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太赫兹波——令人瞩目的未来战争新宠

太赫兹波,泛指频率位于红外线和微波之间的电磁波,处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。

由于处于交叉过渡区,太赫兹波既不完全适用光学理论来处理,也不完全适用微波理论来研究。很长一段时间,人们对太赫兹波的认识非常有限,形成了“太赫兹空白”。

近年来,太赫兹波以其独特的性能和越来越广泛的应用受到世界各国的关注,特别是在军事领域受到推崇。

拥有独特性能

太赫兹波技术之所以引起科学界的广泛关注,是由于太赫兹波频率要高于微波,低于红外线;能量大小则在电子和光子之间,与其他频率的电磁波相比,其性能非常独特。

高穿透性。太赫兹波对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性,可对不透明物体进行透视成像,是X射线成像和超声波成像的有效补充。

低能量性。太赫兹波光子能量仅为X射线光子能量的1%左右,太赫兹波的辐射不会导致光致电离而破坏被检质,非常适用于针对人体或其他生物样品的检查。

吸水性。水对太赫兹波辐射有极强的吸收性,这使得太赫兹波不易穿透含水物体。

瞬态性。太赫兹波脉冲的典型脉宽在皮秒数量级,通过取样测量技术,能够有效抑制背景辐射噪声的干扰。

相干性。太赫兹波的相干性源于其相干产生机制,能够直接测量电场的振幅和相位,从而方便提取样品的折射率、吸收系数、消光系数、介电常数等参数。

光谱分辨特性。许多有机分子的振动和旋转频率都在太赫兹波频段,通过特有的光谱特征,可识别分子结构并分析物质成分,具有指纹般的唯一性,就像利用指纹可识别不同的人一样。因此,太赫兹波光谱成像技术不仅能分辨物体的形貌,还能识别物体的组成成分。

太赫兹波的这些独特性能,将给通信、雷达、电子对抗、电磁武器、反恐维稳等领域带来深远影响。

技术突飞猛进

随着对太赫兹波价值认知的不断深入,各国纷纷加快了对这一波段的探索。从20世纪90年代中期开始,美国国家基金会、航天局、国防部和国家卫生学会等政府部门或组织,对太赫兹波研究项目持续提供较大规模的资金支持,太赫兹波技术被评为“改变未来世界的十大技术”之一。欧洲国家除了各国自己所支持的研究项目外,还利用欧盟的资金共同组织了大型的跨国界、多学科合作研究项目。我国也专门制定了太赫兹波发展规划,加大研究力度,目前在应用领域已经有了大的突破。

近年来,太赫兹波应用范围已从基础科学逐渐向武器装备、航空航天、雷达探测、通信、反恐缉毒等方面扩展。

建立目标数据库。世界各国广泛开展各类目标在太赫兹波频段散射特性的研究,建立相关的目标特性数据库,对于研究武器装备在太赫兹波频段隐身与反隐身突防具有重要作用。

建立特性实验室。美欧等国已经建立了多个太赫兹波特性实验室,比较典型的有美国麻省罗尼尔大学所属的太赫兹波实验室,建立了多套连续太赫兹波实验装置,并对多种频率的目标特性进行了深入研究。

重点发展成像技术。利用太赫兹波成像可有效地对爆炸物、生化制剂以及枪支刀具等危险物品进行预警、识别。英国ThruVision公司曾展示了一种利用太赫兹波成像技术的新型安检系统,能在3至15米的安全距离对人群成像,并筛选出隐藏了不明物体的人员。

重视雷达领域应用。太赫兹波雷达技术的发展,无论在国防军事领域还是公共安全领域,无疑都已带来令人目的新变化。太赫兹波雷达系统以其小型轻量、高分辨率等优势,应用于航天器自身威胁告警以及弹道目标监测,将成为空间攻防体系建设的重要研究目标。未来,太赫兹波雷达将重点突破大功率、小型化器件,实现对更小目标的更精确探测、更高分辨率成像和更细致目标特征识别。

随着科学技术的不断发展,太赫兹波领域的新理论、新现象、新方法和新应用层出不穷。在可预见的未来,谁能在这一重要战略前沿领域占据制高点,谁就有可能在未来作战中掌握主动权。

军事应用广泛

太赫兹波的独特性,使其在军事领域的应用前景非常广阔,能给爆炸物探测与鉴别、远程探测与成像、战场和卫星通信、导弹末端精确制导以及反恐怖袭击安全检查等方面带来深远影响。

探测和鉴别爆炸物。太赫兹波的频率很高、波长很短,具有很高的时域频谱信噪比,且在浓烟、沙尘环境中传输损耗很低,可穿透墙体对房屋内部进行扫描,是复杂战场环境下寻敌成像的理想技术。目前,太赫兹波已能识别出50多种爆炸物,利用太赫兹波照射路面,还可远距离探测地下的雷场分布和炸弹情况。

远程探测与成像。应用太赫兹波技术设计宽带雷达,可比微波雷达具有更宽的频谱、更高的时间检测精度和分辨率。应用吸波材料设计的隐形飞机、舰船等,使得常规窄带雷达对其不能进行有效探测,但应用太赫兹波技术设计宽带雷达,由于具有丰富的频率分量,可使得隐形军事目标的吸波涂层失去作用,对现有隐身技术产生颠覆性影响。

战场和太空通信。太赫兹波集成了微波通信与光通信的优点,具有传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性好等诸多特性,可在大风、沙尘及浓烟等恶劣战场环境下,以极高的带宽进行定向、高保密军事通信。此外,太赫兹波在外层空间传输损耗比在大气中传输小很多,且能量集中、方向性强,与微波相比更利于应用在太空通信领域。

导弹末端精确制导。由于太赫兹波具有波束窄、方向性强等特点,采用太赫兹波与红外制导、电视制导、激光制导等相结合的方式,远端采用常规制导方法,接近目标后使用太赫兹波修正,既可提高制导的准确性,又可避免大气对太赫兹波的吸收,进一步提升导弹攻击的准确性。

反恐怖袭击安全检查。太赫兹波是天生的反恐安检“专家”,许多爆炸物及其相关成分和毒品在太赫兹波段都有指纹谱,再加上太赫兹波的非电离性、强穿透性,可使其在机场、车站、码头等人口密集区提供远距离、大范围的预警。现有金属探测器和X光安检设备无法识别的陶瓷刀具、塑料炸药等新型作案工具或武器,在太赫兹波下则变得“透明”。利用太赫兹波成像技术可有效地对隐藏在衣服下、包裹中的违禁品进行成像鉴别,同时还能保证对生物体危害极小。(赵林 侯俊石)

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