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。
关键词：太赫兹雷达 散射特性 雷达散射截面(RCS) 成像
Review of Terahertz Radar Technology
Wang Hongqiang, Deng Bin
, Qin Yuliang
Abstract: Terahertz radar has unique advantages, including large bandwidth, high resolution, Doppler sensitivity, and anti-interference; it is a significant development in the field of target detection. Herein, the history of electronic and optical terahertz radar systems is introduced, and the current situation and latest progress pertaining to these systems are reviewed. The target characteristics of terahertz radar are summarized based on its mechanism, calculation, and measurement. Moreover, the current research status of terahertz SAR, ISAR, array, and aperture encoding imaging are discussed, and the applications of terahertz radar, such as early warning detection and security anti-terrorism systems, are briefly introduced. Finally, the development direction of terahertz radar technology is forecast.
Key words: Terahertz radar Scattering characteristics Radar Cross Section (RCS) Imaging
1 引言
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[10–12]，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。
2 太赫兹雷达系统
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Fig.1 The generating ways of terahertz wave |
2.1 电子学太赫兹雷达
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。
 | 表 1 220 GHz电子学器件发展水平(2017年)Tab.1 The development status of 220 GHz electronic devices (2017) |
2.1.1 固态电子学太赫兹雷达
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]。
首页
