第7卷第1期 雷达学报 Vol.7No.1 2018年2月 Journal of Radar Feb.2018 太赫兹雷达技术 王宏强 邓彬 秦玉亮 (国防科技大学电子科学学院长沙410073) 摘要：太兹雷达具有带宽大、分辨率高、多勒敏感、抗干扰等独特优势 ,是目标探测领域的重要发展方 顾和介 了电子学和光学 太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展，其次对太赫雷达日标特性 信先风个方进了使理度要介品，时达了大精SA.A。片对见转何使限究 机理、 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，最后对太赫兹需达技术的发展方向进行了 展望。 关键词：太赫蕊雷达：散射特性：雷达散射截面(CS):成份 中图分类号，TN5 文献标识码：A 文章编号： 2095.283X2018101-0001.21 D0:10.12000/R1710 引用格式：王宏强，邓彬，秦玉亮，太赫兹雷达技术雷达学报，2018,7()：1-21.D01:10.12000/R17107. Referenee format:Wang Hongqiang,Deng Bin,and Qin Yuliang.Review of terahertz radar technology of Radars、.2018,70:1-21.Do:10.12000/JR17107 Review of Terahertz Radar Technology Wang Hongqiang Deng Bin Qin Yuliang 410073.Chm Abstract:Terahertz radar has unique advantages,including large bandwidth,high resolution,Doppler itivity.and anti-interference:it is a significant development in the field of target detection.Herein.the history of electronic and optical terahertzradar yesintroduced,and the crensiationand latest progres pertaining to these systems are reviewed.The target characteristi of terahertadr aresumri based on its mechanis,calculation,and measurement.Moreover,the current researeh status of terahertzSAR ISAR,array,and aperture encoding imaging are discussed,and the applications of terahertz radar,such as carly warning detection and scurity anti-terrorism systems,are briefly introduced.Finally,the development direction of terahertz radar technology is forecast Key words:Terahertz rdar:Scattering characteristics:Radar Cros Section (RCS):Imaging 1引言 制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微 太赫蒸波泛指频率在0,1一10THz波段内的电 波雷达，太赫滋雷达波长短、带宽大，具有极高的 磁波，波长对应3mm~30m,狭义的太赫兹指 “空时频”分辨力网：在空间上意味若成像分 0.3~3TH2,位于微波和红外之间，处于电子学向 同时目标粗糙和细微结构变 寻可见 能够 光学的过渡频段。19世纪20年代美国学者最早提出 目标特征进行精细刻画：在时间上意味着成像帧率 “红外与电波结合”川.1970年正式出现“太材 高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打 兹”一词，1988年太赫兹雷达问世。近年来 击：在须谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探 着太赫兹波产生、探测 传输等技术的 和高精度速度估计。此外，太赫兹雷达波束窄使得 展 太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略 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 收稿日期：2171120：改同日期：017-1229网路出版：201-18 通信作者：邓彬de 阵列化，适合于小型无人机及其集 卫星 基金项目：国家部委基金 搭 反材料 Foundation Item:The National Ministries Foudation 传播特性近光学特点大量使用准光器件对波束进行 1002018h Academie Journal Electronic Publishing House.All rights http://www.cnki.ne
太赫兹雷达技术 王宏强 邓 彬* 秦玉亮 (国防科技大学电子科学学院 长沙 410073) 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 中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：2095-283X(2018)01-0001-21 DOI: 10.12000/JR17107 引用格式：王宏强, 邓彬, 秦玉亮. 太赫兹雷达技术[J]. 雷达学报, 2018, 7(1): 1–21. DOI: 10.12000/JR17107. Reference format: Wang Hongqiang, Deng Bin, and Qin Yuliang. Review of terahertz radar technology[J]. Journal of Radars, 2018, 7(1): 1–21. DOI: 10.12000/JR17107. Review of Terahertz Radar Technology Wang Hongqiang Deng Bin Qin Yuliang (College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) 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 收稿日期：2017-11-20；改回日期：2017-12-29；网络出版：2018-01-18 *通信作者： 邓彬 dengbin@nudt.edu.cn 基金项目：国家部委基金 Foundation Item: The National Ministries Foundation 第 7 卷 第 1 期 雷 达 学 报 Vol. 7No. 1 2018年2月 Journal of Radars Feb. 2018
2 雷达学报 第7卷 扩束、聚伟、准省等调控。相比干激光雷决，太林 面要讲展，“十二五”期间用绕核心，哭件性能提升 兹波穿透烟雾、 过小 、沙土的能力更强 日对空 和“杀手级应用”持续加大投入。 太赫兹技术和太 高速运动目标的气动光学效应与 环境效应不 t 赫滋雷达正处于实验验证向实际应用过液阶段，基 感，可月 于复 作战与空间高速运动目标探测 础和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器 可见，太赫兹技术和太赫兹雷达在军事领域具 件成熟程度、性能极限、应用方式等方面存在争 有广阔的应用前景，因此受到世界强国的高度重 议，但其科学价值、应用前景和发展潜力得到愈米 视。美国国防高级研究计划局(Defense advanced 愈多的关注和认可。 Research Projects Agency,DARPA)自1999年以来 与微波亮米波雷达和激光雷达相比，太赫兹宙 持续安排了亚毫米波焦平面成像技术(Submillimeter 达存在一定的频段特殊 本文主要从雷达系丝 Wave Imaging focal-plane ray Technology 目标成修 SWIFT)、高频集成真空电子学(High Frec 目标特性 应用技 术4 方面 述太 兹雷达研究进展情况，最后对太赫兹雷达技术的重 ted v 太林刻 点发展方向进行展望 太赫兹电子学等相关项目间， 2012年 出视频合成孔径雷达(Video 2 太赫兹雷达系统 Apertur 太赫兹波产生辐射方式主要分为电子学和光学 扫描技术(Advance Scanning Technology for Imaging 两类 其产生机 代表如图 所 据 Radars,ASTR)计划网，2016年在专门雷达特征解 太赫兹雷达可分为电子学和光学两类 需要说明的 决方案(Expert radar signature solutions 是量子级联激光器和半导体激光器太赫兹雷达由于 ERADS)中加强亚毫米波目标特性测量雷达研究。 采用激光激励而归入光学太林兹否达。 欧盟相继提出第七框架计别(2011一2019年)和第八 2.1电子学太赫兹雷达 框架计划(2020地平线计划)网，大力发展太赫兹人 目前报道的电子学太赫兹雷达系统主要基于固 体安检 通信、 微制 片术[0-。经费 态申子学器件和直空申子学器件 船采用外若式 0 与在质 3以及国家自然科 接收方式 其中220 子学器件发展水平如 ,国家重点研发计划等支 在太赫兹 表1所示。此外，使用准光光路的电子学太赫兹面 产生、检测、传输发射组件、应用系统方面取得了 达单独介绍。 报 受微 4 品体 图1太波产生射方式 Fig.1 The g ertz wave 表1220G日z电子学器件发展水平2017年)） Tab.1 The devel pmentstt of 0 GHz electronie device (2017) 器件类型 国外 内 倍朝燃 效率>20%，功半>100mW 效率约1%，功半约加mW 固态功放 功率约180m 功率约10mW,带室6GH2 因态器件 分请波湿顿爱 噪声系数7dB,变顿损耗约心dB 噪声系数GdB,麦顿损耗约7dB 低辈声放大 嗟声系数约5dB,增益约17B 电真空器件行波管功 功半约60W,带益约30dB.带宽>15Gz 功率约1.2W,增益约加dB.带微>10G 1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
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。 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) 器件类型 国外 国内 固态器件 倍频器 效率>20%，功率>100 mW 效率约10%，功率约20 mW 固态功放 功率约180 mW 功率约10 mW，带宽6 GHz 分谐波混频器 噪声系数7 dB，变频损耗约6 dB 噪声系数6 dB，变频损耗约7 dB 低噪声放大器 噪声系数约5 dB，增益约17 dB 无 电真空器件 行波管功放 功率约60 W，增益约30 dB，带宽>15 GHz 功率约1.2 W，增益约20 dB，带宽>10 GHz 倍频、放大 (肖特基二极管、 场效应晶体管) 微波 THz 振荡器 (耿氏/HEMT/ HBT/共振隧穿/ 雪崩二极管) THz 放大器 (行波管/速调管/ EIK) THz 振荡器 (反波器/回旋管/ EIO/雪崩自由 电子激光器) 激励 (晶体/气体/光电 导天线/电子加速 器/参量) 激光 差频 (晶体/光电导) THz 激光 THz THz 光泵浦远红外气 体激光器 THz 气体 激光 THz 量子级联激光器 (QCL)/半导体 激光器 THz 非线性效应 电子加速 电子学：固态 电子学：电真空源 电子学：固态 非线性效应(整流)或电子加速 受激辐射 受激辐射 光学 激光 图 1 太赫兹波产生辐射方式 Fig. 1 The generating ways of terahertz wave 2 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 2.1.1固态电子学太赫兹雷达固态电子学器件以 国内近几年有多家单位均开展了固态电子学太 甘相诗先进的丁步墙款盐头为日的大域芯雷状立哈 妹兹雷达应用技术研究，并且在短时间内取得了 统收发设各的士要物成。上世纪0年代末，单闲排 些重要成果。中国工程物理研究院最早在2011年基 吉尼亚大学在GAs肖特基二极管倍频技术方面获 于自研的倍频发射链路和谐波混频器实现了140G严 得突破.，使得基于固态电子学倍源的太赫 雷达试验系统，2013年集成搭建了670GH2全周 雷达技术向前迈进了 后来在2004年分肉 态实验害达。2012年中科院电子所设计实现了 成的VDI 业男 方面的主安代表 VDI) 种0.2THz聚焦波束扫描系统， 200 年美国加 藏目标进行成像2到 可对人体携带的隐 电 进实验室(Jct ropulsion Lab GH2太赫兹雷达， 大学则基于脉 率测距能力的雷达系统。由于接收端混频的参 分辨 测 考信号同样需要倍频并有 一定差须，故采用双源结 带宽作 见距离 高分辨 构实现相干探测，这也成为目前太赫兹雷达的主流 点 于保证带宽范固内的频率调闲 线性度 架构。 欧洲以德国为首最早开展了相关系统研究，包 相干处理和提高分辨性能， 因此研究不同的信号调 括瑞典、丹麦、英国、以色列、荷兰等国的研究机 制方式如线性调领、步进频与编码信号等在太赫 构也纷纷基于不同方式建立了电子学太赫兹雷达试 雷达中的应用其有重要意义 验系统。2008年，德国高烦物理与雷达技术研究所 太赫兹雷达体制发展的另一个趋势是阵列天线 (Fraunbofer Institute for High fr 收发系统，包括采用小型化单片集成电路onolithic and Radar Technigues EcAN.FHRl在g4GHz克 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 2013~2016年又研制了工作频率为0.3THz的米兰 高的空间分辨率，基于孔径合成技术可以快速地实 达(Miranda)3O0实验雷达系统n， 由 使用了低 现太林兹雷达实时高分辨成像 噪声放大器系统作用距离达到百米 基于集成收发阵列的雷达系统研究也进展迅 瑞典查尔姆斯科技大学在2010年基于倍频链路 速 ,美国JPL实验室已成功研制340GH2雷达阵列 与外差接收链路实现 30 收发器，并计划将其应用于安检以实现视顿帧速 6.5%的大赫兹司 用固体物理研究所巴 2011 德国夫琅和费 的成像， JDL所实限的8元集成收发列大小、 or Appl 在大赫花 德国法兰克福大学与丹麦科技大学食 PA)合作 论研究与实验系统建设 收机与发射机模 取祖 进国 们基于 电子学信号源提出 收发模块上融合了基于0】 m砷化镓异局 效应 赫兹阵 方向利用线性收发阵进 体管技术的片上集成天线。 该集成收发模块可在 行扫抽 机械 布置 被动雷达成像与高速数据通信等方面产生重要应用。 图2所示。系统的线性阵列由8个发射阵元与16个 T2 u Ix/Rx-Array 工作茶意 图2线阵扫描合成孔径雷达 Fig.2 The linear array scaning SAR 100201Ch mal Electronic Publishing House.All rights erved /www.cnki.ne
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 (a) 结构示意图 (a) The schematic diagram (b) 工作示意图 (b) The function diagram 2 m 128 mm 8 mm -7 m Rx metal block (lop view) Tx Tx/Rx-Array: Tx/Rx primary mirror scanning mirror secondary mirror 图 2 线阵扫描合成孔径雷达 Fig. 2 The linear array scanning SAR 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 3
雷达学报 第7卷 接收阵元物成，丁作倾段为220一320GH2,对线 器件源的发射频率增加至太赫兹频段时，可挂祖的 性接收阵接收的勒据其后向投影法进行合成 发射功率急剧下降，作用距离受限，同时太赫兹法 气中传输损耗严重， 这些都使得太赫兹雷达 图像聚焦 公可在基 太赫兹雷达SynViewScanf的基础上也进 “步提出界 由于太赫 用多发多收天线与合成重建方法实现太赫兹实时成 ,太赫兹面 可以大 像可. 2.1.2真空电子学太赫兹雷达太赫兹电真空器件 2008年以来美国JPL基于周态电子学器件 以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统发展中具有 研制了580GHz,600GHz,670GHz频段调频连续 重要意义。最早关于真空电子学太赫兹雷达的报追 (Frequency Modulated Continuous Wave 是1988年马萨诸塞大学的McIntosh R E等人基于 FMCV)相参主动太赫兹雷达2-，利用带宽信号 当时真空器件扩展互作用振荡器(Extended Inter- 实现距离向高分辨，通过安装在双轴旋转台上的偏 轴椭球反射镜米完成波束聚焦与逐点扫描，实现 action oscillator.EIO)的发展在215CHz的大气 位向厘米级的分辨率，可对4一25远的隐藏目标 口附近实现了 一部高功率非相干脉冲雷达。随 进行3D成像。为提高帧率采用了两种方法：一种 在1991年佐治亚理工学院的Me Millan等人为美国 通过时分复用多径技术将单波束变成双波束先后照 军方提出并实现了225GHz脉冲相干实验雷达， 射目标，成像时间缩短一半：另一种方法通过设计 同样采用脉冲扩展互作用振荡器作为发射机， 发 前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描，时间 脉冲峰值功率达到6 全固态接收机基于四分 大大缩短。如图4所示为670GHz雷达的结构组成 之一次谐波混频器实现。这是当时第1部在如此高 框图以及对衣服下隐藏的3个直径1英寸的PVC管 的矫段实现锁相的相参雷达。但是受限于直空器件 的成像。 本身，无法实现大带信号的发射，只能利用该雷 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 达进行目标的多普勒回波测量 太赫兹雷达由于波 波束准光扫描雷达但，网，频段分别为220GH2和340 长非常短，因此多普勒特征将非常明显，可以基于 G日2，不再整述。 多普勘特征识别目标的不同坛动部件。如图3所示 2.14片上大糕兹雷达太赫兹雷法由干波长 为225G日z脉冲相干雷达以及测得的履带坦克不同 包括收发前端、 。早 部位多普勒回 2011年， 奥地利的林 兰即研 述雷 系统受限于发射机体积与信号体制等 20 GHz FMCW雷边 米用SiGe心片 芯片组由 因素未能进一步走向实用，仅见基于扩展互作用放 包括压控振荡器的基波信号生成芯片和收发芯片组 大器(Extended Interaction Klystron.EK)的测z 成，尺寸仅为4×3.5cm网。2011年12月，德国法兰 雷达，以及国内基于EIO的345GHz近程ISAR系 克福研发团队在欧盟资助下研发出一款尺寸8mm× 设计（尚未实现）。太赫兹技术发展仍然面临可实用 8mm的122GHz雷达到，也是当时世界上最小的 太赫兹源与太赫兹探测技术的问题。当传统电子学 雷达芯片（图5(a)。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工 图325GH2脉冲雷达与测量结果 Fig.3 The 225 GHz pulse radar and tracked resul 1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne
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]。 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。 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。 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 (a) 雷达实物图 (a) The picture of the radar (b) 履带坦克多普勒回波测量结果 (b) The Doppler echo of tracked tank Power (dB) -30 -70 0 Frequency (Hz) 10K Track foldover Body Body foldover Track 图 3 225 GHz脉冲雷达与测量结果 Fig. 3 The 225 GHz pulse radar and tracked result 4 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 学院研制成功122GHz小型短距离雷达传感器到 2.2光学太赫兹雷达 (图51)。2015年，德国乌尔极大学研发了110 221时域雷达时域雷状是太赫时域业普技术 40GH2可重构雷达前端集成电路， 与雷达技术相结合的相干雷达系统， 具有频段高( 30GHz。 20 工程与射频系统研 THz以上) 带宽大 (距离)分辨率 究所研发出 类成D波 息丰富 成小型化等 存在功率低 双向FMCW雷达传感器，功耗为560mW,封装尺 集效率低、 光斑小（波束窄）波形固定等问题，但 寸为12mm×6mm 在无损检测、RCS测量等特定场景有若独特的应 在更高的240GHz频段，2013年德国波鸿大学 用。2000年以来，美国、德国、丹麦等国家以及国 研发了一种基于SiGe mmic的240GHz雷达传感 内首都师范大学、国防科技大学竿相继研制了 器，用于实现高分辨成像。该雷达带宽超过60GHz TDS系统，当其以反射方式用于目标测量时可视为 包括单片微波集成电路(Monolithic Micro 时域雷达。目前，主流工作频段为0.13TⅡz,国 ated Cireuit.MMIC芯片和数字控制模块」 外最高频段可达5一6THz,并往手持式、无需激 雷达能够实现204 一65日2的速 高线性频率 光激励LS ee)方向发展 扫描 最大输出功率约为 dBm 远红外激 光器 远红外激光器主要指光 德国伍珀塔尔 大学研发 泵浦气体激光器，它通过高功率的CO,激光器泵浦 收发芯片的240GHz圆形极化SiGe FMCW雷达系 甲醇、甲酸等气体，通过气体的转动跃迁产生单频 统。该系统可用于各种短距离应用，例如SARS 太赫兹波，如有两路输出即可形成相干的远红外激 AR成像和3-D扫描成像等可。 光器雷达。主要特点是输出的太赫兹波是单频信 ub-ref 且标的于像结果 图4670GH雷达 图与成像结果 Fig.4 The 670 GH h 122G81.0 图5太赫茗雷达芯片 Fig.5 The terahertz radar on chip 1004-2018 Chin Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
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]。 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[ 3 6 ]。 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 (a) 组成结构框图 (a) The picture of structure composition (b) 隐藏目标的躯干成像结果 (b) The torso imaging of conceal target 1 second, 65×69 pixels image main aperture 660～690 GHz beam path sub-reflector feed reflector rotating mirror rotating mirror THz transceiver and back-end electronics 图 4 670 GHz雷达框图与成像结果 Fig. 4 The 670 GHz radar and the imaging result (a) 当时最小的雷达芯片 (a) The minimal radar chip (b) 122 GHz小型短雷达 (b) The 122 GHz miniature radar RX2 RX1 TRX chips signal generation downconverter TX1 TX2 图 5 太赫兹雷达芯片 Fig. 5 The terahertz radar on chip 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 5
6 雷达学报 第7卷 号、烦密稳定性高、在很密的频段范用内可以间断 子激光器作为本振并将O江锁频到其上，保正发身 调谐，功率可达毫瓦甚至百毫瓦，是太赫兹高频段 要的相干源 关国马萨诸塞大学 当装其 极管湿颊哭】 实现对旋转 标的相干成像。图6为该 保证着 系统 原理图以及 Laboratory,STL)相继研制了0.32,0.52,0.58 对1/72 的缩比T80BV坦克模型的成像结果 1.56GHz远红外激光器宙达4，并尝试从点频打 此外，光学太赫兹雷达还有光电导阵列雷达 展到宽带。日本也研制成功800mW,6.3THz高功 光差频雷达、太赫兹相干/非相干焦平面雷达、太 率远红外激光器源。国内天津大学基于单路激光累 赫蕊光子学雷达等形式少量见诸文献报道。其中太 搭建了非相干远红外激光器雷达，但信噪比比较低网。 赫兹光子学雷达把接收到的太赫兹波通过电光转换 中国工程物理研究院研制的183mW,2.52TⅡ 变到光的频段，后进行光的滤波、放大等处理 OPL代表了闲内局高水平，但在雷达集成与应用方 并利用干涉、光外差或光学CCD阵列提取太赫装 面未开展相关研究 信息，目前尚在实验阶段。总体而言， 米学太 223QCL雷达量子级联激光器(G 香达由于功率、 光斑等限制， 主要用于近距离室内 Laser,QCL)能够在 从探测应用上看不如电子学 太林兹雷达前景 10mW太赫兹辐射。STL在2010年基于QCL实现 了一部2.408THz相干雷达4阿，它利用光抽运分 太赫兹雷达系统的整个发展历程如图7所示。 AP BS 2 VZ1V 创T发原理图 图624TH成像雷达框图与成像结米 3太赫兹雷达目标特性 律尤为重要。太赫滋波与物质材料的相互作用能够 目标特性是太赫兹雷达论证、设计以及实际应 激发材料的品格振动声子，由于声子与电子摇合产 用的共性基础问题。在太赫兹频段，金属材料的介 生特殊的电磁散射效应，使得太抹滋波段的散射特 电特性处于从导体到介质的过渡，目标细微结构处 性不是简单的高频外推 ，必须把宏观电磁理论与微 于从不可见到可见的过渡，目标表面处于从光滑到 观机理相结 从而推广经典D le模型并建 粗糙的过渡，散射行为处于从镜面反射到漫反射的 兹波 电磁介电响 应模型以计算全 电参 过渡。这个过渡频段的诸多特性长期以来没有得到 此外，太赫兹波段材料介电响应试验 充分研究，导致对太赫兹频段目标散射机理、目标 现出许多复杂的行为，比如部分材料响应函数敏感 散射特性获取等问题认知上的“太赫兹G即”。近 F环境温度阿。这类新出现的矛盾人们希望能够从 年来，各国研究机构对这一问题高度重视，相关研 量子力学水平进行解释并揭示内在规律。 究获得了长足的发展。下面分别从3个方面回顾近 目前，国内外针对太赫兹频段目标材料散射机 年来该领域取得的研究成果。 理的研究基本处于空白状态。2014年以来，国防利 3.1目标散射机理 技大学联合航天科工207所针对这一间题展开了前 由干太赫波段介申响应己经跨入了微观理论 性研究。由干在太频段申参数变化的机西 当不 确 电响应敏感于材料种 理紧密联系，掌握材料介电参 在该频段的变化 子电子耦合等 在构 造材料哈密方 品体结构 顿最时存在 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
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。 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。 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 (a) 收发原理图 (a) The transceiver schematic diagram (b) 1/72 的缩比坦克模型 2 维成像结果 (b) The imaging result of 1/72 scaling tank -45 -13 OAP 1 OAP 3 OAP 5 OAP 6 BS 4 BS 3 BS 1 BS 2 OAP 4 OAP 2 Ret. SD Rec. SD Spherical mirror 1 Spherical mirror 3 Spherical mirror 2 Spatial filter QCL OPL 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 6 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 类风华青 运是环光在蓄选 美国时域雷达 美国L准光雷达 德国FC狄C 关国vDI30c雷达 关ISTL QCL站 中电 电子所20G达 电地桂大法 防科大20C车我需 中物院340C准光雷达 图7太赫兹雷达系统发展历程 Fig7 The developing proce of tera ertz radaT 多不确定因素。需要改进和发展非局域理论和电子 赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电 光量子与声量子相互作用理论， 效介电 磁代码联合 响应模型， BMCC织开发 ooting and 材料介电响应特性来源于原子种类、原子结构 Bouncing Ray,SBR)技术的X-Patch电磁计算钱 和电子能带等微观物理特性。为能够给出介电响应 该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实 近似解析的表达形式，航天科工207所采用玻尔兹 现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达 曼方程来描述材料中大量电子运动规律，并研究材 像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸 料受到太赫兹波激励后其电子分布函数弛豫回到平 塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太林兹 衡态的过程，其中电子弛豫时间是微观机理所阐 频段目标RCS计算，并与实测结果进行了比较，得 述，提出了空间非局域、时间非局域、申子由子规 到了较为一致的结果网，如图8所示，但仅能计算 合和电子声子耦合4种可能的新机理，给出 小尺寸目标 太赫兹 领段材料介电参数拟 在 、过 太赫 频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可 金属、 氧化 物等材料的实验比对中 到较好的 见到可见的过渡区域 相关量研究表明太赫 证，为揭示太赫兹波与物质相互作用规律和提供典 段下目标表面的亚被长租糙和细微结构对电酸散号 型材料全频段介电参数提供了依据。 行为其有重要影响，因此，为了史准确地对太赫 3.2目标散射特性建模与计算 频段（尤其高频段）目标散射特性进行建慎，目标表 目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性 面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因 的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙 素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰 表面目标，表面细微结构散射较强不可忽略，且是 法(Small Perturbation method.SPM)、吉尔霍夫 超申大尺计目标，这是太兹段目标做射特性硅 ximation.A}、 小斜率近们 模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性 两种技术途径： 种是由 波/毫米波向 (Two S etho TSM)等。 法是在大从 一种是由光学频段向下扩 蓝段的适用性也有部分 进行了研 ,包括关 微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太 STL实验室 可、波特兰大学 、德国的Jansen 1002018Ch ou al Electronic Publishing House All rights rved www.cnki.ne
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。 3.2 目标散射特性建模与计算 目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性 的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙 表面目标，表面细微结构散射较强不可忽略，且是 超电大尺寸目标，这是太赫兹频段目标散射特性建 模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性可 采用两种技术途径：一种是由微波/毫米波向上扩 展，另一种是由光学频段向下扩展。 微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太 赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电 磁代码联合体(ElectroMagnetic Code Consortium, EMCC)组织开发了基于弹跳射线(Shooting and Bouncing Ray, SBR)技术的X-Patch电磁计算软件[49]， 该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实 现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达 像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸 塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太赫兹 频段目标RCS计算，并与实测结果进行了比较，得 到了较为一致的结果[50]，如图8所示，但仅能计算 小尺寸目标。 太赫兹频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可 见到可见的过渡区域。相关测量研究表明太赫兹频 段下目标表面的亚波长粗糙和细微结构对电磁散射 行为具有重要影响。因此，为了更准确地对太赫兹 频段(尤其高频段)目标散射特性进行建模，目标表 面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因 素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰 法(Small Perturbation Method, SPM)、吉尔霍夫 近似(Kirchhoff Approximation, KA)、小斜率近似 法(Small Slope Approximation, SSA)、双尺度法 (Two Scale Method, TSM)等。这些方法是在太赫 兹频段的适用性也有部分学者进行了研究，包括美 国STL实验室[51]、波特兰大学[52]、德国的Jansen 真空电子学太赫兹雷达 光学太赫兹雷达 固态电子学太赫兹雷达 准光电子学太赫兹雷达 1988 美国佐治亚理工学院 225 GHz相干脉冲多普勒测量雷达 美国马萨诸塞大学215 GHz 高功率非相干脉冲雷达 1991 1993 马萨诸塞大学 远红外激光器雷达 美国时域雷达 2000 美国JPL准光雷达 2008 德国FGAN 220 GHz 电子学雷达 美国VDI 330 GHz雷达 2010 美国STL QCL雷达 2011 中物院140 GHz 电子学雷达 电子所220 GHz雷达 2012 2013 2014 德国Miranda 300 GHz电子学雷达 电子科技大学 300 GHz电子学雷达 2015 欧盟TeraSreen准光雷达 国防科大200 GHz车载雷达 2016 中物院340 GHz准光雷达 图 7 太赫兹雷达系统发展历程 Fig. 7 The developing process of terahertz radar 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 7
雷达学报 第7卷 图8T53目标的RCS测量结果与X.Patchi计算结果比较 sThe RCS ults of ad x-Patel C到等人针对不同类型的粗糙表面，基于SPM或 的成像结果，并将理论结果与测量结果进行了比 KA模型进行太赫兹频段目标粗糙表面散射回被强 较，图10为粗桔表面人体的仿真数据成像结果和实 度的理论计算，并与实验测量结果进行了对比验 测数据成像结果的比较非可。 证。如图9所示为STL实验室对粗糙均方根值在 国内以东南大学为代表开发实现了基于高频近 5~20m的粗糙铝表面样品的测量值与KA模型值 似方法一弹跳射线法与增量长度绕射系数法 的比较结果，并通过比较，精确地求出了粗糙面的 mental length diffraction coefficients 均方根值。 LDC)的太赫兹频段目标散射计算方法，并与数值 粗糙面散射理论本身并不具备计算相位的能 方法lt vel Fast Multipole n.MFLMA 为了提 力 散射 的 ,而为后续雷达成像等 什算结果进行比较， 生高 方 计算的 用提供支撑，德国研究人员在2014年提出了一利 准确性网。国防科技大学通过对太赫兹频段目标进 方法对太赫兹频段的表面粗糙人体散射特性进行理 行散射建模与计算 网，分析了太赫兹频段复杂目 论建模与计算，基于散射计算数据获得了人体目标 标的成像特性，揭示了太赫兹波散射成像的高分辨 1,0 10 0.9 0.8 06 0.7 06 20 20 图9T实验室对3份不同粗样品的散射系数测量结果 0 15d 图10仿真数据与测量数据的重建图像比较 Fig.10 The recoustructed image of the simulation and the experiment 1994-018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
C [53]等人针对不同类型的粗糙表面，基于SPM或 KA模型进行太赫兹频段目标粗糙表面散射回波强 度的理论计算，并与实验测量结果进行了对比验 证。如图9所示为STL实验室对粗糙均方根值在 5～20 μm的粗糙铝表面样品的测量值与KA模型值 的比较结果，并通过比较，精确地求出了粗糙面的 均方根值。 粗糙面散射理论本身并不具备计算相位的能 力。为了提供散射场的相位从而为后续雷达成像等 应用提供支撑，德国研究人员在2014年提出了一种 方法对太赫兹频段的表面粗糙人体散射特性进行理 论建模与计算，基于散射计算数据获得了人体目标 的成像结果，并将理论结果与测量结果进行了比 较，图10为粗糙表面人体的仿真数据成像结果和实 测数据成像结果的比较[54]。 国内以东南大学为代表开发实现了基于高频近 似方法—弹跳射线法与增量长度绕射系数法 (Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)的太赫兹频段目标散射计算方法，并与数值 方法(Multilevel Fast Multipole Algorithm, MFLMA) 计算结果进行比较，验证了所实现高频方法计算的 准确性[55]。国防科技大学通过对太赫兹频段目标进 行散射建模与计算[56–58]，分析了太赫兹频段复杂目 标的成像特性，揭示了太赫兹波散射成像的高分辨 RCS (dBsm) 40 30 20 10 0 -10 Aspect angle (°) 0 50 100 150 200 250 HH (1.56 THz CR, 0.5° medianization) HH (X-Patch) 300 350 图 8 T5M3目标的RCS测量结果与X-Patch计算结果比较 Fig. 8 The RCS comparing results of T5M3 and X-Patch (a) 粗糙度 5.69 µm (a) RMS roughness 5.69 mm (b) 粗糙度 14.24 µm (b) RMS roughness 14.24 mm (c) 粗糙度 16.20 µm (c) RMS roughness 16.20 mm Reflectance 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 Reflectance 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Reflectance 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 20 40 60 Wavenumber (cm-1 ) 80 Eq.1 Experiment Gaussian fit 100 20 40 60 Wavenumber (cm-1 ) 80 100 20 40 60 Wavenumber (cm-1 ) 80 100 Eq.1 Experiment Gaussian fit Eq.1 Experiment Gaussian fit 图 9 STL实验室对3份不同粗糙样品的散射系数测量结果 Fig. 9 The dissipation coefficient of three rough samples (a) 仿真结果 (a) The simulation result (b) 测量结果 (b) The experimental result (c) 实际模型 (c) The model 0 dB -30 dB 0 dB -15 dB 图 10 仿真数据与测量数据的重建图像比较 Fig. 10 The reconstructed image of the simulation and the experiment 8 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 优势69,6网。如图11所示为基于电磁计算数据的 3.3.1基于电子学系统的测量微波倍烦源测量系 T64坦点2维成俊结果，可见太林越烦段日标数身 统主要是在太林兹低段开展测量，其被测日标 成像可直观地反映目标轮晓与详细的散射特征信 寸较其他两种方法大 且RCS数据包含相位信息网】 非常有利 于目标识别。图12所示为 美国STL实验 10 方体模型考忠表面相度前后的雷达成像结果 7年和2010年搭建 .524TH 道 和0.24THz太赫兹抛物面紧缩场测 系 过成像分析可以看出粗糙表面使得成像结果可以直 等目标的缩比模型进行了测量并成像 芬兰赫勿 观地反映目标的轮廓信息，相比之下，光滑立方体成 辛基科技大学2006年基于微波倍频源建立了0.3 像仅由少数几个散射点构成。另外，针对目标表面 TH2全息图型太赫兹紧缩场系统，对导弹模型的测 粗酷问题，国防科技大学还提出了一种半确定性面 量结果与计算结果进行了对比验证。国防科技大 片分级散射建模方法侧，该方法降低了对超电大目标 学、航天科工集团207所和航天科技802所为代表 需讲行极密网格别分的障碍，使得在现有计算条件 基于固态电子学源测量系统讲行了散射测量实验 下计算太林兹段超申大目标的散射特性成为可钱 获得了目标的RCS曲线和2维散射分布结果。针对 日标数射特性景 近场测量和测量背景杂波，国防科技大学开展了近 太赫兹频段目标散射特性测量系统的实现方式 远场变换技术利 通常分为电子学和光学两大类 在到 电子学方式主要为 物院基于 基于固态倍频链路实现 光学方式主要包括基于 140GHz成像雷达通过近-远场变换，利用目标的 秒激光器的太赫滋时域光谱测量系统和基于远红外 1维距离像、2维逆合成孔径雷达像数据估计得到了 激光器的散射测量系统网。 目标RCS2网。 男 -0.20-0.15-0.10-0.0 000Ga10a150.2 图110.61时T64坦克2潍多普物成像 Fig11 The two-dimesoa ofT baed onTH 010 015-010-00G 00G01001 015-010-005000G0100.1 图12粗糙立方体模型及成像结果 Fig.12 The model and imaging of rough cube 100201C al Electronic Publishing House.All right hup /www.cnki.ne
优势[ 5 9 , 6 0 ]。如图11所示为基于电磁计算数据的 T64坦克2维成像结果，可见太赫兹频段目标散射 成像可直观地反映目标轮廓与详细的散射特征信 息，非常有利于目标识别。图12所示为一个金属立 方体模型考虑表面粗糙度前后的雷达成像结果，通 过成像分析可以看出粗糙表面使得成像结果可以直 观地反映目标的轮廓信息，相比之下，光滑立方体成 像仅由少数几个散射点构成。另外，针对目标表面 粗糙问题，国防科技大学还提出了一种半确定性面 片分级散射建模方法[61]，该方法降低了对超电大目标 需进行极密网格剖分的障碍，使得在现有计算条件 下计算太赫兹频段超电大目标的散射特性成为可能。 3.3 目标散射特性测量 太赫兹频段目标散射特性测量系统的实现方式 通常分为电子学和光学两大类。电子学方式主要为 基于固态倍频链路实现，光学方式主要包括基于飞 秒激光器的太赫兹时域光谱测量系统和基于远红外 激光器的散射测量系统[3]。 3.3.1 基于电子学系统的测量 微波倍频源测量系 统主要是在太赫兹低频段开展测量，其被测目标尺 寸较其他两种方法大，且RCS数据包含相位信息[62,63]。 美国STL实验室1997年和2010年搭建了0.524 THz 和0.24 THz太赫兹抛物面紧缩场测量系统，对坦克 等目标的缩比模型进行了测量并成像[63]。芬兰赫尔 辛基科技大学2006年基于微波倍频源建立了0.31 THz全息图型太赫兹紧缩场系统，对导弹模型的测 量结果与计算结果进行了对比验证。国防科技大 学、航天科工集团207所和航天科技802所为代表， 基于固态电子学源测量系统进行了散射测量实验， 获得了目标的RCS曲线和2维散射分布结果。针对 近场测量和测量背景杂波，国防科技大学开展了近 远场变换技术和背景杂波抑制技术研究，在实测数 据处理中有效改善了测试精度[62,63]。中物院基于 140 GHz成像雷达通过近-远场变换，利用目标的 1维距离像、2维逆合成孔径雷达像数据估计得到了 目标RCS[62,63]。 Azimuth (m) Elevation (m) -0.20 -0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 0.15 0.20 -0.2 -0.1 0 0.1 (a) T64 坦克模型 (a) T64 tank model (b) T64 2维多普勒成像结果 (b) The two-dimensional Doppler imaging result of T64 图 11 频率0.6 THz时T64坦克2维多普勒成像 Fig. 11 The two-dimensional Doppler imaging of T64 based on 0.6 THz Azimuth (m) Elevation (m) Elevation (m) -0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 Azimuth (m) -0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 0.15 -0.10 -0.05 0 0.05 0.10 (a) 粗糙立方体 2维成像 (a) The two-dimensional imaging of rough cube (b) 光滑立方体 2维成像结果 (b) The two-dimensional imaging of smooth cube 图 12 粗糙立方体模型及成像结果 Fig. 12 The model and imaging of rough cube 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 9
10 雷达学报 第7卷 3.3.2其干TDS系统的测量TDS系统士要是在太 4 太赫兹雷达目标成侈 林中低段开展量 其被日标尺十较小，日 RCS数据不包含相位信息。德国布伦瑞克太赫 成像旨在获得目标某种物理量的空间分布，例 加射系数 通信实验室在2 0t 于光纤耦合 、赫兹收发器搭 ,介电参数、辐射亮温、 坐标位置 达最重要 CS以果护t比产这至统测量的可 ,由于 行性 2012年 天线与双圆测角器 林总总，包括主动式雷达成像、 飞行时间成像、月 析与衍射层析成像、逐点扫描成像、被动焦平面成 像、修逝波近场成像、时间反转成像、单像素压缩 置的双站RCS测量，获得了1：250缩比旋风200战机 与F-117战机的RCS随频率与角度变化曲线，并且 感知成像、全总成像、菲涅尔透镜成像、暗场成 对比分析了旋风200在挂弹前后的RCS变化以及 像、动态孔径成像、声学成像等。但对于本文关 F.117垂直尾翼展开前后的RCS变化 1.2010年 的雷达成像，太赫兹频段雷达成像并未突破经典相 丹麦技术大学基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时 参雷达成作 在机理上依然是利 析原玛 域脉冲系统，获得了远场条件下1：150缩比F-16飞 和距离多普勒原理 上依然是利用综合孔 机的不同姿态角RCS结果。2013年以来，国防科技 或阵列实孔径，在方法上依然是利用后向投影、距 大学利用自主搭建的TDS系统测得了金属球、金屈 离多普勒、距离徙动等算法，且不同角度和频点间 圆形平板、光滑金属圆柱和粗桔金属圆柱目标的太 目标回波的相干性依然得以保持。但是，太赫兹雷 赫兹RCS数据，并进行了RCS特性分析I2,G到。 达客观上存在一定的频段特殊性问题，例如大带宽 2014年以来， 信号非线性影向、诉场效应，以及一定的顷段 殊性优势，例如对准光扫描技术的 业遍利 的介电参数， 结代 在“光斑 我像 对粗糙面、 细微结构甚至材 参数的成修 能力等 题， 将其用于 从成像方式的角度目前已有的太赫兹雷达成侈 分类如图13所示，不同方式可以融合，下面按照这 33,3基于远红外澈光器系统的测量 基于远红 ,分类介绍太林兹雷达成俊方面国内外取得的一些 激光器的测量系 统主要是在太赫兹中高频段开展 成果，其中准光扫描方式不再单独介绍。 量，其被测目标尺寸较小， 且RCS数据不包含相 4.1ISAR成像 信息 美国STL实验室2001年以来 先后研 在转台 成像方面， 了0.35THz、 1.56THz和2.4THz太转兹抛物面经 子学系统对标准体 人体 飞机坦克模型、 缩场测量系统，并于2010年利用2.4THz系统对军 用卡车、T80BV坦喜第目标的缩比植型讲行 、吸波材料等目标进行了0.14Tz 0.22TH2 0.33THz.0.44THz.0.67THz宽带转台成像头 RCS测量。2015年以来，哈尔滨工业大学基于迈 验，在0.G7THz开展了点顷360°成像实验，表明不 红外激光实验测量系统研究了高斯波束对圆柱、球 同脉冲和不同转角下相位相干性依然得以保留，转 等标准体目标太抹兹雷达散射截面的影响。 天津大 学基于远红外激光实验测量系统开展基于远红外傅 台成像至少在太赫兹低频段仍然适用：同时围绕非 线性校正及其导致的等效转台中心偏移、 远场成修 里叶光谱仪的透射式介质介电参数测量方法研究 完成透射武、 反射式介电参数测量系统的搭建及典 条件 近场大转 角成像方 等问题开展了理论矿 型介质材料 其中转台成像实验最典型的代表是2013 RCS E 并对标准 样 2015年德国利用米兰达(Miranda)300系统网开展的 量系统搭建及数据测量 人体和自行车成像实验，其自行车成像结果如 粗糙度 3m到30m的目标 其粗糙 刻14所示，多系统载航300C日z.带宽0C日z。 性对RCS存在明显影响 现了最远700m处的携带隐匿物品的人体成像，分 总体来看，太赫兹频段目标散射特性测量尚存 率达到375 2015年 对系统讲行了代化 在光学方法功率小、静区过小、电子学方法频围 实现了更为 的自行车目标图像叫。国内比 低、静区小等问题，测量精度均偏低（对简单形体 较有代表性的是电 子科技大学研制的340GHz 目标在3B左右)，缩比测量技术与近远场变换方 达，利用2维FFT和BP等方法实现了日标高分辨成 法研究也有待加强 像冈 1994-018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
3.3.2 基于TDS系统的测量 TDS系统主要是在太 赫兹中低频段开展测量，其被测目标尺寸较小，且 RCS数据不包含相位信息[1]。德国布伦瑞克太赫兹 通信实验室在2009年基于光纤耦合太赫兹收发器搭 建了RCS时域测量系统，通过将金属球与平板的测 量结果与理论数据进行对比验证了该系统测量的可 行性，2012年基于新的光纤耦合天线与双圆测角器 改进了该测量系统，使其能够灵活完成不同角度配 置的双站RCS测量，获得了1:250缩比旋风200战机 与F-117战机的RCS随频率与角度变化曲线，并且 对比分析了旋风200在挂弹前后的RCS变化以及 F-117垂直尾翼展开前后的RCS变化[64–66]。2010年 丹麦技术大学基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时 域脉冲系统，获得了远场条件下1:150缩比F-16飞 机的不同姿态角RCS结果。2013年以来，国防科技 大学利用自主搭建的TDS系统测得了金属球、金属 圆形平板、光滑金属圆柱和粗糙金属圆柱目标的太 赫兹RCS数据，并进行了RCS特性分析[ 6 2 , 6 3 ]。 2014年以来，航天科工207所利用TDS系统在 0.1～2.4 THz测量了玻璃钢材料的反射率和金属铝 的介电参数，同时测量了金属球的RCS，精度优于 3 dB。由于TDS在如此宽的频段存在“光斑-功 率”矛盾以及高斯波束非静区等问题，将其用于 RCS测量至今仍存在一定的争议[67]。 3.3.3 基于远红外激光器系统的测量 基于远红外 激光器的测量系统主要是在太赫兹中高频段开展测 量，其被测目标尺寸较小，且RCS数据不包含相位 信息[68,69]。美国STL实验室2001年以来，先后研制 了0.35 THz、1.56 THz和2.4 THz太赫兹抛物面紧 缩场测量系统，并于2010年利用2.4 THz系统对军 用卡车、T-80BV坦克等目标的缩比模型进行了 RCS测量[68]。2015年以来，哈尔滨工业大学基于远 红外激光实验测量系统研究了高斯波束对圆柱、球 等标准体目标太赫兹雷达散射截面的影响。天津大 学基于远红外激光实验测量系统开展基于远红外傅 里叶光谱仪的透射式介质介电参数测量方法研究， 完成透射式、反射式介电参数测量系统的搭建及典 型介质材料的介电参数数据测量，并对标准体 RCS及双站散射特性进行测量，完成粗糙样片双站 散射特性测量系统搭建及数据测量。从当前测量结 果来看，粗糙度为3 μm到30 μm的目标，其粗糙特 性对RCS存在明显影响。 总体来看，太赫兹频段目标散射特性测量尚存 在光学方法功率小、静区过小、电子学方法频段 低、静区小等问题，测量精度均偏低(对简单形体 目标在3 dB左右)，缩比测量技术与近远场变换方 法研究也有待加强。 4 太赫兹雷达目标成像 成像旨在获得目标某种物理量的空间分布，例 如散射系数、介电参数、辐射亮温、坐标位置等， 高分辨成像能力是太赫兹雷达最重要的优势。由于 能够同时借鉴光学和微波成像，太赫兹成像方式林 林总总，包括主动式雷达成像、飞行时间成像、层 析与衍射层析成像、逐点扫描成像、被动焦平面成 像、倏逝波近场成像、时间反转成像、单像素压缩 感知成像、全息成像、菲涅尔透镜成像、暗场成 像、动态孔径成像、声学成像等。但对于本文关注 的雷达成像，太赫兹频段雷达成像并未突破经典相 参雷达成像的范畴，在机理上依然是利用层析原理 和距离多普勒原理，在模型上依然是利用综合孔径 或阵列实孔径，在方法上依然是利用后向投影、距 离多普勒、距离徙动等算法，且不同角度和频点间 目标回波的相干性依然得以保持。但是，太赫兹雷 达客观上存在一定的频段特殊性问题，例如大带宽 信号非线性影响、近场效应等，以及一定的频段特 殊性优势，例如对准光扫描技术的普遍利用、高帧 率成像、对粗糙面、细微结构甚至材料参数的成像 能力等。 从成像方式的角度目前已有的太赫兹雷达成像 分类如图13所示，不同方式可以融合，下面按照这 一分类介绍太赫兹雷达成像方面国内外取得的一些 成果，其中准光扫描方式不再单独介绍。 4.1 ISAR成像 在转台成像方面，国内外诸多研究单位基于电 子学系统对标准体、人体、飞机坦克模型、自行 车、吸波材料等目标进行了0.14 THz, 0.22 THz, 0.33 THz, 0.44 THz, 0.67 THz宽带转台成像实 验，在0.67 THz开展了点频360°成像实验，表明不 同脉冲和不同转角下相位相干性依然得以保留，转 台成像至少在太赫兹低频段仍然适用；同时围绕非 线性校正及其导致的等效转台中心偏移、远场成像 条件、近场大转角成像方法等问题开展了理论研 究。其中转台成像实验最典型的代表是2013— 2015年德国利用米兰达(Miranda)300系统[70]开展的 人体和自行车成像实验，其自行车成像结果如 图14所示。该系统载频300 GHz，带宽40 GHz，实 现了最远700 m处的携带隐匿物品的人体成像，分 辨率达到3.75 mm。2015年，对系统进行了优化升 级，实现了更为清晰的自行车目标图像[71]。国内比 较有代表性的是电子科技大学研制的340 GHz雷 达，利用2维FFT和BP等方法实现了目标高分辨成 像[72]。 10 雷 达 学 报 第 7 卷