2.1.2 真空电子学太赫兹雷达
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Fig.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。
2.1.3 基于准光的电子学太赫兹雷达
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[28–31]，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Fig.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。
2.1.4 片上太赫兹雷达
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Fig.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]。
2.2 光学太赫兹雷达2.2.1 时域雷达
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。
2.2.2 远红外激光器雷达
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[38–42]，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。
2.2.3 QCL雷达
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Fig.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Fig.7 The developing process of terahertz radar |
3 太赫兹雷达目标特性
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。
3.1 目标散射机理
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。
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