太赫兹雷达技术

王宏强 邓彬 秦玉亮

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太赫兹雷达技术

    作者简介: 王宏强(1970–),男,出生于陕西省宝鸡市,国防科技大学电子科学学院研究员,973项目技术首席、装发部目标及其环境特性专业组专家、军委科技委国防科技创新特区主题专家、原军口863专家、中国兵工学会太赫兹应用技术专业委员会委员;入选国家“百千万”人才工程,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号;入选教育部新世纪优秀人才支持计划、军队高层次科技创新人才工程——学科拔尖人才培养对象;获中国科协“求是杰出青年奖——实用工程奖”。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、军队科技进步一等奖4项、军队科技进步二等奖1项。从事太赫兹技术、雷达目标识别、雷达信号处理等研究;邓 彬(1981–),男,出生于山东省邹城市,国防科技大学电子科学学院副研究员,从事合成孔径雷达、太赫兹雷达微动与成像等研究;秦玉亮(1980–),男,生于山东省潍坊市,国防科技大学电子科学学院副研究员,主要从事太赫兹雷达、雷达关联成像和电磁涡旋方面研究.
    通讯作者: 邓彬, dengbin@nudt.edu.cn
  • 基金项目:

    国家部委基金

  • 中图分类号: TN95

Review of Terahertz Radar Technology

    Corresponding author: Deng Bin, dengbin@nudt.edu.cn ;
  • Fund Project: The National Ministries Foundation

    CLC number: TN95

  • 摘要: 太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势,是目标探测领域的重要发展方向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展,其次对太赫兹雷达目标特性从机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍,同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状况,简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用,最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了展望。
  • 图 1  太赫兹波产生辐射方式

    Figure 1.  The generating ways of terahertz wave

    图 2  线阵扫描合成孔径雷达

    Figure 2.  The linear array scanning SAR

    图 3  225 GHz脉冲雷达与测量结果

    Figure 3.  The 225 GHz pulse radar and tracked result

    图 4  670 GHz雷达框图与成像结果

    Figure 4.  The 670 GHz radar and the imaging result

    图 5  太赫兹雷达芯片

    Figure 5.  The terahertz radar on chip

    图 6  2.4 THz成像雷达框图与成像结果

    Figure 6.  The 2.4 THz radar and the imaging result

    图 7  太赫兹雷达系统发展历程

    Figure 7.  The developing process of terahertz radar

    图 8  T5M3目标的RCS测量结果与X-Patch计算结果比较

    Figure 8.  The RCS comparing results of T5M3 and X-Patch

    图 9  STL实验室对3份不同粗糙样品的散射系数测量结果

    Figure 9.  The dissipation coefficient of three rough samples

    图 10  仿真数据与测量数据的重建图像比较

    Figure 10.  The reconstructed image of the simulation and the experiment

    图 11  频率0.6 THz时T64坦克2维多普勒成像

    Figure 11.  The two-dimensional Doppler imaging of T64 based on 0.6 THz

    图 12  粗糙立方体模型及成像结果

    Figure 12.  The model and imaging of rough cube

    图 13  太赫兹雷达成像方式

    Figure 13.  The imaging ways of terahertz radar

    图 14  140 m距离的自行车目标转台成像

    Figure 14.  The turntable imaging of bicycle with 140 m

    图 15  进动弹头目标ISAR成像结果

    Figure 15.  The imaging result of precession warhead

    图 16  MIRANDA-300雷达车载成像结果

    Figure 16.  The vehicle imaging of MIRANDA-300 radar

    图 17  国防科技大学车载THz-SAR系统及成像结果

    Figure 17.  The vehicle THz-SAR system and imaging of NUDT

    图 18  TeraSCREEN项目拟采用的阵列构型

    Figure 18.  The intending array configuration of TeraSCREEN

    图 19  0.2 THz雷达携带手枪人体模型成像结果

    Figure 19.  The imaging of the people carried pistol by 0.2 THz

    图 20  工物院340 GHz-MIMO成像系统实物图与成像结果

    Figure 20.  The picture and imaging of 340 GHz-MIMO of industrial institute

    图 21  英国伯明翰大学实验系统及结果

    Figure 21.  The experimental system and result of University of Birmingham

    表 1  220 GHz电子学器件发展水平(2017年)

    Table 1.  The development status of 220 GHz electronic devices (2017)

    器件类型 国外 国内
    固态器件 倍频器 效率>20%,功率>100 mW 效率约10%,功率约20 mW
    固态功放 功率约180 mW 功率约10 mW,带宽6 GHz
    分谐波混频器 噪声系数7 dB,变频损耗约6 dB 噪声系数6 dB,变频损耗约7 dB
    低噪声放大器 噪声系数约5 dB,增益约17 dB
    电真空器件 行波管功放 功率约60 W,增益约30 dB,带宽>15 GHz 功率约1.2 W,增益约20 dB,带宽>10 GHz
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-11-20
  • 录用日期:  2017-12-29
  • 网络出版日期:  2018-01-18
  • 刊出日期:  2018-02-28

太赫兹雷达技术

    通讯作者: 邓彬, dengbin@nudt.edu.cn
    作者简介: 王宏强(1970–),男,出生于陕西省宝鸡市,国防科技大学电子科学学院研究员,973项目技术首席、装发部目标及其环境特性专业组专家、军委科技委国防科技创新特区主题专家、原军口863专家、中国兵工学会太赫兹应用技术专业委员会委员;入选国家“百千万”人才工程,并被授予“有突出贡献中青年专家”荣誉称号;入选教育部新世纪优秀人才支持计划、军队高层次科技创新人才工程——学科拔尖人才培养对象;获中国科协“求是杰出青年奖——实用工程奖”。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖2项、军队科技进步一等奖4项、军队科技进步二等奖1项。从事太赫兹技术、雷达目标识别、雷达信号处理等研究;邓 彬(1981–),男,出生于山东省邹城市,国防科技大学电子科学学院副研究员,从事合成孔径雷达、太赫兹雷达微动与成像等研究;秦玉亮(1980–),男,生于山东省潍坊市,国防科技大学电子科学学院副研究员,主要从事太赫兹雷达、雷达关联成像和电磁涡旋方面研究
  • 国防科技大学电子科学学院   长沙   410073
基金项目:  国家部委基金

摘要: 太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势,是目标探测领域的重要发展方向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展,其次对太赫兹雷达目标特性从机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍,同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状况,简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用,最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了展望。

English Abstract

    • 太赫兹波泛指频率在0.1~10 THz波段内的电磁波,波长对应3 mm~30 μm,狭义的太赫兹指0.3~3 THz,位于微波和红外之间,处于电子学向光学的过渡频段。19世纪20年代美国学者最早提出“红外与电波结合”[1],1970年正式出现“太赫兹”一词[2],1988年太赫兹雷达问世[3]。近年来,随着太赫兹波产生、探测、传输等技术的逐步发展,太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略制高点,太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微波雷达,太赫兹雷达波长短、带宽大,具有极高的“空时频”分辨力[4,5]:在空间上意味着成像分辨率高,同时目标粗糙和细微结构变得可见,能够对目标特征进行精细刻画;在时间上意味着成像帧率高,有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打击;在频谱上意味着多普勒敏感,有利于微动探测和高精度速度估计。此外,太赫兹雷达波束窄使得天线增益和角跟踪精度高;频段宽容易实现抗干扰,而严重的大气衰减对太赫兹雷达客观上也形成了保护;器件小使系统可以高度集成化、小型化、阵列化,适合于小型无人机及其集群、卫星、导弹等平台搭载;能够反材料隐身和外形隐身,并利用传播特性近光学特点大量使用准光器件对波束进行扩束、聚焦、准直等调控。相比于激光雷达,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,可用于复杂环境作战与空间高速运动目标探测。

      可见,太赫兹技术和太赫兹雷达在军事领域具有广阔的应用前景,因此受到世界强国的高度重视。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)自1999年以来持续安排了亚毫米波焦平面成像技术(Submillimeter Wave Imaging Focal-plane-array Technology, SWIFT)、高频集成真空电子学(High Frequency Integrated Vacuum Electronics, HiFIVE)、太赫兹作战延伸、太赫兹电子学等相关项目[6],2012年推出视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR)计划[7],2014年推出成像雷达先进扫描技术(Advance Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)计划[8],2016年在专门雷达特征解决方案(Expert RADar Signature Solutions, ERADS)中加强亚毫米波目标特性测量雷达研究。欧盟相继提出第七框架计划(2011—2019年)和第八框架计划(2020地平线计划)[9],大力发展太赫兹人体安检、通信、微制造、芯片等技术[1012],经费超过3000万欧元。国内在原863、973以及国家自然科学基金、国家重点研发计划等支持下,在太赫兹波产生、检测、传输发射组件、应用系统方面取得了重要进展,“十三五”期间围绕核心器件性能提升和“杀手级应用”持续加大投入。太赫兹技术和太赫兹雷达正处于实验验证向实际应用过渡阶段,基础和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器件成熟程度、性能极限、应用方式等方面存在争议,但其科学价值、应用前景和发展潜力得到愈来愈多的关注和认可。

      与微波毫米波雷达和激光雷达相比,太赫兹雷达存在一定的频段特殊性。本文主要从雷达系统、目标特性、目标成像、应用技术4个方面概述太赫兹雷达研究进展情况,最后对太赫兹雷达技术的重点发展方向进行展望。

    • 太赫兹波产生辐射方式主要分为电子学和光学两类,其产生机理与典型代表如图1所示。据此,太赫兹雷达可分为电子学和光学两类。需要说明的是量子级联激光器和半导体激光器太赫兹雷达由于采用激光激励而归入光学太赫兹雷达。

      图  1  太赫兹波产生辐射方式

      Figure 1.  The generating ways of terahertz wave

    • 目前报道的电子学太赫兹雷达系统主要基于固态电子学器件和真空电子学器件,一般采用外差式接收方式。其中220 GHz电子学器件发展水平如表1所示。此外,使用准光光路的电子学太赫兹雷达单独介绍。

      器件类型 国外 国内
      固态器件 倍频器 效率>20%,功率>100 mW 效率约10%,功率约20 mW
      固态功放 功率约180 mW 功率约10 mW,带宽6 GHz
      分谐波混频器 噪声系数7 dB,变频损耗约6 dB 噪声系数6 dB,变频损耗约7 dB
      低噪声放大器 噪声系数约5 dB,增益约17 dB
      电真空器件 行波管功放 功率约60 W,增益约30 dB,带宽>15 GHz 功率约1.2 W,增益约20 dB,带宽>10 GHz

      表 1  220 GHz电子学器件发展水平(2017年)

      Table 1.  The development status of 220 GHz electronic devices (2017)

    • 固态电子学器件以其相对先进的工艺技术成为目前太赫兹雷达实验系统收发设备的主要构成。上世纪90年代末,美国弗吉尼亚大学在GaAs肖特基二极管倍频技术方面获得突破[13,14],使得基于固态电子学倍频源的太赫兹雷达技术向前迈进了一大步,后来在2004年分离形成的VDI (Virginia Diodes Inc., VDI)成为业界在固态电子学倍频源方面的主要代表。2008年美国加州喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)研制成功0.6 THz雷达,是第1部具有高分辨率测距能力的雷达系统[15]。由于接收端混频的参考信号同样需要倍频并有一定差频,故采用双源结构实现相干探测,这也成为目前太赫兹雷达的主流架构。

      欧洲以德国为首最早开展了相关系统研究,包括瑞典、丹麦、英国、以色列、荷兰等国的研究机构也纷纷基于不同方式建立了电子学太赫兹雷达试验系统。2008年,德国高频物理与雷达技术研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques, FGAN-FHR)在94 GHz毫米波雷达(COBRA)的基础上研制了基于固态电子学器件的220 GHz FMCW特征测量实验雷达[16,17]。2013~2016年又研制了工作频率为0.3 THz的米兰达(Miranda) 300实验雷达系统[18],由于使用了低噪声放大器系统作用距离达到百米量级。

      瑞典查尔姆斯科技大学在2010年基于倍频链路与外差接收链路实现了一部340 GHz、相对带宽6.5%的太赫兹雷达[19],2011年又与德国夫琅和费应用固体物理研究所(Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics, IFA)合作研制成功频率220 GHz单片集成的外差低噪接收机与发射机模块,并且在收发模块上融合了基于0.1 μm砷化镓异质场效应晶体管技术的片上集成天线。该集成收发模块可在主被动雷达成像与高速数据通信等方面产生重要应用。

      国内近几年有多家单位均开展了固态电子学太赫兹雷达应用技术研究,并且在短时间内取得了一些重要成果。中国工程物理研究院最早在2011年基于自研的倍频发射链路和谐波混频器实现了140 GHz雷达试验系统[20],2013年集成搭建了670 GHz全固态实验雷达[21]。2012年中科院电子所设计实现了一种0.2 THz聚焦波束扫描系统,可对人体携带的隐藏目标进行成像[22]。电子科技大学2014年研制了340 GHz太赫兹雷达,最高带宽达到28.8 GHz。北京理工大学则基于脉冲步进频信号体制研制了0.2 THz雷达系统,并完成了分辨率与测距实验。由于太赫兹雷达系统均采用大带宽信号实现距离向高分辨,难点之一在于保证带宽范围内的频率调制线性度,因为这将决定接收信号是否具有稳定的相位而利于相干处理和提高分辨性能。因此研究不同的信号调制方式如线性调频、步进频与编码信号等在太赫兹雷达中的应用具有重要意义。

      太赫兹雷达体制发展的另一个趋势是阵列天线收发系统,包括采用小型化单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)的收发阵列和稀疏布置的多发多收天线阵列。阵列天线的宽辐射特性将会产生一个相对较大的视场,并且带来更高的空间分辨率,基于孔径合成技术可以快速地实现太赫兹雷达实时高分辨成像。

      基于集成收发阵列的雷达系统研究也进展迅速,美国JPL实验室已成功研制340 GHz雷达阵列收发器[23],并计划将其应用于安检以实现视频帧速的成像,JPL所实现的8阵元集成收发阵列大小仅为8.4 cm。德国法兰克福大学与丹麦科技大学合作在太赫兹阵列雷达的理论研究与实验系统建设方面取得了进展,他们基于固态电子学信号源提出一种太赫兹阵列雷达系统,水平方向利用线性收发阵进行扫描,垂直方向进行机械扫描,系统机械布置如图2所示。系统的线性阵列由8个发射阵元与16个接收阵元构成,工作频段为220~320 GHz,对线性接收阵列接收的数据基于后向投影算法进行合成图像重建,在2 ms内可以实现像素为128×128的图像聚焦[24,25]。德国的SynView公司在基于全固态太赫兹雷达SynViewScan的基础上也进一步提出采用多发多收天线与合成重建方法实现太赫兹实时成像[26]

      图  2  线阵扫描合成孔径雷达

      Figure 2.  The linear array scanning SAR

    • 太赫兹电真空器件以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统发展中具有重要意义。最早关于真空电子学太赫兹雷达的报道是1988年马萨诸塞大学的McIntosh R E等人基于当时真空器件扩展互作用振荡器(Extended Interaction Oscillator, EIO)的发展在215 GHz的大气窗口附近实现了一部高功率非相干脉冲雷达[3]。随后在1991年佐治亚理工学院的Mc Millan等人为美国军方提出并实现了225 GHz脉冲相干实验雷达[27],同样采用脉冲扩展互作用振荡器作为发射机,发射脉冲峰值功率达到60 W,全固态接收机基于四分之一次谐波混频器实现。这是当时第1部在如此高的频段实现锁相的相参雷达。但是受限于真空器件本身,无法实现大带宽信号的发射,只能利用该雷达进行目标的多普勒回波测量。太赫兹雷达由于波长非常短,因此多普勒特征将非常明显,可以基于多普勒特征识别目标的不同运动部件。如图3所示为225 GHz脉冲相干雷达以及测得的履带坦克不同部位多普勒回波。

      图  3  225 GHz脉冲雷达与测量结果

      Figure 3.  The 225 GHz pulse radar and tracked result

      上述雷达系统受限于发射机体积与信号体制等因素未能进一步走向实用,仅见基于扩展互作用放大器(Extended Interaction Klystron, EIK)的测云雷达,以及国内基于EIO的345 GHz近程ISAR系统设计(尚未实现)。太赫兹技术发展仍然面临可实用太赫兹源与太赫兹探测技术的问题。当传统电子学器件源的发射频率增加至太赫兹频段时,可获得的发射功率急剧下降,作用距离受限,同时太赫兹波在大气中传输损耗严重,这些都使得太赫兹雷达技术应用受限。

    • 由于太赫兹波具有近光学特点,太赫兹雷达可以大量使用准光器件对波束进行调控,这也是太赫兹雷达的鲜明特点之一。2008年以来美国JPL基于固态电子学器件研制了580 GHz, 600 GHz, 670 GHz频段调频连续波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)相参主动太赫兹雷达[2831],利用带宽信号实现距离向高分辨,通过安装在双轴旋转台上的偏轴椭球反射镜来完成波束聚焦与逐点扫描,实现方位向厘米级的分辨率,可对4~25 m远的隐藏目标进行3D成像。为提高帧率采用了两种方法:一种通过时分复用多径技术将单波束变成双波束先后照射目标,成像时间缩短一半;另一种方法通过设计前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描,时间大大缩短。如图4所示为670 GHz雷达的结构组成框图以及对衣服下隐藏的3个直径1英寸的PVC管的成像。

      图  4  670 GHz雷达框图与成像结果

      Figure 4.  The 670 GHz radar and the imaging result

      此外,国内使用准光光路的太赫兹雷达系统还有中国科学院电子所和中国工程物理研究院刀刃状波束准光扫描雷达[22,32],频段分别为220 GHz和340 GHz,不再赘述。

    • 太赫兹雷达由于波长短,包括收发前端、天线在内都具有芯片化潜力。早在2011年,奥地利的林茨约翰•开普勒大学即研发了120 GHz FMCW雷达。采用SiGe芯片,芯片组由包括压控振荡器的基波信号生成芯片和收发芯片组成,尺寸仅为4×3.5 cm[33]。2011年12月,德国法兰克福研发团队在欧盟资助下研发出一款尺寸8 mm×8 mm的122 GHz雷达[33],也是当时世界上最小的雷达芯片(图5(a))。2014年,德国卡尔斯鲁厄理工学院研制成功122 GHz小型短距离雷达传感器[34](图5(b))。2015年,德国乌尔姆大学研发了110~140 GHz可重构雷达前端集成电路,带宽可达30 GHz[35]。2016年奥地利通信工程与射频系统研究所研发出一种基于130 nm SiGe的全集成D波段双向FMCW雷达传感器,功耗为560 mW,封装尺寸为12 mm×6 mm[32]

      图  5  太赫兹雷达芯片

      Figure 5.  The terahertz radar on chip

      在更高的240 GHz频段,2013年德国波鸿大学研发了一种基于SiGe MMIC的240 GHz雷达传感器,用于实现高分辨成像。该雷达带宽超过60 GHz,包括单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)芯片和数字控制模块。雷达能够实现204~265 GHz的快速、高线性频率扫描,最大输出功率约为–1 dBm EIRP[36]。2014年,德国伍珀塔尔大学研发出一种基于具有单收发芯片的240 GHz圆形极化SiGe FMCW雷达系统。该系统可用于各种短距离应用,例如SAR/ISAR成像和3-D扫描成像等[37]

    • 时域雷达是太赫兹时域光谱技术与雷达技术相结合的相干雷达系统,具有频段高(2 THz以上)、带宽大、时间(距离)分辨率高、频谱信息丰富、集成小型化等优势,尽管存在功率低、采集效率低、光斑小(波束窄)、波形固定等问题,但在无损检测、RCS测量等特定场景有着独特的应用。2000年以来,美国、德国、丹麦等国家以及国内首都师范大学、国防科技大学等相继研制了TDS系统,当其以反射方式用于目标测量时可视为时域雷达。目前,主流工作频段为0.1~3 THz,国外最高频段可达5~6 THz,并往手持式、无需激光激励(Laser-free)方向发展。

    • 远红外激光器主要指光泵浦气体激光器,它通过高功率的CO2激光器泵浦甲醇、甲酸等气体,通过气体的转动跃迁产生单频太赫兹波,如有两路输出即可形成相干的远红外激光器雷达。主要特点是输出的太赫兹波是单频信号、频率稳定性高、在很宽的频段范围内可以间断调谐,功率可达毫瓦甚至百毫瓦,是太赫兹高频段主要的相干源。1993年以来,美国马萨诸塞大学亚毫米波技术实验室(Submillimeter-wave Techniques Laboratory, STL)相继研制了0.32, 0.52, 0.58, 1.56 GHz远红外激光器雷达[3842],并尝试从点频扩展到宽带。日本也研制成功800 mW, 6.3 THz高功率远红外激光器源。国内天津大学基于单路激光器搭建了非相干远红外激光器雷达,但信噪比比较低[43]。中国工程物理研究院研制的183 mW, 2.52 THz OPL代表了国内最高水平,但在雷达集成与应用方面未开展相关研究。

    • 量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)能够在1 THz以上提供平均功率大于10 mW太赫兹辐射。STL在2010年基于QCL实现了一部2.408 THz相干雷达[44,45],它利用光抽运分子激光器作为本振并将QCL锁频到其上,保证发射与接收信号的相位稳定性,接收端与参考通道采用一对肖特基二极管混频器,保证系统实现对旋转目标的相干成像。图6为该雷达系统组成原理图以及对1/72的缩比T80BV坦克模型的成像结果。

      图  6  2.4 THz成像雷达框图与成像结果

      Figure 6.  The 2.4 THz radar and the imaging result

      此外,光学太赫兹雷达还有光电导阵列雷达、光差频雷达、太赫兹相干/非相干焦平面雷达、太赫兹光子学雷达等形式少量见诸文献报道。其中太赫兹光子学雷达把接收到的太赫兹波通过电光转换变到光的频段,然后进行光的滤波、放大等处理,并利用干涉、光外差或光学CCD阵列提取太赫兹信息,目前尚在实验阶段。总体而言,光学太赫兹雷达由于功率、光斑等限制,主要用于近距离室内实验,从探测应用上看不如电子学太赫兹雷达前景广阔。

      太赫兹雷达系统的整个发展历程如图7所示。

      图  7  太赫兹雷达系统发展历程

      Figure 7.  The developing process of terahertz radar

    • 目标特性是太赫兹雷达论证、设计以及实际应用的共性基础问题。在太赫兹频段,金属材料的介电特性处于从导体到介质的过渡,目标细微结构处于从不可见到可见的过渡,目标表面处于从光滑到粗糙的过渡,散射行为处于从镜面反射到漫反射的过渡。这个过渡频段的诸多特性长期以来没有得到充分研究,导致对太赫兹频段目标散射机理、目标散射特性获取等问题认知上的“太赫兹Gap”。近年来,各国研究机构对这一问题高度重视,相关研究获得了长足的发展。下面分别从3个方面回顾近年来该领域取得的研究成果。

    • 由于太赫兹波段介电响应已经跨入了微观理论的区域,太赫兹波段的新现象和新技术都与微观机理紧密联系,掌握材料介电参数在该频段的变化规律尤为重要。太赫兹波与物质材料的相互作用能够激发材料的晶格振动声子,由于声子与电子耦合产生特殊的电磁散射效应,使得太赫兹波段的散射特性不是简单的高频外推,必须把宏观电磁理论与微观机理相结合,从而推广经典Drude模型并建立太赫兹波段的电磁介电响应模型以计算全频段介电参数[46]。此外,太赫兹波段材料介电响应试验结果呈现出许多复杂的行为,比如部分材料响应函数敏感于环境温度[47]。这类新出现的矛盾人们希望能够从量子力学水平进行解释并揭示内在规律。

      目前,国内外针对太赫兹频段目标材料散射机理的研究基本处于空白状态。2014年以来,国防科技大学联合航天科工207所针对这一问题展开了前瞻性研究。由于在太赫兹频段介电参数变化的机理尚不明确,介电响应敏感于材料种类、晶体结构、声子电子耦合等,在构造材料哈密尔顿量时存在诸多不确定因素。需要改进和发展非局域理论和电子、光量子与声量子相互作用理论,给出经典等效介电响应模型,揭示太赫兹频段材料散射的新机理[48]

      材料介电响应特性来源于原子种类、原子结构和电子能带等微观物理特性。为能够给出介电响应近似解析的表达形式,航天科工207所采用玻尔兹曼方程来描述材料中大量电子运动规律,并研究材料受到太赫兹波激励后其电子分布函数弛豫回到平衡态的过程,其中电子弛豫时间是微观机理所阐述,提出了空间非局域、时间非局域、电子电子耦合和电子声子耦合4种可能的新机理,给出了典型太赫兹频段材料介电参数拟合模型,在纯铝、过渡金属、氧化物等材料的实验比对中得到较好的验证,为揭示太赫兹波与物质相互作用规律和提供典型材料全频段介电参数提供了依据。

    • 目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙表面目标,表面细微结构散射较强不可忽略,且是超电大尺寸目标,这是太赫兹频段目标散射特性建模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性可采用两种技术途径:一种是由微波/毫米波向上扩展,另一种是由光学频段向下扩展。

      微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电磁代码联合体(ElectroMagnetic Code Consortium, EMCC)组织开发了基于弹跳射线(Shooting and Bouncing Ray, SBR)技术的X-Patch电磁计算软件[49],该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太赫兹频段目标RCS计算,并与实测结果进行了比较,得到了较为一致的结果[50],如图8所示,但仅能计算小尺寸目标。

      图  8  T5M3目标的RCS测量结果与X-Patch计算结果比较

      Figure 8.  The RCS comparing results of T5M3 and X-Patch

      太赫兹频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可见到可见的过渡区域。相关测量研究表明太赫兹频段下目标表面的亚波长粗糙和细微结构对电磁散射行为具有重要影响。因此,为了更准确地对太赫兹频段(尤其高频段)目标散射特性进行建模,目标表面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰法(Small Perturbation Method, SPM)、吉尔霍夫近似(Kirchhoff Approximation, KA)、小斜率近似法(Small Slope Approximation, SSA)、双尺度法(Two Scale Method, TSM)等。这些方法是在太赫兹频段的适用性也有部分学者进行了研究,包括美国STL实验室[51]、波特兰大学[52]、德国的Jansen C[53]等人针对不同类型的粗糙表面,基于SPM或KA模型进行太赫兹频段目标粗糙表面散射回波强度的理论计算,并与实验测量结果进行了对比验证。如图9所示为STL实验室对粗糙均方根值在5~20 μm的粗糙铝表面样品的测量值与KA模型值的比较结果,并通过比较,精确地求出了粗糙面的均方根值。

      图  9  STL实验室对3份不同粗糙样品的散射系数测量结果

      Figure 9.  The dissipation coefficient of three rough samples

      粗糙面散射理论本身并不具备计算相位的能力。为了提供散射场的相位从而为后续雷达成像等应用提供支撑,德国研究人员在2014年提出了一种方法对太赫兹频段的表面粗糙人体散射特性进行理论建模与计算,基于散射计算数据获得了人体目标的成像结果,并将理论结果与测量结果进行了比较,图10为粗糙表面人体的仿真数据成像结果和实测数据成像结果的比较[54]

      图  10  仿真数据与测量数据的重建图像比较

      Figure 10.  The reconstructed image of the simulation and the experiment

      国内以东南大学为代表开发实现了基于高频近似方法—弹跳射线法与增量长度绕射系数法(Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)的太赫兹频段目标散射计算方法,并与数值方法(Multilevel Fast Multipole Algorithm, MFLMA)计算结果进行比较,验证了所实现高频方法计算的准确性[55]。国防科技大学通过对太赫兹频段目标进行散射建模与计算[5658],分析了太赫兹频段复杂目标的成像特性,揭示了太赫兹波散射成像的高分辨优势[59,60]。如图11所示为基于电磁计算数据的T64坦克2维成像结果,可见太赫兹频段目标散射成像可直观地反映目标轮廓与详细的散射特征信息,非常有利于目标识别。图12所示为一个金属立方体模型考虑表面粗糙度前后的雷达成像结果,通过成像分析可以看出粗糙表面使得成像结果可以直观地反映目标的轮廓信息,相比之下,光滑立方体成像仅由少数几个散射点构成。另外,针对目标表面粗糙问题,国防科技大学还提出了一种半确定性面片分级散射建模方法[61],该方法降低了对超电大目标需进行极密网格剖分的障碍,使得在现有计算条件下计算太赫兹频段超电大目标的散射特性成为可能。

      图  11  频率0.6 THz时T64坦克2维多普勒成像

      Figure 11.  The two-dimensional Doppler imaging of T64 based on 0.6 THz

      图  12  粗糙立方体模型及成像结果

      Figure 12.  The model and imaging of rough cube

    • 太赫兹频段目标散射特性测量系统的实现方式通常分为电子学和光学两大类。电子学方式主要为基于固态倍频链路实现,光学方式主要包括基于飞秒激光器的太赫兹时域光谱测量系统和基于远红外激光器的散射测量系统[3]

    • 微波倍频源测量系统主要是在太赫兹低频段开展测量,其被测目标尺寸较其他两种方法大,且RCS数据包含相位信息[62,63]。美国STL实验室1997年和2010年搭建了0.524 THz和0.24 THz太赫兹抛物面紧缩场测量系统,对坦克等目标的缩比模型进行了测量并成像[63]。芬兰赫尔辛基科技大学2006年基于微波倍频源建立了0.31 THz全息图型太赫兹紧缩场系统,对导弹模型的测量结果与计算结果进行了对比验证。国防科技大学、航天科工集团207所和航天科技802所为代表,基于固态电子学源测量系统进行了散射测量实验,获得了目标的RCS曲线和2维散射分布结果。针对近场测量和测量背景杂波,国防科技大学开展了近远场变换技术和背景杂波抑制技术研究,在实测数据处理中有效改善了测试精度[62,63]。中物院基于140 GHz成像雷达通过近-远场变换,利用目标的1维距离像、2维逆合成孔径雷达像数据估计得到了目标RCS[62,63]

    • TDS系统主要是在太赫兹中低频段开展测量,其被测目标尺寸较小,且RCS数据不包含相位信息[1]。德国布伦瑞克太赫兹通信实验室在2009年基于光纤耦合太赫兹收发器搭建了RCS时域测量系统,通过将金属球与平板的测量结果与理论数据进行对比验证了该系统测量的可行性,2012年基于新的光纤耦合天线与双圆测角器改进了该测量系统,使其能够灵活完成不同角度配置的双站RCS测量,获得了1:250缩比旋风200战机与F-117战机的RCS随频率与角度变化曲线,并且对比分析了旋风200在挂弹前后的RCS变化以及F-117垂直尾翼展开前后的RCS变化[6466]。2010年丹麦技术大学基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时域脉冲系统,获得了远场条件下1:150缩比F-16飞机的不同姿态角RCS结果。2013年以来,国防科技大学利用自主搭建的TDS系统测得了金属球、金属圆形平板、光滑金属圆柱和粗糙金属圆柱目标的太赫兹RCS数据,并进行了RCS特性分析[62,63]。2014年以来,航天科工207所利用TDS系统在0.1~2.4 THz测量了玻璃钢材料的反射率和金属铝的介电参数,同时测量了金属球的RCS,精度优于3 dB。由于TDS在如此宽的频段存在“光斑-功率”矛盾以及高斯波束非静区等问题,将其用于RCS测量至今仍存在一定的争议[67]

    • 基于远红外激光器的测量系统主要是在太赫兹中高频段开展测量,其被测目标尺寸较小,且RCS数据不包含相位信息[68,69]。美国STL实验室2001年以来,先后研制了0.35 THz、1.56 THz和2.4 THz太赫兹抛物面紧缩场测量系统,并于2010年利用2.4 THz系统对军用卡车、T-80BV坦克等目标的缩比模型进行了RCS测量[68]。2015年以来,哈尔滨工业大学基于远红外激光实验测量系统研究了高斯波束对圆柱、球等标准体目标太赫兹雷达散射截面的影响。天津大学基于远红外激光实验测量系统开展基于远红外傅里叶光谱仪的透射式介质介电参数测量方法研究,完成透射式、反射式介电参数测量系统的搭建及典型介质材料的介电参数数据测量,并对标准体RCS及双站散射特性进行测量,完成粗糙样片双站散射特性测量系统搭建及数据测量。从当前测量结果来看,粗糙度为3 μm到30 μm的目标,其粗糙特性对RCS存在明显影响。

      总体来看,太赫兹频段目标散射特性测量尚存在光学方法功率小、静区过小、电子学方法频段低、静区小等问题,测量精度均偏低(对简单形体目标在3 dB左右),缩比测量技术与近远场变换方法研究也有待加强。

    • 成像旨在获得目标某种物理量的空间分布,例如散射系数、介电参数、辐射亮温、坐标位置等,高分辨成像能力是太赫兹雷达最重要的优势。由于能够同时借鉴光学和微波成像,太赫兹成像方式林林总总,包括主动式雷达成像、飞行时间成像、层析与衍射层析成像、逐点扫描成像、被动焦平面成像、倏逝波近场成像、时间反转成像、单像素压缩感知成像、全息成像、菲涅尔透镜成像、暗场成像、动态孔径成像、声学成像等。但对于本文关注的雷达成像,太赫兹频段雷达成像并未突破经典相参雷达成像的范畴,在机理上依然是利用层析原理和距离多普勒原理,在模型上依然是利用综合孔径或阵列实孔径,在方法上依然是利用后向投影、距离多普勒、距离徙动等算法,且不同角度和频点间目标回波的相干性依然得以保持。但是,太赫兹雷达客观上存在一定的频段特殊性问题,例如大带宽信号非线性影响、近场效应等,以及一定的频段特殊性优势,例如对准光扫描技术的普遍利用、高帧率成像、对粗糙面、细微结构甚至材料参数的成像能力等。

      从成像方式的角度目前已有的太赫兹雷达成像分类如图13所示,不同方式可以融合,下面按照这一分类介绍太赫兹雷达成像方面国内外取得的一些成果,其中准光扫描方式不再单独介绍。

      图  13  太赫兹雷达成像方式

      Figure 13.  The imaging ways of terahertz radar

    • 在转台成像方面,国内外诸多研究单位基于电子学系统对标准体、人体、飞机坦克模型、自行车、吸波材料等目标进行了0.14 THz, 0.22 THz, 0.33 THz, 0.44 THz, 0.67 THz宽带转台成像实验,在0.67 THz开展了点频360°成像实验,表明不同脉冲和不同转角下相位相干性依然得以保留,转台成像至少在太赫兹低频段仍然适用;同时围绕非线性校正及其导致的等效转台中心偏移、远场成像条件、近场大转角成像方法等问题开展了理论研究。其中转台成像实验最典型的代表是2013—2015年德国利用米兰达(Miranda)300系统[70]开展的人体和自行车成像实验,其自行车成像结果如图14所示。该系统载频300 GHz,带宽40 GHz,实现了最远700 m处的携带隐匿物品的人体成像,分辨率达到3.75 mm。2015年,对系统进行了优化升级,实现了更为清晰的自行车目标图像[71]。国内比较有代表性的是电子科技大学研制的340 GHz雷达,利用2维FFT和BP等方法实现了目标高分辨成像[72]

      图  14  140 m距离的自行车目标转台成像

      Figure 14.  The turntable imaging of bicycle with 140 m

      太赫兹由于波长短对相对转角要求较小,还可以进行方位-俯仰成像获得横剖面类光学图像,用于目标散射中心诊断与分析。美国STL实验室基于远红外激光器和QCL分别实现了1.5 THz和2.4 THz方位俯仰成像[44,73]。国防科技大学针对目标成像结果中散射点数目急剧增加和目标散射分布呈现出的块结构分布特性,提出了基于块稀疏恢复理论的目标方位俯仰图像重建方法[74];提出了基于双频干涉的目标距离-方位-俯仰3维成像方法在距离维成像的同时回避了大带宽信号非线性校正难题。

      在太赫兹雷达微动目标ISAR成像,国防科技大学进行深入研究,利用太赫兹雷达的微多普勒敏感性和高分辨成像优势,估计得到了目标微动参数并获得了高分辨高帧率ISAR像[75,76],成像结果如图15所示。

      图  15  进动弹头目标ISAR成像结果

      Figure 15.  The imaging result of precession warhead

      此外,太赫兹波长短同时导致目标或平台抖动对成像的影响显著增强,带来分辨率恶化,国防科技大学对此也开展了探索性研究。总地来看,太赫兹ISAR成像还需要在以下几个方面加强研究:散射中心模型适用性与目标特征增强成像、太赫兹高频段ISAR成像、太赫兹超大带宽成像与色散性分析、高速平动目标ISAR成像理论与实验。

    • 太赫兹SAR可以搭载于空中移动平台实现对地物成像,遂行抵近侦察、一体化侦察打击等任务,具有集群小型化、高分辨、高帧率、多普勒敏感等优势。早在2010年,西安电子科技大学THz-SAR系统进行了详细论证设计[77,78],同年中国工程物理研究院开展了无人机载THz-SAR概念研究。2012年5月美国DARPA发布“视频合成孔径雷达”研究项目[79],频段选在230 GHz,雷达可装置在各种航空平台上穿透云层对地面进行成像,帧率与红外传感器相当,同时具备地面运动目标指示能力。DARPA确定了该系统4项关键技术:紧凑型机载发射机与接收机、功率放大器、场景仿真与数据测试系统、实时成像先进算法。2017年在改装的DC-3客机上成功进行飞行测试[80]

      在成像方法研究方面,2009年电子科技大学基于THz-SAR系统,采用时频分析方法检测微动目标,并用小波估计其微动参数[81]。2010年西安电子科技大学对THz频段目标微多普勒现象进行了定量分析,提出了基于原子分解的微多普勒分析方法,并对THz-SAR系统中典型微动形式的微多普勒进行建模,采用Gabor变换方法提取微动特征参数[82],采用时频分析的方法提取振动和转动目标的微动特征参数[83]。2015年哈尔滨工业大学将R-D算法用于THz-SAR验证了R-D算法同样适用于THz-SAR这一结论,同时基于离散正弦调频变换和基于Chirplet分解的方法对THz-SAR平台高频振动这一微波SAR无需考虑的因素进行补偿,验证了这两种方法的有效性[84]

      在THz-SAR试验方面,德国FHR利用MIRANDA-300进行了车载成像试验,距离向分辨率5 mm,方位向分辨率1.5 mm(图16)。中科院电子所研制了200 GHz雷达系统并对角反射器等目标进行了室外车载实验,方位向分辨率达到7.5 mm。国防科技大学研制了220 GHz车载THz-SAR系统并获得了自行车目标的清晰图像[85](图17)。

      图  16  MIRANDA-300雷达车载成像结果

      Figure 16.  The vehicle imaging of MIRANDA-300 radar

      图  17  国防科技大学车载THz-SAR系统及成像结果

      Figure 17.  The vehicle THz-SAR system and imaging of NUDT

      总地来看,太赫兹SAR存在平台抖动补偿、匀速直线及圆周SAR运动目标检测与成像方法、飞行平台SAR系统集成与试验技术等问题亟待解决。

    • 阵列化是雷达成像体制的发展趋势。尽管存在加工和集成难度大等问题,但太赫兹雷达尺寸小尤其适合于阵列化,在阵列成像领域具有很大的应用潜力。德国法兰克福大学与丹麦科技大学合作基于8发16收线阵雷达提出了双站快速因子分解后向投影算法进行图像重建,在2 ms内可以完成像素大小为128×128的图像聚焦[25]。美国JPL实验室8阵元集成收发阵列也已应用于安检成像系统以实现视频帧速的成像[23]。2013年,欧盟开展了一项名为TeraSCREEN的项目[9],致力于研究站开式安检太赫兹实时成像系统,计划搭建一套30 GHz带宽的360 GHz接收机阵列以数据融合的方式进行安检成像(图18)。

      图  18  TeraSCREEN项目拟采用的阵列构型

      Figure 18.  The intending array configuration of TeraSCREEN

      国内方面,2012年中科院电子所设计研制了中心频率为0.2 THz、扫频带宽15 GHz的3维全息成像系统。系统发射束腰半径为2.7 cm的高斯波束,阵元间隔为2 mm,成像分辨率可达8.8 mm,实现了太赫兹准光高斯波束下对隐藏危险物品人体模型的3维图像重建[22,8688]图19为该系统简化结构图和对隐藏手枪目标的模特成像结果。随后几年,该单位对成像算法不断完善,取得了良好的成像效果。

      图  19  0.2 THz雷达携带手枪人体模型成像结果

      Figure 19.  The imaging of the people carried pistol by 0.2 THz

      2016年,中国工程物理研究院搭建了一套基于MIMO阵列的340 GHz准光式3维扫描成像系统。该系统采用4发16收阵列,发射信号带宽为16 GHz。能在4 m远处对人体目标大小的成像场景实现准实时成像(图20)[89]

      图  20  工物院340 GHz-MIMO成像系统实物图与成像结果

      Figure 20.  The picture and imaging of 340 GHz-MIMO of industrial institute

      总体而言,太赫兹阵列雷达成像理论与系统均受到高度的重视,但相控阵技术尚不成熟,且一般都通过快速开关切换而非波形正交实现通道切换。为了降低面阵阵元数量要求和成本,目前多采用线阵与综合孔径、准光扫描、稀疏等技术几何降低阵元数量,太赫兹面阵阵列实时成像仍任重道远。

    • 前述太赫兹ISAR和SAR成像依赖于雷达与目标的相对运动,需要孔径合成时间积累,成像帧率依然受限;而实孔径阵列雷达由于需要使用的阵元数量多,结构复杂,建设与维护成本高昂,难以完全满足需要高分辨高帧率前视或凝视成像的应用场景。破解“高分辨高帧率凝视成像”这一难题亟需雷达成像原理、体制和方法的突破。太赫兹孔径编码成像雷达技术应运而生,它借鉴融合了太赫兹成像技术与微波关联成像技术[90]等重要思想,利用孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅相分布,构造具有显著时间-空间不相关性的辐射场分布形式,并通过计算成像思想进行成像。

      2014年8月,美国国防高级研究计划局发布了成像雷达先进扫描技术(Advanced Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)研究项目[8],旨在寻求一种不依赖于SAR和ISAR成像中目标或平台运动的先进雷达3D成像技术,设想使用电控次反射面和单个收发链路实现高分辨成像。该项目的发布是太赫兹孔径编码成像发展的里程碑事件。太赫兹编码天线的兴起与迅猛发展为孔径编码成像技术向太赫兹频段拓展提供了重要技术支撑。2015年,美国Notre Dame和VDI的研究人员提出了一种光诱导孔径编码成像技术[91,92],通过DLP投影机实时地将数字Hadamard掩模投影到硅晶片上,从而对入射到硅晶片上的太赫兹波束(500~750 GHz)透过率实现高速实时编码。2016年,天津大学与第三军医大的研究人员使用具有特定振幅编码方案的金属掩模板对太赫兹波束(0.5~2.7 THz)进行调制[93],金属掩模板由机械导轨驱动在光路中移动,实现编码方案的时序改变,再结合压缩感知的基本思想,实现了对特定目标的单像素太赫兹主动成像。2017年,国防科技大学研究人员提出了一种可同时实现对太赫兹波束随机相位编码与波束指向控制的孔径编码成像技术,用于实现对近场目标的高速数字扫描成像,还对孔径编码成像雷达技术的编码策略进行了深入研究,对比分析了不同编码位置、不同编码对象以及不同编码方式各自的特点,并开展了仿真成像研究。研究结果对孔径编码成像系统的设计与开发具有重要的指导意义[94]

      总体而言,国内外相关领域的学者已对孔径编码成像技术开展了一系列研究并拓展到了太赫兹频段。但受限于目前的器件工艺水平,多采用机械编码方式或光诱导硅晶片,天线编码方式单一,切换速度较慢,导致对太赫兹辐射场的编码调制效果不够理想,天线设计、孔径编码策略等关键技术尚未突破,实验研究有待加强。太赫兹孔径编码成像技术总体上仍处于起步阶段。

    • 下面简述太赫兹雷达主要在以下5个领域的应用。

    • 太赫兹雷达自诞生以来一直追求在空间或地面军事目标预警探测上的应用。早在1992年,美国就依托战略防御倡议(星球大战计划)探索了太赫兹雷达在动能武器中的应用,并提出太赫兹相控阵、超导混频等技术设想,在电子学计划中又明确寻求“太赫兹技术在空间监视、导弹预警、反恐行动等领域的应用”,并于2012年启动直接面向地面目标探测的ViSAR项目,2016启动天地协同一体化太赫兹雷达技术研究,通过地面和太空部署的太赫兹雷达与地面传统雷达协同,有效反制依靠涂层和外形隐身的五代战机。

      在反导拦截方面,太赫兹主动雷达导引头通过独立或与红外复合,可作为弹头识别的有效手段:它采用主动方式工作,可以有效探测冷弹头;可以远距离对弹头2维高分辨成像,获得包括细微结构和粗糙表面在内其几何特征,据此识别真弹头和选择打击点;弹头的微动在太赫兹频段可产生显著的微多普勒,可据此识别真弹头。此外它的高精度测距测速能力还可以实现对机动弹头的高精度制导,并且不受星体杂波和地面杂波影响。

      此外,太赫兹雷达可搭载于飞艇或卫星用于对临近空间高超声速目标的探测,穿透等离子体对目标本体远距离成像,获取信息是高分辨本体像。天基太赫兹雷达能够近距离探测空间碎片并进行成像,得到其类型和轨道信息,从而为航天器的安全提供保障。太赫兹雷达在引信与末制导领域也有广阔的应用前景:测角和测距精度高,引导信息更加精准;具备近距离快速成像和微多普勒测量能力,支持目标及其部位识别;功率小、大气衰减严重,因此天然具备抗干扰能力;对沙尘烟雾有穿透性,优于激光制导。

    • 近年来,国际国内反恐维稳形式呈现出袭击领域多、危害程度大、影响范围广的复杂态势,在公共安全场所对人员进行安检是预防公共安全事件最有效手段之一。目前以美国L3系统为代表的毫米波成像仪成熟度高且已部署应用,但机械扫描时需要人体静止驻留耗时略长,且阵元数目多、成本较高。太赫兹雷达具有分辨高、成像帧率高、器件小集成度高等特点,通过与被动焦平面、准光扫描、孔径合成、编码孔径等技术结合实现对无驻留人体的高精度实时成像,大幅提升安检效率,应对易聚集且不愿配合安检的群体,具有广阔应用前景。目前以TeraSCREEN为代表的太赫兹安检雷达正在验证测试,处于应用的前夜。

    • 车辆防撞报警可在自车与前车或障碍物之间存在潜在碰撞危险时,提醒驾驶员避免危险事故。相比于24 GHz和77 GHz的毫米波防撞报警雷达[9599],太赫兹雷达在分辨率和小型化上更具优势。2015年英国伯明翰大学研制了太赫兹车辆防撞雷达,采用FMCW信号,中心频率150 GHz,带宽6 GHz,扫描成像的分辨率达3 cm×38 cm,在成本、阵列、射频干扰等问题解决后有望成为汽车主动安全和无人驾驶的传感利器(图21)。

      图  21  英国伯明翰大学实验系统及结果

      Figure 21.  The experimental system and result of University of Birmingham

    • 天基太赫兹雷达可用于气象测云以支持暴雨台风等预警。相比于毫米波雷达,太赫兹雷达可更准确地提供云粒子特性,同时星载平台避免了太赫兹波近地面大气衰减严重问题,云遥感雷达正从94 GHz向200 GHz以上频段发展。事实上自1989年以来,215/200/225 GHz雷达即被用来对薄云、粒子、降雪过程进行监测研究。北京理工大学对云粒子散射特性进行了研究并设计研制了太赫兹测云雷达系统[100]。太赫兹云遥感雷达目前尚需突破大功率太赫兹源、高增益反射面天线、气象目标全极化信息获取、云粒子特性与气象参数反演等关键技术。

    • 利用微多普勒敏感优势,太赫兹雷达在在非接触式生命信号监测方面也具有非常广阔的前景,可以避免接触式检测设备的局限性,实现对大面积烧烫伤病人、婴幼儿、防区监控范围内的流动人群呼吸和心跳进行监控,排查安全隐患;在军事上可以对远距离地面战场的士兵心跳呼吸进行监控,使指挥中心及时掌握战场伤亡情况从而为下一步作战计划提供参考。目前120 GHz、228 GHz太赫兹生命信号监测雷达已经问世并在进行室内实验。

    • 太赫兹雷达拥有近30年的历史,近10年来伴随着新一轮科技革命的浪潮发展尤为迅猛,基础器件日趋进步,功率性能稳步提升,体制架构逐渐清晰,工作模式丰富多样,创新应用不断涌现。但是,太赫兹雷达毕竟处于发展上升期,仍有诸多基础性科学与工程问题需要攻克,重点在以下几个方面取得突破:

      (1) 大功率高灵敏度相参太赫兹雷达

      为加快太赫兹雷达在末制导、反隐身、反导拦截、一体化侦察打击等领域的应用,需重点发展120~340 GHz频段基础器件,一方面需要继续增加发射功率,研究固态合成功率放大器和电真空放大器。设计基于CMOS和InP工艺的太赫兹固态放大芯片,通过多路径向功率合成获得较大输出功率并综合考虑成本、散热、效率选择合成路数,功率从毫瓦量级提高到百毫瓦量级。在此基础上驱动以行波管为代表的大功率宽带电真空放大器技术研究,研制适用于太赫兹雷达的大功率紧凑型行波管放大器,峰值功率从瓦级提高到数十瓦量级。

      另一方面,需要继续提高接收链路灵敏度。加强低噪声放大器、超导混频器研制。低噪声放大器噪声系数优于7 dB,超导混频器噪声温度优于50 K,以满足探测应用原理验证。

      此外,还需设计低损耗高隔离度准光环形器及和差网络、高精度大口径反射面天线, 与固态倍频混频链路、放大器结合形成面向侦察打击的近程太赫兹雷达和面向空间目标预警探测等应用的中远程太赫兹雷达。

      (2) 全尺寸目标RCS缩比测量太赫兹雷达

      缩比测量可节约测量成本,提高测量效率。若利用1 THz对目标在X波段的RCS进行缩比测量,则缩比系数可达100。微波频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹低频段,太赫兹低频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹高频段。为此,需要突破基于电子学方式的低频段测量技术(≤0.7 T)和基于光学方式的高频段测量技术(>0.7 T),分别掌握微波倍频源和远红外激光器/QCL测量系统关键技术,突破紧缩场技术、频率与相位稳定控制技术、光束整形与大口径扩束系统设计、介质目标缩比规律等。

      (3) 新材料器件驱动的新体制太赫兹雷达

      经典的雷达体制发展有以下3个特点:通过相控阵技术实现了灵活的调幅、调频、调相;通过高速采集实现了中频/射频信号直采,前端简化,雷达呈现软件化和数字化特点;通过波形、模式等思维“软”创新,发展形成ISAR、SAR、MIMO雷达、智能化认知雷达、关联成像雷达等新的体制。经典的雷达体制发展模式正向纵深方向发展,但体制的进一步创新已面临瓶颈。21世纪以来,以超材料、石墨烯、忆阻器等为代表的新材料新器件层出不穷,将可能为雷达系统体制带来深刻变革,雷达体制的发展正从“软”驱动到“硬”驱动转变,越来越多地依赖新材料和新器件,材料器件种类决定了雷达体制和相应功能,这是一个值得关注的重要趋势。太赫兹雷达也不例外。

      因此,应密切关注可编程超材料和液晶天线、频率扫描天线、等离子体天线、石墨烯功能材料等极有可能改变雷达体制架构的新材料新器件发展,驱动形成太赫兹孔径编码雷达、太赫兹光子学雷达等新体制太赫兹雷达。

      (4) 集成阵列与片上雷达

      通过高度集成实现阵列化与片上化是太赫兹雷达另一个重要发展方向。太赫兹频段雷达阵列由于难以实现相控阵,一般采用一发多收或快速开关切换多发多收方式。例如2015年美国JPL研制成功340 GHz集成收发阵列具有同置的8路收发通道,通过立体封装尺寸仅3 cm×9.6 cm。突破稀疏MIMO线阵面阵设计、片上MIMO雷达设计、波束形成、数字馈源阵单脉冲测角、阵列-合成孔径一体化成像等技术,推动其在无人机及其集群、可穿戴设备、小卫星等平台上的应用。

      此外,发展具有测距和3维实时成像能力的太赫兹相干焦平面雷达、2~5 THz瓦级小型紧凑QCL雷达等对于安检、末制导等应用也具有重要价值,不再赘述。

      总之,太赫兹雷达作为一项基于光电交叉学科的新兴技术有着重要的学术和应用价值,尽管取得了很多重要的成果但仍不够成熟,需要国内外同行进一步深入研究,充分利用这一频段资源,填补微波与红外之间的空白,最终推动雷达学科发展并促进其在军民领域的重要应用。

参考文献 (100)

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