太赫茲雷達技術（一）

摘要：太赫茲雷達具有帶寬大、分辨率高、多普勒敏感、抗干擾等獨特優勢，是目標探測領域的重要發展方向。該文首先回顧和介紹了電子學和光學太赫茲雷達系統歷史、現狀和最新進展，其次對太赫茲雷達目標特性從機理、計算、測量3個方面進行了梳理和概要介紹，同時闡述了太赫茲ISAR、SAR、陣列和孔徑編碼成像研究狀況，簡要介紹了太赫茲雷達在預警探測、安檢反恐等領域的應用，最后對太赫茲雷達技術的發展方向進行了展望。

關鍵詞：太赫茲雷達    散射特性    雷達散射截面(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

太赫茲波泛指頻率在0.1～10 THz波段內的電磁波，波長對應3 mm～30 μm，狹義的太赫茲指0.3～3 THz，位于微波和紅外之間，處于電子學向光學的過渡頻段。19世紀20年代美國學者最早提出“紅外與電波結合”^[1]，1970年正式出現“太赫茲”一詞^[2]，1988年太赫茲雷達問世^[3]。近年來，隨著太赫茲波產生、探測、傳輸等技術的逐步發展，太赫茲頻段已成為軍事高科技競爭的新的戰略制高點，太赫茲雷達實驗系統不斷涌現。相比于微波雷達，太赫茲雷達波長短、帶寬大，具有極高的“空時頻”分辨力^[4,5]：在空間上意味著成像分辨率高，同時目標粗糙和細微結構變得可見，能夠對目標特征進行精細刻畫；在時間上意味著成像幀率高，有利于對目標實時成像和引導武器系統精確打擊；在頻譜上意味著多普勒敏感，有利于微動探測和高精度速度估計。此外，太赫茲雷達波束窄使得天線增益和角跟蹤精度高；頻段寬容易實現抗干擾，而嚴重的大氣衰減對太赫茲雷達客觀上也形成了保護；器件小使系統可以高度集成化、小型化、陣列化，適合于小型無人機及其集群、衛星、導彈等平臺搭載；能夠反材料隱身和外形隱身，并利用傳播特性近光學特點大量使用準光器件對波束進行擴束、聚焦、準直等調控。相比于激光雷達，太赫茲波穿透煙霧、浮塵、沙土的能力更強，且對空間高速運動目標的氣動光學效應與熱環境效應不敏感，可用于復雜環境作戰與空間高速運動目標探測。

可見，太赫茲技術和太赫茲雷達在軍事領域具有廣闊的應用前景，因此受到世界強國的高度重視。美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)自1999年以來持續安排了亞毫米波焦平面成像技術(Submillimeter Wave Imaging Focal-plane-array Technology, SWIFT)、高頻集成真空電子學(High Frequency Integrated Vacuum Electronics, HiFIVE)、太赫茲作戰延伸、太赫茲電子學等相關項目^[6]，2012年推出視頻合成孔徑雷達(Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR)計劃^[7]，2014年推出成像雷達先進掃描技術(Advance Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)計劃^[8]，2016年在專門雷達特征解決方案(Expert RADar Signature Solutions, ERADS)中加強亞毫米波目標特性測量雷達研究。歐盟相繼提出第七框架計劃(2011—2019年)和第八框架計劃(2020地平線計劃)^[9]，大力發展太赫茲人體安檢、通信、微制造、芯片等技術^[10–12]，經費超過3000萬歐元。國內在原863、973以及國家自然科學基金、國家重點研發計劃等支持下，在太赫茲波產生、檢測、傳輸發射組件、應用系統方面取得了重要進展，“十三五”期間圍繞核心器件性能提升和“殺手級應用”持續加大投入。太赫茲技術和太赫茲雷達正處于實驗驗證向實際應用過渡階段，基礎和應用研究均呈現出強勁發展的勢頭。盡管在器件成熟程度、性能極限、應用方式等方面存在爭議，但其科學價值、應用前景和發展潛力得到愈來愈多的關注和認可。

與微波毫米波雷達和激光雷達相比，太赫茲雷達存在一定的頻段特殊性。本文主要從雷達系統、目標特性、目標成像、應用技術4個方面概述太赫茲雷達研究進展情況，最后對太赫茲雷達技術的重點發展方向進行展望。

2 太赫茲雷達系統

太赫茲波產生輻射方式主要分為電子學和光學兩類，其產生機理與典型代表如圖1所示。據此，太赫茲雷達可分為電子學和光學兩類。需要說明的是量子級聯激光器和半導體激光器太赫茲雷達由于采用激光激勵而歸入光學太赫茲雷達。

圖 1 太赫茲波產生輻射方式Fig.1 The generating ways of terahertz wave

2.1 電子學太赫茲雷達

目前報道的電子學太赫茲雷達系統主要基于固態電子學器件和真空電子學器件，一般采用外差式接收方式。其中220 GHz電子學器件發展水平如表1所示。此外，使用準光光路的電子學太赫茲雷達單獨介紹。

表 1 220 GHz電子學器件發展水平(2017年)Tab.1 The development status of 220 GHz electronic devices (2017)

2.1.1 固態電子學太赫茲雷達

固態電子學器件以其相對先進的工藝技術成為目前太赫茲雷達實驗系統收發設備的主要構成。上世紀90年代末，美國弗吉尼亞大學在GaAs肖特基二極管倍頻技術方面獲得突破^[13,14]，使得基于固態電子學倍頻源的太赫茲雷達技術向前邁進了一大步，后來在2004年分離形成的VDI (Virginia Diodes Inc., VDI)成為業界在固態電子學倍頻源方面的主要代表。2008年美國加州噴氣推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)研制成功0.6 THz雷達，是第1部具有高分辨率測距能力的雷達系統^[15]。由于接收端混頻的參考信號同樣需要倍頻并有一定差頻，故采用雙源結構實現相干探測，這也成為目前太赫茲雷達的主流架構。

歐洲以德國為首最早開展了相關系統研究，包括瑞典、丹麥、英國、以色列、荷蘭等國的研究機構也紛紛基于不同方式建立了電子學太赫茲雷達試驗系統。2008年，德國高頻物理與雷達技術研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques, FGAN-FHR)在94 GHz毫米波雷達(COBRA)的基礎上研制了基于固態電子學器件的220 GHz FMCW特征測量實驗雷達^[16,17]。2013～2016年又研制了工作頻率為0.3 THz的米蘭達(Miranda) 300實驗雷達系統^[18]，由于使用了低噪聲放大器系統作用距離達到百米量級。

瑞典查爾姆斯科技大學在2010年基于倍頻鏈路與外差接收鏈路實現了一部340 GHz、相對帶寬6.5%的太赫茲雷達^[19]，2011年又與德國夫瑯和費應用固體物理研究所(Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics, IFA)合作研制成功頻率220 GHz單片集成的外差低噪接收機與發射機模塊，并且在收發模塊上融合了基于0.1 μm砷化鎵異質場效應晶體管技術的片上集成天線。該集成收發模塊可在主被動雷達成像與高速數據通信等方面產生重要應用。

國內近幾年有多家單位均開展了固態電子學太赫茲雷達應用技術研究，并且在短時間內取得了一些重要成果。中國工程物理研究院最早在2011年基于自研的倍頻發射鏈路和諧波混頻器實現了140 GHz雷達試驗系統^[20]，2013年集成搭建了670 GHz全固態實驗雷達^[21]。2012年中科院電子所設計實現了一種0.2 THz聚焦波束掃描系統，可對人體攜帶的隱藏目標進行成像^[22]。電子科技大學2014年研制了340 GHz太赫茲雷達，最高帶寬達到28.8 GHz。北京理工大學則基于脈沖步進頻信號體制研制了0.2 THz雷達系統，并完成了分辨率與測距實驗。由于太赫茲雷達系統均采用大帶寬信號實現距離向高分辨，難點之一在于保證帶寬范圍內的頻率調制線性度，因為這將決定接收信號是否具有穩定的相位而利于相干處理和提高分辨性能。因此研究不同的信號調制方式如線性調頻、步進頻與編碼信號等在太赫茲雷達中的應用具有重要意義。

太赫茲雷達體制發展的另一個趨勢是陣列天線收發系統，包括采用小型化單片集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)的收發陣列和稀疏布置的多發多收天線陣列。陣列天線的寬輻射特性將會產生一個相對較大的視場，并且帶來更高的空間分辨率，基于孔徑合成技術可以快速地實現太赫茲雷達實時高分辨成像。

基于集成收發陣列的雷達系統研究也進展迅速，美國JPL實驗室已成功研制340 GHz雷達陣列收發器^[23]，并計劃將其應用于安檢以實現視頻幀速的成像，JPL所實現的8陣元集成收發陣列大小僅為8.4 cm。德國法蘭克福大學與丹麥科技大學合作在太赫茲陣列雷達的理論研究與實驗系統建設方面取得了進展，他們基于固態電子學信號源提出一種太赫茲陣列雷達系統，水平方向利用線性收發陣進行掃描，垂直方向進行機械掃描，系統機械布置如圖2所示。系統的線性陣列由8個發射陣元與16個接收陣元構成，工作頻段為220～320 GHz，對線性接收陣列接收的數據基于后向投影算法進行合成圖像重建，在2 ms內可以實現像素為128×128的圖像聚焦^[24,25]。德國的SynView公司在基于全固態太赫茲雷達SynViewScan的基礎上也進一步提出采用多發多收天線與合成重建方法實現太赫茲實時成像^[26]。