太赫茲技術在防災減災和安全監測領域的應用

張紅健 劉菲

引言

近年來，各類災害頻發，不僅受災地區的經濟建設受到了極大阻礙，而且嚴重威脅著人民的生命財產安全。因此如何防災減災一直被廣泛深入地研究討論。積極探索能夠預防災害和減輕災后影響的新科學新技術，成為重中之重。

20 世紀90 年代以來，激光技術得到快速發展。在得到性能穩定的激發光源后，太赫茲技術得以迅猛發展，逐步成為具有強大潛力的新技術。由于太赫茲波兼具微波和光波的優越性，使其在氣象監測、災害預警、反恐排爆、安全檢測等領域展現出巨大的應用價值和應用前景。

太赫茲技術

太赫茲波（Terahertz，1THz=1012Hz）一般指頻率在0.1THz 至10THz 范圍內、波長介于0.03mm 至3mm 之間的電磁波。其位居電子學與光子學之間的“間隙”，其低頻率段與毫米波（亞毫米波）重合，高頻段與紅外線重合（圖1）。太赫茲波兼具微波與光波的優點，同時也具備自身獨特的特點：波束窄，方向性好，光子能量低，大氣衰減強，易于穿過包裹、衣物等不透明材料且不需要與被測物品產生接觸。太赫茲波憑借其獨特特點，能夠較為精準地實現探測目標的高分辨率成像、復雜環境下的目標探測和微小目標的探測。其功能實現主要依靠太赫茲成像技術和太赫茲時域光譜技術。

圖1 太赫茲波在電磁波譜中的位置

太赫茲成像技術分別為主動式成像系統和被動式成像系統。主動式成像系統的基本工作原理是自行發射太赫茲波信號到探測目標處，探測目標會對太赫茲波進行散射，成像系統對形成的回波信號進行處理，進而得到目標圖像。太赫茲雷達成像系統就是一種典型的太赫茲主動式成像系統，根據成像機制的不同可以分成掃描成像、合成孔徑雷達（SAR）和逆合成孔徑雷達等，主要應用于軍事、安檢等領域。被動成像系統的基本工作原理是利用太赫茲波裝置接收物體及背景的太赫茲波輻射能量來探測物體特性，生成圖像。應用于大氣遙感探測的太赫茲輻射成像就是一種被動成像技術。

太赫茲時域光譜技術的基本原理是太赫茲波照射到待測物品上，計算獲得它的時域波形，利用快速傅里葉變換將時域波形轉換到頻域光譜中，進而得到其幅值或相位信息，最終得到樣品的光學參數。眾所周知，不同分子存在不同的原子構成，也就存在著不同的原子內部躍遷，因此其光子能量的輻射或者吸收也是不同的，顯示在吸收光譜上則為不同的吸收峰頻率，因此可以根據不同分子在太赫茲頻段的吸收峰位置和吸收作用的強弱來表征不同物質的吸收特征。根據此原理，可以通過吸收峰所對應的頻率及吸收強度對未知物質進行識別，實現定性和定量研究。利用太赫茲時域光譜技術能夠對可能存在的未知危險品進行無損、非電離、高靈敏的光譜測量，主要應用于爆炸物勘測、化學泄露等危險事故與人為災害的預警方面。

基于太赫茲波的成像技術與防災減災

（一）太赫茲波雷達成像技術應用于安全、軍事領域

SAR 是一種主動成像系統，它的基本工作原理是依靠雷達與目標的相對運動，將小尺寸天線的接收信號疊加起來，經過后期的數據處理，合成一個等效的大尺寸天線的接收信號，從而獲得大尺寸天線的觀測效果。

不法分子藏匿于衣物下的危險物品如槍支、刀具、固體爆炸物等難以被人眼察覺，對人們的生命財產安全構成嚴重威脅。地鐵、車站、機場等場所的安全檢查成為保護大眾的重要關卡。因此能夠穿透遮蔽物的無損探測也是太赫茲波技術的熱門發展領域。目前，基于太赫茲成像技術的太赫茲安檢儀已投入使用。將太赫茲波照射到人體上，或者利用人體自身向外輻射的太赫茲波，當衣物下藏有違禁攜帶品時，此部位輻射到安檢儀上的太赫波會因被遮擋而減弱，太赫茲安檢儀在接收輻射時會產生人體的二維太赫茲強度圖，違禁品所在的位置則顯示為陰影區域，檢測人員通過陰影的形狀判斷其是否為違禁品或違禁品的種類。與傳統的安檢方式相比，太赫茲安檢儀更安全、更高效，太赫茲波的非電離特性不會對人體造成輻射傷害。遠距離非接觸方式檢測，有效避免人員肢體接觸。不僅可以對金屬物品進行檢測，還可探測陶瓷、液體、粉末等非金屬物品。在安全檢測時，人只需要以正常的行走速度通過安檢儀，無須停留，極大提高安檢效率。

2012 年，美國在多個機場安裝太赫茲人體檢查儀，用于安全檢查；2014 年5 月，我國也報道了自主研發的第一臺太赫茲安檢儀，打破了國外對太赫茲技術應用于安全檢查上的壟斷。2020 年2 月，我國投入使用的太赫茲安檢儀被相繼報道（圖2）。

圖2 上海地鐵13號線淮海路站的太赫茲安檢儀

當今世界，恐怖主義與局部戰爭依舊在威脅著人類的生命財產安全。太赫茲的雷達成像技術為軍隊的信息化建設提供了有力的支撐，有效探測敵方或恐怖勢力軍事部署的詳細信息可以在現代化戰爭中率先奪得軍事高地，為保障己方人民和城市安全提供幫助。與常規頻段的雷達相比，太赫茲SAR 探測系統具有天線方向性好、空間分辨率高、抗干擾能力強等優點，在復雜戰場環境中有較強的適應能力，可以不受戰場上的灰塵和煙霧的干擾，準確識別出坦克、隱蔽的地雷或炸彈等武器裝備。其在軍事領域的主要應用有兩個方面：一是用于軍事情報偵察。SAR 可以通過斜視照射的方式，在不必越過敵方邊界的情況下，獲得所需要的信息，在安全上有極大的保障。在獲取信息后，可以根據掌握的敵方軍事部署制訂針對性的作戰計劃，指揮人員掌握全局態勢，制定進攻和防御策略。二是用于軍事精確打擊。機載的火控雷達實際上就相當于一部合成孔徑雷達，使得戰機可以精確探測到地面的小型目標，并對其實施精確打擊。

2015 年，電子科技大學研制的340GHz 太赫茲SAR 成像效果如圖3 所示，與實物圖像對比可以看出，飛機模型的尺寸和形狀得到了精確重建，并且能夠在成像效果圖中清晰地觀察到飛機的各個關鍵部位。

圖3 電子科技大學研制的雷達成像效果圖

另外，隱身設計主要針對常規的微波頻段雷達，傳統的“隱身材料”無法對太赫茲波進行有效吸收，這使得太赫茲波在“隱身”探測方面具有獨特優勢。此外，由于太赫茲頻段的電磁波在大氣層衰減較大，目標回波信號幾乎不受地雜波的影響。在軍事行動中，太赫茲合成孔徑雷達技術可以提供制定進攻和防御策略所需要的關鍵信息，為國防安全與反恐行動提供有效的信息支撐。

近幾年，多個國家的高校和實驗室均在太赫茲雷達系統的研究和研制工作中取得了不錯的成果。德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達技術研究所研制了頻率為220GHz 的COBRA 220 系統和頻率為300GHz 的MIRANDA 300 系統。美國的圣安德魯斯大學在所屬歐洲第七框架計劃的工作中研制了頻率為340GHz 的太赫茲雷達成像系統。美國的國防部高級研究計劃局更是提出了由太赫茲合成孔徑雷達項目作為前沿戰略的顛覆性技術研究計劃。而我國在此領域的研究也不斷精進，由中國航天科工二院23 所負責牽頭成功研制出我國第一部太赫茲視頻合成孔徑雷達，于2018 年12 月在陜西試飛成功，首次獲取太赫茲視頻合成孔徑雷達影像成果，并于后續開展雷達各種應用性能的示范試驗。

值得一提的是雖然航空和無人機技術的發展為星載雷達和機載雷達提供了充足的獲取觀測數據的平臺，但SAR 成像系統需要信號采集、處理平臺以及成像算法相互配合。太赫茲實時成像系統對高分辨等優良性能的追求會無法避免地讓計算量大幅度增加，這就意味著成像算法要配合前端設備不斷優化，因此，目前機載與星載的太赫茲雷達標準化格式還未被建立，在軍事領域投入使用的太赫茲SAR 成像系統也鮮有報道，多數仍處于實驗室研制和測試階段。

（二）太赫茲遙感輻射成像技術應用于氣象監測與災害預警

氣象災害在每個季節都以不同的形式對城市安全造成嚴重危害，比如冬季冰雪災害導致電網、公路結冰以及樹木倒塌，夏季暴雨災害導致洪水、山體滑坡，以及因人類活動而頻繁出現的大氣污染。隨著遙感技術的發展，國內外已經將基于太赫茲波的遙感輻射成像技術廣泛應用于氣象監測工作之中。

遙感輻射成像技術主要依靠輻射計接收被探測空間的輻射能量，進行物體的成像。在太赫茲波段，大氣成分中不同微量分子的特征吸收線是不同的，探測成分的濃度，反演出微量氣體垂直廓線。利用這種特性，輻射成像技術可實現對微量氣體成分及濃度的探測，監測大氣中的污染物是否達到對人體造成危害的水平；實現對大氣溫度的測量，描繪水汽廓線，觀察冰粒子的大小形狀以及云層狀態，預測降水量，對大氣和氣象實時監測。與可見光和紅外成像系統相比，太赫波探測由于太赫茲波穿透力強的特性，受到大氣衰減的影響較小，不受煙塵、沙暴和云霧雨雪等物質的干擾，可在能見度較低的情況實現全天時、全天候的監測，對氣象災害預警提供信息支持。相似于光學圖像的成像形式使太赫茲波輻射成像技術能實現物體的高清辨識，在氣象監測領域具有廣闊應用前景。

太赫茲輻射計探測主要分為機載和星載兩種形式，機載太赫茲探測是將極化掃描輻射計掛載于各種飛行器之上，獲取氣象變化發出的極化微波信息。NASA/戈達德航天飛行中心研制的圓錐掃描亞毫米波成像輻射計搭載NASA-ER2 飛機驗證了太赫茲波對冰云粒子更為敏感，并將目標定位于水汽廓線和降雪率的探測。

相比于仍處于研制和驗證階段的機載形式，星載形式的太赫茲輻射計探測早已投入使用。1974 年，蘇聯向太空發射了第一個可用于太赫茲波的測輻射熱計系統，其工作頻段為300GHz～5THz。1978 年蘇聯發射的載有高分辨4 通道微波輻射計單元的Tiros-N 衛星標志著星載平臺性能進入穩定期，星載輻射計隨著地面的數據接收與處理系統的形成也進入了商業應用階段。近年，國內外載荷太赫茲輻射計的氣象衛星一直處于高速發展的階段，我國在此領域的整體性能更是達到國際先進水平。2008 年到2013 年間中國成功發射的3 顆系列氣象衛星“風云三號”載荷的探測計覆蓋了10.65～183GHz 的多個頻段，用于對大氣溫度、濕度、降水量和海平面溫度和風速等氣象的監測。2016 年12 月11 日，成功發射的“風云四號”衛星（01 實驗星）（圖4）搭載了多通道掃描成像輻射計等4 種先進有效載荷，可對我國及周邊地區的大氣、云層和空間環境進行高時間分辨率、高空間分辨率的觀測，更加精確地提供暴雨、臺風等天氣災害的分析和預警等服務。

圖4 風云四號氣象衛星

基于太赫茲波的時域光譜技術與危險化學品探測

近年來，危險化學品的泄漏、爆炸等安全事故也頻繁發生，其儲存和使用環節的行為不規范和操作不當造成了損失慘重的人為災害。如2015 年8 月12 日天津瑞海物流公司危險化學品倉庫爆炸、2021 年7 月5 日泰國北欖府的明迪化工有限公司工廠爆炸（圖5），事故后果嚴重，不僅影響著國家的生產安全，也給人民的生命財產安全造成了重大損失，同時也帶來了嚴重的環境和生態危害。

圖5 危險品爆炸事故

危險化學品事故大多數源于物品的泄漏或者釋放，在其濃度積累到一定量值時更有可能將泄漏事故觸發成燃爆事故。在泄漏事故中，很多危險化學品的物理特性并不明顯，甚至可能是無色無味的，在其濃度較低的情況下人類的感官不易察覺，而爆炸事故的現場往往伴隨著火災和濃煙，人的視覺和嗅覺會受到強烈干擾。而太赫茲波處于微波和紅外之間的頻段，波長比紅外線或者可見光要長，可以穿透很多常見的電介質材料，在火場中不會被灰塵或者其他類似介質散射衰減。在眾多物質監測與鑒別技術中，太赫茲時域光譜在危險化學品的監測中得到廣泛應用。太赫茲波容易與各種氣體分子發生共振，這些振動模式在太赫茲光譜上有所反映，每種有毒氣體都具有獨特的特征吸收線，利用太赫茲時域光譜技術進行監測，環境中成分的微小變化可以通過各種參數直觀地反映給監測人員。在較為封閉式的建筑中發生事故時，救援人員可以利用時域光譜技術在不進入、不接觸的安全距離處判斷建筑物內的泄漏情況。因此，利用太赫茲時域光譜技術對化學品進行監測與識別，可以在泄漏未誘發事故時為預警應急機制提供依據，在事故發生時對現場危化品的留存情況進行實時監控，為救援人員提供安全與否的判斷依據，減少救援行動中的傷亡，這對于預防和減少此類人為災害具有重要意義。

2016 年，北京化工大學利用太赫茲時域光譜技術對甲烷、乙烷、丙烷和異丁烷四種氣態烷烴類以及多聚甲醛和四聚乙醛兩種醛類進行了光譜測量，實驗結果對以上危化品進行了有效的定性分析。2019 年，北京化工大學對無色透明的四氯化硅進行了大型現場泄漏實驗，成功監測到泄漏的四氯化硅在大氣中的擴散和轉化規律。對于液態和氣態更為普遍的易燃類危化品和有毒危化品的探測實驗在不斷擴展和深入。危化品的種類繁多，不斷補充危化品的太赫茲時域光譜數據仍是未來研究中的重點領域。

發展展望

太赫茲技術研究是當前科學領域的前沿課題之一，其中太赫茲成像技術和太赫茲時域光譜技術發揮了巨大潛力，在自然災害和人為災害的預警、排查和災后重建等工作中發揮著不可替代的作用。當前國內與歐美發達國家在高靈敏度探測器和高穩定度太赫茲源的研究水平上仍存在一定的技術差距，近年來經過不斷的探索與改進，國內相關領域的科研人員已經取得了顯著的研究成果。今后，太赫茲技術有望更高效地應用于防災減災工作，使我們在災害未形成時防患于未然，在災害到來時及時行動，在災后重建時有條不紊。