、固體爆炸物等難以被人眼察覺，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。地鐵、車站、機(jī)場(chǎng)等場(chǎng)所的安全檢查成為保護(hù)大眾的重要關(guān)卡。因此能夠穿透遮蔽物的無損探測(cè)也是太赫茲波技術(shù)的熱門發(fā)展領(lǐng)域。目前，基于太赫茲成像技術(shù)的太赫茲安檢儀已投入使用。將太赫茲波照射到人體上，或者利用人體自身向外輻射的太赫茲波，當(dāng)衣物下藏有違禁攜帶品時(shí)，此部位輻射到安檢儀上的太赫波會(huì)因被遮擋而減弱，太赫茲安檢儀在接收輻射時(shí)會(huì)產(chǎn)生人體的二維太赫茲強(qiáng)度圖，違禁品所在的位置則顯示為陰影區(qū)域，檢測(cè)人員通過陰影的形狀判斷其是否為違禁品或違禁品的種類。與傳統(tǒng)的安檢方式相比，太赫茲安檢儀更安全、更高效，太赫茲波的非電離特性不會(huì)對(duì)人體造成輻射傷害。遠(yuǎn)距離非接觸方式檢測(cè)，有效避免人員肢體接觸。不僅可以對(duì)金屬物品進(jìn)行檢測(cè)，還可探測(cè)陶瓷、液體、粉末等非金屬物品。在安全檢測(cè)時(shí)，人只需要以正常的行走速度通過安檢儀，無須停留，極大提高安檢效率。

2012 年，美國在多個(gè)機(jī)場(chǎng)安裝太赫茲人體檢查儀，用于安全檢查；2014 年5 月，我國也報(bào)道了自主研發(fā)的第一臺(tái)太赫茲安檢儀，打破了國外對(duì)太赫茲技術(shù)應(yīng)用于安全檢查上的壟斷。2020 年2 月，我國投入使用的太赫茲安檢儀被相繼報(bào)道（圖2）。

圖2 上海地鐵13號(hào)線淮海路站的太赫茲安檢儀

當(dāng)今世界，恐怖主義與局部戰(zhàn)爭(zhēng)依舊在威脅著人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。太赫茲的雷達(dá)成像技術(shù)為軍隊(duì)的信息化建設(shè)提供了有力的支撐，有效探測(cè)敵方或恐怖勢(shì)力軍事部署的詳細(xì)信息可以在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中率先奪得軍事高地，為保障己方人民和城市安全提供幫助。與常規(guī)頻段的雷達(dá)相比，太赫茲SAR 探測(cè)系統(tǒng)具有天線方向性好、空間分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，可以不受戰(zhàn)場(chǎng)上的灰塵和煙霧的干擾，準(zhǔn)確識(shí)別出坦克、隱蔽的地雷或炸彈等武器裝備。其在軍事領(lǐng)域的主要應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是用于軍事情報(bào)偵察。SAR 可以通過斜視照射的方式，在不必越過敵方邊界的情況下，獲得所需要的信息，在安全上有極大的保障。在獲取信息后，可以根據(jù)掌握的敵方軍事部署制訂針對(duì)性的作戰(zhàn)計(jì)劃，指揮人員掌握全局態(tài)勢(shì)，制定進(jìn)攻和防御策略。二是用于軍事精確打擊。機(jī)載的火控雷達(dá)實(shí)際上就相當(dāng)于一部合成孔徑雷達(dá)，使得戰(zhàn)機(jī)可以精確探測(cè)到地面的小型目標(biāo)，并對(duì)其實(shí)施精確打擊。

2015 年，電子科技大學(xué)研制的340GHz 太赫茲SAR 成像效果如圖3 所示，與實(shí)物圖像對(duì)比可以看出，飛機(jī)模型的尺寸和形狀得到了精確重建，并且能夠在成像效果圖中清晰地觀察到飛機(jī)的各個(gè)關(guān)鍵部位。

圖3 電子科技大學(xué)研制的雷達(dá)成像效果圖

另外，隱身設(shè)計(jì)主要針對(duì)常規(guī)的微波頻段雷達(dá)，傳統(tǒng)的“隱身材料”無法對(duì)太赫茲波進(jìn)行有效吸收，這使得太赫茲波在“隱身”探測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。此外，由于太赫茲頻段的電磁波在大氣層衰減較大，目標(biāo)回波信號(hào)幾乎不受地雜波的影響。在軍事行動(dòng)中，太赫茲合成孔徑雷達(dá)技術(shù)可以提供制定進(jìn)攻和防御策略所需要的關(guān)鍵信息，為國防安全與反恐行動(dòng)提供有效的信息支撐。

近幾年，多個(gè)國家的高校和實(shí)驗(yàn)室均在太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的研究和研制工作中取得了不錯(cuò)的成果。德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達(dá)技術(shù)研究所研制了頻率為220GHz 的COBRA 220 系統(tǒng)和頻率為300GHz 的MIRANDA 300 系統(tǒng)。美國的圣安德魯斯大學(xué)在所屬歐洲第七框架計(jì)劃的工作中研制了頻率為340GHz 的太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)。美國的國防部高級(jí)研究計(jì)劃局更是提出了由太赫茲合成孔徑雷達(dá)項(xiàng)目作為前沿戰(zhàn)略的顛覆性技術(shù)研究計(jì)劃。而我國在此領(lǐng)域的研究也不斷精進(jìn)，由中國航天科工二院23 所負(fù)責(zé)牽頭成功研制出我國第一部太赫茲視頻合成孔徑雷達(dá)，于2018 年12 月在陜西試飛成功，首次獲取太赫茲視頻合成孔徑雷達(dá)影像成果，并于后續(xù)開展雷達(dá)各種應(yīng)用性能的示范試驗(yàn)。

值得一提的是雖然航空和無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展為星載雷達(dá)和機(jī)載雷達(dá)提供了充足的獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的平臺(tái)，但SAR 成像系統(tǒng)需要信號(hào)采集、處理平臺(tái)以及成像算法相互配合。太赫茲實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)對(duì)高分辨等優(yōu)良性能的追求會(huì)無法避免地讓計(jì)算量大幅度增加，這就意味著成像算法要配合前端設(shè)備不斷優(yōu)化，因此，目前機(jī)載與星載的太赫茲雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)化格式還未被建立，在軍事領(lǐng)域投入使用的太赫茲SAR 成像系統(tǒng)也鮮有報(bào)道，多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研制和測(cè)試階段。

（二）太赫茲遙感輻射成像技術(shù)應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)與災(zāi)害預(yù)警

氣象災(zāi)害在每個(gè)季節(jié)都以不同的形式對(duì)城市安全造成嚴(yán)重危害，比如冬季冰雪災(zāi)害導(dǎo)致電網(wǎng)、公路結(jié)冰以及樹木倒塌，夏季暴雨災(zāi)害導(dǎo)致洪水、山體滑坡，以及因人類活動(dòng)而頻繁出現(xiàn)的大氣污染。隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外已經(jīng)將基于太赫茲波的遙感輻射成像技術(shù)廣泛應(yīng)用于氣象監(jiān)測(cè)工作之中。

遙感輻射成像技術(shù)主要依靠輻射計(jì)接收被探測(cè)空間的輻射能量，進(jìn)行物體的成像。在太赫茲波段，大氣成分中不同微量分子的特征吸收線是不同的，探測(cè)成分的濃度，反演出微量氣體垂直廓線。利用這種特性，輻射成像技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)微量氣體成分及濃度的探測(cè)，監(jiān)測(cè)大氣中的污染物是否達(dá)到對(duì)人體造成危害的水平；實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣溫度的測(cè)量，描繪水汽廓線，觀察冰粒子的大小形狀以及云層狀態(tài)，預(yù)測(cè)降水量，對(duì)大氣和氣象實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。與可見光和紅外成像系統(tǒng)相比，太赫波探測(cè)由于太赫茲波穿透力強(qiáng)的特性，受到大氣衰減的影響較小，不受煙塵、沙暴和云霧雨雪等物質(zhì)的干擾，可在能見度較低的情況實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候的監(jiān)測(cè)，對(duì)氣象災(zāi)害預(yù)警提供信息支持。相似于光學(xué)圖像的成像形式使太赫茲波輻射成像技術(shù)能實(shí)現(xiàn)物體的高清辨識(shí)，在氣象監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。

太赫茲輻射計(jì)探測(cè)主要分為機(jī)載和星載兩種形式，機(jī)載太赫茲探測(cè)是將極化掃描輻射計(jì)掛載于各種飛行器之上，獲取氣象變化發(fā)出的極化微波信息。NASA/戈達(dá)德航天飛行中心研制的圓錐掃描亞毫米波成像輻射計(jì)搭載NASA-ER2 飛機(jī)驗(yàn)證了太赫茲波對(duì)冰云粒子更為敏感，并將目標(biāo)定位于水汽廓線和降雪率的探測(cè)。

相比于仍處于研制和驗(yàn)證階段的機(jī)載形式，星載形式的太赫茲輻射計(jì)探測(cè)早已投入使用。1974 年，蘇聯(lián)向太空發(fā)射了第一個(gè)可用于太赫茲波的測(cè)輻射熱計(jì)系統(tǒng)，其工作頻段為300GHz～5THz。1978 年蘇聯(lián)發(fā)射的載有高分辨4 通道微波輻射計(jì)單元的Tiros-N 衛(wèi)星標(biāo)志著星載平臺(tái)性能進(jìn)入穩(wěn)定期，星載輻射計(jì)隨著地面的數(shù)據(jù)接收與處理系統(tǒng)的形成也進(jìn)入了商業(yè)應(yīng)用階段。近年，國內(nèi)外載荷太赫茲輻射計(jì)的氣象衛(wèi)星一直處于高速發(fā)展的階段，我國在此領(lǐng)域的整體性能更是達(dá)到國際先進(jìn)水平。2008 年到2013 年間中國成功發(fā)射的3 顆系列氣象衛(wèi)星“風(fēng)云三號(hào)”載荷的探測(cè)計(jì)覆蓋了10.65～183GHz 的多個(gè)頻段，用于對(duì)大氣溫度、濕度、降水量和海平面溫度和風(fēng)速等氣象的監(jiān)測(cè)。2016 年12 月11 日，成功發(fā)射的“風(fēng)云四號(hào)”衛(wèi)星（01 實(shí)驗(yàn)星）（圖4）搭載了多通道掃描成像輻射計(jì)等4 種先進(jìn)有效載荷，可對(duì)我國及周邊地區(qū)的大氣、云層和空間環(huán)境進(jìn)行高時(shí)間分辨率、高空間分辨率的觀測(cè)，更加精確地提供暴雨、臺(tái)風(fēng)等天氣災(zāi)害的分析和預(yù)警等服務(wù)。

圖4 風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星

基于太赫茲波的時(shí)域光譜技術(shù)與危險(xiǎn)化學(xué)品探測(cè)

近年來，危險(xiǎn)化學(xué)品的泄漏、爆炸等安全事故也頻繁發(fā)生，其儲(chǔ)存和使用環(huán)節(jié)的行為不規(guī)范和操作不當(dāng)造成了損失慘重的人為災(zāi)害。如2015 年8 月12 日天津瑞海物流公司危險(xiǎn)化學(xué)品倉庫爆炸、2021 年7 月5 日泰國北欖府的明迪化工有限公司工廠爆炸（圖5），事故后果嚴(yán)重，不僅影響著國家的生產(chǎn)安全，也給人民的生命財(cái)產(chǎn)安全造成了重大損失，同時(shí)也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境和生態(tài)危害。

圖5 危險(xiǎn)品爆炸事故

危險(xiǎn)化學(xué)品事故大多數(shù)源于物品的泄漏或者釋放，在其濃度積累到一定量值時(shí)更有可能將泄漏事故觸發(fā)成燃爆事故。在泄漏事故中，很多危險(xiǎn)化學(xué)品的物理特性并不明顯，甚至可能是無色無味的，在其濃度較低的情況下人類的感官不易察覺，而爆炸事故的現(xiàn)場(chǎng)往往伴隨著火災(zāi)和濃煙，人的視覺和嗅覺會(huì)受到強(qiáng)烈干擾。而太赫茲波處于微波和紅外之間的頻段，波長比紅外線或者可見光要長，可以穿透很多常見的電介質(zhì)材料，在火場(chǎng)中不會(huì)被灰塵或者其他類似介質(zhì)散射衰減。在眾多物質(zhì)監(jiān)測(cè)與鑒別技術(shù)中，太赫茲時(shí)域光譜在危險(xiǎn)化學(xué)品的監(jiān)測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。太赫茲波容易與各種氣體分子發(fā)生共振，這些振動(dòng)模式在太赫茲光譜上有所反映，每種有毒氣體都具有獨(dú)特的特征吸收線，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，環(huán)境中成分的微小變化可以通過各種參數(shù)直觀地反映給監(jiān)測(cè)人員。在較為封閉式的建筑中發(fā)生事故時(shí)，救援人員可以利用時(shí)域光譜技術(shù)在不進(jìn)入、不接觸的安全距離處判斷建筑物內(nèi)的泄漏情況。因此，利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)化學(xué)品進(jìn)行監(jiān)測(cè)與識(shí)別，可以在泄漏未誘發(fā)事故時(shí)為預(yù)警應(yīng)急機(jī)制提供依據(jù)，在事故發(fā)生時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)危化品的留存情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為救援人員提供安全與否的判斷依據(jù)，減少救援行動(dòng)中的傷亡，這對(duì)于預(yù)防和減少此類人為災(zāi)害具有重要意義。

2016 年，北京化工大學(xué)利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)對(duì)甲烷、乙烷、丙烷和異丁烷四種氣態(tài)烷烴類以及多聚甲醛和四聚乙醛兩種醛類進(jìn)行了光譜測(cè)量，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)以上危化品進(jìn)行了有效的定性分析。2019 年，北京化工大學(xué)對(duì)無色透明的四氯化硅進(jìn)行了大型現(xiàn)場(chǎng)泄漏實(shí)驗(yàn)，成功監(jiān)測(cè)到泄漏的四氯化硅在大氣中的擴(kuò)散和轉(zhuǎn)化規(guī)律。對(duì)于液態(tài)和氣態(tài)更為普遍的易燃類?；泛陀卸疚；返奶綔y(cè)實(shí)驗(yàn)在不斷擴(kuò)展和深入。危化品的種類繁多，不斷補(bǔ)充?；返奶掌潟r(shí)域光譜數(shù)據(jù)仍是未來研究中的重點(diǎn)領(lǐng)域。

發(fā)展展望

太赫茲技術(shù)研究是當(dāng)前科學(xué)領(lǐng)域的前沿課題之一，其中太赫茲成像技術(shù)和太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)發(fā)揮了巨大潛力，在自然災(zāi)害和人為災(zāi)害的預(yù)警、排查和災(zāi)后重建等工作中發(fā)揮著不可替代的作用。當(dāng)前國內(nèi)與歐美發(fā)達(dá)國家在高靈敏度探測(cè)器和高穩(wěn)定度太赫茲源的研究水平上仍存在一定的技術(shù)差距，近年來經(jīng)過不斷的探索與改進(jìn)，國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的科研人員已經(jīng)取得了顯著的研究成果。今后，太赫茲技術(shù)有望更高效地應(yīng)用于防災(zāi)減災(zāi)工作，使我們?cè)跒?zāi)害未形成時(shí)防患于未然，在災(zāi)害到來時(shí)及時(shí)行動(dòng)，在災(zāi)后重建時(shí)有條不紊。