第十章太赫兹成像的军事用途
太赫兹成像技术在医学、国土安全和无损检测领域都能够发挥出它自己的积极影响。

同样在军事领域，太赫兹也有它独有的一面。

例如，宽频太赫兹雷达能够对目标物体进行高分辨率的三维成像，而且它还能从光谱数据中提取出目标物成分的详细信息；在陆、海、空、天，电磁五维战场中，太赫兹都可以对目标物进行对象识别。

10.1 太赫兹在军事领域的机遇
由于目前的太赫兹源以及相关的探测器的性能有限，再加上空气中的水汽对太赫兹的强吸收等等因素都会制约太赫兹到军事领域中的应用发展。

水分对太赫兹的强吸收作用可限制太赫兹在海平面上进行远距离探测。

在距海平面100米高的距离，标准大气对太赫兹波的吸收情况如图10-1所示。

虽然在1THz以下以及10THz以上的频率范围内都存有多个大气窗口，但是1-10THz之间的频率范围对于太赫兹波来说却是不透明的。

图10-1 太赫兹在距海平面100米处传播的透射比
因为水蒸气的密度会随着海拔的增高而急剧衰减，所以对于处在20000英尺高的高空中（或者更高的高度）飞行的飞行器来说，它们可以和几公里外的目标进行太赫兹通信，而且它们还能和太空中的航天器之间进行太赫兹通信，这样一来就可以利用太赫兹进行长距离通信，以及对空间物体进行远距离探测。

目前，军方所感兴趣的是太赫兹雷达的高分辨率成像，以及太赫兹被动成像系统。

因为与毫米波雷达相比，太赫兹雷达具有低仰角、高精度等特点，这使得
太赫兹雷达三维成像的分辨率要强于毫米波雷达。

而太赫兹潜在的最大应用价值则在于它的光谱分析能力，它根据材料的分子结构的共振吸收，可以获得构成材料的组织成分的一些相关信息，由此太赫兹可用来作目标物的识别，而这是其他远距离探测方法所难以做到的。

太赫兹脉冲的持续时间可以小于1ps，而其相应的脉宽也在0.3mm以下，所以太赫兹雷达可以探测到多组分目标的详细结构，其分辨率可以达到亚毫米量级。

同时根据太赫兹光谱对介电常数或吸收系数的灵敏性，用它可以来区分不同的物质材料。

另外，利用光谱响应还可以探测到隐藏在伪装物或稀疏的树叶之后的武器装备和武装人员，并将他们从背景中区分出来。

太赫兹技术同样在安全成像方面也有很大的优势，它可以对隐藏在衣物内的武器，炸药包进行成像，而且所呈图像的空间分辨率也很高，并且图像中还具有许多光谱细节。

同样太赫兹在探测、识别、跟踪大气中生化武器方面也有很大的应用价值。

毒气战剂独特的太赫兹化学信号（利用旋转谱线），以及声子激发的生物战剂，都可以利用高分辨率太赫兹光谱仪将其探测出来。

10.2 太赫兹在军事领域中的应用
10.2.1目标识别
太赫兹成像雷达可由可调谐脉冲的光学参量振荡器，反射光学系统以及外差探测器组成。

其中，反射光学系统的作用是校准发射光束和接收光束的，而探测器则是由肖特基二极管混频器和倍频毫米波源作本机振荡源。

太赫兹雷达可以根据目标物的光谱响应来对目标加以识别。

虽然太赫兹在大气中传输会受到相当大的影响，但是由于太赫兹调谐信号可以覆盖多个波段，所以它还是能够提供足够的信息来识别目标物的。

在海平面处，一个单脉冲太赫兹雷达对一个固态目标物进行探测，它所能探测的范围如表10-1所列。

当这个单脉冲太赫兹雷达工作在低PRF模式下时，光学参量振荡器所发出的每个脉冲的能量大约为20μJ，但如果它是工作在5000pps 的扫描成像模式下时，每个脉冲能量大约是0.5μJ。

假设探测器的噪音温度为9000K，如果将其应用在太空之中，那么天线耦合和外差混频的损耗至多能达到10dB。

对于散射效率为10％的随机分散目标来说，天线孔径为200mm，载波噪声比为15dB的便携式雷达，它的单脉冲探测的最大距离如表1所列。

表10-1标准大气中太赫兹单脉冲海平面可达的测距范围
频率（THz）
最大测距范围
能量＝20μJ 能量＝0.5μJ
0.34 1600 900
0.41 1000 600
0.66 650 450
0.83 340 230
在标准大气环境中，太赫兹单脉冲在海平面可以探测到1Km远的目标，尽管这个值随局部大气温度和湿度的变化会有很大的浮动。

但太赫兹单脉冲雷达仍然可以轻松的根据隐蔽目标的外形和光谱响应来对它识别。

在海拔高处，进行空对空通信或者是空对空感测也可以达到很远的距离。

由此利用太赫兹单脉冲在一个很长的距离范围内进行空对空通信和空对天通信是完全可以实现的。

10.2.2 目标响应
金属对太赫兹波反射很强，但是普通的聚合体如聚乙烯和聚酯对太赫兹波的衰减则很弱。

在频率小于1THz时，聚乙烯和聚苯乙烯的吸收系数远远小于1cm-1,如图10-2所示。

做衣服的布料对太赫兹的吸收系数在1-10cm-1的范围之间，如尼龙。

因此太赫兹是很容易能够透过衣物和薄的伪装物质的。

图10-2 聚合物对太赫兹的吸收
装甲车和飞行器表面通常会涂有抗反射（AR）涂层，以此来减少它们对微
波和红外的反射。

这种嵌在塑胶层的AR涂层对微波具有很强的吸收作用，但是它对太赫兹波的吸收却是很少。

利用太赫兹脉冲探测系统对嵌有偶极天线的塑料薄层进行探测，其结果如图10-3所示。

当用聚焦光束照射偶极天线时，大约有20-30％的光入射到了偶极天线之间，可用的最高频率则大约是 1.5THz。

但是当用一束宽光束照射偶极天线时，由于很强的散射作用，光束的损耗就会变得很大。

利用此项技术可以对嵌入的偶极子所处的位置，及其方位进行标注。

由此可知，AR涂层对太赫兹的吸收很小，所有我们可以得到涂层所覆盖的下层结构的反射信号。

图10-3 太赫兹在嵌有偶极天线的X波段AR涂层中的传输
10.2.3 毒气战剂和生物战剂的感测
复杂的有机分子（例如毒气战剂）在太赫兹波段有一个转动吸收光谱。

在实验室中用高分辨率的太赫兹光谱仪可以辨别出浓度为十亿分之一的气体。

这是因为在实验室的低压环境下，每个谱线都会各自分散开。

在常压下由于压力致宽作用，各条谱线会有重叠。

但是通过整个光谱包络仍然可以来区分各种气体。

常压下的沙林毒气和索曼毒气的光谱如图10-4所示。

图10-4常压下的沙林毒气和索曼毒气的太赫兹吸收光谱
大多数显著的光谱细节都落在了0.25-0.3THz这个波段，如果常压下并且在海平面可以测得这个波段中很长的传输通道。

因此窄带调谐脉冲源完全可以用来探测大气中的毒气，并且还可以标示出它们分布的空间区域和它们的活动情况。

如果在烟雾中要从反向散射体直接获得足够的信息，那么充足的脉冲能量是必不可少的。

但是配有回射器的遥控飞行器（RPVs）可以增强从相对微弱的源中获取的信号。

生物战剂（如炭疽）在太赫兹波段有明显的声子共振现象，这样就可以用类似上面所说的做法把它们鉴别出来，并且能标示出它们在大气中的散布范围。

光谱吸收测量法同样可以处理载物玻片上的细菌芽孢外被，处理结果显示有一个复杂的声子群共振，杆状菌的太赫兹光谱结构如图10-5所示。

与毒气战剂的分子光谱相比，细菌的光谱与其内部结构有关，所以细菌的光谱不易受外界环境的影像。

如果太赫兹的功率足够大，生物战剂的反向散射可以提供一个比较方便的办法，来标示出依靠风传播的毒气分布的全部区域。

这样就可以让战斗人员撤出这个毒气区或者是提醒他们能够穿上防护服。

图10-5载玻片上枯草杆菌芽孢外被的共振吸收谱
尽管由于大气的吸收作用限制了在地基太赫兹雷达成像系统的发展。

但是它仍有很多优势的，比如可成高空间分辨率的三维图像。

在频率等于或小于1THz 时，太赫兹可以透过衣物和伪装从而探测到隐蔽的武器和人员。

所以安全成像同样可以在近距离战场上使用。

太赫兹技术能从详尽的吸收谱数据中能探测出化学物质结构，这是它的一个主要的特征。

太赫兹能从合成物中识别出目标来这一独特的本领，使它可以对远距离的毒气战剂和生物战剂进行感测。