1、太赫兹成像技术发展概述摘要：太赫兹波是指频率为 100GHz10THz 的电磁辐射(1THz=10 12GHz)，因为太赫兹处于电磁波段中特殊的位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能，如瞬态性、低能性、宽带性、非极性物质极强穿透力等。太赫兹波目前在生物医学领域、国防军事通讯、安检无损探测等都有广泛的应用。近十年的研究表明它有非常重要的学术和应用价值,使得全世界各国都给予极大的关注，积极开发 THz 技术及其应用。关键词：太赫兹；成像；探测Review of the Progress of THz Imaging technologyAbstract: Terahertz(THz) wa
2、ves are electromagnetic waves with frequencies between l000GHz to 10THz.(1THz=1012GHz).With its special location in frequency terahertz wave has more particular performance than other waves, such as instantaneous, low energy, broad bandwidth, and pierce strongly through nonpolar matters. Currently T
3、Hz wave has a wider range of applications in biomedicine, national defense and military communications, security and non-destructive detection. Studies over the past decade have shown that it has very important value on academies and applications, which attracted a great deal of worldwide attention,
4、 and thus actively developed THz technologies and its applications.Keyword: THz; imaging; detection引言THz 波通常指的是波长在 3mm30um (100GHz10THz) 区间的远红外电磁辐射, 其波段位于微波和红外之间。 在 20 世纪 80 年代中期以前，由于缺乏有效的产生和检测方法, 人们对于该波段电磁辐射性质的了解非常有限, 以致该波段被称为电磁波谱中的 THz 空隙, 该波段也是电磁波谱中有待进行全面研究的最后一个频率窗口。 近十几年来, 超快激光技术的迅速发展, 为 THz 脉冲的
5、产生提供了稳定、可靠的激发光源, 使 THz 辐射的机理研究、检测技术和应用技术得到蓬勃发展。THz 技术之所以引起广泛的关注, 是由于太赫兹电磁波有其独特的特点, 它在物体成像、环境监测、医疗诊断、射电天文、宽带移动通讯、尤其是在卫星通讯和军用雷达等方面具有重大的科学价值和广阔的应用前景。本文主要综述了太赫兹成像技术在生物医学、空间通信和雷达领域的最新发展概况。1 太赫兹波1.1 太赫兹波简介太赫兹波是指频率为 100GHz10THz 的电磁辐射(波长在 3mm30um)，从频率上看，THz 所处的位置正好处于微波毫米波与红外线光学之间，从能量上看，在电子和光子之间。在电磁频谱上，太赫兹波段
6、两侧的红外和微波技术已经非常成熟，但是处在无线电波和光波之间的太赫兹技术则形成了一个相对落后的“空白” 。THz 的长波方向，主要依靠电子学(Electronics)科学技术，而 THz 的短波长方向则主要是光子学 (Photonics)科学技术，从而在电子学与光子学之间形成一个“THz-Gap” 。这使得研究 THz 时不能完全用光学理论来处理，也不能完全用微波的理论来研究。研究该频段的辐射不仅将推动理论研究工作的重大发展,而且对固态电子学和电路技术也将起到重大促进作用。这一特殊波段的研究近年来取得了许多进展，成为一个引人瞩目的前沿领域 1。尤其是随着超快激光技术的迅速发展，为 THz 波的
7、产生提供了稳定可靠的激发光源及有效的探测手段，在很大程度上促进了 THz 辐射的波源研究、检测技术和应用技术的发展。相对于目前被广泛应用的 x 射线检查，太赫兹技术检测会是一种非常有效的补充措施。可以预料，太赫兹技术的开发和应用将是 21 世纪重大的新兴科学技术领域之一。1.2 太赫兹波特征 2太赫兹技术之所以成为科学前沿关注的对象，是因为太赫兹处于电磁波段中的特殊位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能。1.2.1 与短波长的电磁波相比:(1)THz 波的典型脉宽在亚皮秒量级，可以进行亚皮秒、飞秒时间分辨的瞬态光谱研究，通过取样测量技术，能够防止背景辐射噪音的干扰。目前太赫兹辐射强度能
8、够得到的探测效果，远远优于傅立叶变换红外光谱的探测技术，并且太赫兹技术稳定性也很高。(2) 太赫兹波源通常包含若干个周期的电磁振荡，频带覆盖范围很宽。单个脉冲的频带可以达到 GHz 到几十 THz 的范围，可以在大范围内分析研究物质的光谱特性。(3)太赫兹辐射的产生机制决定了 THz 波具有很高的时间和空间相干性。而运用太赫兹时域光谱技术可以直接测量出太赫兹电场的振幅和相位，更为方便地提取测量样品的相关物理信息。(4)太赫兹波段中正好对应许多特定材料的能隙，他们的太赫兹光谱会存在明显的特征吸收。比如许多有机大分子、违禁易爆品等对 THz 波呈现出强烈的吸收和色散特性；利用 THz 波特有的光谱
9、特征可做指纹识别。所以生物探测、危险爆炸物品检测将成为太赫兹技术重要发展前景之一。(5)THz 波的光子能量很低，约为 x 射线光子能量的 1/10，更是远远低于各种化学健的键能,因此它对活体生物组织不会造成电离损伤。可以应用 THz 技术研究酶的特性、进行 DNA 鉴别等。另外由于水分子、氨分子等大多数极性分子对太赫兹波有非常强烈的吸收，所以太赫兹波不能穿透人体的皮肤，因此即使很强烈的太赫兹辐射，,它对人体的影响也仅仅停留在皮肤表层，而不像微波那样直接穿透到人体的内部。这一点可以应用在对旅客身体以及生物样品的探测检查，可做为 X 射线成像检测手段的有益补充。(6)THz 辐射对于很多非极性物
10、质，如电介质材料及塑料、陶瓷、纸箱、布料、硅片、干木材等材料有很强的穿透能力，可用来对已经包装的物品进行质检或者用于今后的安全检查。THz 波的这些特殊性使发展 THz 技术具有了重要的意义。1.2.2 与长波长的电磁波相比:(1)与微波相比，THz 波的频率则更高,相同条件下通信传输的容量可以更大，因此在作为通信载体时，单位时间内 THz 波可以承载更多的信息量，同时由于太赫兹波的波长更短，实施同样的传输功能的情况下，可以把天线的尺寸做得更小，那么相应的系统结构及设备也可以做得更简单、更经济，从而节省成本。(2)由于 THz 波波长更短、波束更窄，它的方向性要远远好于微波，成像应用中则具有更
11、高的空间分辨率，或者在保持同等空间分辨率时能够具有更长的景深。这一点可以用来探测更小的目标，在天文及军事领域可用于更精确地定位。(3)与微波相比，THz 波具有更好的保密性和抗干扰能力。综上这些优势，THz 在中短距离、高容量、无线通信技术中具有很强应用潜力。2 太赫兹波应用这些独特的性质赋予了 THz 波广泛的应用前景，使它在在基础研究、天体物理学、等离子体物理与工程、材料科学与工程、生物医学工程、环境科学工程、光谱与成像技术，乃至现代通信技术等领域都展现出巨大的应用潜力。目前，国内外众多科研机构相继开展了 THz 技术的研究，在工业领域，已有数百公司参与或资助了太赫兹的研究工作,他们则是瞄
12、准了太赫兹有“无损伤探测”的商业利用价值。国内外众多机构在THz 技术应用领域的研究己取得了许多有价值的成果。2.1 生物医学领域由于生物体对 THz 波具有独特的响应，DNA、RNA、蛋白等重要生物大分子的旋转及振动能级多处于 THz 波段，因此可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定乃至精确操控和调节，不仅可以获得目标样品的轮廓信息，还可以对其成分进行分析。此外，THz 波对组织有一定的穿透能力，同时具有较高的时间分辨率和灵敏度，信噪比高，频率极宽，能量只有 X 射线的百万分之一，不会引起生物组织的光离化，在生物医学成像方面非常安全，适用于生物医学成像 3。这些特殊优势提示 THz 波的应
13、用可能为生物医学研究带来革命性进展 4-5，因此，THz 波一经产生就成为生物医学研究焦点。2004 年，美国政府将 THz 科技评为“改变未来世界的十大技术”之一；日本于 2005年 1 月 8 日更是将 THz 技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，并将太赫兹生物医学应用列为主要方向之一，举全国之力进行研发；欧洲、亚洲、澳大利亚等国家和地区政府、机构、企业、大学和研究机构纷纷投入到 THz 生物医学应用的研发热潮之中，向“太赫兹生物医学空隙”发起挑战。国际上已经开展的太赫兹技术在生物医学中的应用包括疾病诊断 6，蛋白状态识别，检测受体绑定，无标记 DNA 测序，生物组织对太赫兹波的吸收
14、及其差异机制，对生物样本和生物过程的辐射影响等 7。这些研究的本质均在于研究太赫兹波与生物介质的相互作用并揭示其内在机制。一方面研究太赫兹波经过生物样品后波谱信息本身的特点，获得特征性物理参数(波谱指纹)，成为生物大分子、细胞乃至病理或生理组织的波谱学检测标记，对样本进行物质识别或反应过程解读，并可进一步利用波谱差异或强度差异结合一定的数学方法实现多种成像；另一方面研究太赫兹波经过生物样品后生物样品的变化，获得生物性质变化指标，以研究太赫兹生物效应及其安全性或开发特殊的应用方式。这两方面的研究，前者可归纳为“太赫兹生物表征研究” ，后者可归纳为“太赫兹生物效应研究” 。两类研究相同点在于其核心
15、内容均为太赫兹波与生物介质的相互作用，包括从生物分子到亚细胞结构、细胞、组织、器官、系统、个体等至少 6个尺度的研究范围，均依赖于太赫兹技术本身的进步，均有待在不同检测环境(在体、离体、液相环境等)下获得发展；不同点在于检测分析手段不同，获得的数据不同，研究的出发点和应用的发展方向不同。下面将对太赫兹波生物表征技术研究进展做简要综述。太赫兹波生物表征技术主要包括波谱检测和成像技术两大方面，而成像方法往往又依赖于成像对象的特征性太赫兹波谱信息，因此，被测物质的波谱特征成为太赫兹表征研究的重点。生物分子检测方面，太赫兹波对糖、脂类、氨基酸乃至蛋白质的分子构像 8、状态以及水分子与蛋白质间相互作用十
16、分敏感。Kikuchi 等 9首次利用变角 THz-TDS(Time-Domain spectroscopy System)测定 L-半胱氨酸和 L-组氨酸的氨基酸单晶体；Plusquellic 等 10利用 THz-FTIR(Fourier Transform Interferometer)技术检测不同晶型的多肽，获得了明显不同的 THz 波谱，并且发现短链晶型的多肽在 THz 波段有明显的特征吸收；中国北京大学 JunhuiXue 等利用 0.2 THz2.25 THz 波段时域光谱仪检测了糖-金属复合物的太赫兹吸收光谱； 中国西安光机所 Zhuanping Zheng 等 11报道了L-
17、丙氨酸在 0.5 THz4.0 THz 之间的光谱吸收特征。蛋白质太赫兹检测方面，2000 年开始出现了太赫兹 TDS 系统被应用到蛋白质检测的文献报道。目前，对生物大分子的检测大多还仅限于物质识别阶段，虽有少量分子动力学方面的研究，如碱性磷酸酶活性和抗原抗体远距离相互作用的太赫兹检测等 12，但运用太赫兹技术进行微量乃至单个生物分子静态结构和动态反应过程的研究仍有很长的路要走。在特定生物组织检测方面，国际上众多研究机构对人体或模式动物在进行正常组织太赫兹特征研究的同时还进行了病变组织的诊断学研究。英国利兹大学 Fitzgerald等对健康志愿者捐献的血液、横纹肌、皮肤、脂肪、静脉甚至神经组织
18、进行了 0.5 THz2.0 THz 之间的太赫兹折光率和吸光系数检测，研究结果发现太赫兹检测对人体不同组织具有良好的辨识度，初步证实了临床在体检测或成像研究的可行性。近来较多的研究报道了 THz 光谱与成像可在肿瘤切除后对乳腺癌、皮肤癌、结肠癌、肝癌、口腔疾病等的病理学性质进行快速判定， 其中乳腺、皮肤、口腔等浅表器官的病理组织检测已经开始进行在体研究， 美国 TERAVIEW 公司推出了在体反射式组织病理检测试验性样机。此外，太赫兹波生物检测技术还用于药物分析、药品质控、药代动力学乃至外科手术材料研究。中国河北大学的 LiD 等利用太赫兹波尝试分析了二氢吡啶类钙离子拮抗剂 Azelnidi
19、pine 的晶体结构；中国科学院 YupingYang 等 13与美国俄克拉荷马州立大学联合进行了中药复方金雀异黄素和鹰嘴豆芽素 A 的太赫兹光谱特征。目前，全谱段太赫兹波的产生和检测仍需交替使用多种技术分段加以实现，在未来，有望使用某种单一技术(如等离子技术)实现全范围太赫兹波，太赫兹生物检测系统光源将会向更宽的覆盖范围和更强的功率方面发展。随着太赫兹波高分辨率、高灵敏度近场成像，溶液检测乃至在体成像方法的不断研发，太赫兹波在生物医学中的应用具有更大的空间和更好的前景。2.2 国防军事通信太赫兹技术在国防和军事通讯领域的应用业已受到各国的高度重视，并且已成为抢占军事技术制高点的重要战略。主要
20、应用于卫星间保密通信、新型反隐身雷达和无损探测等方面。2.2.1 空间通信在外层空间中，太赫兹波是很好的宽带信息载体，它比微波能做到的信道数多得多，THz 用于通信可以获得 10GB/s 的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，极高的带宽可以实现低损耗的传输。用很小的功率就能实现远距离空间保密通信。同时，相对于目前的空间通信技术来说，太赫兹波在远距离的空间通信中具有更好的方向性，并且天线系统可以做得趋于小型化和平面化，特别适合卫星间、星地间的保密通信 14。与光通信相比，它不会受到人眼安全功率限制，也不会遇到强度调制/直接检测(IM/DD)灵敏度不足和相干通信设备复杂的难题。工作
21、在太赫兹频段的自由空间光学设备可以将无线波和可见光的优点结合起来，在中短距离高容量无线通信中具有很好的应用潜力，是无线通信在 500 MHz5 GHz 频段资源日趋稀缺后的热门频段。国际电信联盟已指定 0.12 THz 和 0.22 THz 的频段分别用于下一代地面无线通信和卫星间通信；并在 2012 年世界无线电通信大会(WRC-12)明确指出未来 275 GHz3 000 GHz 之间频段资源可提供登记使用 15。2.2.2 太赫兹雷达太赫兹技术应用于雷达中将为现代军事探测技术提供独特的优势。首先，太赫兹波相比微波波长更短，对目标散射特性刻画能力更强；太赫兹雷达的载频频率高，更容易发射大带
22、宽信号，从而具有极高的分辨率特性，可以实现更小尺寸目标的探测、更高分辨率的雷达成像、更精确的目标运动与物理参数反演。其次，太赫兹频段易于实现极窄的天线波束。在相同天线尺寸下太赫兹波的波束要比毫米波、微波的波束窄得多；太赫兹频段提供的极窄天线波束，可以获得更高的天线增益和角跟踪精度，同时，极高的角分辨率也大大提高了多目标识别和分辨的能力。第三，相比激光，太赫兹波穿透烟雾、浮尘、沙土的能力更强，且对空间高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏感，因此太赫兹雷达可用于复杂环境作战与空间高速运动目标探测；相比微波雷达，基于固态电子学器件的太赫兹雷达收发系统容易小型化，适合于星载与弹载平台。2000
23、年，美国马萨诸塞州立大学亚毫米波技术实验室(STL)与美国陆军国家地面智能中心合作，研制了一套频率为 1.56 THz 的小型雷达系统16。该雷达系统主要用于测试典型战术目标的缩比模型(按照电磁波的波长比例缩放)，包括 T80 坦克、F16 飞机、BMP-2 步兵战车、米格-29 飞机等。图 1 为 F16 四十八分之一缩比模型和 T80 坦克缩比模型的成像结果。从缩比模型的测试结果得到了实际目标在 W 波段的雷达散射截面(RCS)，说明可以利用 THz 雷达对毫米波/亚毫米波段的战术目标缩比模型进行探测，从而利用 THz 雷达可以实现对实际目标的探测和成像 16。图 1 上图为 T80 坦克
24、缩比模型(对应 W 波段)以及 THz 雷达成像结果；下图为 F16 的缩比模型(对应 Ka 波段)及 THz 雷达成像结果。2006 年美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)研制成功了具有高分辨率测距能力的 THz 雷达成像系统。当目标距离为 4 m 时，一维测距分辨率大约为 2 cm 17。2008 年，在国际空间 THz 技术研讨会上，该实验室又报道了改进的三维成像探测系统，其成像分辨率小于 0.6 cm，4 m 距离上的测距分辨率约为 0.5 cm18。2012 年，JPL 实验室 K. B. Cooper 等人利用 675 GHz 扫描成像雷
25、达探测隐藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。实验表明，对厚衣服下面危险品成像的质量取决于雷达信号的载波噪声而不是雷达接收器的热背景噪声，这说明高能量信号源或者低噪声接收机不会提高雷达穿透力。因此，以后的研究方向应着眼于通过改善后端电子架构来降低太赫兹相位噪声或者以牺牲分辨率为代价使用低频信号 19。图 2 上图为光学照片；下图为 THz 雷达三维重构图(左图中，轴承滚珠放置在塑料容器中；右图中，该容器隐藏在衣物里面)2010 年，美国马萨诸塞州立大学亚毫米波技术实验室(STL)进行了逆合成孔径雷达成像实验 20。该系统采用 THz 量子级联激光器(QCL)为发射器，THz QCL 的工作频率为 2.4
26、 THz，光学抽运分子激光器为本地振荡源，采用两个肖特基二极管混频器分别用作接收器和参考信号通道，从而获得高分辨的缩比模型及隐匿物体的图像。随着 THz 源和探测器性能的不断提高，THz 技术在军事领域的应用正逐步深入。目前，世界各国均在大力发展自己的 THz 技术。由于 THz 波自身的优点，相比传统雷达，THz 雷达分辨率高，适应环境能力以及反隐形和抗干扰能力都很强目前的研究趋势是，从低频到高频，从一维到多维，从扫描到快速，最终开发出成熟的 THz 雷达系统，这对国防和国家安全具有重要意义。由于 THz 只有几毫电子伏特的光子能量，在安全的无损检测方面也有很好的应用前景，尤其是对一些塑料泡
27、沫等绝缘材料内部的缺陷和裂痕等进行无损检测和清晰成像，在航空、航天等重要结构材料的检测和评估方面具有重要的应用价值。目前用 THz技术来对进行有效的无损探伤。已成为航天发射中重要的重要技术之一。如今，美国宇航局已采用张希成教授研制出来的“非损伤探测”成果，用来对航天飞机燃料舱的隔热材料等进行缺陷检测。此外，太赫兹还可用于大规模集成电路的质量检测、半导体工业领域等,如可拍摄到封装在 IC 芯片中的封装的金属引线的连接状况等。2.3 安检质量控制在安全检测和质量控制应用中要考虑到两个重要因素:其一，THz 辐射不能穿透金属，金属表面几乎可以 100% 的反射太赫兹辐射，因而 THz 波不能用于探测
28、金属容器内的物体，但可以用于对隐藏金属武器探测；其二，极性物质(液态水等)对太赫兹波有强烈的吸收，当探测如树叶、生物组织等含有水分的物质时，可表征水分的含量和分布，因而可用于生物医学成像和光的检测等。况且被吸收后 THz 对人体的影响也仅仅限于表皮而己，对人体毫发无损，可安全应用。太赫兹辐射处于亚毫米波量级，由于自身的特殊性质，利用太赫兹波而研制的大型安检设备可成为当前应用设备的有效补充，在有些方面可以取代旧有设备。比如由于太赫兹波的强穿透能力和低辐射性，随着技术的成熟，太赫兹成像就可以完全替代X 射线透视、CT 扫描等用于医学检测。在材料无损监测、要害部门的安检和生化武器检查等领域也越来越多
29、的用到了太赫兹技术。由于太赫兹辐射对很多非极性物质，如塑料、纸箱等包装材料有很强的穿透能力，并且低辐射性，可以放心用来对己经包装的物品进行质检或者用于非接触、无损伤地探测特殊物质，如隐藏的炸药、毒品、武器等安全检查 21。2005 年 N. Karpowicz 等利用 0.2 THz 耿氏（Gunn）振荡器作为连续波 THz 源、肖特基（Schottky）二极管作为探测器构建了 THz 透射和反射成像系统，并实现了公文包内隐藏刀具的透射成像。在 2006 年的激光与电光学会议（CLEO 2006）上，美国Picometrix 公司报道了一种脉冲式 THz 成像仪 QA-1000，由于采用了脉冲
30、源，可以同时得到 THz 辐射与物体相互作用的光谱信息，具有物质鉴别能力，当然该系统的光学复杂度较大，扫描速度需要进一步提高。近年来，采用其它连续式 THz 光源的系统也相继出现，如 A. Dobroiu 等人选择返波管（BWO） ，由于 BWO 的输出波束具有较高的质量和功率，图像的分辨率和信噪比相应提高。最近，量子级联激光器（QCL）和自由电子激光器（FEL）与焦平面阵列探测器联合实现实时成像的 THz 系统也被提出。但是，BWO 和 FEL 这两种辐射源均比较笨重，QCL 需要在低温环境下工作，这些因素将限制它们的应用范围。为了检测无特定形状的违禁品，必须依据该类物质自有的物理或化学特性
31、，比如双能 X 射线成像技术根据有效原子序数和电子密度来鉴别是否存在可疑物质，但对于种类繁多的有机物，仅通过上述两个物理量仍无法实现准确鉴别，更有效的方法应该具有在分子水平识别物质的能力。由于 THz 光谱为分子的构象提供了唯一的标识信息（指纹谱） ，很多研究人员通过实验和理论模拟探索了根据 THz 光谱检测违禁品的可行性，证实了常见爆炸物和毒品在 THz 波段有特征吸收。炸药及其相关材料的 THz 光谱特性从 2003 年开始已有陆续的报道，最近 Chen 等应用 THz 时域谱分析（THz-TDS）技术测量了 17 种常见爆炸物在 THz 范围内的光谱特征，对于构建该类材料的光谱数据库具有
32、重要的参考价值。在毒品检测方面， Davies 在文献综述了可卡因、海洛因、吗啡和苯丙胺类毒品的 THz 光谱分析，指出它们中的绝大多数都存在特征吸收。此外，由于常规材料（如衣物、塑料、纸张等）对于 THz 辐射几乎是透明的，而且光谱没有特征，即使爆炸物和毒品被隐藏起来，它们的光谱特征也同样会呈现出来。在日常生产中，THz 也可用于污染物检测、其他生物和化学物质的探测，被用于农药残留检测、食品加工过程和食品储藏保鲜时的监控等22。随着 THz 光谱成像技术的广泛趋于实用，该技术将会在安检和质量控制领域发挥巨大作用。除此之外，太赫兹技术还可用于大气污染检测、射电天文研究、建筑材料检测、化学工程领
33、域等。3 总结THz 成像技术是一个非常重要的交叉前沿领域，给技术创新、国民经济发展和国家安全等方面的应用提供了很好的选择。在医学应用领域方面，太赫兹波本身所具有的非电离性和对人体较低的穿透性等优点，使得太赫兹技术在医学应用上实现了组织的快速、无损诊断，减少了等待组织病理学检查的时间。尽管太赫兹技术在医学检测和诊断方面上的应用还处在发展阶段，但是太赫兹技术在临床应用方面已展现出广阔的发展前景。通过对太赫兹理论和组织差异机制的全面研究，新的太赫兹技术手段将在医学领域发挥巨大潜力。由于太赫兹技术的医疗器械已经不断发展进步，使得太赫兹技术在临床上的应用具有可行性。随着技术的不断进步，更精密、价格更合
34、理的仪器设备将得到商品化和普及应用，太赫兹技术提高医学检测和诊断水平，更好地为人类健康服务。我国在太赫兹技术方面整体起步较晚，姚建铨院士等于 2005 年 12 月主持召开了我国第 270 次香山会议，首次探讨了“太赫兹科学技术的新发展” ，填补了我国在太赫兹领域的空白，并计划到 2015 年我国在 THz 波谱技术等关键技术上取得重大成果。而具体到太赫兹生物医学应用领域的实质性研究工作仍凤毛麟角，特别是在太赫兹生物效应研究方面，国内尚属空白。从总体上说，我国太赫兹生物医学应用研究的规模和水平都十分有限，缺乏统一合理的战略规划和有效、系统的重点项目支撑。可喜的是，随着国内物理学界和生物医学界对
35、这一全新领域的认识水平和重视程度的不断提高，相信越来越多的太赫兹生物医学研究项目和成果即将涌现。由于 THz 技术潜在的优势，其在军事领域有巨大的应用价值。THz 波所处频段避开了传统隐身材料的吸收频段，有利于隐身目标的探测，因此，THz 频段必将成为雷达成像领域极具研究和开发价值的新频率资源。而将 THz 成像系统与无人机系统相结合，也有望实现在战场对敌隐蔽武器系统和人员的探测与识别，并且对于无人机载 THz 成像系统已有初步的研究和论证 23。可以归纳太赫兹技术发展趋势如下: (1) 越来越多的国家大力发展太赫兹技术，如美国、德国、日本、英国等，目前已经在全世界范围内形成了一个太赫兹技术研
36、究高潮； (2) 随着单元技术的成熟，太赫兹技术逐步从元器件研制走向系统集成，世界各国逐步开始针对不同的军民应用研究相应的太赫兹系统； (3) 高分辨太赫兹雷达与成像、高速大容量太赫兹通信系统已经成为太赫兹技术空间应用的重要发展方向，获得各国的大力支持，在成像识别、星间高速大容量数据通信、太赫兹频谱监视等方面具有良好的发展前景。在公共安全领域，由于 THz 成像可以有效地分辨爆炸物、生化制剂以及枪支刀具等危险物品，并且其光子能量低，不会对人体健康造成影响，因此可作为传统安检手段（如 X 光检测仪、拱形安全检测门和手持金属探测器等）有力的补充，用以对危险物体和目标的预警和识别。用于警方车载巡逻系
37、统，可及时发现人群中携带危险武器者。THz 成像技术为无损探伤提供了新的技术途径。相对于传统探测技术，其可以探测更为细小的目标，定位更加精确，特别是 SAT 技术更可对目标进行三维立体成像，因此可精确确定损伤位置。该技术是对传统无损探伤技术的有力补充。THz 辐射用于安检研究尚处于实验室的阶段，将这一技术真正应用于实践主要面临如下几方面的挑战：（1）现有实验装置采用的宽频带脉冲式 THz 辐射源的功率较低，这将限制 THz 辐射对待检物体的穿透性。例如，在我们的透射式 THz-TDS 实验中，爆炸物样品的厚度都很小（1-2mm） ，这正是考虑了穿透性的因素。为了避免无法穿透的情况，在实际应用中
38、可以采取反射方式测量，但过厚的遮挡层也会对 THz 辐射造成较大的衰减，因此更为有效的解决途径是使用功率更高的辐射源。 （2）THz 谱成像技术的检测速度还有待进一步提高。目前所采用逐点扫描成像方式，大大限制了成像速度。缩短成像时间的解决办法有利用大面积电光晶体与 CCD 相机实现实时成像。 （3）周围环境的干扰会对 THz辐射带来影响，其中一个主要因素是空气中水蒸气的吸收。在实验室内部降低水蒸气含量的办法通常是对实验系统充以干燥的氮气，这在实际应用中是不现实的。由于分子转动能级的跃迁，水蒸气只对某些特定频率的 THz 辐射存在吸收，所以一种解决方法是只利用通带内的信号，但有效信号的减少势必引
39、起检测灵敏度的降低；对于光谱振荡现象，则可以采用相应的滤波算法做初步处理，但算法的性能还需提高。 （4）太赫兹发射与接收系统还需要向集成化、小型化和低成本的方向发展。 （5）对于可疑物品被金属遮挡的情况，THz 成像则无能为力，这时需要联合其它的检测技术，如金属探测器或者毫米波成像。面对安检和反恐的迫切性，国际上相关领域正在积极地开展研究以解决这些问题，并不断取得新的进展。可以预见，随着技术的进一步完善，THz 谱成像技术将成为安检领域技术发展与设备创新的生力军。实践证明，在安检领域没有一种技术方法是万能的，针对不同的检查目的和应用场合应该选用不同的方法，或者联合使用几种方法。将 THz 技术
40、与现有安检技术相结合是一种有效的解决方案，例如利用 X 射线与 THz 辐射联合检测，能够实现两者在检测速度和物质识别能力之间的优势互补。THz 成像技术发展至今只有十几年的时间，总体来看，多数应用还处在实验室阶段，真正的大规模实用化应用还没有开始。实用化的 THz 成像系统必须满足实时性、高灵敏度、高分辨率、高稳定性、低成本和便携性等要求，而成像速度和空间分辨率是制约 THz 成像系统走向实用化的主要因素。随着科学技术的进步和关键领域的技术突破，相信在不久的将来，THz 成像技术将走出实验室，走向实用化，并大大扩展其应用领域。参考文献：1 佐建军.Thz 技术及其应用研究J.中国安防,200
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