太赫茲雷達(dá)技術(shù)最新應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)
摘要：太赫茲雷達(dá)是太赫茲波應(yīng)用研究中最重要的研究方向之一，相比于常規(guī)雷達(dá)，太赫茲雷達(dá)具有頻率高、帶寬寬、波束窄的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)賦予了太赫茲雷達(dá)巨大的應(yīng)用潛力。本文從技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)等方面概述太赫茲雷達(dá)技術(shù)。
太赫茲波是電磁波譜上介于微波與紅外光之間的電磁波，其頻率在0.1～10 THz左右，波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)3 mm～30 μm，兼有微波毫米波與紅外光兩個(gè)頻段的特性。相比于微波、毫米波頻段的信號(hào)，太赫茲頻段的波長(zhǎng)較小，適合于大信號(hào)帶寬和窄天線波束的實(shí)現(xiàn)，可獲得目標(biāo)的精細(xì)成像，從而有利于目標(biāo)的識(shí)別。相比于紅外光信號(hào)，太赫茲波對(duì)非極性和弱極性介質(zhì)材料具有更強(qiáng)的透射能力，可穿透云煙、識(shí)破偽裝，適用于復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，同時(shí)回波具有更好的相參性，具備更高的抗干擾能力。
太赫茲的頻譜位置
太赫茲雷達(dá)是太赫茲波應(yīng)用研究中最重要的研究方向之一。美國(guó)先后進(jìn)行了0.2THz、1.56THz、0.6THz等高分辨率雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了太赫茲雷達(dá)的可行性，引發(fā)了各國(guó)投入到太赫茲雷達(dá)的研發(fā)中。
一、太赫茲雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)
總體而言，相比于常規(guī)雷達(dá)，太赫茲雷達(dá)具有頻率高、帶寬寬、波束窄的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)賦予了太赫茲雷達(dá)巨大的應(yīng)用潛力：
(1)頻率高：太赫茲波頻率高，有較高的多普勒帶寬，多普勒效應(yīng)明顯，太赫茲雷達(dá)具有良好的多普勒分辨力，測(cè)速精度更高；同時(shí)太赫茲波散射特性對(duì)目標(biāo)形狀的細(xì)節(jié)敏感，因而，可提高多目標(biāo)分辨和對(duì)目標(biāo)識(shí)別的能力與成像質(zhì)量。目前隱身飛機(jī)等目標(biāo)設(shè)計(jì)的隱身頻率局限于1GHz-20GHz，又因?yàn)闄C(jī)體等不平滑部位相對(duì)毫米波來(lái)說(shuō)更加明顯，這些不平滑部位都會(huì)產(chǎn)生角反射，從而增加有效反射面積，所以太赫茲雷達(dá)具有較強(qiáng)的反隱身功能。
(2)帶寬寬：相同的相對(duì)帶寬條件下，太赫茲波絕對(duì)帶寬大，當(dāng)作雷達(dá)載波時(shí)，太赫茲波在單位時(shí)間內(nèi)能承載更多的信息，這也有助于獲取更多的目標(biāo)信息提高雷達(dá)性能；同時(shí)，太赫茲波寬譜特性還可以抑制雷達(dá)多徑效應(yīng)和雜波影響，消除系統(tǒng)之間的相互干擾。
(3)方向性強(qiáng)：在同等天線孔徑下，太赫茲波的波束寬度相對(duì)較窄， 所以它的方向性要好于微波和毫米波，具有極高的空間分辨力，跟蹤精度高；另外，由于太赫茲雷達(dá)以窄波束發(fā)射，因而使敵方在電子對(duì)抗中難以截獲，再加上干擾機(jī)正確指向太赫茲雷達(dá)的干擾功率信號(hào)比指向微波雷達(dá)更加困難，所以太赫茲雷達(dá)具有低被截獲性能，抗電子干擾性能好。
670 GHz雷達(dá)框圖與成像結(jié)果
二、太赫茲雷達(dá)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀
基于太赫茲雷達(dá)技術(shù)特點(diǎn)，非常有利于目標(biāo)成像和獲取目標(biāo)特征結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，從而可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行更精確的外形識(shí)別。由于太赫茲雷達(dá)對(duì)低徑向速度的目標(biāo)可以得到更大的多普勒頻移，所以可用于對(duì)慢速運(yùn)動(dòng)或蠕動(dòng)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別能力。另外，目標(biāo)識(shí)別通常要求有較高的數(shù)據(jù)率，太赫茲雷達(dá)體積小、重量輕，有利于天線的快速掃描，從而可提供較高的數(shù)據(jù)率。這些特點(diǎn)讓太赫茲雷達(dá)不僅在軍事目標(biāo)預(yù)警探測(cè)上有領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在安檢反恐、車輛防撞、氣象測(cè)云、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有非常廣闊的前景。
太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)展歷程
(1)預(yù)警探測(cè)應(yīng)用
太赫茲雷達(dá)自誕生以來(lái)一直追求在空間或地面軍事目標(biāo)預(yù)警探測(cè)上的應(yīng)用。早在1992年，美國(guó)就依托戰(zhàn)略防御倡議(星球大戰(zhàn)計(jì)劃)探索了太赫茲雷達(dá)在動(dòng)能武器中的應(yīng)用，并提出太赫茲相控陣、超導(dǎo)混頻等技術(shù)設(shè)想，在電子學(xué)計(jì)劃中又明確尋求“太赫茲技術(shù)在空間監(jiān)視、導(dǎo)彈預(yù)警、反恐行動(dòng)等領(lǐng)域的應(yīng)用”，并于2012年啟動(dòng)直接面向地面目標(biāo)探測(cè)的ViSAR項(xiàng)目，2016啟動(dòng)天地協(xié)同一體化太赫茲雷達(dá)技術(shù)研究，通過(guò)地面和太空部署的太赫茲雷達(dá)與地面?zhèn)鹘y(tǒng)雷達(dá)協(xié)同，有效反制依靠涂層和外形隱身的五代戰(zhàn)機(jī)。
在反導(dǎo)攔截方面，太赫茲主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭通過(guò)獨(dú)立或與紅外復(fù)合，可作為彈頭識(shí)別的有效手段：它采用主動(dòng)方式工作，可以有效探測(cè)冷彈頭；可以遠(yuǎn)距離對(duì)彈頭2維高分辨成像，獲得包括細(xì)微結(jié)構(gòu)和粗糙表面在內(nèi)其幾何特征，據(jù)此識(shí)別真彈頭和選擇打擊點(diǎn)；彈頭的微動(dòng)在太赫茲頻段可產(chǎn)生顯著的微多普勒，可據(jù)此識(shí)別真彈頭。此外它的高精度測(cè)距測(cè)速能力還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)彈頭的高精度制導(dǎo)，并且不受星體雜波和地面雜波影響。
此外，太赫茲雷達(dá)可搭載于飛艇或衛(wèi)星用于對(duì)臨近空間高超聲速目標(biāo)的探測(cè)，穿透等離子體對(duì)目標(biāo)本體遠(yuǎn)距離成像，獲取信息是高分辨本體像。天基太赫茲雷達(dá)能夠近距離探測(cè)空間碎片并進(jìn)行成像，得到其類型和軌道信息，從而為航天器的安全提供保障。太赫茲雷達(dá)在引信與末制導(dǎo)領(lǐng)域也有廣闊的應(yīng)用前景：測(cè)角和測(cè)距精度高，引導(dǎo)信息更加精準(zhǔn)；具備近距離快速成像和微多普勒測(cè)量能力，支持目標(biāo)及其部位識(shí)別；功率小、大氣衰減嚴(yán)重，因此天然具備抗干擾能力；對(duì)沙塵煙霧有穿透性，優(yōu)于激光制導(dǎo)。
頻率0.6 THz時(shí)T64坦克2維多普勒成像
(2)安檢反恐應(yīng)用
近年來(lái)，國(guó)際國(guó)內(nèi)反恐維穩(wěn)形式呈現(xiàn)出襲擊領(lǐng)域多、危害程度大、影響范圍廣的復(fù)雜態(tài)勢(shì)，在公共安全場(chǎng)所對(duì)人員進(jìn)行安檢是預(yù)防公共安全事件最有效手段之一。目前以美國(guó)L3系統(tǒng)為代表的毫米波成像儀成熟度高且已部署應(yīng)用，但機(jī)械掃描時(shí)需要人體靜止駐留耗時(shí)略長(zhǎng)，且陣元數(shù)目多、成本較高。太赫茲雷達(dá)具有分辨高、成像幀率高、器件小集成度高等特點(diǎn)，通過(guò)與被動(dòng)焦平面、準(zhǔn)光掃描、孔徑合成、編碼孔徑等技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)駐留人體的高精度實(shí)時(shí)成像，大幅提升安檢效率，應(yīng)對(duì)易聚集且不愿配合安檢的群體，具有廣闊應(yīng)用前景。目前以TeraSCREEN為代表的太赫茲安檢雷達(dá)正在驗(yàn)證測(cè)試，處于應(yīng)用的前夜。
太赫茲人體掃描安檢系統(tǒng)
(3)車輛防撞應(yīng)用
車輛防撞報(bào)警可在自車與前車或障礙物之間存在潛在碰撞危險(xiǎn)時(shí)，提醒駕駛員避免危險(xiǎn)事故。相比于24 GHz和77 GHz的毫米波防撞報(bào)警雷達(dá)，太赫茲雷達(dá)在分辨率和小型化上更具優(yōu)勢(shì)。2015年英國(guó)伯明翰大學(xué)研制了太赫茲車輛防撞雷達(dá)，采用FMCW信號(hào)，中心頻率150 GHz，帶寬6 GHz，掃描成像的分辨率達(dá)3 cm×38 cm，在成本、陣列、射頻干擾等問(wèn)題解決后有望成為汽車主動(dòng)安全和無(wú)人駕駛的傳感利器。
英國(guó)伯明翰大學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及結(jié)果
(4)氣象測(cè)云應(yīng)用
天基太赫茲雷達(dá)可用于氣象測(cè)云以支持暴雨臺(tái)風(fēng)等預(yù)警。相比于毫米波雷達(dá)，太赫茲雷達(dá)可更準(zhǔn)確地提供云粒子特性，同時(shí)星載平臺(tái)避免了太赫茲波近地面大氣衰減嚴(yán)重問(wèn)題，云遙感雷達(dá)正從94 GHz向200 GHz以上頻段發(fā)展。事實(shí)上自1989年以來(lái)，215/200/225 GHz雷達(dá)即被用來(lái)對(duì)薄云、粒子、降雪過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)研究。北京理工大學(xué)對(duì)云粒子散射特性進(jìn)行了研究并設(shè)計(jì)研制了太赫茲測(cè)云雷達(dá)系統(tǒng)。太赫茲云遙感雷達(dá)目前尚需突破大功率太赫茲源、高增益反射面天線、氣象目標(biāo)全極化信息獲取、云粒子特性與氣象參數(shù)反演等關(guān)鍵技術(shù)。
(5)生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用
利用微多普勒敏感優(yōu)勢(shì)，太赫茲雷達(dá)在在非接觸式生命信號(hào)監(jiān)測(cè)方面也具有非常廣闊的前景，可以避免接觸式檢測(cè)設(shè)備的局限性，實(shí)現(xiàn)對(duì)大面積燒燙傷病人、嬰幼兒、防區(qū)監(jiān)控范圍內(nèi)的流動(dòng)人群呼吸和心跳進(jìn)行監(jiān)控，排查安全隱患；在軍事上可以對(duì)遠(yuǎn)距離地面戰(zhàn)場(chǎng)的士兵心跳呼吸進(jìn)行監(jiān)控，使指揮中心及時(shí)掌握戰(zhàn)場(chǎng)傷亡情況從而為下一步作戰(zhàn)計(jì)劃提供參考。目前120 GHz、228 GHz太赫茲生命信號(hào)監(jiān)測(cè)雷達(dá)已經(jīng)問(wèn)世并在進(jìn)行室內(nèi)實(shí)驗(yàn)。
三、未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)
太赫茲雷達(dá)擁有近30年的歷史，近10年來(lái)伴隨著新一輪科技革命的浪潮發(fā)展尤為迅猛，基礎(chǔ)器件日趨進(jìn)步，功率性能穩(wěn)步提升，體制架構(gòu)逐漸清晰，工作模式豐富多樣，創(chuàng)新應(yīng)用不斷涌現(xiàn)。但是，太赫茲雷達(dá)畢竟處于發(fā)展上升期，仍有諸多基礎(chǔ)性科學(xué)與工程問(wèn)題需要攻克，重點(diǎn)在以下幾個(gè)方面取得突破：
(1) 大功率高靈敏度相參太赫茲雷達(dá)
為加快太赫茲雷達(dá)在末制導(dǎo)、反隱身、反導(dǎo)攔截、一體化偵察打擊等領(lǐng)域的應(yīng)用，需重點(diǎn)發(fā)展120～340 GHz頻段基礎(chǔ)器件，一方面需要繼續(xù)增加發(fā)射功率，研究固態(tài)合成功率放大器和電真空放大器。設(shè)計(jì)基于CMOS和InP工藝的太赫茲固態(tài)放大芯片，通過(guò)多路徑向功率合成獲得較大輸出功率并綜合考慮成本、散熱、效率選擇合成路數(shù)，功率從毫瓦量級(jí)提高到百毫瓦量級(jí)。在此基礎(chǔ)上驅(qū)動(dòng)以行波管為代表的大功率寬帶電真空放大器技術(shù)研究，研制適用于太赫茲雷達(dá)的大功率緊湊型行波管放大器，峰值功率從瓦級(jí)提高到數(shù)十瓦量級(jí)。
另一方面，需要繼續(xù)提高接收鏈路靈敏度。加強(qiáng)低噪聲放大器、超導(dǎo)混頻器研制。低噪聲放大器噪聲系數(shù)優(yōu)于7 dB，超導(dǎo)混頻器噪聲溫度優(yōu)于50 K，以滿足探測(cè)應(yīng)用原理驗(yàn)證。
此外，還需設(shè)計(jì)低損耗高隔離度準(zhǔn)光環(huán)形器及和差網(wǎng)絡(luò)、高精度大口徑反射面天線, 與固態(tài)倍頻混頻鏈路、放大器結(jié)合形成面向偵察打擊的近程太赫茲雷達(dá)和面向空間目標(biāo)預(yù)警探測(cè)等應(yīng)用的中遠(yuǎn)程太赫茲雷達(dá)。
(2) 全尺寸目標(biāo)RCS縮比測(cè)量太赫茲雷達(dá)
縮比測(cè)量可節(jié)約測(cè)量成本，提高測(cè)量效率。若利用1 THz對(duì)目標(biāo)在X波段的RCS進(jìn)行縮比測(cè)量，則縮比系數(shù)可達(dá)100。微波頻段大型目標(biāo)RCS的縮比測(cè)量一般落在太赫茲低頻段，太赫茲低頻段大型目標(biāo)RCS的縮比測(cè)量一般落在太赫茲高頻段。為此，需要突破基于電子學(xué)方式的低頻段測(cè)量技術(shù)(≤0.7 T)和基于光學(xué)方式的高頻段測(cè)量技術(shù)(>0.7 T)，分別掌握微波倍頻源和遠(yuǎn)紅外激光器/QCL測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)，突破緊縮場(chǎng)技術(shù)、頻率與相位穩(wěn)定控制技術(shù)、光束整形與大口徑擴(kuò)束系統(tǒng)設(shè)計(jì)、介質(zhì)目標(biāo)縮比規(guī)律等。
(3) 新材料器件驅(qū)動(dòng)的新體制太赫茲雷達(dá)
經(jīng)典的雷達(dá)體制發(fā)展有以下3個(gè)特點(diǎn)：通過(guò)相控陣技術(shù)實(shí)現(xiàn)了靈活的調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相；通過(guò)高速采集實(shí)現(xiàn)了中頻/射頻信號(hào)直采，前端簡(jiǎn)化，雷達(dá)呈現(xiàn)軟件化和數(shù)字化特點(diǎn)；通過(guò)波形、模式等思維“軟”創(chuàng)新，發(fā)展形成ISAR、SAR、MIMO雷達(dá)、智能化認(rèn)知雷達(dá)、關(guān)聯(lián)成像雷達(dá)等新的體制。經(jīng)典的雷達(dá)體制發(fā)展模式正向縱深方向發(fā)展，但體制的進(jìn)一步創(chuàng)新已面臨瓶頸。21世紀(jì)以來(lái)，以超材料、石墨烯、憶阻器等為代表的新材料新器件層出不窮，將可能為雷達(dá)系統(tǒng)體制帶來(lái)深刻變革，雷達(dá)體制的發(fā)展正從“軟”驅(qū)動(dòng)到“硬”驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多地依賴新材料和新器件，材料器件種類決定了雷達(dá)體制和相應(yīng)功能，這是一個(gè)值得關(guān)注的重要趨勢(shì)。太赫茲雷達(dá)也不例外。
因此，應(yīng)密切關(guān)注可編程超材料和液晶天線、頻率掃描天線、等離子體天線、石墨烯功能材料等極有可能改變雷達(dá)體制架構(gòu)的新材料新器件發(fā)展，驅(qū)動(dòng)形成太赫茲孔徑編碼雷達(dá)、太赫茲光子學(xué)雷達(dá)等新體制太赫茲雷達(dá)。
(4) 集成陣列與片上雷達(dá)
通過(guò)高度集成實(shí)現(xiàn)陣列化與片上化是太赫茲雷達(dá)另一個(gè)重要發(fā)展方向。太赫茲頻段雷達(dá)陣列由于難以實(shí)現(xiàn)相控陣，一般采用一發(fā)多收或快速開(kāi)關(guān)切換多發(fā)多收方式。例如2015年美國(guó)JPL研制成功340 GHz集成收發(fā)陣列具有同置的8路收發(fā)通道，通過(guò)立體封裝尺寸僅3 cm×9.6 cm。突破稀疏MIMO線陣面陣設(shè)計(jì)、片上MIMO雷達(dá)設(shè)計(jì)、波束形成、數(shù)字饋源陣單脈沖測(cè)角、陣列-合成孔徑一體化成像等技術(shù)，推動(dòng)其在無(wú)人機(jī)及其集群、可穿戴設(shè)備、小衛(wèi)星等平臺(tái)上的應(yīng)用。
此外，發(fā)展具有測(cè)距和3維實(shí)時(shí)成像能力的太赫茲相干焦平面雷達(dá)、2～5 THz瓦級(jí)小型緊湊QCL雷達(dá)等對(duì)于安檢、末制導(dǎo)等應(yīng)用也具有重要價(jià)值，不再贅述。
四、總結(jié)
太赫茲技術(shù)作為一門新興的科學(xué)被譽(yù)為21世紀(jì)影響人類未來(lái)的十大技術(shù)之一。太赫茲雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展無(wú)論在國(guó)防軍事領(lǐng)域還是公共安全領(lǐng)域無(wú)疑都已引起令人矚目的新變化。由于太赫茲波的獨(dú)特性質(zhì)，搶占太赫茲雷達(dá)技術(shù)高地，對(duì)于提升國(guó)家經(jīng)濟(jì)、軍事能力競(jìng)爭(zhēng)力具有重大意義。
