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一家中国头部企业被美国制裁,就因为这个“王炸级”颠覆性技术!太赫兹有多牛?

上观新闻 02-25

来源:瞭望智库

2020 春节,因为新冠肺炎疫情而变得异常漫长。

从 2 月 10 日开始,全国多数地方陆续开启复工潮,返城务工人员数量大幅增长,给疫情防控工作带来了诸多不确定因素,地铁、客运等交通枢纽首当其冲。据媒体此前报道,2 月 7 日,上海虹桥枢纽站就发现体温异常者 101 人。

在各大交通枢纽站,很多都是工作人员手持测温枪对进站乘客一一测温,然后乘客再过安检,而传统的安检设备需要手动执行,一般要求一台安检仪配备 6 名安检人员,方能做到秩序井然,然而,在这种模式下,近身接触、人员密度大、程序繁琐带来通行效率低下,都大大增加了病毒感染的几率。1 月 28 日,合肥市确诊的一名患者,便曾于 1 月 22 日下午全程佩戴口罩乘坐地铁,这也直接导致 6 名安检人员被安排居家隔离医学观察。

然而,有的交通枢纽站却引入了 " 黑科技 " 设备,乘客仅需几秒,几乎 " 一闪而过 " 就同时完成了体温监测和安检,没有排队和较长时间的停留。

比如在上海地铁 2 号线,刚刚投入使用的一台太赫兹安检仪就让人眼前一亮。乘客接受安检时,无需与任何人产生接触,只需正常步行通过一个安检通道,还可以同时完成 " 测温 " 工作。乘客是否携带违禁品、是否发烧等都一一显示屏幕上。

图为乘客有序经过太赫兹无接触测温安检安防一体机

这不仅真正实现了 " 全过程无接触 " 的安检安防模式,大大降低了病毒交叉感染的可能性,还将通行效率从 300 人 / 小时提升至 1500 人 / 小时,效率提升近 5 倍!

除上海地铁外,合肥地铁、中科大附属第一医院等也相继启用了 " 全过程无接触 " 测温安检安防一体机。

太赫兹是什么?它是怎么做到无接触测温和安检的?今天我们就来聊一聊。

1

安检界的 " 天选之子 "

太赫兹,是电磁波家族中最神秘的成员。

现代社会中,电磁波对于大家来说并不陌生,它虽然看不见摸不着,但就像空气一样,时时刻刻存在于我们的生活之中,并且已经被广泛地开发利用,我们日常使用的手机通信,依靠的是无线电;而微波炉加热食物用到的是微波;去医院做胸透成像检查时,常常用到 X 光。

而太赫兹是指电磁频率上 0.1-10THz 的电磁波,介于微波和红外线之间,波长范围为 0.03-3mm,直到 19 世纪末才被命名,是人类迄今为止了解较少、开发较少的一个电磁波段。

这么晚才被命名和开发,不是因为太赫兹不优秀,不配拥有姓名。而是因为它太特别了——夹在微波和红外线两大电磁波之间,既不完全适合用光学理论来处理,也不完全适合微波的理论来研究。

随着人类科学技术的进步,尤其是微加工、纳米技术的发展,近 20 年来,制约太赫兹技术发展的瓶颈相继被突破。

于是,太赫兹技术得以横空出世。一上来就让人对其性能惊叹不已。

从空间分辨率的角度来看,太赫兹比传统的微波、毫米波的波长要短,所以用太赫兹进行成像空间分辨率高;从穿透能力来看,它比红外和可见光的波长要长,所以穿透能力强;在安全性方面也好于 X 射线。显然,太赫兹是蕴含众多独特优点的电磁频段。

图为电磁波不同波段性能比较

这也注定了太赫兹将成为一项颠覆众多领域的新科技,被美国评为 " 改变未来世界的十大技术 " 之一,被日本列为 " 国家支柱十大重点战略目标 " 之首。中国、澳大利亚、韩国等也纷纷在此领域发力,国际上已有 100 多个研究组从事太赫兹相关领域的研究。

太赫兹技术的开发和利用,首先让一个行业陡然一变,那就是安检。

长期以来,全世界的安检其实都陷入到深深的困扰中:如何才能兼顾安全、快速、有效?

从美国的经历中可以窥出安检安防存在的困境。

时间回到 2009 年 12 月 25 日,在一架从荷兰阿姆斯特丹飞往美国密歇根州底特律的 A330 宽体客机上,一名男子试图引爆一个爆炸装置,不过该装置失灵,未发生剧烈爆炸,只是造成包括此人在内的数人受轻伤。

后来调查发现,犯罪嫌疑人是将爆炸物藏在内裤中避过了安全检查,并且登上了飞机,这起事件对传统安检技术造成了很大冲击。

此事过后,美国加强了航空安检措施,并开始在各大机场运行 X 射线人体扫描仪,但 X 光一是会对人体产生电离辐射导致健康危害,二是 X 光成像的清晰度对人体隐私构成了严重威胁,由此引起了不小的争议。随后,用 X 光扫描人体被叫停。

现在全世界绝大多数的安检程序是这样的:人先通过金属安检门,由工作人员用手持式探测器检查或进行人工探摸,物品则由 X 光检查,这样不仅费时费力,在安检人员的探摸过程中也容易引起被检人的不适甚至侵犯隐私。

从最近几年来看,欧美公共场所频频发生的暴恐袭击已经说明,现有的安检体系存在不小的漏洞,难以应对愈来愈严峻的全球安全形势。

难道人体安检真的没有一种安全、有效的形式吗?

太赫兹显然就是 " 天选之子 "。

它能像 X 射线一样轻易穿透纸张、衣服和部分塑料等材料,还不会有电离辐射带来的健康隐患,即便最脆弱的生物样本也可以安全使用它。

更重要的是,太赫兹安检成像能做到分辨率小于 1 厘米,即一个硬币大小的物体都能被辨识。同时,太赫兹探测技术具有普适性,人体衣物内藏匿的陶瓷、液体、粉末、炸药乃至体积较小的打火机都可以被太赫兹探测出其形状与位置。

当然,安检还只是太赫兹技术应用领域的 " 冰山一角 "。它还可以应用在通信、雷达监测、生物医疗等领域,并且还将在军事和空间方面有重要应用。

比如在生物医学领域。太赫兹波可以用来区分人体的一些病变细胞和健康组织,为皮肤癌、乳腺癌、烧伤组织诊断提供判别依据。其中,太赫兹成像装置可以在癌症早期就做出诊断,不需要切片检测,为一些癌症的早期无痛检测带来了曙光。

图为乳腺癌的病理学图像和太赫兹图像(均为乳腺癌组织的局部放大 100 倍后的图像)

在军事领域,太赫兹在沙尘、雾霾等天气条件下相对于红外和可见光的良好穿透性使得其成为指引作战直升机盲降的新工具,成为美国 DARPA 的一个重要研究方向;太赫兹机载合成孔径雷达的高分辨视频成像能力将可能带来机载成像雷达的重大技术革新;太赫兹通信系统和雷达系统都将可能成为军事卫星的重要载荷。

图为 1/72 比例 T80 坦克模型的太赫兹逆合成孔径雷达成像图源:新华网

应该说,在能想到的和想不到的领域,太赫兹技术都能有很广泛的应用前景,甚至有科学家拿它来对食品中的地沟油、蔬菜水果中的残留农药、奶粉中的三聚氰胺等进行检测。连 2019 年轰动一时的人类历史上首个黑洞照片都是用太赫兹波段的望远镜观测生成的。

2

太赫兹真这么牛?

太赫兹技术真这么牛?我们不妨拿它与技术发展相对成熟的安检产品来比一比。

研究人员曾对博微太赫兹信息科技有限公司(以下简称 " 博微太赫兹公司 ")生产的被动式太赫兹安检仪进行了一系列验证。

博微太赫兹公司是中电科旗下企业,其太赫兹技术广泛应用于轨交、医院等大客流安检场景,是国内太赫兹安检领域的翘首。

安检设备的辐射问题,是公众首先最关心的,那被动式太赫兹安检仪真的没有辐射吗?

目前,通常人们讲的安检辐射,是指安检设备运行产生的电磁辐射和电离辐射,过量辐射会影响人的视觉系统、心血管系统和生殖系统等,对人体健康造成不可逆的损害。实验人员拿着一台辐射测量仪,在被动式太赫兹安检仪内的黄色区域停留、旋转。

实验人员使用的电磁辐射测量仪非常敏感,把接通的电话放到仪器旁,仪器数值不仅发生变化,还发出了阵阵鸣叫。

但在实验者在安检仪内旋转过程中,辐射测量仪的数值一直显示为 0。可以说明,被动式太赫兹安检没有产生可以测量到的辐射,因为它利用的是人体自身发出的太赫兹波,而并不对人体进行电磁波照射。

太赫兹安检仪的第二个优势是具有宽泛的安检范围,不仅能像传统安检仪器那样检查出金属违禁品,而且可以检测藏匿的炸药、毒品等非金属违禁品。

实验者携带仿制枪具进入安检空间,安检仪立刻报警,并在屏幕上显示出了违禁品的具体位置——实验者的后背!

博微太兹公司的太赫兹安检仪是怎么做到这些的?

原来人体本身就会发射太赫兹波,当人体携带物品时,物品本身对太赫兹波有不同程度的吸收和阻拦,经设备接收并计算转化后,使得太赫兹成像中对应物品与人体背景之间产生强度的对比,物品的形状和位置也就得到了探知,实现对违禁品的安检。

这就如同照相机一样,太赫兹安检仪运行时就相当于给人体录了一段 " 太赫兹影像 ",从影像中就可以直观地看到人身上藏匿物品的形状、大小和位置。

受制于太赫兹技术发展瓶颈,太赫兹安检仪对违禁品的检测尚停留在回答有没有的阶段,暂时无法检测出违禁品的物化性质,但这种可能性正离我们越来越近。在未来,太赫兹安检仪有可能告诉我们乘客拿的是白糖还是毒品,甚至还可以鉴别出毒品的种类!

这是因为毒品在微观上通常是有机大分子,毒品的有机分子间存在的弱相互作用及大分子的骨架振动等导致不同毒品对应在太赫兹波段将出现不同的吸收谱,通过对吸收峰的识别可以判别未知样品是否是毒品以及是何种毒品。

下图就是 11 种毒品样品的太赫兹吸收峰所在频率位置。

同理,根据不同爆炸物的折射率、吸收系数等丰富的光谱和结构等信息,太赫兹技术也将可以被用来探测和鉴别爆炸物。下图为不同种炸药在 0 — 2.5THz 内的特征吸收峰频率。

听起来很烧脑吧?但就这么管用!

无辐射、非接触、不停留的太赫兹安检 " 神器 ",让乘客在不知不觉中就完成了安检,其科幻范儿像极了《碟中谍 5》中让黑客班吉也难以瞒天过海的安保系统。

太赫兹安检仪的检测效率为每小时 1500 人,是传统安检的 5 倍!引入太赫兹安检仪,可以减少安检场所配备的安保人员数目,降低了人力与时间成本,实现减员增效。

以地铁为例,原来一个入口最少需要配备 6 名安保人员,通过使用太赫兹安检系统,可以减少到最多需要 3 人。现在一个大型城市的地铁系统,每年投入在安检上的经费不菲,北上广深这样的一线城市就更不用说了,这其中 70% 多的费用花在了人工上。如果用上了太赫兹这种技术,宝贵的人力就可以在其他方面发挥重要作用。

此外,在实际工作中每个安检人员的判断标准可能并不一样,容易产生木桶效应,同时,人都会疲劳都有情绪,这都是导致漏检和安检人员与受检人员冲突的原因。但机器的标准是始终如一的,从这个角度来说,太赫兹技术不仅提升了公共场所的安全水平,而且可以避免产生一些不必要的纠纷。

通过将太赫兹与生物识别和人工智能技术等相融合,对一系列数据综合研判后,系统可以对乘客做出 " 到底是不是存在危害 " 做出判断,这对公共安全事件的事前预警也有很大好处。

3

这项 " 黑科技 " 曾被欧美垄断

太赫兹技术这么牛,世界各国争相布局,欧美国家从 90 年代中期开始就对太赫兹的研究进行了大规模投入,2000 年以后,他们率先掌握了太赫兹波的发生和利用技术,并成功运用于安检设备,步子迈得快一些,就想 " 一家独大 ",于是,太赫兹安检技术从元器件到系统技术就被欧美垄断了。

中国太赫兹研究战略的启动是从 2005 年开始的,那一年,在由 20 多位院士参加的第 270 次香山会议上,专门研讨了我国太赫兹科学技术的发展。

5 年后,中国电科集团第 38 所启动中国太赫兹安检研发和产业化项目。那时候,国内太赫兹技术刚刚起步,产品研发基础几乎为零。从基础器件到实际应用的各个领域都困难重重,国外的技术保护和技术壁垒让很多问题都无法解决,甚至改过多次、被论证是可行的技术方案在实施时,发现国内器件供应存在问题,方案也无法推行下去。

太赫兹安检仪的研发其实相当复杂,涉及诸多的零部件和基础材料,整套系统包括光学系统、探测系统、电源系统、显控系统、机架与机箱五大部分,上游产业链就是一个覆盖广、纵深长的体系,缺一个重要的元器件,可能研发都会受阻。

而当时,我国从太赫兹波发生材料、芯片和器件,到探测器、接收器、滤波器、隔离器等功能器件都不能批量生产,研发团队费尽周折从国外买来器件时,却发现国外器件 " 水土不服 ",有很多性能上的问题。

中国太赫兹领域的拓荒者们感觉到了前有欧美技术封锁,后有其他国家步步追赶的紧迫——不亚于当初中国 5G 技术、量子通信及高铁等高科技领域探索者们面临的压力。

没办法,他们只能走进电子元器件生产车间,向技工师傅学习,亲自动手加工制作电子元器件。

这里面的难度可想而知,比如,被动式太赫兹安检仪对探测器的要求极高,人体自身发出的太赫兹波功率非常小,在目前的工作频段内,到达探测器的总辐射功率据估计仅有几百皮瓦量级,比 1 瓦低了十个数量级。因此,太赫兹波的探测器必须极其灵敏,研发团队失败了无数次,啃了无数硬骨头,最终一点点攻城拔寨,研发出拥有自主知识产权的太赫兹探测器等一系列关键零部件。

2014 年 5 月,仅用了 3 年多时间,中国电科集团第 38 所就成功推出中国首台太赫兹安检仪,一举打破了欧美等发达国家的技术垄断。

但就在研发团队意气风发之时,谁也没想到首台样机在实验应用中给团队当头泼了一盆凉水——客户提出了很多问题,以至于研发人员开始质疑自己的东西是不是有用。

团队的领头羊武帅不信邪,他让科研人员带着安检设备走出实验室,一边让人试用提意见,一边进行改进,历经成千上万次的实验磨合,最终在短短两年内,实现了产品的两次更新换代。

2016 年 12 月,依托中国电科 38 所,作为央企改革试点单位,博微太赫兹公司成立。

2018 年 4 月 22 日,首款国产太赫兹成像芯片正式发布,这款芯片在各个关键环节都做到了独立研发、自主可控,可替代进口器件,将显著提升我国太赫兹人体安检设备水平。

应该说,虽然领域不同,但中国太赫兹技术跟 5G 技术、量子通信等一样,也是沿着从破封锁,到追赶,再到跟强者平起平坐甚至领先的轨迹发展起来的。然而,后面的轨迹往往是,高科技行业的优秀企业,可能会被制裁。

博微太赫兹公司被列入美国禁运名单,但这丝毫没有影响这家公司发展的脚步,反而坚定了其持续进行自主创新研发,尽量努力做到核心技术的自给自足,不被卡住咽喉的决心。

4

将是物联网时代的 " 火眼金睛 "

除了安检,在当下,太赫兹技术带给我们最大想象的就是其在通信方面的应用。

2019 年 10 月,全球首份 6G 白皮书发布,标志着 6G 的研究已经在路上,这多少有些让人猝不及防,5G 还没有使用上,转眼就已经开始研究 6G 了。

如果说 5G 时代会实现更快更低时延更高网络容量的通信,那么 6G 的目标是实现万物互联。仅从流畅度和传输速度上来讲,6G 有望达到 5G 的 10 倍甚至百倍。

美国研究机构 Forrester 预测,到 2020 年,全球范围内 " 物物相联 " 的业务量将是 " 人与人通信 " 业务量的 30 倍,全球物联网市场规模将增长至 3.04 万亿美元(折合人民币约 21.1 万亿元),将成为下一个万亿级产业。

(图为 6G 白皮书,图源:科技日报)

而从 6G 白皮书以及各国提出的下一代通信解决方案来看,都把一项技术作为了突破口——太赫兹。

各国争相进行布局的 6G 时代,其实就是 " 太赫兹时代 ",太赫兹通信兼具微波通信和光波通信的优点,其频率比目前使用的微波要高 1 — 4 个数量级,能提供 10Gbit/s 以上乃至 100Gbit/s 的无线传输速率,能解决信息传输受制于带宽的问题,是目前所知的满足大数据无线传输速率通信要求的唯一通信手段。

从 3G、4G 到 5G 的无线通信发展路径来看,人们对于无线通信大带宽、低延时和高可靠性的要求越来越高,而太赫兹通信自身具备的优点足以满足后 5G 时代的性能要求。

太赫兹通信应用场景分为三个方面:

一是无线接入、光纤替代场景。" 未来太赫兹峰值速率可能达到 Tbps 以上,适合超高速无线通信,光纤难接入或接入成本过高带来的通信问题可迎刃而解

二是星间通信、空天地一体化通信。太赫兹波在外层空间中可做到无损传输,在极低功率的条件下就可实现超远距离传输,实现星间通信。太赫兹波进入大气层后,由于大气折射、吸收、降雨、雨雾和大气噪声的影响,地面无法监听信号。由于太赫兹波长较短,天线系统可以实现小型化、平面化,搭载于卫星、无人机、飞艇等平台,以此作为无线中继设备,穿透通信黑障,实现空天地一体化通信。

三是微小尺度通信、万物互联。基于太赫兹波长极短的特点实现毫微尺寸太赫兹收发信机与天线,可以进行片上通信、可穿戴或植入太赫兹设备、微型电子设备间通讯,在极短距离范围内实现超高速数据链应用。可用于从宏观到微观尺度的万物互联。

也就是说,当人类迈入 " 太赫兹时代 " 后,真正的万物互联就来了!

5G 是 " 物联网 " 的初始时期。虽然媒体们早早就提出了 " 万物互联 " 的概念。但 5G 技术所能提供的连接数大约是 100 万个连接 / 平方公里——在人口稠密的大城市,这个量级的连接数还是不够的。真正能做到将每一个灯泡和遥控汽车都连入互联网,恐怕还要等网络容量更大的 " 太赫兹时代 " 来临才行。

应该说,太赫兹技术其实就是一种超高级的感知能力,而物联网获得突破的关键之一就是感知能力,这种非接触深度感知技术,就是物联网的 " 火眼金睛 "。

对于太赫兹,我们了解的还是太少了 !

(结束)

栏目主编:顾万全 本文作者:瞭望智库 文字编辑:卢晓川 题图来源:赖鑫琳摄 资料图 图片编辑:项建英

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