1、题 目：太赫兹技术应用浅谈 授课老师：史琰 学 院：电子工程学院 专 业：电磁场与无线技术 学生姓名：张秋实 学 号：02116013 太赫兹技术应用浅谈摘要：太赫兹频段介于红外光波与毫米波之间，是电磁波谱中的重要频段。太赫兹技术已在生物医学和空间领域展示出良好的应用前景。通过空间太赫兹频段观测可以获得丰富的气象信息、大气信息和深空科学信息。基于太赫兹链路的高频段通信有望突破等离子体黑障的限制，实现无中断的测控通信；高速率小型化的太赫兹通信终端是实现卫星网络的理想选择。太赫兹雷达在航天器自身防御及空间弹道目标预警领域将显示出独特的优势与价值。新技术的发展广泛激发了研究太赫兹波与生物分子和组织间
2、相互作用的兴趣。与此同时，尽管太赫兹技术得到了广泛应用，人们对太赫兹辐射的生物效应却知之甚少。可以肯定，与高能辐射(如紫外线、 x 射线、伽马射线等)和生物组织的相互作用所引起的生物损伤相比，太赫兹辐射将引起独特的非电离非热生物效应。本文介绍了生物介质的太赫兹波表征技术研究和生物效应研究，总结了太赫兹技术在生物医学中的最新进展，进一步分析了太赫兹生物医学未来的发展和所面临的关键科学问题关键词：太赫兹；空间探测；太赫兹雷达；生物效应；表征技术；太赫兹生物医学；太赫兹生物医学空隙1一 空间科学探测中的太赫兹技术伴随着科学技术的进步，人类已经将科学探索的领域从自己生存的地球转向浩渺的宇宙，宇宙的开发
3、需要大量的信息支撑，太赫兹以它独特的频段特性，有很大的开发潜力。 、1.1 太赫兹抗黑障干扰测控通信技术航天器的再入段的测控技术是航天任务的要害环节，载入航天器穿越稠密的大气层经历的黑障现象严重威胁着航天任务的安全；空天飞行器为了实现两小时的全球到达，需要持续10 倍左右音速穿行于临近空间，同样面临着黑障的问题。飞行器再入稠密大气，舱体与周围空气发生剧烈摩擦，形成温度高达数千摄氏度的高温等离子鞘套，等离子鞘套中的等离子共振频带很宽，对现有无线电通信波段发生强烈吸收和反射，形成电磁屏蔽。导致飞行器与地面控制中心失去联系，同时雷达电波被等离子鞘套吸收导致雷达无法发现返回舱的踪迹，故这个测控通信的盲
4、区被称为“黑障区” 。提升通信载波频率是解决黑障问题的有效措施。等离子体鞘套的电磁特性随着飞行器的速度和飞行环境的变化而变化，依据其中电子密度、等离子体角频率、碰撞频率等电特性参数，可以确定等离子体对在其中传输的电磁波产生的作用。等离子体电子密度 n(cm)与空气密度和等离子体区温度有关，飞行速度越高，鞘套内电子密度越大1 等离子体中电子受外力会偏离平衡位置，在分离的正负电荷电场力牵引下产生复合振荡过程、 ，其振荡频率称为电子等离子体振荡频率，为某一等离子体环境的固有参数，与等离子体电子密度关系如下式中：e 和 m 分别是单电子的电量和质量；sn 是真空中的介电常数。碰撞频率用来度量电子在等离
5、子体内与中性粒子的碰撞速率，反映等离子体对电磁波信号的损耗程度。该参数与空气密度和温度有关，表示为式中：C 为真空中光速；P 为海平面标准大气压下的空气密度；P 为飞行高度处的空气密度；T 为温度。由电磁场基本理论可得某环境中电磁波的波数表达为式中：a 为吸收系数；b 为相位系数；w 为载波角频率； uo 为真空磁导率；cr 为等离子体介电系数。吸收系数与各参数之间存在重要关系：分析可知，当无线电频率小于或等于等离子体频率时，等离子体呈导体特性，电磁波在其中传输时严重衰减，并在等离子体周围空气界面形成强反射；反之，当远远大于时，电磁波在等离子体中传播时相当于在自由空间中传输，吸收和反射非常小，
6、如果使用这个波段的电磁波作为通信载波，就可以顺利穿透等离子体，不会造成通信黑障。美国较早关注了黑障区通信问题，并系统研究了载波频率选择对消除黑障作用的影响。早在 20 世纪 60 年代，美国便开展了“无线电衰减测最”(RadioAttenuationMeasurements，RAM)实验，结果表明随着载波频率的提升，黑障区高度及时问均被明显压缩，与理论吻合很好。但是限于当时技术条件，测试频率的高端仅达到 x 波段，且并不能完全消除黑障现象。目前正存开展 Ka 频段的测控通信研究，但不能有效穿透极端条件下的等离子鞘套。进一步将载波提升到太赫兹频段，可望突破黑障现象。假设均匀等离子体鞘套的简单情形
7、，假设电子密度=210m 一，碰撞频率 10Grads ，等离子体鞘套厚度分别为 lcm，6cm，l0cm3 种情况，仿真得到功率透射谱如图 5 所示，可以清晰看到，在极高频 (EHF)以上，进入太赫兹频段，衰减小于3dB，所以提升通信频率至太赫兹波段有望实现突破黑障的低衰减率通信。现阶段直接使用太赫兹频段 进行通信存在一些困难，主要是太赫兹波段在近地富含水汽的稠密大气中损耗过大，可达 100dB km 量级，加之高功率太赫兹辐射源技术不成熟，例如工作于太赫兹波段的连续波真空电子器件功率仅达到瓦特量级，基于半导体工艺的片上器件平均功率仪为百毫瓦左右，难以支持地面站至再入航天器和空天飞行器的通视
8、链路，需要考虑使用空天平台在对流层以上的空间中进行中继。空天平台包括跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)、临近空间气球飞艇等。对于需要在本土回收的航天器，可以在着陆场部署多个临近空间气球飞艇构成中继测控网，搭载太赫兹波段的通信测控终端，与再入航天器进行无间断的通信，并与地面站使用传统无线电波段进行信息的传输，以实现对再入航天器的全程测控，如图 6 所示，中继测控网络构形、自适应覆盖都是需要开展研究的课题；对在全球范围执行任务的空天飞行器，可以使用多平台接力中继方式或平台中继卫星复合测控方式，保证其在飞行的任意弧段可以完成无间断的通信业务。图为不同厚度均匀等离子体鞘套模型的功率透射谱1.2 航天
9、器载来袭威胁告警雷达随着航天活动的持续增加，空间碎片数量激增，已发生多起航天器被空间碎片毁伤的案例。大型空间碎片，尺寸在 10CITI 以上，可对航天器造成毁灭性撞击，这类碎片已可实现地面监控和编目；中型空间碎片，典型尺寸为 1mm 一 10cm，典型质蛙 1mg1kg，无法进行地基探测，且航天器本身的加固防御不足以抗御。据统计，目前尺寸大于 11TIFfi 的空问碎片总数已超过 4000 万个，面对数量如此巨大的危险碎片，地基探测等远程探测手段无论从探测能力和监控处理能力上都不能满足实际需要，设法研究天基直接探测告警技术是实现卫星主动规避风险的有效手段。此外，卫星本身也是敌方直接攻击的目标。
10、近年来用于攻击卫星的动能拦截武器(KineticKillVehicle，KKV) 得到迅速发展，它们使用自身高速飞行带来的动能撞击杀伤目标，效益比爆炸性攻击武器还高，例如 TNT 炸药含能为 46MJ kg，而以 l0kms 速度飞行的KKV 含能可高达 50MJkg ，因此 KKV 不需要装载爆炸物，体积显著减小，机动性极大提升，对卫星的生存造成重大威胁，及早发现来袭的 KKV 是卫星在战场环境生存必须解决的问题。地面监控设备对体积小、速度快的 KKV 武器难以做到及时准确的定位，必须发展卫星主动探测技术满足卫星主动防御需求。使用高频段的星载太赫兹雷达进行探测和告警可以提高卫星在来袭威胁下的
11、生存几率。虽然太赫兹雷达在地面应用还存在一些限制，但是在没有大气吸收的空问环境中，太赫兹雷达可以充分发挥其优势。空间碎片和 KKV 的运动速度都极快，设计以侦测空间中小碎片和预告来袭威胁目标为目的的太赫兹雷达系统，需要考虑实现较远探测距离以给解箅和规避留出充足时间余量。使用传统微波雷达，由于波长较长，当目标直径 d 与载波的尺度满足 7rdAO 6 时，目标呈现瑞利散射，其有效散射面积(RadarCrossSection ，RCS)表达为而使川太赫兹波段载波时，显然不满足瑞利条件，目标对太赫兹雷达呈现光学特性，故可以有效增大雷达目标的 RCS，RCS 表达为故相同的目标在太赫兹波段具有更大的
12、RCS，使用相同功率的太赫兹雷达有助_丁提高对日标的探测距离。结合太赫兹器件的发展趋势，合理化选择器件参数口引，假设使用300GHz 载波的宽带脉冲雷达，发射脉冲峰值功率 5Mw，带宽 1GHz，发射一接收天线直径为 300mm，探测灵敏度为一 84dBm（300K1） ，则可以得到不同尺度目标的最大探测距离。可以看出，对于较小目标，如尺度 10ClTI 以下的空间碎片，太赫兹雷达探测距离可以达到数十千米，这为及早发现潜在威胁，进行评估并采取措施提供了便利；对于较大目标，如尺度 30ClTI 量级的 KKV，探测距离接近 100km，以相对速度 10kms 计，太赫兹预警雷达可以给航天器提供约
13、 10S 的反应时间，结合高速运算和规避能力，可以极大提升航天器的对抗与生存能力。图为不同尺度目标的探测距离1.3 天基弹道目标中段预警随着战争的需要，人类战场已经由领土、领海和领空延伸到了太空。来自太空的战争威胁日益严峻，特别值得关注的是远程弹道导弹，它们射程远，速度快，飞行中段高速穿越近太空，可携带核弹头，破坏能力强，是战略大国之间制衡的重要武器，也是弱小国家保护自己的终极手段。为了防备导弹攻击，各国都在完善自己的防御体系，防御体系中非常重要的部分为实现探测、跟踪的预警系统，使用卫星搭载敏感器进行导弹目标的探测，可极大拓展探测范围，延长预警时间。弹道导弹的飞行过程分为主动段、中间段和再入段
14、，现有的导弹预警体系，主要使用地基雷达发现主动段起飞的导弹目标，同时使用天基光学敏感器探测主动段高层的火箭尾焰 14546。但是当导弹进人飞行中间段，火箭停止工作，弹箭分离，弹头红外特征明显降低，同时导弹释放出许多干扰目标作为诱饵与真实弹头按照同样速度和轨迹进行飞行，极大提升了突防概率。故提高中间段探测概率和目标跟踪、识别能力，是提升反导能力的关键对中间段目标的高效跟踪，需要高精确度的雷达系统，地基雷达受限于其视线角，难以进行更长航段的跟踪，且雷达波受地球大气衰减作用，对空间目标的探测距离受限；使用星载太赫兹雷达进行跟踪，可以拓展跟踪范围，同时避免大气层的影响，短的雷达载波带来更高的分辨率，可
15、以降低漏警率。中间段预警面临的另一挑战来自诱饵的干扰，诱饵有多种形式，主要分为轻诱饵和重诱饵，轻诱饵包括悬浮颗粒、金属箔片、金属丝、箔条、喷涂金属薄膜的碳布气球等，重诱饵也称假弹头或假目标，具有与真弹头相似的外形和雷达散射特征。轻诱饵依照外形和空气动力学的差别，可以通过雷达散射特性的差异来区分，最迟也可以在再人阶段通过大气的作用来筛选。重诱饵是最为危险的威胁，必须在中间段利用技术手段进行有效的区分。真假弹头虽然外形相同，但是实际上其质量、质量分布具有很大差异，这就造成了其运动状态的差异，例如弹箭分离后的翻滚状态及自旋，由于真假弹头的质心分布不同，其旋转、翻滚、进动的运动参数将呈现差异。同时真弹
16、头为实现对目标的鉴别和攻击还要进行一系列特征机动，包括改变鼻锥指向等，这都是假弹头不具备的，这些也成为使用雷达区分真假目标的判据。真假弹头之间以及真弹头本身的主体和非刚体振动、转部件回波信号混叠在一起，低分辨雷达不能用于提取其结构特征。太赫兹波段的宽带雷达对目标回波中微小的多普勒变化更为敏感47-49，对微动目标的测量可以反演出其独特的运动和结构特性，例如，弹头细微的自旋现象以及进动动作。由于多普勒频移反比于雷达波长，对于同样幅度的自旋，太赫兹频段产生的多普勒频移约为 x 频段的 20 倍以上，这样便能够从微动目标多个时刻的宽带雷达成像结果中获取其姿态和结构信息；另一方面，太赫兹频段合成孔径雷
17、达(SyntheticApertureRadar，SAR)的成像分辨率远高于微波雷达，直接使用太赫兹雷达对目标进行成像，可以得到目标 j 维信息，这样可以直接解读出目标的姿态状态，通过判读，可以通过其特殊的姿态从众多目标中区分出真弹头，提升了预警系统的作战效能二.太赫兹技术在生命医学中的应用2.1 太赫兹波生物表征技术研究进展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、状态以及水分子与蛋白质间相互作用十分敏感。Ki
18、kuchi 次利用变角THzTDS(TimeDomainspectroscopysvstem) 测定 L 一半胱氨酸和 L组氨酸的氨基酸单晶体；Plusquellic 利用 THzFTlR(FourierTransformInterferometer) 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71 利用 02THz 225THz 波段时域光谱仪检测了糖一金属复合物的太赫兹吸收光谱；中国西安光机所 ZhuanpingZheng 等报道了 L 一丙氨酸在0 5THz4 0THz 之间的光谱吸
19、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 l1。德国鲁尔大学研究人员利用太赫兹波清楚地观察到水分子与蛋白质之间的相互影响和相互作刚 l2。，发现太赫兹波可检测到不同温度、不同浓度下蛋白质与水之间相互作用的差异，测量并预计蛋白质对水分子的影响距离约为 15A20A；俄罗斯 NNBrandt 等 l_利用太赫兹波检测蛋白内氨基酸和冠醚的相互作用，以预测蛋白功能改变，在 1-3THz，21THz 和 23THz 均发现冠醚特征峰；美国麻省理工学院 KeithJohnson 等_2_2_ 研究了生物结合水纳米团簇的太赫兹振动特性，认为水纳米团
20、簇是影响蛋白折叠和药物攻击癌细胞 DNA 效果的关键因素。法国里尔大学 AbdennourAbbas 等 l2 利用集成太赫兹电路方法，设计了生物微型机电系统 BioMEMS(BiologicalMicroElectroMechanicalSystem)，可测14THz0 22THz 内检测频率，已用于离体一氧化碳合酶活性的活性检测，并在受伤水蛭的神经轴索周同实时测量了一氧化氮合酶的活性，为在体神经损伤探测提供了新的可能方法。蛋白质的动态结构变化也是太赫兹探测的重要靶标，美国纽约州立大学的 YunfenHe 等241 利用太赫兹时域光谱系统研究了 m 红蛋白不同氧化状态的分子群体动态；日本神户
21、大学 ShintaroKawaguchi 等利用时域光谱系统研究了短肽甘氨酸(Gly) 和甘氨酸(Gly) 、 6 球状蛋白、细菌视紫红质(BR)等生物分子的低频率动态；德国波鸿鲁尔大学 TrungQuanLuong 等研究了人血清白蛋白在70 和 55不可逆和可逆热变形过程中太赫兹吸收qk(0 1THz1THz,2 1THz2 8THz 范围内)的特征性变化，发现太赫兹吸收峰也随着蛋白热变性的逆转表现出逆转特征，这一特征反应了血清白蛋白水合结构的动态变化。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，但
22、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。2.2 太赫兹波生物效应及其安全性研究近年来，太赫兹波越来越广泛地运用到了军事和民用领域，太赫兹波离人们的工作和生活越来越近，但是针对太赫兹生物效应的研究却非常少，远落后于应用研究的发展。与其他波段电磁波的生物效应研究类似，太赫兹波生物效应分为热效应和非热效应两大类。基于太赫兹波的低能性及其与生物大分子振动转动能级的重叠性，其非热生物效应可能具有独特的性质和应用前景。太赫兹波生物热效应研究相对容易开展。目前大多数太赫兹波生物效应研究为“THzBRIDGE”这一国际合作项目所支持。该项目旨在研究太赫兹波与细胞和生
23、物分子的相互作用机制，以期对可能的太赫兹辐射遗传毒性进行评估。与该项目有关的一些研究发现，太赫兹引起的生物效应主要由热机制介导，这一结论并不意外，因为水是所有生物体中最重要的溶剂，而太赫兹辐射可被水强烈吸收6。一些 THz BRIDGE 研究项目报告脂质体和细胞膜透性在太赫兹波的影响下发生变化，但尚无法明确这些效应背后的确切机制 f 热或非热调控机制)。美国军方研究机构出于国家战略目的，也对太赫兹波生物效应研究给予大力支持。美国空军研究实验室 Wilmink 等研究了人类细胞暴露(1min40min) 在连续波太赫兹辐射(252THz，227mW cm)下的基因毒性和细胞杀伤作用。该研究运用了
24、流式细胞分析技术和 MTT(Methylthiazolyldipheny1tetrazoliumbromide)法对暴露在太赫兹照射下的细胞的总死亡率和分别凋亡、坏死情况进行检测，结果发现，绝大多数的细胞暴露在上述太赫兹波中超过 20min 后都发生了凋亡和坏死，其中 60的 Jurkat 细胞存活了 30min，只有20活到 40min。在同一研究中，细胞应激反应基因如凋亡、代谢、蛋白质水解、分子伴侣、氧化还原调控和 DNA 修复等得到监测，研究发现太赫兹辐射影响的主要是编码炎性细胞因子的基因，主要有 IL2 诱导 T 细胞激酶(ITK) ，ILRAP，RADl 同源蛋白(RAD1)，白细胞
25、介素 6，白细胞介素 8，ATPVOD2，杆状病毒 IAP 重复含有 3(BIRC3)的，和细胞 CeLL淋巴瘤11A锌指蛋白(BCLl1A)。在后续研究中将人皮肤纤维细胞暴露于连续的 THz 辐射(2 52THz，84 8mWcm)长达 80min，结果表明细胞温度增加超过 3cc，细胞活力受到明显影响，热休克蛋白和 DNA 损伤标记均呈现出表达升高迹象。三.参考文献【1.】崔博华，王成，郑英彬太赫兹 MEMS 滤波器性能影响因素，太赫兹科学与电子信息学报，2013，11(2) ：319 322【2 】 卢昌胜，吴振森，李海英等基于 HITRAN 的太赫兹波大气吸收特性太赫兹科学与电子信息学报，2013，11(3)：346 349【3 】 冯华，李飞，陈图南，太赫兹波生物医学研究的现状与未来，太赫兹科学与电子信息学报，2013,12(2):
