产业观察 | 军民融合十大硬科技系列报告之太赫兹

纵观世界军民融合发展史，互联网、GPS、无线传输、核磁共振等技术不仅推动了武器装备的发展和国防实力的强大，更改变了人民的生活方式，为经济和社会发展带来了显著的变化。当前我国军民融合发展战略实施迈入2.0时代，着眼创新、着眼未来，笔者拟开启军民融合十大硬科技系列研究，本文作为开篇，庖丁解牛，分析一下被美国列为“改变未来世界的十大技术”之一，具有非常重要的学术和应用价值的技术：太赫兹。

一 太赫兹技术的军民融合属性

（一）太赫兹概述

太赫兹（THz）波是频率范围为0.1THz-10THz，波长范围为0.03-3mm介于无线电波和光波之间的电磁辐射，属于电子学向光子学过渡区域，具有辐射小、透射性好、方向性强、频谱宽、通信传输容量大、对很多极性生物大分子有指纹谱等特点，依托天体物理学、等离子体物理学、光谱学、材料学、生物学、医学成像、环境科学、信息科学，在军事和安全领域具有重要的应用价值。2004年，以远红外射线技术为基础，太赫兹(THz)技术首次被美国提出，并被评为“改变未来世界的十大技术”之一；2005年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首；我国于2005年召开了“香山科技会议”，讨论并制定了太赫兹技术的未来发展规划。

图1 太赫兹波在电磁波谱位置示意图

（图片来源：知网）

（二）太赫兹技术在国防军工领域的应用

太赫兹技术当前在国防军工领域的主要应用方向包括：

1.爆 炸物探测和鉴别：利用太赫兹波独特的吸收性质，对爆 炸物进行特征识别和安全检测；

2.无损检测：采用太赫兹波对结构材料层进行探测和成像用以无损检测，应用成果包括美国宇航局对战略导弹航空航天结构材料的检测和评估，以及洛克希德马丁公司对F-35 战斗机的检测等；

3.远程探测与成像：太赫兹技术雷达可以使得隐形军事目标的吸波涂层失去作用，应用成果包括DARPA组织研发的THz成像雷达和德国太赫兹ISAR成像雷达等；

4.太空通信：太赫兹频段传输损耗小，能量集中，方向性强，更利于太空通信,应用成果包括国际电信联盟的下一代太空通信技术；

5.末端精确制导：采用太赫兹波与常用制导方式相结合，远端采用常规制导方法，接近目标后，采用太赫兹修正的方法，可有效提高制导的准确性；

6.反隐身功能：太赫兹雷达发射出的纳秒到皮秒级脉冲频率达上万种，远超出当前隐身技术所覆盖的范围，能更为灵敏的识别采用形状隐身、涂料隐身以及等离子体隐身的目标。

图2 太赫兹军用雷达应用方向

（数据来源：安信证券研究）

（三）太赫兹技术在民用领域的应用

太赫兹技术当前在民用领域的主要应用方向包括：

1. 安检设备：太赫兹安检仪的1秒可完成安全检测，且不存在电离、电磁辐射，更为安全可靠，中国电科38所的太赫兹安检仪已得到批量使用；

2. 无线通信：与传统的光纤通信和微波通信相比，太赫兹传输速率高、方向性好、安全性高、散射小、穿透性好，有专家（Koch）预测，基于太赫兹的通信系统将取代无线局域网系统；

3. 生物医学：太赫兹检测已经用于皮肤病和乳腺癌方面，未来有望在生化检测、医学成像诊断、组织检测等方面大放异彩；

4. 太空探测：太赫兹探测可用于获取大气垂直温度、湿度廓线等信息，目前已在天文探测、气象遥感、深空探测等方面获得大量的应用；

5. 毒品检测：很多毒品经过太赫兹波照射后，会在特定的频率上产生较强的吸收从而出现吸收峰，形成太赫兹“指纹谱”，以此可以鉴别不同种类的毒品；

6.无损检测：通过分析太赫兹脉冲透过物质前后波形的变化或进行太赫兹成像就可以实现无损检测,具有代替射线和微波检测应用于非金属材料缺陷检测的潜力，当前应用主要包括德国弗劳恩霍夫协会设计的用于检测塑料管壁厚度和复合材料涂层的传感器探头，重庆绿色智能研究院的太赫兹复合材料无损检测等。

图3 太赫兹安检仪及成像效果

（图片来源：知网）

二 全球太赫兹前沿技术进展

太赫兹是一门与新兴前沿学科领域相结合的典型多学科交叉融合的技术。笔者采用智慧芽专利数据库，按关键词分类，对太赫兹技术的专利进行了分析（图4）。其中，格子数量表示每家公司的专利覆盖率，每个格子代表41件专利。图例清晰的展示了太赫兹技术领域分布的学科交叉性特点。跨学科的研究不仅给太赫兹技术研究提供新的手段，也为其带来了更加广泛的应用前景。根据文献计量分析，近期，太赫兹技术进展主要集中在以下四个方面（太赫兹安检和天文学应用都是太赫兹成像的具体应用，合并为太赫兹成像技术）。

（数据来源：智慧芽，产新智库分析）

（一）太赫兹成像技术

利用THz射线的高穿透性和非电离性，对被检测物体进行照射，并利用投射或反射原理进行成像。与X射线相比，太赫兹成像对人体没有附加伤害，商业化应用前景广阔。近期太赫兹成像主要的科研进展包括：一是2018年6月，日本东京工业大学通过使用碳纳米管制备出了指尖可穿戴的柔性太赫兹成像仪；二是2018年4月，中科院上海微系统所，开发出一种基于可调式多频段太赫兹量子级联激光器和多频段超材料谐振子阵列的新型太赫兹实时成像装置，实现了在2.5 THz、3.4 THz和4.3 THz三个频点的实时多彩成像；三是2017年11月，佐治亚理工（Georgia Tech）应用太赫兹（terahertz）扫描仪和数字信号处理技术，解密17世纪的画作，深入了解画作所运用的手法，并确定可能存在的破损；另外，还有苏州纳米所高灵敏度太赫兹探测器研究、38所批量应用的博微太赫兹安检仪、加州理工太赫兹成像芯片等。

图5 佐治亚理工画作解析成果

（图片来源：《Scientific Reports》）

（二）太赫兹时域光谱技术

利用飞秒脉冲产生并探测时间分辨的THz电场，对物质的特征频率、结构和物性进行分析和鉴定，其最重要的应用之一为药品质量监管。近期主要科研进展包括：一是瑞士研究团队利用已有的太赫兹光谱技术测量了液态水的氢键，该项研究发表在美国《化学物理学报》上，有助于深入研究解释水的特殊性质；二是中科院重庆绿色智能技术研究院发明的“用于太赫兹光谱连续检测的液体样品池装置”，市场空间巨大；三是武汉光电国家实验室实现太赫兹脉冲电场的波形修复，极大的推动了太赫兹时域光谱系统的发展。

（图片来源：知网）

（三）太赫兹通信技术

可获得10GB/s的无线传输速度，尤其是在卫星通信领域可以获得比超宽带技术快1000倍以上的速率，但太赫兹通讯仍存在大功率发射天线和发射源的研究瓶颈问题，制约商业化实现。近期主要进展包括：一是德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）、弗劳恩霍夫应用固体物理研究所和斯图加特大学联合研究，实现了一项每秒100G的无线数据传输纪录；二是中国工程物理研究院微系统与太赫兹中心成功实现了距离21km、单路实时速率5Gb/s、频率0.14THz的远距离高速无线传输试验；三是美国佐治亚理工学院用石墨烯制作的天线，非常适于利用频率在0.1THz到10THz之间的太赫兹波。

（四）太赫兹超材料器件

在太赫兹光束整形、导波和调制领域应用前景巨大，并且对太赫兹波在传感、通信和雷达等领域的应用有显著的推进作用。近期太赫兹超导材料器件主要技术进展包括：一是微太中心太赫兹物理团队在《Applied Physics Letters》上发表题“超薄双层超材料在反对称模式激发下的选择性相干完美吸收”的成果，阐述了利用激发场的模式对称性来选择性激发双层超材料中的暗态模式；二是西安光机所太赫兹超材料功能器件研究，提出了利用石墨烯构建的三维太赫兹超材料结构，实现多个等离子体共振模式激发；三是哈佛大学和利兹大学联合团队利用超材料制成高定向太赫兹激光器。

（图片来源：知网）

根据BBC研究预测结果，太赫兹技术市场未来在成像部分，2017-2021年的年均增长率为26.8%，将达到2.48亿美元；在光谱部分， 2017-2021年的年均增长率为7.4%，达到0.22亿美元；在通信部分，2017-2021年的年均增长率为213.8%，达到5.8亿美元；在超材料器件部分，2017-2021年的年均增长率为26.8%，达到3.5亿美元。同时，如上文所述，除了可以预见的民品广阔市场之外，在军品领域四个方面均具有十分广泛的应用，在多领域极大的提升国防科技水平。

三 我国太赫兹技术现状及产业化趋势分析

（一）在创新能力层面

我国在太赫兹研究中大而不强

根据智慧芽平台对当前太赫兹全球106个国家/组织中申请及获得授权的相关专利分析的结果分析来看，当前太赫兹领域共申请10475件，其中发明专利9245件，有效专利有3816件（图9）。从申请年份来看，2016年专利申请量和授权量都达到了峰值，其中2016年的专利申请量超过2000件，授权量也超过了1500件。虽然在2017年和2018年有缓慢下降的趋势，但产业界和学术界对太赫兹技术和专利的关注度依然高涨。

从国别分布来看，我国成为太赫兹专利申请量和授权量第一大国，占到全部10475件专利申请的54.43%，其次是日本和美国。从一个侧面说明我国学界和产业界对太赫兹相关技术持续关注，创新成果数量较多。这为我国持续推动太赫兹技术研究和产业化奠定了基础，可以预见未来，在太赫兹领域的全球布局中，我国必将占领一席之地。

（数据来源：智慧芽，产新智库分析）

但值得注意的是，虽然专利家族规模前10名中我国专利族占了7位，但从专利质量（按照被引频次排序）来看，前十名均为美专局申请和授权专利。这在一定程度上说明我国在这一领域的研究大而不强（图10）。

图10 专利质量前10和专利家族规模前10

（数据来源：智慧芽，产新智库分析）

通过太赫兹专利数量和质量趋势发展分析的结果可以看出，未来我国研究机构和产业界需要将提高专利质量而不仅仅是专利数量作为发展目标，形成我国在太赫兹领域的国际话语权和主导权。

（二）在技术突破层面

未来需瞄准六大重点研究方向

根据采用大数据方法生成的太赫兹创新词云（图11，基于智慧芽专利数据平台所有申请专利的关键词聚类）和学者洪伟、杜源等的相关研究成果，未来我国太赫兹技术研究重点将围绕以下六大方向：

1. 太赫兹波发生器，低成本、小体积、高功率的太赫兹波发生器及功率放大器的研究和突破是未来太赫兹发展的关键；

2. 太赫兹测量技术与仪器，太赫兹网络分析仪，太赫兹光谱仪等太赫兹波检测仪器将有助于未来精准化推动太赫兹技术研究和产业化；

3. 太赫兹集成电路，尤其是伴随着中美贸易战以来西方国家对我国集成电路出口的限制，必须自主创新开展硅基和单片集成电路设计；

4. 太赫兹传感器，基于良好的产业和技术基础，推进大规模太赫兹检验阵列的研究；

5.超高速太赫兹通讯，研究超高速太赫兹通信技术（≥100Gbps），包括频谱规划、信道模型、系统架构与标准等；

6.太赫兹技术的跨学科应用，推动太赫兹在军工、物理、生物医药等多个领域、多个层面的应用。

图11 太赫兹专利的创新词云

（数据来源：智慧芽，产新智库分析）

（三）在产业发展层面

已形成“8大 6新”的格局

经过近几年的快速发展，我国太赫兹技术已经从理论研究逐步转向实际应用，但仍有许多技术和关键元件问题需要解决。目前推动太赫兹技术产业化的主要上市企业包括四创电子（中国电科集团38所）、同方股份、大恒科技、华讯方舟、天瑞仪器、聚光科技、凤凰光学（中国电科集团旗下公司）和TCL等8家公司。同时，值得对标的是，发达国家在太赫兹应用细分领域的杰出企业，如英国TeraView、德国Menlo Systems GmbH、日本Advantest Corporation等。当前，我国8家太赫兹公司技术比较见下表1：

表1 八大太赫兹公司技术先进性比较

（数据来源：Wind，产新智库分析）

同时本文利用智慧芽专利分析平台，按照仅在过去5年内提交专利申请的公司（之前有专利申请的公司剔除），并以专利数量最多的公司进行排序，显示了太赫兹领域的新的进入者，包括：深圳太赫兹创新研究院、深圳维特斯太赫兹科技有限公司、深圳太赫兹系统有限公司、成都塞纳维特科技有限公司、深圳市一体太赫兹合计有限公司、成都银赫科技有限公司等6家中国公司，主要集中在深圳和成都。

图12 “6新”太赫兹科技公司

（数据来源：智慧芽，产新智库分析）

太赫兹波是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段,还有很多未知需要去探索。随着中电科13所太赫兹核心芯片、华讯方舟集团太赫兹光谱仪、中物院太赫兹通信系统样机等一系列标志性进展不断取得，标志着太赫兹技术和产业发展正在提速。可以预见，随着太赫兹技术瓶颈的不断突破以及产业化应用的快速发展，为国防安全和经济社会发展提供更好支撑的太赫兹时代必将到来！

参考资料：中国知网、Wind资讯、安信证券、东兴证券、东方财富通、四创电子、同方威视、大恒科技、华讯方舟、天瑞仪器、聚光科技、凤凰光学 、TCL、智慧芽平台等。