太赫茲技術(shù)在軍事應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展與潛力

張博淮 郭凱

摘 要： 太赫茲技術(shù)作為一種先進(jìn)的前沿技術(shù)，對(duì)于軍事發(fā)展來(lái)說(shuō)是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。本文論述了太赫茲技術(shù)、太赫茲的產(chǎn)生和探測(cè)以及太赫茲波的物理特性，總結(jié)分析了目前主流的太赫茲技術(shù)在軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，對(duì)航天飛機(jī)特種部件的無(wú)損檢測(cè)、飛行器“黑障區(qū)”通訊、反導(dǎo)反隱身太赫茲雷達(dá)、太赫茲軍事預(yù)警偵察、短距離地面戰(zhàn)場(chǎng)保密通信和“6G”通信電子戰(zhàn)等方面的軍事應(yīng)用展開(kāi)了論述，為軍事科學(xué)前沿研究人員快速掌握太赫茲軍事應(yīng)用的相關(guān)進(jìn)展提供全景參考，提出太赫茲技術(shù)在軍事應(yīng)用方面具有巨大潛力。雖然距離穩(wěn)定可靠的大規(guī)模使用還有一段距離，但應(yīng)緊跟太赫茲科學(xué)技術(shù)的前沿，積極應(yīng)對(duì)太赫茲技術(shù)給軍事帶來(lái)的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：太赫茲技術(shù)；軍事通信；無(wú)損檢測(cè)；反導(dǎo)反隱身雷達(dá)；電子戰(zhàn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TJ760；E96

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-5048（2022）05-0028-07

DOI：10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0071

0 引? 言

太赫茲（Terahertz，THz）技術(shù)作為科學(xué)研究的前沿技術(shù)之一，在生物學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)、天文學(xué)等基礎(chǔ)學(xué)科展現(xiàn)了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ?-2］。隨著各國(guó)對(duì)太赫茲技術(shù)的研究，越來(lái)越多的THz應(yīng)用被開(kāi)發(fā)，THz技術(shù)也逐漸在軍事應(yīng)用領(lǐng)域呈現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ訲Hz技術(shù)為基礎(chǔ)的軍事科學(xué)前沿和研究熱點(diǎn)逐漸出現(xiàn)在大眾視野中。

本文通過(guò)大量THz技術(shù)及其軍事應(yīng)用的相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合科學(xué)前沿和研究熱點(diǎn)，對(duì)THz源和THz探測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及THz輻射的物理特性進(jìn)行了論述，歸納整理了目前主流的THz技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用，為軍事科學(xué)前沿研究人員快速掌握THz軍事應(yīng)用的相關(guān)進(jìn)展提供全景參考。

1 背? 景

1.1 THz技術(shù)

THz波指頻率在0.1～10 THz、波長(zhǎng)在0.03～3 mm之間的電磁波，其介于微波和紅外之間。THz技術(shù)被稱為21世紀(jì)最重要的新興學(xué)科技術(shù)，也被譽(yù)為“改變世界的十大技術(shù)”之一，電磁波譜如圖1所示。

自19世紀(jì)后，THz技術(shù)受到產(chǎn)業(yè)界重點(diǎn)關(guān)注，各國(guó)持續(xù)部署了相關(guān)戰(zhàn)略項(xiàng)目，如美國(guó)NSF、DoD、NASA、DAPRA，歐盟，英國(guó)EPSRC、太空署，法國(guó)國(guó)家研究總署（ANR），德國(guó)研究聯(lián)合會(huì)（DFG），日本振興機(jī)構(gòu)（JST）和學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）等機(jī)構(gòu)部署了多個(gè)THz項(xiàng)目，致力于開(kāi)發(fā)THz核心器件。

THz技術(shù)近年來(lái)廣泛應(yīng)用于國(guó)防、 通信、醫(yī)療等多個(gè)領(lǐng)域，其特殊的頻率也賦予其不同于其他電磁波的物理特性，能夠適用于不同的應(yīng)用領(lǐng)域，如寬頻性、強(qiáng)抗干擾性等性質(zhì)使其在軍事領(lǐng)域有較大的發(fā)展?jié)摿?。隨著THz技術(shù)的逐漸成熟，以THz波為基礎(chǔ)技術(shù)逐漸在航天飛機(jī)特種部件的無(wú)損檢測(cè)、“黑障區(qū)”通訊、反導(dǎo)反隱身、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、保密通信和電子戰(zhàn)等軍用領(lǐng)域展開(kāi)應(yīng)用。

1.2 THz波的源和探測(cè)器

THz波段處于微波波段和紅外波段之間，與其相鄰的微波和紅外波技術(shù)應(yīng)用相比，穩(wěn)定性和可靠性還不夠成熟，然而要實(shí)現(xiàn)THz技術(shù)的廣泛應(yīng)用，首先要解決源和探測(cè)的問(wèn)題。當(dāng)前產(chǎn)生THz波的方法主要有電子學(xué)和光學(xué)兩類(lèi)：電子學(xué)方法主要有反波管技術(shù)、耿氏二極管振蕩器技術(shù)［3］等；光學(xué)方法主要有光電導(dǎo)天線技術(shù)［4］、光整流技術(shù)［5］、 THz空氣等離子體技術(shù)［6］等。THz探測(cè)技術(shù)主要分為主動(dòng)型和被動(dòng)性兩種：對(duì)于主動(dòng)型探測(cè)技術(shù)往往是THz波產(chǎn)生原理的逆過(guò)程， 如光電導(dǎo)天線、 電光晶體和空氣等離子等；對(duì)于被動(dòng)型THz探測(cè)技術(shù)，主要有輻射熱計(jì)探測(cè)器技術(shù)、熱釋電探測(cè)器技術(shù)、高萊探測(cè)器（Golay）技術(shù)等基于熱敏反應(yīng)的探測(cè)技術(shù)［3］。

1.2.1 光電導(dǎo)天線的產(chǎn)生和探測(cè)

光電導(dǎo)天線是目前最常見(jiàn)、最商業(yè)化的脈沖式THz波發(fā)射器和探測(cè)器，原理是利用超快飛秒激光打到半導(dǎo)體表面激發(fā)載流子，在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生THz輻射，光電導(dǎo)天線的探測(cè)原理為產(chǎn)生原理的逆過(guò)程。光電導(dǎo)天線的組成方式為在周期生長(zhǎng)的砷化鎵半導(dǎo)體上鍍電極，因此利用這類(lèi)方式產(chǎn)生和探測(cè)的THz信號(hào)質(zhì)量主要取決于半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)工藝。這類(lèi)源和探測(cè)器得到的THz信號(hào)不僅包含光強(qiáng)信息，還包含了相位信息，并且具有非常窄的脈寬，適用于如物質(zhì)成分分析等需要精細(xì)光譜分辨率的測(cè)量應(yīng)用。

1.2.2 光整流和電光取樣探測(cè)技術(shù)

光致直流電場(chǎng)也被稱為光整流，其原理是光場(chǎng)與具有非線性性質(zhì)的介質(zhì)（一般為非線性晶體）相互作用時(shí)，相同頻率的光子差頻得到直流電場(chǎng)，電光檢測(cè)可以看作光整流的逆過(guò)程，THz波的電場(chǎng)使晶體具有雙折射的性質(zhì)，會(huì)改變偏振態(tài)，電光檢測(cè)技術(shù)就是利用THz脈沖的偏振態(tài)變化描述THz輻射源的時(shí)間波形。這類(lèi)技術(shù)的產(chǎn)生原理是利用飛秒激光激發(fā)晶體產(chǎn)生太赫茲輻射，由于晶體本身對(duì)太赫茲輻射的特征吸收，太赫茲輻射的產(chǎn)生和探測(cè)方式在有效閾值內(nèi)會(huì)存在一定缺失。

1.2.3 空氣等離子體產(chǎn)生和探測(cè)

2000年，Cook等［7］首次發(fā)現(xiàn)利用雙色激光可以誘導(dǎo)空氣等離子體產(chǎn)生更寬頻的THz輻射，目前已有多個(gè)研究小組對(duì)這類(lèi)THz的產(chǎn)生和探測(cè)方式進(jìn)行了研究，但對(duì)于這一現(xiàn)象的物理機(jī)制解釋仍然不明確。常見(jiàn)的理論模型主要有非線性四波混頻理論和微觀離化電流模型。對(duì)于寬帶空氣等離子體產(chǎn)生THz輻射，有利用探測(cè)THz場(chǎng)致激光二次諧波的方法，特別是將該方法發(fā)展為帶有偏置調(diào)制場(chǎng)的空氣相干檢測(cè)技術(shù)后，得到了更廣泛的應(yīng)用［8］，這類(lèi)方法具有超寬頻帶、無(wú)損傷閾值等特點(diǎn)。也有部分研究小組在空氣靶產(chǎn)生THz輻射的基礎(chǔ)上，陸續(xù)開(kāi)展了對(duì)液體靶和固體靶的研究，有望實(shí)現(xiàn)更寬頻、更高能的THz輻射源。

1.2.4 其他THz波發(fā)射源

反波管THz源是一種基于電子學(xué)的THz波產(chǎn)生方式，由微波技術(shù)發(fā)展而來(lái)。在反波管陰極端的電子槍發(fā)射電子束后，電子經(jīng)過(guò)高壓電場(chǎng)加速到反波管的陽(yáng)極端，再經(jīng)過(guò)腔內(nèi)的電極組做周期性減速運(yùn)動(dòng)，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電磁能量產(chǎn)生THz輻射釋放，這一物理過(guò)程是反波管產(chǎn)生THz輻射的原理。

耿氏二極管振蕩器是一種電子學(xué)的THz產(chǎn)生方式，其原理是基于一種負(fù)電阻振蕩效應(yīng)產(chǎn)生THz輻射。耿式二極管振蕩器產(chǎn)生的電磁波譜的頻率較低，主要集中在微波波段，一般為0.1 THz以下的電磁波。若需要產(chǎn)生0.1 THz以上高頻THz輻射，需要借助如肖特基電子元件進(jìn)行倍頻，將產(chǎn)生的低頻THz輻射經(jīng)倍頻器進(jìn)行放大。

除此之外，還有基于氣體激光器、半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器、同步輻射和自由電子激光器的THz波產(chǎn)生方式。但這一類(lèi)基于激光器的THz源目前尚未成熟，還存在著能量轉(zhuǎn)化效率低、苛刻的低溫環(huán)境工作條件，以及成本高昂等條件限制。

1.2.5 其他THz波探測(cè)器

被動(dòng)式的THz探測(cè)器主要有輻射熱計(jì)探測(cè)器、熱釋電探測(cè)器、高萊探測(cè)器（Golay）等，這一類(lèi)探測(cè)器不需要配合對(duì)應(yīng)的THz源來(lái)工作，是非相干的探測(cè)技術(shù)。以上3種THz探測(cè)器都是利用量熱的原理，通過(guò)探測(cè)到物體的熱輻射的變化來(lái)探測(cè)THz輻射。這類(lèi)探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是使用簡(jiǎn)單、探測(cè)頻段寬，但存在探測(cè)靈敏度低、背景噪聲大和響應(yīng)時(shí)間慢等缺點(diǎn)。

除了基于探熱原理的探測(cè)器外，還有一種混頻器和差頻檢測(cè)的方式。常見(jiàn)的混頻器有肖特基二極管混頻器、超導(dǎo)體-絕緣體-超導(dǎo)體混頻器、熱電子輻射計(jì)混頻器等。其主要工作方式是與振蕩器相結(jié)合進(jìn)行差頻測(cè)量，缺點(diǎn)是成本高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并很難做成陣列式的THz探測(cè)器，導(dǎo)致檢測(cè)速率難以提高。

近些年來(lái)，隨著超快激光技術(shù)和半導(dǎo)體器件的迅猛發(fā)展，研究人員逐漸突破了THz波的產(chǎn)生和探測(cè)等關(guān)鍵技術(shù)，為T(mén)Hz技術(shù)奠定了發(fā)展基礎(chǔ)。但不同原理的THz波產(chǎn)生和探測(cè)方式依然存在類(lèi)型的限制，技術(shù)水平還存在著相當(dāng)大的優(yōu)化空間。

1.3 THz波的物理特性

THz技術(shù)之所以在眾多科學(xué)領(lǐng)域內(nèi)有了越來(lái)越廣闊的應(yīng)用前景，除了激光技術(shù)與新材料的迅速發(fā)展使得THz源和THz探測(cè)器得到了廣泛應(yīng)用外，還因?yàn)樵摬ǘ尉邆湓S多其他電磁輻射不存在的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，作為唯一未被充分開(kāi)發(fā)的頻段，THz電磁波具備相干性、低能性、“指紋譜”、寬帶性等特點(diǎn)［9］。

（1） 相干性：THz輻射具有高度的時(shí)間和空間一致性，能夠直接得到被測(cè)物品的相位信息，可以在不使用Kramers-Kronig變換的情況下，通過(guò)快速傅里葉變換（FFT）直接得到THz電場(chǎng)的幅度和相位，減小物質(zhì)分析時(shí)的計(jì)算復(fù)雜度，同時(shí)也可以在一定程度上避免由于算法問(wèn)題帶來(lái)測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確性。

（2） 低能性：THz波的光子能量低，不會(huì)對(duì)目標(biāo)造成電離傷害。因此，可以將THz應(yīng)用于活檢和非破壞性檢測(cè)，如研究生物分子的特性、特殊功能材料的檢測(cè)等。

（3） 高透視性：一些非極性物質(zhì)和介電材料在THz頻段內(nèi)具有很高的響應(yīng)，THz輻射對(duì)于一些非極性材料具有良好的穿透性，可以利用THz技術(shù)進(jìn)行成像。THz波比可見(jiàn)光的波長(zhǎng)要長(zhǎng)，可以不受包括煙霧、浮塵在內(nèi)的大顆粒物質(zhì)阻攔，實(shí)現(xiàn)有效傳播，因而在沙塵暴、戰(zhàn)場(chǎng)等惡劣環(huán)境下可以實(shí)現(xiàn)一般的光學(xué)成像技術(shù)所達(dá)不到的效果。

（4） 指紋性：大多數(shù)如爆炸物、毒品等分子的特征吸收峰落在THz頻段范圍內(nèi)，這些分子的特征吸收峰具有和指紋相同的獨(dú)特性，可用于物質(zhì)識(shí)別，因此THz物質(zhì)吸收光譜也被稱為T(mén)Hz指紋圖譜。除此之外，大部分的星際分子物質(zhì)的特征譜線也落在THz范圍內(nèi)，因而可以利用THz技術(shù)對(duì)空間宇宙和射線天文等領(lǐng)域進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)物質(zhì)的THz光譜的研究，有助于理解其物理性質(zhì)和成分結(jié)構(gòu)，同時(shí)也可利用光譜信息進(jìn)行成像。

（5） THz波與相鄰的微波相比，帶寬更寬，因此傳輸速度可比當(dāng)前超寬帶技術(shù)速度更快；THz波的波束窄、方向性好，有更好的保密性及抗干擾能力，更適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)上較為復(fù)雜的電磁環(huán)境；相對(duì)于微波雷達(dá)等成像技術(shù)，THz波的頻率更高、波長(zhǎng)更短、成像空間分辨率也更高。

（6） THz波對(duì)水分子的吸收靈敏度很高，因此可以通過(guò)分析目標(biāo)樣品對(duì)THz輻射的吸收程度來(lái)分析其含水量，分析被測(cè)樣品的化學(xué)物理狀態(tài)。

基于以上特性，THz技術(shù)在特種材料的無(wú)損探測(cè)、天文遙感、雷達(dá)探測(cè)、二維三維成像和寬帶無(wú)線通信等方面有極大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用前景。

2 THz技術(shù)的軍事應(yīng)用

2.1 航天飛機(jī)特種部件的無(wú)損檢測(cè)

THz檢測(cè)技術(shù)是美國(guó)航空航天局（NASA）等國(guó)外機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵檢測(cè)技術(shù)，目前已被列為NASA四大無(wú)損檢測(cè)技術(shù)之一。2003年，“哥倫比亞號(hào)航天飛機(jī)事故”之后，NASA開(kāi)始研究使用THz技術(shù)檢測(cè)飛機(jī)燃料箱外部噴涂的泡沫絕緣材料SOFI（Sprayed-on Foam Insulation）及其質(zhì)量控制，如圖2所示。

NASA和倫斯勒理工學(xué)院的研究人員利用THz無(wú)損檢測(cè)技術(shù)成功檢測(cè)了航天飛機(jī)的噴涂泡沫絕緣材料的孔隙和脫粘缺陷［10］，如圖3所示。

美國(guó)API利用THz無(wú)損檢測(cè)技術(shù)對(duì)雷達(dá)罩進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，成功檢測(cè)到雷達(dá)罩的水侵入等缺陷，如圖4所示。

有報(bào)道稱，美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室（AFRL）采用THz檢測(cè)技術(shù)，對(duì)進(jìn)氣口涂層材料厚度進(jìn)行了無(wú)損測(cè)量，指出THz技術(shù)為飛機(jī)進(jìn)氣口質(zhì)量檢測(cè)提供了一種新的測(cè)量方式。

THz無(wú)損檢測(cè)技術(shù)作為一種新興的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)原位、無(wú)損、非接觸檢測(cè)，符合無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)；針對(duì)特種部件采用的如陶瓷材料、隱身材料、泡沫疏松材料為基礎(chǔ)的新型功能材料，THz無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)能力展現(xiàn)了其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。目前，THz無(wú)損檢測(cè)技術(shù)已在歐美國(guó)家投入使用。特別是在涂層材料體系和防熱結(jié)構(gòu)材料體系已經(jīng)能夠開(kāi)展THz技術(shù)應(yīng)用，為航天飛機(jī)特種部件提供了新的無(wú)損檢測(cè)思路。

2.2 ?“黑障區(qū)”通訊

飛行器能極大地提升近地空間防御能力，是各國(guó)搶占空中資源的戰(zhàn)略武器。因此，解決臨近空間的通信中斷問(wèn)題就顯得至關(guān)重要。為了保障飛行器的飛行安全，需要迫切解決飛行器的“黑障區(qū)”通訊問(wèn)題。

當(dāng)飛行器以近10倍音速飛行在大氣層中時(shí)，在高溫高壓的影響下，飛行器周?chē)目諝鈺?huì)持續(xù)電離，在飛行器的表面會(huì)形成包裹著的等離子鞘。該鞘體能夠阻斷常規(guī)電磁波的傳播，極大地降低了飛行器與外界地面測(cè)控站的通信效率，這種現(xiàn)象就被稱為通信“黑障”現(xiàn)象。臨近空間等離子鞘套及其造成的RAM-C再入航天器［11］中斷如圖5所示。

早在20世紀(jì)60年代，美國(guó)進(jìn)行了大規(guī)模的飛行試驗(yàn)，試驗(yàn)中采用不同外形的飛行器和注水等操作，通過(guò)測(cè)量接受信號(hào)強(qiáng)度來(lái)判斷其效果。NASA初步掌握了電磁波在等離子鞘體的傳播特性，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)屬于涉密信息，極少對(duì)外界公開(kāi)。

2015年，蔣金團(tuán)隊(duì)通過(guò)建立兩個(gè)一維非均勻等離子鞘體的模型，得到了THz波在非均勻等離子鞘體的傳輸特性曲線，發(fā)現(xiàn)在飛行器表面產(chǎn)生的等離子體的電子密度服從高斯分布函數(shù)和Epstein函數(shù)分布［12］。THz波在等離子鞘體中的最大衰減均小于30 dB，這一重要發(fā)現(xiàn)證實(shí)了THz波應(yīng)用于通信黑障的可行性，為后續(xù)科學(xué)家們的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，如圖6所示。

文獻(xiàn)［13］以“聯(lián)盟號(hào)”飛船的二維平面模型為例子，發(fā)現(xiàn)了飛行馬赫數(shù)增大和入射角增大的條件下，1 THz頻率以上的高頻波對(duì)臨近空間表面的等離子鞘體具有較高的穿透能力。姚建銓團(tuán)隊(duì)利用所研制的激光器產(chǎn)生的THz波段電磁波可以穿透M10等離子體，該項(xiàng)技術(shù)的突破有效提升了飛行器在黑障期的通信質(zhì)量。

由于THz波可以穿透等離子體，既能提供較高的傳輸速率，又能提供穩(wěn)定可靠的通信環(huán)境，因此THz技術(shù)是解決飛行器在黑障期通信中斷問(wèn)題的首選，THz波段可實(shí)現(xiàn)在飛行器等離子鞘體中的有效傳播，是目前最有潛力解決飛行器臨近空間通信中斷問(wèn)題的技術(shù)之一。

2.3 反導(dǎo)反隱身THz雷達(dá)

隨著軍事技術(shù)的不斷發(fā)展，導(dǎo)彈、航空炸彈、魚(yú)雷等武器逐漸發(fā)展成為具有精確制導(dǎo)功能的高新技術(shù)武器。通過(guò)控制武器的飛行方向、姿態(tài)、高度和速度，準(zhǔn)確攻擊隱形戰(zhàn)機(jī)、無(wú)人機(jī)、巡航導(dǎo)彈在內(nèi)的各類(lèi)目標(biāo)，甚至包括部分地面、海面作戰(zhàn)單元等目標(biāo)［14］。為抵御外來(lái)精確制導(dǎo)武器攻擊，發(fā)展反導(dǎo)攔截技術(shù)能大大提高軍事防御能力。精確制導(dǎo)和反導(dǎo)攔截武器是通過(guò)獲取目標(biāo)外形以鎖定目標(biāo)進(jìn)行精準(zhǔn)打擊的，因此，特別依賴于成像探測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確度。通過(guò)雷達(dá)技術(shù)可以對(duì)導(dǎo)彈彈頭進(jìn)行二維的高分辨成像，進(jìn)行識(shí)別彈頭和選擇打擊點(diǎn)。

THz雷達(dá)因其特殊的物理特性，使其具有突出優(yōu)勢(shì)。與紅外雷達(dá)和激光雷達(dá)相比，THz雷達(dá)的視野更寬，有著更強(qiáng)的穿透性，更適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)上較為復(fù)雜的電磁環(huán)境；與毫米波雷達(dá)相比，THz雷達(dá)頻率更高，具有更高的成像分辨率［15］。

隱身技術(shù)是一種非常具有代表性的隱蔽打擊手段，已經(jīng)被用于飛機(jī)、導(dǎo)彈、坦克、艦船等各種武器。各種反隱身先進(jìn)技術(shù)也廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，如美國(guó)諾斯羅普·格魯門(mén)公司研制、 配裝美國(guó)及其盟國(guó)多型軍機(jī)的AN/AAR-54紫外告警系統(tǒng)，可有效地識(shí)別隱身武器，在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下為載機(jī)提供及時(shí)有效的威脅告警［16］，如圖7所示。

目前隱身武器主要通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)隱身，一種是設(shè)計(jì)特殊的外形將雷達(dá)探測(cè)信號(hào)散射，另一種是通過(guò)在目標(biāo)表面涂覆吸波材料減弱探測(cè)到的回波能量［17］。對(duì)于通過(guò)外形設(shè)計(jì)而實(shí)現(xiàn)隱身的目標(biāo)而言，采用超寬帶THz技術(shù)，接收攜帶了隱身飛機(jī)信息的回波信號(hào)，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的逆合成處理實(shí)現(xiàn)反隱身。對(duì)于采用涂敷吸波材料的目標(biāo)來(lái)說(shuō)，目前的技術(shù)條件下隱身材料體系絕大多數(shù)是針對(duì)常用的雷達(dá)頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于THz雷達(dá)的隱身效果非常有限。由此可見(jiàn)，THz雷達(dá)具備優(yōu)越的反隱身能力。

雷達(dá)作為戰(zhàn)場(chǎng)上探測(cè)敵情的“眼睛”，是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上重要的反導(dǎo)、反隱身利器，研究新型的反導(dǎo)反隱身雷達(dá)是刻不容緩的任務(wù)。THz雷達(dá)因其頻率高、帶寬寬、穿透性強(qiáng)、受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響小等特點(diǎn)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)的微波雷達(dá)或光學(xué)成像的不足，是未來(lái)雷達(dá)成像探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。但作為新技術(shù)，受制于THz輻射源功率和穩(wěn)定的高靈敏度室溫探測(cè)器件的限制，目前的THz雷達(dá)武器在小型化、實(shí)用性等方面還存在技術(shù)瓶頸。因此，應(yīng)大力發(fā)展THz雷達(dá)新體制、新方法，解決空間目標(biāo)的精確探測(cè)、跟蹤、識(shí)別問(wèn)題，爭(zhēng)取為精確打擊和提高反導(dǎo)攔截成功概率提供有效技術(shù)手段。

2.4 THz軍事預(yù)警偵察

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息的時(shí)效性有著較高的要求，軍事信息的獲取及時(shí)與否，在一定程度上決定了勝負(fù)走向。適時(shí)地運(yùn)用軍事預(yù)警偵察系統(tǒng)能實(shí)時(shí)感知戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，迅速對(duì)戰(zhàn)術(shù)進(jìn)行調(diào)整，對(duì)取得戰(zhàn)場(chǎng)優(yōu)勢(shì)和主動(dòng)權(quán)起著決定性作用。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的環(huán)境復(fù)雜多變，為了增強(qiáng)軍隊(duì)在沙漠和雨林地區(qū)等復(fù)雜戰(zhàn)爭(zhēng)環(huán)境的作戰(zhàn)能力，以美國(guó)為首的一系列國(guó)家已展開(kāi)對(duì)THz雷達(dá)成像技術(shù)的研究。由于THz波的波長(zhǎng)小于微波的波長(zhǎng)，因此相比于傳統(tǒng)的微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)，THz雷達(dá)擁有更高的精度；而相比于激光雷達(dá)，具有更強(qiáng)的穿透性。因此，THz雷達(dá)特別適用于沙塵暴、濃煙濃霧等復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境，對(duì)復(fù)雜環(huán)境戰(zhàn)場(chǎng)下的坦克、軍用車(chē)輛、偽裝埋伏的武裝人員、隱藏的炸彈和地雷進(jìn)行軍事偵察，如圖8所示。

美國(guó)國(guó)防部和歐洲都投入大量的資金和人力資源研發(fā)用于軍事預(yù)警偵察的THz檢測(cè)裝置和成像裝置。美國(guó)成功研制了0.225 THz，0.35 THz，0.58 THz，0.67 THz，1.56 THz，2.4 THz不同頻段的高分辨率成像雷達(dá)。德國(guó)、瑞典、以色列等國(guó)家緊跟其后，均研制出了成像系統(tǒng)，如德國(guó)COBRA ISAR成像系統(tǒng)、瑞典的三維ISAR成像雷達(dá)、以色列的0.33 THz掃描成像系統(tǒng)［18］。其中，美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)研發(fā)的1.56 THz成像系統(tǒng)對(duì)一些軍用車(chē)輛和坦克縮比模型的成像已經(jīng)達(dá)到驚人的3.5 cm高分辨率［19-20］。目前，各國(guó)THz成像雷達(dá)技術(shù)用于軍事預(yù)警偵察領(lǐng)域的研究主要集中在低頻段（3 THz以下），并逐漸朝著高頻率的趨勢(shì)發(fā)展。高頻率意味著更高的分辨率和更好的成像效果，然而伴隨著功率的下降，導(dǎo)致探測(cè)距離縮短。因此，未來(lái)研究應(yīng)聚焦于THz源技術(shù)的提升，突破器件的頻率、功率限制，實(shí)現(xiàn)具有更高成像分辨率和更遠(yuǎn)作戰(zhàn)距離的THz成像裝置。

2.5 短距離地面戰(zhàn)場(chǎng)保密通信

軍事通信保密對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利起著至關(guān)重要的作用，保證無(wú)線通信信號(hào)穩(wěn)定、可靠、有效、安全地在信道上傳輸，是在激烈競(jìng)爭(zhēng)的戰(zhàn)場(chǎng)上取得勝利的重要保障。

在戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中，軍事通信可以有效地對(duì)部隊(duì)進(jìn)行指揮控制，保密通信技術(shù)為戰(zhàn)場(chǎng)信息的高效安全可靠傳遞提供了基礎(chǔ)。由于THz波具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且波束較窄，有著較強(qiáng)的指向性和高穿透性，具有抗竊聽(tīng)、抗干擾和抗探測(cè)的特點(diǎn)，可以應(yīng)用于在短距離戰(zhàn)場(chǎng)上的保密通信。以THz為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)保密通信技術(shù)不僅滿足了較高的帶寬需求和較為理想的傳輸速率，還保證了傳輸信號(hào)的安全性，極大概率降低了保密信號(hào)被截獲的可能［21］。

然而，THz通信也有其局限性，由于THz波強(qiáng)烈的吸水性，無(wú)法適用于水上作戰(zhàn)；且THz在大氣中的傳輸衰減很強(qiáng)，在沒(méi)有特殊波導(dǎo)的條件下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的傳輸。因此，其只適用于平原、沙漠等具有一定作戰(zhàn)范圍的短距離地面戰(zhàn)場(chǎng)的通信戰(zhàn)爭(zhēng)。但THz波段的抗竊聽(tīng)、抗干擾和抗探測(cè)等特點(diǎn)展現(xiàn)了其在軍事通信領(lǐng)域的價(jià)值。因此，未來(lái)可發(fā)展相應(yīng)的技術(shù)來(lái)突破目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯?wèn)題，如發(fā)展低損耗的THz波導(dǎo)介質(zhì)、高功率的THz源、高靈敏度的THz探測(cè)器等新技術(shù)，從物理層面保證其有效傳輸或從微小算法解調(diào)等角度出發(fā)，從數(shù)學(xué)層面配合解決THz通信的局限性。

2.6 “6G”通信電子戰(zhàn)

軍事技術(shù)變革拓展了信息空間，現(xiàn)代通信技術(shù)在軍事通信當(dāng)中的運(yùn)用提高了軍事作戰(zhàn)的反應(yīng)速度，在當(dāng)今競(jìng)爭(zhēng)激烈的信息化戰(zhàn)場(chǎng)上，時(shí)效性、敏銳性和靈活性顯得尤為重要。在未來(lái)，信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)信息傳輸?shù)囊髸?huì)越來(lái)越高，如更大的帶寬、更高的速率、更穩(wěn)定的傳輸以及更加多樣化的傳輸方式，具有可適應(yīng)性的通信能力［22］。

THz波通信具有極高的方向性和穿透能力，并且具有頻帶寬的特點(diǎn)，可以應(yīng)用在通訊領(lǐng)域。2018年9月，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）公開(kāi)發(fā)表了對(duì)6G技術(shù)的展望，提出將6G技術(shù)應(yīng)用于THz頻段。國(guó)際通訊聯(lián)盟已經(jīng)指定0.12 THz和0.22 THz兩個(gè)頻段作為6G的使用頻段［23］，各大研究機(jī)構(gòu)和組織都開(kāi)展了THz通訊的相關(guān)工作。其中，美國(guó)的貝爾實(shí)驗(yàn)室搭建了一套以0.625 THz為載波頻率的通信體系，德國(guó)弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所搭載的一套0.22 THz的無(wú)線通信的演示系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)40 Gb/s的傳輸速率，其有效通信距離能達(dá)到1 km。日本電報(bào)電話公司（NTT）搭載了一套適用于短距離傳輸?shù)?、頻率為0.3 THz的無(wú)線通信演示系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)24 Gb/s的高比特率傳輸［24］。

THz技術(shù)作為6G的潛在頻段，獲得了各國(guó)通信系統(tǒng)內(nèi)研究人員的廣泛關(guān)注，也逐漸在軍事通信系統(tǒng)中嶄露頭角。目前，國(guó)際聯(lián)盟已指定THz波作為下一代地面無(wú)線通訊和衛(wèi)星間通信波段［23］。由于6G通信的巨大應(yīng)用需求，商業(yè)通信技術(shù)的成熟度和穩(wěn)定性將很快迎來(lái)突破，商業(yè)通信領(lǐng)域的發(fā)展同時(shí)會(huì)為軍事通信領(lǐng)域提供穩(wěn)定可靠的技術(shù)基礎(chǔ)。在未來(lái)的6G無(wú)線軍事通信技術(shù)中，有望實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)和THz頻段融合，并結(jié)合衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)、飛艇、空間站等平臺(tái)作為無(wú)線中繼設(shè)備，形成“空天地?！倍鄬哟我惑w化的通信，實(shí)現(xiàn)“空-天-陸-海”全方位融合技術(shù)［25］，為偏遠(yuǎn)地區(qū)、無(wú)人區(qū)、基站破壞等地區(qū)的通信提供便利，滿足信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)信息傳輸速率、范圍和環(huán)境等要求。

3 結(jié)? 論

THz波作為一個(gè)尚未被完全開(kāi)發(fā)的電磁頻段，以其為基礎(chǔ)的各種新型技術(shù)已經(jīng)成為各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。除了應(yīng)用于民用商用領(lǐng)域之外，THz技術(shù)也逐漸走入軍事應(yīng)用研究人員的視野。當(dāng)前軍事領(lǐng)域的基礎(chǔ)頻段主要集中在無(wú)線電波、微波、紅外、光波等頻段，THz波段較少，然而THz波的物理特性將會(huì)使其成為軍事科學(xué)技術(shù)研究和發(fā)展的新領(lǐng)域。

雖然THz技術(shù)在近二十多年取得了顯著的成果，但是由于THz技術(shù)本身的限制，研究成果大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，穩(wěn)定有效的THz器件尚未成熟。對(duì)于軍事應(yīng)用來(lái)說(shuō)，特別強(qiáng)調(diào)技術(shù)的穩(wěn)定性和可靠性，技術(shù)的先進(jìn)性并不能滿足作戰(zhàn)要求。因此，在軍事領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用THz技術(shù)還存在著很大的發(fā)展空間。隨著世界各國(guó)對(duì)THz技術(shù)的研究深入，THz技術(shù)會(huì)日益成熟穩(wěn)定，應(yīng)緊跟THz科學(xué)技術(shù)的前沿，對(duì)THz技術(shù)的物理機(jī)制、THz輻射源技術(shù)、THz探測(cè)技術(shù)進(jìn)行更深一步的研究，從物理、數(shù)學(xué)等角度實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論的新突破；同時(shí)，應(yīng)對(duì)現(xiàn)有THz技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新，保證技術(shù)穩(wěn)定性和可靠性，發(fā)展新型的THz源、探測(cè)器、調(diào)制器、波導(dǎo)等器件，從工程應(yīng)用的角度提高器件性能，為實(shí)際應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)；此外，應(yīng)從軍事應(yīng)用的角度出發(fā)，針對(duì)作戰(zhàn)距離、環(huán)境適應(yīng)性、使用壽命等需求，發(fā)展適用于作戰(zhàn)要求的THz應(yīng)用，積極應(yīng)對(duì)THz技術(shù)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展和挑戰(zhàn)。

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Development and Potential of Terahertz

Technology in Military Applications

Zhang Bohuai，Guo Kai*

（Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876，China）

Abstract：

Terahertz technology， as an advanced frontier technology， is both an opportunity and a challenge for military development. This paper discusses the terahertz technology， the generation and detection of terahertz and the physical properties of terahertz waves， summarizes and analyzes the application of the current mainstream terahertz technology in the military field. It elucidates the military applications of? non-destructive testing of special parts of space shuttle， aircraft “black barrier” communication， anti-missile and anti-stealth terahertz radar， terahertz military early warning reconnaissance，? short-range ground battlefield secure communication and “6G” communication electronic warfare.It provides a panoramic reference for researchers at the forefront of military science to quickly grasp the relevant progress of terahertz military applications， and puts forward that terahertz technology has great potential in military applications. Although there is still a long way from stable and reliable large-scale use， it should closely follow the forefront of terahertz science and technology， and actively respond to the opportunities and challenges brought by terahertz technology to the military.

Key words： terahertz technology；military communication；non-destructive test；anti-missile and anti-stealth radar；electronic warfare

收稿日期：2022-04-11

作者簡(jiǎn)介：張博淮（2001-），男，吉林永吉人。

通信作者：郭凱（1981-），男，河北邯鄲人，高級(jí)工程師。