無所遁形–太赫茲雷達技術的發展

文/葉奕良
編/陳庭亞

雷達(Radar)技術早在二十世紀就發展得十分成熟。雷達是一個可以同時發出與接收反射電波(radio wave)的裝置，可以用來追蹤移動的物體或是廣角的地形與物體掃描，該技術廣泛被運用在軍事、航太、地球科學等應用上。

近年來由於自駕車(autonomous car)研發的興起，雷達技術以一個全新的形式掀起了一波研究熱潮。這個新世代的雷達被稱作光達(LiDAR)，其命名是由於此技術使用了光(light)作為傳遞的媒介。

與傳統的雷達系統相比，光達系統有著比雷達系統高上數千至數萬倍的解析度，因此能有效辨別路上的行人與障礙物。光達被比擬為「自駕車的眼睛」，透過良好光達系統的裝配，使得自駕車能及時感知四周的物體，避免交通事故的發生。

Luminar 公司之光達系統所探測到的周遭環境，物件的顏色代表所在的距離。引用自Jeff Hecht, “Lidar for Self-Driving Cars”, Optics and Photonics News, 2018

在眾多研究者投入研究自駕車光達的同時，有一個新的技術也隨著這波熱潮而興起了，這個技術便是太赫茲雷達(Terahertz Radar)。

太赫茲是頻率介於微波與紅外光之間的電磁波，不過它卻有著十分特別的能力。早年由於這個頻段的電磁波產生不易，因此在這方面的研究少之又少，隨著其他頻段的研究趨於完整，科學家開始了對太赫茲的研究。令科學家意外的是，太赫茲擁有辨別物質的能力，就如同紅外線能辨別各種熱度、X光能辨別物體的各種密度，太赫茲能辨別的是分子的種類。

藉由太赫茲光的分析，我們可以知道密封的箱子裝著哪些物體，甚至可以辨識外觀相仿的粉末與藥品。這個技術首先造福的是軍事與保安的用途上，例如太赫茲眼鏡能取代紅外線熱像儀探測障礙物後方的敵軍，在保安用途上太赫茲技術也能用來在不破壞物件的情況下搜索隱蔽的爆裂物或是違禁藥品，同時太赫茲光對人體沒有危害，因此太赫茲雷達比X光更適合進行長時間與日常生活中的應用。此外，太赫茲雷達在震後的人員搜索上也能快速並準確地找到倖存者；從光學的角度來分析，與傳統雷達相比較，太赫茲雷達由於波長較短，因此影像的解析度也比一般雷達來的高；與波長更短的光達相比較，太赫茲雷達可以傳過牆面、粉塵的障礙物，而光達則會被吸收或反射。

由Terasense公司開發的太赫茲保安掃描器的顯像效果。引用自http://terasense.com/news/new-video-body-scanner/

現在你或許在想：「這麼厲害的技術為什麼從來都沒有聽過呢？」事實上，太赫茲雷達在發展的過程中遇到了很多的挑戰，所以到現在都沒有一套真正運作的商用太赫茲雷達系統。太赫茲雷達所面臨的挑戰主要可以分為三個部分：其一是太赫茲光的產生與成本，其二是雷達技術的整合，最後則是太赫茲頻段的限制。

1. 首先，太赫茲光源的發展是所有太赫茲技術都需要著墨的議題，相比於較高頻段由電子之能態越遷產生的光學雷射或是較低頻段由電子共振所產生的微波波源，太赫茲光源的能量轉換效率比上述兩者低了許多。目前市面上的太赫茲光源之電光轉換效率大多為萬分之一的等級，這代表絕大部分的能量都會在轉換過程中浪費掉，因此高效率的太赫茲光源仍然是該領域面臨的最大挑戰。

2. 另一方面，由於太赫茲波長較小，使得太赫茲雷達可以有比一般雷達更好的解析度，但這也代表著太赫茲雷達所需要的完整掃描四周所需的掃描數比一般雷達更多。為使太赫茲雷達即時更新資訊，所需要的高速掃瞄系統也是一大挑戰。

3. 最後則是遠距離太赫茲系統共有的的硬限制，太赫茲光源有許多頻段位於大氣及水的吸收頻帶內，又由於目前太赫茲光源的能提供的強度有限，因此大多所產生的太赫茲光都會被傳遞不久後完全被環境吸收。為避免這個問題的發生，長距離太赫茲雷達的應用被限縮在某些不會被大氣吸收的頻段內，因此在許多情況下寬頻的太赫茲雷達很難被實現。

大氣在太赫茲頻段的吸收頻譜，引用自J. B. Spicer et al., “Ultrafast Laser-Based Spectroscopy and Sensing: Applications in LIBS, CARS, and THz Spectroscopy”

若回顧所有太赫茲雷達相關的研究，可以發現研究所使用的頻率也因為大氣的吸收被限縮在某些頻段內。在這些頻段內，對於數公尺外的人身雷達影像都可以清晰的被掃描出來，甚至可以穿過衣服看到內部攜帶的金屬物件。雖然X光在某些功能上與太赫茲的特性相仿，但由於太赫茲光所攜帶的能量比X光小了數百萬倍，對人體也是幾乎沒有傷害，因此比X光更適合作為使用在日常生活中的雷達。

早期機械掃描式太赫茲雷達的架構，使用反射鏡令太赫茲光重新導向，引用自K. B. Cooper et al., “Terahertz Antenna System for a Near-Video-Rate Radar Imager”

近期的太赫茲雷達研究多為機械掃描的設計，由於電控掃描的技術需求較大，因此在研究上也比較少被採用。在過去十年內，已經有許多研究學者投入機械掃描式太赫茲雷達的研究與開發；而電控掃描的太赫茲雷達在2017年才有相關的研究成果被發表。

兩種掃描的方式都各有其特長，機械掃描能提供極大的視角(Field of view, FOV)與高解析度，適合用來進行細緻的影像掃描，同時其架構與電控掃描相比也簡單許多；電控式掃描能提供超快的掃描或是追蹤快速移動的物件，但其解析度與視角則會受到本身設計的限制，電控雷達之設計與製造相對複雜使得在發展上較為落後。

另一個太赫茲雷達發展的趨勢則是縮小化。由於機械式掃描的太赫茲雷達通常需要大面的反射鏡以將大部分的太赫茲光都集中到一個點上(如圖四所示)，使得整個雷達系統的設計變得十分笨重。從這些層面來看，無論是在掃描速度或是系統大小上都是電控掃描較為突出，未來太赫茲雷達發展的重點勢必是如何使用電控掃描完成較高解析度的太赫茲雷達。

由太赫茲雷達所得到的50×50相素影像，能看出右圖中4公尺外的人衣服中藏著的杯子，引用自P. H. Siegel et al., “A High-Resolution Imaging Radar at 580 GHz”

太赫茲雷達是一個在近十年內興起的技術，可以探查遠方物體的組成成分，達到接近「透視」的效果，在保安與軍事用途上是一個無可取代的技術。太赫茲雷達的發展十分迅速，經過十年的研究已經能利用機械掃描取得高解析度的長距離影像。未來的發展主流應為電控掃描的開發與優化，也是太赫茲雷達成為可攜式產品的關鍵技術。

作者/葉奕良
目前就讀清華大學就讀電子工程研究所，正進行跨領域的學習與研究，在閒暇之餘喜歡旅遊與尋找平民美食。