前沿颠覆性技术之太赫兹技术

发布时间 :2016-12-05 浏览次数 : 648


 太赫兹波通常是指频率从0.1~10太赫兹(1太赫兹=1012赫兹)、相应的波长从3毫米到30微米范围内、介于毫米波与红外光之间、频谱范围相当宽的电磁波。

 太赫兹波在电磁波谱中占有特殊的位置,处于电子学向光子学的过渡区域,具有微波和红外辐射所不具有的特殊属性,如光子能量低、脉冲宽度窄、穿透性强、频带宽、抗干扰能力强等,受到美、日、英等军事强国的高度重视。经过20多年的发展,大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术的研究取得了关键性的突破,目前太赫兹技术已开始应用于环境检测、生物医学以及天文物理学等领域,展现出很大的优势。太赫兹技术在军事领域也具有广阔的应用前景,一旦实际应用于军事通信、战场侦察、精确制导、反隐身、电子战等军事领域,将会给当前军事领域带来深远影响。谁先掌握太赫兹这一重要频段的相关技术,谁就有可能在军事上领先一个时代。

 一、发展现状

 大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术取得关键突破。现阶段比较主流的太赫兹波的产生方式包括自由电子激光器、工作于太赫兹频段的气体激光器、真空电子学太赫兹源、超快激光泵浦光电导太赫兹源、太赫兹量子级联激光器以及光子学太赫兹辐射源和其它半导体电子源等。对于太赫兹波的探测,目前主要采用傅里叶变换光谱探测法、时域光谱太赫兹探测法、外差式探测法和太赫兹半导体量子阱探测器直接探测法等。

 目前,欧洲、美国、俄罗斯、日本、韩国等主要军事强国都在从事太赫兹技术的相关研究。太赫兹技术发展势头迅猛,多个国家在太赫兹技术的基础研究和应用研究方面都取得了突破性进展。

 2012年,德国达姆施塔特工业大学的科学家成功研发出可在常温下使用的微型太赫兹发射器,并创造了1.111太赫兹的电子发射器频率纪录。其核心部件共振隧道二极管(RTD)的面积不足1平方毫米,极大减小了装置整体的体积;2015年,由英国格拉斯哥大学领导的“超宽带太赫兹收发器普适无线通信”(iBROW)项目被列入欧盟“2020地平线计划”支持项目。

 美国是太赫兹技术研究的先行者之一。DARPA早在2009年就启动了“太赫兹电子器件”项目的研究,其目标是开发结构紧凑且中心频率超过1太赫兹的关键设备和集成电路技术。2010年,诺?格公司率先成功开发出工作频率在0.67太赫兹的单片集成电路,并在2012年研制出工作频率达0.85太赫兹的固态放大器集成电路,2014年,工作频率进一步提高到1.012太赫兹,达到了既定研究目标。工作频率达1太赫兹的放大器集成电路可望为太赫兹频谱开启更多的研究新领域与创新应用,如为更加隐蔽的小孔径通信、高分辨率成像、提高爆炸物探测能力提供保障等。随着太赫兹器件的加入,集成电路的运行速度将获空前提高,特别是在军事通信和雷达等重要应用方面,雷达变得更加敏感,传感器分辨率显著提高。

 二、发展趋势

 太赫兹技术发展将更多地依赖于多学科交叉融合。通过与一些新兴前沿学科领域相结合,如太赫兹与生物医学、微纳米科技、材料科学、光学等学科的紧密结合,不仅给太赫兹技术研究提供新的手段,也为其带来了更加广泛的应用前景。

 太赫兹成像技术将朝实时性、高分辨率、远距离和便携式等方向发展。采用的技术手段主要包括:扫描方式优化技术、合成孔径技术和阵列接收技术等。在新型太赫兹成像技术方面,基于太赫兹量子级联激光器的成像技术是未来太赫兹成像领域重要的发展方向之一。

 发展高功率的太赫兹源、强化太赫兹波的探测能力是未来太赫兹通信技术的主要发展方向。从目前的研究看,通信系统还需要解决输出功率低的问题,因此提高太赫兹源的功率是未来发展的主要目标之一,解决途径主要集中在具有较好频率响应特性的中红外波段量子级联激光器和量子阱探测器件上。

 三、应用前景

 由于太赫兹波展现出的优越特性,目前主要军事强国竞相开发太赫兹技术,抢夺太赫兹领域的制高点,可以预测在不远的将来,太赫兹技术将会广泛应用于众多军事领域。

 军事通信领域,太赫兹频段带宽宽、传输速率高,可极大拓宽无线电通信网络带宽,实现大容量高速通信。美国目前正在以太赫兹技术为基础,开发数据传输速率为25Gbps~250Gbps的卫星交链通信系统。由于太赫兹波的频率远高于当前卫星通信普遍采用的微波频率,其波束可以更窄,而且其近0.1太赫兹的超大带宽也是目前的厘米波、毫米波段所不能及的,太赫兹波将能提供成千上万个高容量、抗干扰通信信道,足以满足大数据速率的通信要求。

 态势感知领域,太赫兹雷达能够获取比微波雷达更清晰的目标外形特征,从而提高目标图像的分辨率。由于采用合成孔径技术的太赫兹雷达所使用的太赫兹波长要远远小于目前传统相同孔径雷达系统使用的电磁波波长,因此太赫兹合成孔径雷达具有更高的分辨率和信噪比。此外,太赫兹合成孔径雷达还具有优良的穿透沙尘烟雾的能力,可以实现全天时、全天候不间断工作。鉴于太赫兹合成孔径雷达可大大提高战场态势感知能力,在军事侦察、军事测绘以及空间态势感知等领域中有着广阔的应用前景。

 监视探测领域,太赫兹技术可应用于导弹预警。导弹尾焰分子在太赫兹频段上可吸收能量并在光谱上特定频率范围内形成吸收线,通过光谱分析可对导弹尾焰进行识别,实现对战略或战术导弹的密切跟踪监视,精确确定导弹发动机的关机时间,进行导弹防御。

 太赫兹技术在安全检查、反隐身等领域也有重要应用前景。在安全检查方面,太赫兹波可以穿透墙体对房屋迅速扫描,又由于其波长比电磁波更短,可以形成对房屋内所有物体的精细三维图像,用于城市及反恐作战。在反隐身方面,对于通过外形设计而实现隐身的目标而言,当采用超宽带太赫兹技术的雷达照射该目标时,可以接收从隐身飞机散射中心返回的一系列回波,这些回波携带了一系列关于目标不同角度的信息,通过对这一系列回波实施逆向合成孔径处理之后,就能得到目标真实图像,从而实现反隐身。此外,利用材料实现隐身的目标在面对太赫兹雷达时同样也会失效。



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