太赫茲雷達技術（二）

2.1.2 真空電子學太赫茲雷達

太赫茲電真空器件以其高功率輸出優勢在太赫茲雷達系統發展中具有重要意義。最早關于真空電子學太赫茲雷達的報道是1988年馬薩諸塞大學的McIntosh R E等人基于當時真空器件擴展互作用振蕩器(Extended Interaction Oscillator, EIO)的發展在215 GHz的大氣窗口附近實現了一部高功率非相干脈沖雷達^[3]。隨后在1991年佐治亞理工學院的Mc Millan等人為美國軍方提出并實現了225 GHz脈沖相干實驗雷達^[27]，同樣采用脈沖擴展互作用振蕩器作為發射機，發射脈沖峰值功率達到60 W，全固態接收機基于四分之一次諧波混頻器實現。這是當時第1部在如此高的頻段實現鎖相的相參雷達。但是受限于真空器件本身，無法實現大帶寬信號的發射，只能利用該雷達進行目標的多普勒回波測量。太赫茲雷達由于波長非常短，因此多普勒特征將非常明顯，可以基于多普勒特征識別目標的不同運動部件。如圖3所示為225 GHz脈沖相干雷達以及測得的履帶坦克不同部位多普勒回波。

圖 3 225 GHz脈沖雷達與測量結果Fig.3 The 225 GHz pulse radar and tracked result

上述雷達系統受限于發射機體積與信號體制等因素未能進一步走向實用，僅見基于擴展互作用放大器(Extended Interaction Klystron, EIK)的測云雷達，以及國內基于EIO的345 GHz近程ISAR系統設計(尚未實現)。太赫茲技術發展仍然面臨可實用太赫茲源與太赫茲探測技術的問題。當傳統電子學器件源的發射頻率增加至太赫茲頻段時，可獲得的發射功率急劇下降，作用距離受限，同時太赫茲波在大氣中傳輸損耗嚴重，這些都使得太赫茲雷達技術應用受限。

2.1.3 基于準光的電子學太赫茲雷達

由于太赫茲波具有近光學特點，太赫茲雷達可以大量使用準光器件對波束進行調控，這也是太赫茲雷達的鮮明特點之一。2008年以來美國JPL基于固態電子學器件研制了580 GHz, 600 GHz, 670 GHz頻段調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)相參主動太赫茲雷達^[28–31]，利用帶寬信號實現距離向高分辨，通過安裝在雙軸旋轉臺上的偏軸橢球反射鏡來完成波束聚焦與逐點掃描，實現方位向厘米級的分辨率，可對4～25 m遠的隱藏目標進行3D成像。為提高幀率采用了兩種方法：一種通過時分復用多徑技術將單波束變成雙波束先后照射目標，成像時間縮短一半；另一種方法通過設計前端集成陣列收發器實現多像素點同時掃描，時間大大縮短。如圖4所示為670 GHz雷達的結構組成框圖以及對衣服下隱藏的3個直徑1英寸的PVC管的成像。

圖 4 670 GHz雷達框圖與成像結果Fig.4 The 670 GHz radar and the imaging result

此外，國內使用準光光路的太赫茲雷達系統還有中國科學院電子所和中國工程物理研究院刀刃狀波束準光掃描雷達^[22,32]，頻段分別為220 GHz和340 GHz，不再贅述。

2.1.4 片上太赫茲雷達

太赫茲雷達由于波長短，包括收發前端、天線在內都具有芯片化潛力。早在2011年，奧地利的林茨約翰?開普勒大學即研發了120 GHz FMCW雷達。采用SiGe芯片，芯片組由包括壓控振蕩器的基波信號生成芯片和收發芯片組成，尺寸僅為4×3.5 cm^[33]。2011年12月，德國法蘭克福研發團隊在歐盟資助下研發出一款尺寸8 mm×8 mm的122 GHz雷達^[33]，也是當時世界上最小的雷達芯片(圖5(a))。2014年，德國卡爾斯魯厄理工學院研制成功122 GHz小型短距離雷達傳感器^[34](圖5(b))。2015年，德國烏爾姆大學研發了110～140 GHz可重構雷達前端集成電路，帶寬可達30 GHz^[35]。2016年奧地利通信工程與射頻系統研究所研發出一種基于130 nm SiGe的全集成D波段雙向FMCW雷達傳感器，功耗為560 mW，封裝尺寸為12 mm×6 mm^[32]。

圖 5 太赫茲雷達芯片Fig.5 The terahertz radar on chip

在更高的240 GHz頻段，2013年德國波鴻大學研發了一種基于SiGe MMIC的240 GHz雷達傳感器，用于實現高分辨成像。該雷達帶寬超過60 GHz，包括單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)芯片和數字控制模塊。雷達能夠實現204～265 GHz的快速、高線性頻率掃描，最大輸出功率約為–1 dBm EIRP^[36]。2014年，德國伍珀塔爾大學研發出一種基于具有單收發芯片的240 GHz圓形極化SiGe FMCW雷達系統。該系統可用于各種短距離應用，例如SAR/ISAR成像和3-D掃描成像等^[37]。

2.2 光學太赫茲雷達2.2.1 時域雷達

時域雷達是太赫茲時域光譜技術與雷達技術相結合的相干雷達系統，具有頻段高(2 THz以上)、帶寬大、時間(距離)分辨率高、頻譜信息豐富、集成小型化等優勢，盡管存在功率低、采集效率低、光斑小(波束窄)、波形固定等問題，但在無損檢測、RCS測量等特定場景有著獨特的應用。2000年以來，美國、德國、丹麥等國家以及國內首都師范大學、國防科技大學等相繼研制了TDS系統，當其以反射方式用于目標測量時可視為時域雷達。目前，主流工作頻段為0.1～3 THz，國外最高頻段可達5～6 THz，并往手持式、無需激光激勵(Laser-free)方向發展。

2.2.2 遠紅外激光器雷達

遠紅外激光器主要指光泵浦氣體激光器，它通過高功率的CO₂激光器泵浦甲醇、甲酸等氣體，通過氣體的轉動躍遷產生單頻太赫茲波，如有兩路輸出即可形成相干的遠紅外激光器雷達。主要特點是輸出的太赫茲波是單頻信號、頻率穩定性高、在很寬的頻段范圍內可以間斷調諧，功率可達毫瓦甚至百毫瓦，是太赫茲高頻段主要的相干源。1993年以來，美國馬薩諸塞大學亞毫米波技術實驗室(Submillimeter-wave Techniques Laboratory, STL)相繼研制了0.32, 0.52, 0.58, 1.56 GHz遠紅外激光器雷達^[38–42]，并嘗試從點頻擴展到寬帶。日本也研制成功800 mW, 6.3 THz高功率遠紅外激光器源。國內天津大學基于單路激光器搭建了非相干遠紅外激光器雷達，但信噪比比較低^[43]。中國工程物理研究院研制的183 mW, 2.52 THz OPL代表了國內最高水平，但在雷達集成與應用方面未開展相關研究。

2.2.3 QCL雷達

量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)能夠在1 THz以上提供平均功率大于10 mW太赫茲輻射。STL在2010年基于QCL實現了一部2.408 THz相干雷達^[44,45]，它利用光抽運分子激光器作為本振并將QCL鎖頻到其上，保證發射與接收信號的相位穩定性，接收端與參考通道采用一對肖特基二極管混頻器，保證系統實現對旋轉目標的相干成像。圖6為該雷達系統組成原理圖以及對1/72的縮比T80BV坦克模型的成像結果。

圖 6 2.4 THz成像雷達框圖與成像結果Fig.6 The 2.4 THz radar and the imaging result

此外，光學太赫茲雷達還有光電導陣列雷達、光差頻雷達、太赫茲相干/非相干焦平面雷達、太赫茲光子學雷達等形式少量見諸文獻報道。其中太赫茲光子學雷達把接收到的太赫茲波通過電光轉換變到光的頻段，然后進行光的濾波、放大等處理，并利用干涉、光外差或光學CCD陣列提取太赫茲信息，目前尚在實驗階段。總體而言，光學太赫茲雷達由于功率、光斑等限制，主要用于近距離室內實驗，從探測應用上看不如電子學太赫茲雷達前景廣闊。

太赫茲雷達系統的整個發展歷程如圖7所示。

圖 7 太赫茲雷達系統發展歷程Fig.7 The developing process of terahertz radar

3 太赫茲雷達目標特性

目標特性是太赫茲雷達論證、設計以及實際應用的共性基礎問題。在太赫茲頻段，金屬材料的介電特性處于從導體到介質的過渡，目標細微結構處于從不可見到可見的過渡，目標表面處于從光滑到粗糙的過渡，散射行為處于從鏡面反射到漫反射的過渡。這個過渡頻段的諸多特性長期以來沒有得到充分研究，導致對太赫茲頻段目標散射機理、目標散射特性獲取等問題認知上的“太赫茲Gap”。近年來，各國研究機構對這一問題高度重視，相關研究獲得了長足的發展。下面分別從3個方面回顧近年來該領域取得的研究成果。

3.1 目標散射機理

由于太赫茲波段介電響應已經跨入了微觀理論的區域，太赫茲波段的新現象和新技術都與微觀機理緊密聯系，掌握材料介電參數在該頻段的變化規律尤為重要。太赫茲波與物質材料的相互作用能夠激發材料的晶格振動聲子，由于聲子與電子耦合產生特殊的電磁散射效應，使得太赫茲波段的散射特性不是簡單的高頻外推，必須把宏觀電磁理論與微觀機理相結合，從而推廣經典Drude模型并建立太赫茲波段的電磁介電響應模型以計算全頻段介電參數^[46]。此外，太赫茲波段材料介電響應試驗結果呈現出許多復雜的行為，比如部分材料響應函數敏感于環境溫度^[47]。這類新出現的矛盾人們希望能夠從量子力學水平進行解釋并揭示內在規律。

目前，國內外針對太赫茲頻段目標材料散射機理的研究基本處于空白狀態。2014年以來，國防科技大學聯合航天科工207所針對這一問題展開了前瞻性研究。由于在太赫茲頻段介電參數變化的機理尚不明確，介電響應敏感于材料種類、晶體結構、聲子電子耦合等，在構造材料哈密爾頓量時存在諸多不確定因素。需要改進和發展非局域理論和電子、光量子與聲量子相互作用理論，給出經典等效介電響應模型，揭示太赫茲頻段材料散射的新機理^[48]。

材料介電響應特性來源于原子種類、原子結構和電子能帶等微觀物理特性。為能夠給出介電響應近似解析的表達形式，航天科工207所采用玻爾茲曼方程來描述材料中大量電子運動規律，并研究材料受到太赫茲波激勵后其電子分布函數弛豫回到平衡態的過程，其中電子弛豫時間是微觀機理所闡述，提出了空間非局域、時間非局域、電子電子耦合和電子聲子耦合4種可能的新機理，給出了典型太赫茲頻段材料介電參數擬合模型，在純鋁、過渡金屬、氧化物等材料的實驗比對中得到較好的驗證，為揭示太赫茲波與物質相互作用規律和提供典型材料全頻段介電參數提供了依據。