太赫兹技术在未来陆海空天的军事应用∗

张 剑 杨 悦

（1.海军装备部装备项目管理中心 北京 100071）（2.中国电子科技集团公司第五十四研究所 石家庄 050081）

1 引言

太赫兹技术是指应用太赫兹波的科学技术。太赫兹波的频段位于红外线与微波之间，一般将0.1THz～10THz频段为太赫兹波频段。2000年前后，太赫兹波技术在欧美的学术界引起了广泛关注。

与其他频率的电磁波相比，太赫兹波的特性更为与众不同，如高穿透性、吸水性、瞬态性、光谱特征的唯一性与相干机制等。上述特性使得太赫兹波能够快速穿透多种不含水的电材料，且由于与其他电波之间具有极强的相干特性，能够有效进行物质识别[1]。

正是由于太赫兹波的非典型特性，太赫兹技术被广泛应用于军事与民用领域。在军事领域中，太赫兹技术在空间通信、保密通信、雷达探测、电子对抗、电磁武器等方向均有广泛的应用前景。在通信领域内，太赫兹波的高频率、窄波束、强穿透力等特性，能够有效地解决带宽受限与可靠传输问题，因而，相比于微波与光波，太赫兹波更适合保密通信、空间通信等军事通信的特殊场景。

2 太赫兹技术研究现状

当前，太赫兹技术发展势头迅猛，美国、俄罗斯、日本、韩国等主要军事强国均致力于太赫兹技术的研发，在基础研究和应用研究方面都取得了较大进展。

2.1 美国

美国是太赫兹技术研究的领军国家，开展研究最早，研究领域覆盖最为全面。2004年，美国提出“改变未来世界的十大技术”，太赫兹技术就位列其中。2006年，“国防重点科学”也将太赫兹技术纳入其中。十几年来，美国的大学、研究所、公司等在各个领域进行太赫兹技术的研究，并取得了优秀的技术成果。

在太赫兹通信技术领域，2017年，布朗大学研发实现了50 Gb/s通信速率[2]，与现有的4G移动网络相比，速度提升了约100倍。这一研究成果，使得太赫兹技术成为了未来6G移动网络的关键技术。在太赫兹探测及成像技术领域，美国宇航局、美国喷气推进实验室等都取得了多项成果，大大提升了探测成像的分辨率。在太赫兹器件研究领域，美国的多家大学与实验室联合进行高峰值功率太赫兹光源与新型半导体材料的设计与研发，部分技术成果已应用于生物医学领域[1]。

2.2 日本

2005年，日本提出了“国家支柱技术十大重点战略目标”，太赫兹技术赫然在列。十五年来，在国家的大力支持下，在大学、研究所、电器公司等多家机构的共同努力下，太赫兹技术在日本的发展相当迅速，尤其是在太赫兹通信领域。

2006年，日本就已研发实现了1500m太赫兹无线通信演示系统[1]。这一通信演示系统属世界首例，该系统的问世，奠定了日本太赫兹技术在全球的领军地位。2017年，日本国家信息与通信研究所、广岛大学与松下电器联合，三家机构形成产学研的研发体系，其研制的太赫兹发射机在频率290GHz～315GHz频率下，实现了105Gb/s的单通道数据速率。据最新的消息，日本将在2020年的奥运会上使用太赫兹通信作为赛事转播的重要手段。

2.3 欧洲

欧洲各国也在太赫兹技术领域来战了多项研究，其中以英国为主要代表。

英国开展了WANTED项目与TERAVISION项目的研发，两个项目主要应用于民用领域[1]。WANTED项目，Wireless Area Networking of Terahertz Emitters and Detectors，以半导体器件为研发目标，在1THz～10THz波段中研发振动器和检波器。TERAVISION项目，Terahertz Frequency Imaging Systems for Optically Labeled Signals，以医学成像为研发目标，研制小型高功率的短脉冲激光成像设备。

瑞士的苏黎世联邦理工学院在2014年研制完成一种新型的激光器[3]。该激光器采用量子级联技术，中心波长为24.1μm，在22K的温度下中心波长为24.4 μm，输出功率的平均峰值为0.6mW。

2.4 中国

我国的太赫兹技术研究主要集中在高速无线通信领域，面向5G与6G的通信需求，研发高频的太赫兹通信系统。主要的研究频段为220GHz与340GHz。2012年，中国工程物理研究院在340GHz实验完成了3Gbps的实时通信，传输距离达50m[4]。2019年，电子科技大学联合上海航天电子技术研究所在220GHz研发太赫兹全双工通信系统，仿真实现了正交模转换器和分谐波混频器，有效验证了系统的合理性与可行性[5]。

3 太赫兹在军事领域的应用

太赫兹通信技术可用于远距离卫星之间的空间通信，实现卫星互联与星间组网，是天基网络不可或缺的一环。利用太赫兹通信技术，可实现空中机载平台与地面设备和主控平台之间的连接，实现空间与地面的组网；利用太赫兹波，通过空中机载平台，可实现战场士兵与指挥中心的通信；利用太赫兹保密通信技术，在战场环境中实现短近距离的军事保密通信，实现作战设备的随遇接入，保障战场信息的高效安全可靠传递。在战场上，太赫兹技术还可用于雷达探测，进行远程探测成像与爆炸物的检测。

图1所描绘的是未来太赫兹技术的应用场景。虚线部分为太赫兹通信，实线部分为其他通信手段。在未来海陆空天一体化作战场景中，太赫兹通信将用于星间组网、无人机集群、单兵与战场设备间通信及战场环境探测。

3.1 太赫兹军事通信应用

根据引言中的描述，太赫兹波具有高穿透性、吸水性、瞬态性等特性。上述特性使得太赫兹波在通信中具有以下的优势[6]：1）太赫兹波的频率高，相应的通信能力强；2）太赫兹波的波束窄，具备更好的指向性、方向性及抗干扰特性；3）太赫兹波的波长短，其通信系统的相关设备结构更简单，更易生产；4）太赫兹波穿透能力强，在沙尘遍布的战场环境与雾霾雨雪的恶劣天气下均能正常工作，可实现7*24小时全年无休的工作状态。

图1 太赫兹技术应用场景示意图

3.1.1 近距离军事保密通信

高频段的太赫兹波在空中传播时，由于受到空气的影响以及水分的吸收，导致信号衰减异常严重，受制于大气衰减和调制技术，传输速率较低且传输距离相对较短[7]。但是，由于太赫兹波与微波波束相比，具有更强的抗干扰能力，可以用作专门的保密通信，尤其适用于大容量短距离的战场保密通信需求。保密通信主要有两方面的应用，一是战时的隐蔽通信，用于配合隐形战车、隐形战机等地面与空中的作战设备，形成空间地面相结合的隐形作战系统[8]。二是短距离的定向通信，即战场环境中的25km之内的通信，该距离内的通信通常为定向保密通信，主要用于作战设备的群组及编队间的内部通信。

3.1.2 外太空通信

随着人类的探索空间向外太空拓展，研究人员发现，太赫兹波更适用于在太空中传输。太赫兹波在太空中传输的主要优势在于，传输损耗小、所需功率低、频率高、频带宽、通信容量大，这些优点使得外层空间的太赫兹通信具备了传输速率更高、安全性更高、方向性更强、设备尺寸更小等优势。太赫兹数据传输技术，在空间及外太空具有良好的发展前景。

卫星编队、星间集群、星间组网等技术的实现，都需要高效高速安全可靠地的星间太赫兹通信技术。美国正在研发25Gb/s～250Gb/s传输速率的太赫兹卫星交链通信系统。国际电信联盟（ITU）已为下一代的星间通信预留了200GHz的频段，相信未来将会达到300GHz以上的频段范围[9]。

3.1.3 美军DARPA的战略部署

2003年，美国国防预先研究计划局（DARPA）提出了THOR——太赫兹作战延伸后方计划。THOR计划的最终目标是要实现战场作战单元与本土指挥中心之间的通信。该计划提出采用太赫兹通信链路提升宽带通信能力，在提升数据传输速率的同时，提升战斗设备的性能。虽然由于经济的原因，2010年前后THOR计划被暂停，但是太赫兹技术的作战部署已可见一斑。

在空间通信领域，DARPA提出了F6项目，该项目以空间设备间的太赫兹通信为研发重点，以小卫星编队飞行的群间通信为主要研究目标，最终实现未来分布式空间集群系统的快速、灵活、可靠通信。

3.2 太赫兹军事雷达应用

对于军事雷达而言，分辨能力强与截获概率低是最重要的条件，太赫兹波本身的高频率、宽带宽、窄波束正好符合了上述要求。因而，军事太赫兹雷达近年来受到了全球的广泛关注。

3.2.1 远程探测与成像

太赫兹波的高穿透性，使其具备穿透灰尘、浓烟与雾霾的能力尤其适用于战场环境。美国DARPA已研制出一款太赫兹成像雷达，该雷达适用于远距离战场目标的探测与成像[10]。利用太赫兹技术，还可穿透墙体对建筑内部进行探测与成像，实现复杂战场环境下的寻敌成像。

美国喷气推进实验室设计研发了太赫兹的雷达成像系统，在0.56THz～0.635THz，0.66THz～0.69THz，0.675THz等波段获得了良好的成像效果[11～12]。工作频率为0.6THz的高分辨力雷达探测系统，可在5s内对25m外隐藏的武器进行探测[13]。此外，西北太平洋国家实验室与马萨诸塞大学分别研发了0.35THz成像系统与1.56THz成像系统[14]。

德国的应用科学研究所（FGAN）在2008年研制出一款太赫兹ISAR成像雷达，可在0.22THz频率下实现500m外的1.8cm的分辨率[15]。瑞典、以色列和苏格兰等国家，都在0.3THz附近研发出了三维成像系统[16]。

3.2.2 爆炸物的探测与鉴别

由于太赫兹波独特的光谱特征，可用于检测多种物质，尤其是化学及危险物品，此用途在安全检测、反恐、战场探测等领域具有重要的地位。

最新的研究显示，太赫兹波能够识别的爆炸物质已超过50种。在民用领域，专用的爆炸物检测仪器——太赫兹光谱仪已投入使用，该光谱仪采用光谱测量技术检测爆炸物及化学物品，主要用于安保、反恐、消防等场景。在军事领域，太赫兹波的探测技术主要用于战场地面的探测，用于远距离探测地下雷场和炸弹的分布情况。

4 结语

太赫兹技术在战场上具备特殊的优势地位，是夺取战争胜利的关键。在不远的将来，太赫兹通信技术将应用于联合作战中的近距离保密通信、空间通信、外天空通信，太赫兹雷达技术将用于战场的目标成像与环境探测，二者联手打造陆海空天一体化的战术互联网。