0 引言

    太赫茲波^[1]一般指頻率范圍介于0.1 THz～10 THz，波長處于30 μm～3 mm之間的電磁波。在太赫茲技術領域前期的發(fā)展中，其應用一直受到沒有高功率太赫茲源以及高靈敏度探測器的制約。近年來隨著技術的發(fā)展，太赫茲技術以及太赫茲器件的技術水平有了快速的發(fā)展，這也使得太赫茲技術的應用得到了極大的推進，應用領域得到了拓展。太赫茲波頻率位于微波以及可見光之間，因此相比于其他頻段的波，太赫茲波有著自己獨特的特點，這些特點也是太赫茲技術應用的出發(fā)點。太赫茲波具有以下幾條特點：

    (1)高穿透性：某些對于光學波段不透明的物質對于太赫茲波段是透明的，例如紙張、塑料以及布料等。太赫茲的非接觸式無損檢測、對于信件以及人體的安全檢查成像均利用了太赫茲的這一特性。

    (2)物質存在特定的太赫茲特征譜：有機大分子的大幅度振動以及分子之間相互作用等會存在特定的太赫茲光譜，可以利用這種特征譜對物質以及物理化學過程進行特征識別。

    (3)光子能量低：相比于傳統(tǒng)用于安全檢查以及無損探傷的X射線，太赫茲光子能量要更低，此外相比于X射線無電離輻射損傷，這也使得其能夠提供更綠色更健康的使用環(huán)境。

    (4)高極性分子強吸收：高極性分子(例如水)對于太赫茲波具有強吸收效應，因此太赫茲可以用于生物體樣本甚至是活體組織的成像檢測，用于分析非正常皮膚含水量的皮膚疾病組織，以及表皮癌癥組織的識別。

    (5)高帶寬：由于現(xiàn)代通信以及雷達技術的發(fā)展以及需求的不斷提高，電磁頻譜資源已經成為戰(zhàn)略資源。目前微波毫米波的資源已經分配完成，太赫茲頻段具有非常高的帶寬，這也使太赫茲用于通信能夠實現(xiàn)更高的帶寬，其安全性也優(yōu)于傳統(tǒng)的微波通信。

    由于太赫茲波具有以上的特征，其已經成為目前電子信息領域的重要研究方向和多個應用領域的關注重點。目前受到普遍關注的太赫茲的應用領域及其主要優(yōu)勢主要為如下幾個方面：(1)太赫茲通信：其主要優(yōu)勢為高速、高容量、高保密性；(2)成分分析以及物質識別：主要利用了大分子物質的太赫茲特征指紋譜；(3)生物以及醫(yī)學：利用太赫茲光譜超快的時間分辨實現(xiàn)脫氧核糖核苷酸（DeoxyriboNucleic Acid，DNA）以及蛋白質的特征檢測以及超快物理過程研究；(4)安全檢查：利用太赫茲的穿透特性實現(xiàn)太赫茲人體以及信件安檢；(5)無損檢測以及質量控制：主要利用的是太赫茲安全無害且可穿透包裝材料進行高分辨成像的特征。下面分別從太赫茲生物醫(yī)學研究、太赫茲無線通信、太赫茲無損檢測以及太赫茲公共安全檢查四個方面介紹太赫茲應用技術的進展。

1 太赫茲通信

    Edholm帶寬定律^[2]表明，無線通信的帶寬需求隨時間增長非?？?。未來無線通信的發(fā)展追求的正是高帶寬、高容量以及高速度。太赫茲波段高頻的特性使得其天生具有易于實現(xiàn)大帶寬的優(yōu)勢。此外，由于傳統(tǒng)通信方式以及第五代通信系統(tǒng)的發(fā)展，微波以及毫米波頻段的頻譜資源已基本分割，因此需要探索太赫茲波段以拓展通信系統(tǒng)的可用頻率以及實現(xiàn)高達100 Gb/s以上的傳輸速率。使用太赫茲頻段作為通信系統(tǒng)的載波利用了其頻帶內存在很高的絕對帶寬，地面上適合短距離高速的應用場景以作為點對點的解決方案。由于太赫茲頻率高于微波，太赫茲波束在自由空間傳播中受到的散射會更弱，因此太赫茲通信通常是點到點的沿視線傳輸。在衛(wèi)星以及空間站中由于沒有了大氣對于太赫茲的衰減，能夠利用太赫茲作為星間組網(wǎng)的解決方案。太赫茲通信系統(tǒng)的安全性主要體現(xiàn)在其高度指向性的波束，將能夠探測到太赫茲信號的區(qū)域降至最低，這降低了通常利用微波通信的低指向性以及波束旁瓣進行監(jiān)聽的可能性，也降低了紅外通信監(jiān)聽空氣中散射信號的問題。

    日本電信公司采用光電結合的方式開發(fā)120 GHz無線通信系統(tǒng)，在磷化銦(InP)、高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor，HEMT)工藝發(fā)展的基礎上，開發(fā)了基于固態(tài)電路芯片的太赫茲通信系統(tǒng)。日本電報電話公共公司(Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation，NTT)進行了包括BPSK(Binary Phase Shift Keying)^[3-5]等多種調制方式在內的高速太赫茲無線通信研究，實現(xiàn)了高速基帶信號QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)調制解調系統(tǒng)，實時最高傳輸速率達到11.1 Gb/s^[6]，誤碼率低于10^-10，傳輸距離為170 m。此外該團隊還實現(xiàn)了基于ASK(Amplitude-shift Keying)調制的120 GHz無線通信系統(tǒng)^[7]，傳輸距離為5.8 km，碼率為10 Gb/s。

    德國學者于2004年已經實現(xiàn)基于300 GHz太赫茲波作為載波的50 cm距離模擬調制傳輸^[8]，2013年利用光電系統(tǒng)實現(xiàn)距離20 m、速率100 Gb/s的點對點單路太赫茲無線傳輸^[9]，2015年開發(fā)了50 nm和35 nm HEMT工藝實現(xiàn)的IQ（I：in-phase，同相；Q：quadrature，正交）調制解調器單片式微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC）芯片，采用QPSK調制方式，傳輸距離為850 m，碼速率為64 Gb/s^[10]，圖1為此系統(tǒng)的系統(tǒng)架構。最近在實驗室環(huán)境下，還實現(xiàn)短距離傳輸?shù)?00 GHz通信系統(tǒng)^[11]。

    目前太赫茲通信面臨的問題主要是大氣中的水蒸氣對于太赫茲的吸收效應，因此太赫茲通信系統(tǒng)通常用于短距離的點對點高速通信。而對于空間中的應用，由于沒有了大氣對于太赫茲波的吸收效應，可以用于星際通信甚至空間組網(wǎng)等。太赫茲通信系統(tǒng)的超大數(shù)據(jù)吞吐量，也對信號處理軟硬件提出了更高的要求。此外，從太赫茲技術發(fā)展來說，需要繼續(xù)開發(fā)用于太赫茲通信的高效率的太赫茲源以及調制解調芯片。

2 太赫茲生物與醫(yī)療研究

    太赫茲技術在生物醫(yī)療領域的應用主要分為宏觀以及微觀兩個方向。宏觀的生物學以及醫(yī)學應用大多利用水分子對于太赫茲波段輻射的強吸收效應，通過分析不同區(qū)域反射或者透射的太赫茲波的對比度來實現(xiàn)對樣品的成像。對于微觀生命科學方向，生物分子整體結構與它們在太赫茲波段的光譜性質的高度相關性是太赫茲時域光譜技術應用于生物醫(yī)學領域的重要理論基礎。由于生物大分子的構型構象等特征能夠決定集體振動模式，這種振動模式的特征頻率位于太赫茲波段。太赫茲時域光譜技術能夠測量振動模式對應的吸收譜，進而分析大分子的特征。此外利用具有飛秒級別時間分辨的太赫茲時域光譜技術，還能夠對于大分子的相互作用等其他過程中產生的構象變化進行動態(tài)分析。太赫茲對于宏觀生物醫(yī)學研究領域，主要是利用了不同狀態(tài)的組織中含水量不同。高極性的水分子對于太赫茲具有很強的吸收效應。應用上通常通過分析照射到組織上反射或者透射的太赫茲強度相位等特征的不同，從而分析得到對應含水量以及結構等信息。雖然太赫茲能夠穿透皮膚的深度只有幾毫米，但這已經足夠對于原發(fā)于上皮組織的皮膚病以及癌癥進行檢查以及研究。

    用于生命科學以及醫(yī)學研究的太赫茲成像系統(tǒng)的技術主要為太赫茲時域光譜相關技術^[1]。簡單來說，太赫茲時域光譜技術采用脈沖激光照射太赫茲發(fā)射源以產生高頻太赫茲信號，由于不同物質對于太赫茲的響應不同，能夠通過分析樣本透射或者反射的太赫茲信號的強度、譜特征等信息來實現(xiàn)對目標的檢測，太赫茲無損檢測也經常用到時域光譜技術。圖2為太赫茲時域光譜系統(tǒng)的原理框圖。1995年首次利用二維掃描平移平臺以及太赫茲時域光譜儀實現(xiàn)對于樹葉以及芯片等樣品的掃描成像^[12]，從成像結果上能夠清晰觀察到葉片脈絡以及芯片內部構造信息，為太赫茲技術在生物醫(yī)學以及無損檢測領域奠定了基礎。

    由于水對于太赫茲的強吸收作用能夠精細地表示組織的含水量，最近的研究發(fā)現(xiàn)鹽^[13]、蛋白質以及DNA含量能夠反映到其對于太赫茲頻率響應以及對于太赫茲的吸收強度的變化。此外，蛋白質結構例如配體結合以及變形等，能夠導致對于太赫茲吸收強度的改變^[14]。因此太赫茲除了能夠檢測病變組織以及正常組織的含水量的區(qū)別以外，還能夠反映蛋白質結構的變化或者細胞中鹽以及DNA含量的變化。

    太赫茲技術在醫(yī)學領域應用最具代表性的為TeraView公司的太赫茲醫(yī)學成像儀系列^[15]。目前國際上利用其太赫茲設備實現(xiàn)了多種應用，例如：對于表皮損傷組織的檢測、上皮癌癥組織的識別以及特征檢測、癌癥組織特異性分析等。圖3為活體皮膚癌組織光學圖像以及太赫茲光譜成像結果，從結果中可以看出，相較于正常組織，癌變組織具有更高的反射率，并且時域光譜成像系統(tǒng)能夠實現(xiàn)對于深度信息的成像。用于醫(yī)療領域的太赫茲光譜成像技術通常采用反射式體制，這種體制使活體檢測成為可能。這也進一步推進了太赫茲技術向實際醫(yī)療應用的發(fā)展。除了上述應用以外，太赫茲技術還應用于皮瓣存活情況的早期診斷、糖尿病足的診斷以及燒傷程度評估等多個方面。

    太赫茲技術在生命科學以及醫(yī)療領域的是一個新興的分支。其用于真正的醫(yī)療還需要進一步提高對于微觀生化過程以及宏觀的組織特征在太赫茲波段內反映的理解。從技術方面，由于水的吸收效應過強，會掩蓋了其他物質的自身特性，因此需要提高設備的靈敏度或增加源的發(fā)射功率。從經濟角度，需要降低設備的生產以及使用成本，開發(fā)更加適用于醫(yī)療領域并能夠得到醫(yī)療管理機構認證的太赫茲設備。

3 太赫茲無損檢測

    無損探測涉及生化研究、質量控制以及安全檢查等多方面應用需求，如對于制藥工業(yè)的藥物包層檢測、油畫的檢測與鑒別、涂層測試、食品異物檢查、郵件危險品鑒別等。采取的技術手段主要有被動式以及主動式太赫茲成像，以及太赫茲時域光譜技術。太赫茲成像主要利用太赫茲對于介電材料的穿透性，以及不同材質對于太赫茲波的吸收以及反射性能不同，通過分辨所成太赫茲圖像的對比度區(qū)別來進行無損探測。

    太赫茲技術能夠應用于對于雷達天線罩結構分層、天線罩的結構缺陷、天線罩進水等缺陷的檢測，以及針對航空用泡沫絕緣材料中存在的缺陷以及脫粘等進行無損檢測^[16]。圖4為采用反射式太赫茲時域光譜成像技術對于航天飛機用玻璃纖維材料的無損檢測結果。成像區(qū)域為黑色框選區(qū)，白色虛線框內為進行4 min 440 ℃燃燒處理。從成像能夠反映肉眼很難觀察到的材料損傷。對于復合材料，太赫茲能夠對其涂層的殘留以及涂層缺陷等進行無損探測。反射式探測技術還能夠用于集成電路封裝中出現(xiàn)空隙的探測^[17]。無損檢測還用于食品藥品的質量控制，例如利用太赫茲成像對于制成視頻中外來物的檢測以及藥品涂層質量分析。太赫茲時域光譜技術還可用于對于藝術品的無損檢測，例如對于壁畫底畫以及漆層的分析、油畫藝術品結構以及缺陷分析等^[18]。太赫茲光譜技術還可以利用不同物質結構的特征譜進行無損檢測以及物質識別，例如上一部分介紹的對于基因以及蛋白質結構分析，以及能夠用于安全檢查的爆炸物特征識別以及檢測^[19]。

4 太赫茲安全檢查

    人體的安全檢查是傳統(tǒng)安檢模式中的薄弱環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)模式是配以金屬探測器手動檢查。這種檢查模式對于藏匿于衣物以下的體積較小的危險品，特別是非金屬違禁品的檢出率很低。由于太赫茲能夠穿透通常的衣物，利用太赫茲成像的技術手段能夠對人體藏匿于衣物以下的危險品進行成像，進而做到對于人體的安全檢查。此外考慮到公眾健康因素，前期發(fā)展的弱光子人體安檢相比于此前曾經在歐美使用的X光背向散射安檢儀，太赫茲安檢沒有電力輻射，安全無害。

    近年來利用毫米波以及太赫茲的低光子能量以及對于衣物的穿透性，發(fā)展了毫米波以及太赫茲主動式以及被動式人體成像安全檢查系統(tǒng)。主動式太赫茲人體成像技術利用雷達成像原理，通過太赫茲收發(fā)陣列實現(xiàn)對于人體的掃描并經過信號處理實現(xiàn)對于人體的成像，利用對于危險品的三維成像以及與人體反射率的不同而進行違禁品的識別。被動式太赫茲人體成像技術利用高靈敏度太赫茲探測器陣列，被動接收人體自身輻射的太赫茲波。由于違禁品對于人體輻射的太赫茲波有吸收或者反射效應，能夠從人體太赫茲圖像中通過圖像中信號強度對比進行違禁品識別。主動式以及被動式太赫茲技術各有特點，因此其應用場景也不同。相比于被動式成像技術，主動式成像技術能夠實現(xiàn)更高的空間分辨力，成像區(qū)域環(huán)境溫度不會對成像造成影響。但其信號處理相對復雜，圖像處理以及違禁品識別難度高，成像的實時性差，通常需要被檢查人的配合程度也更高。被動式成像技術信號處理相對簡單，能夠做到高速的人體掃描成像，對于人體完全沒有太赫茲輻射。但相較于主動式成像技術，其空間分辨力差，對于環(huán)境溫度有很高的要求。由于上述優(yōu)缺點，基于主動式成像技術的設備主要用于對于安檢水平要求高而通過率要求不高的精細檢查，如機場、監(jiān)獄等?；诒粍邮匠上窦夹g的設備常用于通過率要求高的粗檢，例如地鐵等場景。

    美國、德國、芬蘭等多個國家近年來都在開展利用低溫超導輻射熱計研制太赫茲遠程成像儀的相關研究，并形成了一些有代表性的樣機，例如德國光子學技術研究所研制的350 GHz超導TES結太赫茲成像儀等。其成像區(qū)域是20 m～30 m，視場為1 m×1 m左右，分辨率在1～3 cm左右^[20]。該成像儀采用超導探測器陣列，利用被測目標的熱輻射實現(xiàn)對目標的被動式成像，采用超導探測器對于儀器本身提出了更高的要求，其開關時間、功耗等系統(tǒng)指標距離用戶要求尚有差距。英國Digital Barriers公司研發(fā)的ThruVision系列太赫茲成像儀的工作頻段為250 GHz附近，采用線性混頻器陣列配合準光掃描裝置，該成像儀能夠實現(xiàn)對最遠約15 m處目標的被動式成像。博微太赫茲信息科技有限公司自主研發(fā)的TeraSnap太赫茲人體安檢成像系統(tǒng)(圖5)能夠實現(xiàn)空間分辨力1.5 cm、圖像幀率12幀/s的視頻級太赫茲成像。該系統(tǒng)已經商用于多個車站、地鐵、公安檢查站等，并裝備于上海地鐵，在2018年國家進出口博覽會上應用并成功檢查出火機、管制刀具等違禁品，極大地提高了安檢的效率。

    高靈敏度的太赫茲探測器陣列以及光學掃描結合是太赫茲安檢成像的發(fā)展趨勢。因此太赫茲在安檢領域的應用依賴于集成度更高、靈敏度更高的探測器芯片陣列的研制。太赫茲波段的探測器模塊目前價格高，因此研發(fā)價格更低的太赫茲探測系統(tǒng)能夠降低太赫茲安檢技術門檻，推廣太赫茲技術的應用。

5 結論

    本文從太赫茲區(qū)別于可見紅外光以及毫米波的主要特征入手，分析了太赫茲在高速高帶寬通信、生命科學研究以及醫(yī)療領域、無損檢測領域、安全檢查四個領域中的主要應用進展。太赫茲具有高穿透性、低光子能量、高帶寬等特點，在太赫茲技術的應用中，多以太赫茲的特點為出發(fā)點。根據(jù)其大帶寬高頻率等特點，可以用于超高速的無線通信系統(tǒng)；利用其穿透性的特點，可以應用于表層生物醫(yī)學以及無損檢測成像的太赫茲光譜成像系統(tǒng)；根據(jù)大分子在太赫茲波段具有特征譜的特點，能夠對生物化學過程以及無損檢測中的物質進行光譜識別；根據(jù)其穿透性以及高分辨的特點，可用于人體安全檢查成像的太赫茲安檢系統(tǒng)。展望太赫茲技術的發(fā)展，目前正處于太赫茲技術的快速發(fā)展期，高性能低成本的太赫茲源以及探測器正在以極快的速度發(fā)展，太赫茲技術將繼續(xù)在上述四個領域以及其他新興領域有更加深入以及廣泛的發(fā)展。

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作者信息：

武  帥，屈  浩，涂  昊，馮  輝

(博微太赫茲信息科技有限公司，安徽 合肥230088)