摘要：太赫茲雷達是太赫茲波應用研究中最重要的研究方向之一，相比于常規(guī)雷達，太赫茲雷達具有頻率高、帶寬寬、波束窄的特點，這些特點賦予了太赫茲雷達巨大的應用潛力。本文從技術特點、應用及發(fā)展現(xiàn)狀、未來發(fā)展趨勢等方面概述太赫茲雷達技術。

太赫茲波是電磁波譜上介于微波與紅外光之間的電磁波，其頻率在0.1～10 THz左右，波長對應3 mm～30 μm，兼有微波毫米波與紅外光兩個頻段的特性。相比于微波、毫米波頻段的信號，太赫茲頻段的波長較小，適合于大信號帶寬和窄天線波束的實現(xiàn)，可獲得目標的精細成像，從而有利于目標的識別。相比于紅外光信號，太赫茲波對非極性和弱極性介質材料具有更強的透射能力，可穿透云煙、識破偽裝，適用于復雜戰(zhàn)場環(huán)境，同時回波具有更好的相參性，具備更高的抗干擾能力。

太赫茲的頻譜位置

太赫茲雷達是太赫茲波應用研究中最重要的研究方向之一。美國先后進行了0.2THz、1.56THz、0.6THz等高分辨率雷達實驗，驗證了太赫茲雷達的可行性，引發(fā)了各國投入到太赫茲雷達的研發(fā)中。

一、太赫茲雷達技術特點

總體而言，相比于常規(guī)雷達，太赫茲雷達具有頻率高、帶寬寬、波束窄的特點，這些特點賦予了太赫茲雷達巨大的應用潛力：

(1)頻率高：太赫茲波頻率高，有較高的多普勒帶寬，多普勒效應明顯，太赫茲雷達具有良好的多普勒分辨力，測速精度更高；同時太赫茲波散射特性對目標形狀的細節(jié)敏感，因而，可提高多目標分辨和對目標識別的能力與成像質量。目前隱身飛機等目標設計的隱身頻率局限于1GHz-20GHz，又因為機體等不平滑部位相對毫米波來說更加明顯，這些不平滑部位都會產生角反射，從而增加有效反射面積，所以太赫茲雷達具有較強的反隱身功能。

(2)帶寬寬：相同的相對帶寬條件下，太赫茲波絕對帶寬大，當作雷達載波時，太赫茲波在單位時間內能承載更多的信息，這也有助于獲取更多的目標信息提高雷達性能；同時，太赫茲波寬譜特性還可以抑制雷達多徑效應和雜波影響，消除系統(tǒng)之間的相互干擾。

(3)方向性強：在同等天線孔徑下，太赫茲波的波束寬度相對較窄， 所以它的方向性要好于微波和毫米波，具有極高的空間分辨力，跟蹤精度高；另外，由于太赫茲雷達以窄波束發(fā)射，因而使敵方在電子對抗中難以截獲，再加上干擾機正確指向太赫茲雷達的干擾功率信號比指向微波雷達更加困難，所以太赫茲雷達具有低被截獲性能，抗電子干擾性能好。

670 GHz雷達框圖與成像結果

二、太赫茲雷達應用及發(fā)展現(xiàn)狀

基于太赫茲雷達技術特點，非常有利于目標成像和獲取目標特征結構細節(jié)，從而可對目標進行更精確的外形識別。由于太赫茲雷達對低徑向速度的目標可以得到更大的多普勒頻移，所以可用于對慢速運動或蠕動目標的發(fā)現(xiàn)和識別能力。另外，目標識別通常要求有較高的數(shù)據(jù)率，太赫茲雷達體積小、重量輕，有利于天線的快速掃描，從而可提供較高的數(shù)據(jù)率。這些特點讓太赫茲雷達不僅在軍事目標預警探測上有領先優(yōu)勢，同時在安檢反恐、車輛防撞、氣象測云、生物醫(yī)學等領域有非常廣闊的前景。

太赫茲雷達系統(tǒng)發(fā)展歷程

(1)預警探測應用

太赫茲雷達自誕生以來一直追求在空間或地面軍事目標預警探測上的應用。早在1992年，美國就依托戰(zhàn)略防御倡議(星球大戰(zhàn)計劃)探索了太赫茲雷達在動能武器中的應用，并提出太赫茲相控陣、超導混頻等技術設想，在電子學計劃中又明確尋求“太赫茲技術在空間監(jiān)視、導彈預警、反恐行動等領域的應用”，并于2012年啟動直接面向地面目標探測的ViSAR項目，2016啟動天地協(xié)同一體化太赫茲雷達技術研究，通過地面和太空部署的太赫茲雷達與地面?zhèn)鹘y(tǒng)雷達協(xié)同，有效反制依靠涂層和外形隱身的五代戰(zhàn)機。

在反導攔截方面，太赫茲主動雷達導引頭通過獨立或與紅外復合，可作為彈頭識別的有效手段：它采用主動方式工作，可以有效探測冷彈頭；可以遠距離對彈頭2維高分辨成像，獲得包括細微結構和粗糙表面在內其幾何特征，據(jù)此識別真彈頭和選擇打擊點；彈頭的微動在太赫茲頻段可產生顯著的微多普勒，可據(jù)此識別真彈頭。此外它的高精度測距測速能力還可以實現(xiàn)對機動彈頭的高精度制導，并且不受星體雜波和地面雜波影響。

此外，太赫茲雷達可搭載于飛艇或衛(wèi)星用于對臨近空間高超聲速目標的探測，穿透等離子體對目標本體遠距離成像，獲取信息是高分辨本體像。天基太赫茲雷達能夠近距離探測空間碎片并進行成像，得到其類型和軌道信息，從而為航天器的安全提供保障。太赫茲雷達在引信與末制導領域也有廣闊的應用前景：測角和測距精度高，引導信息更加精準；具備近距離快速成像和微多普勒測量能力，支持目標及其部位識別；功率小、大氣衰減嚴重，因此天然具備抗干擾能力；對沙塵煙霧有穿透性，優(yōu)于激光制導。

頻率0.6 THz時T64坦克2維多普勒成像

(2)安檢反恐應用

近年來，國際國內反恐維穩(wěn)形式呈現(xiàn)出襲擊領域多、危害程度大、影響范圍廣的復雜態(tài)勢，在公共安全場所對人員進行安檢是預防公共安全事件最有效手段之一。目前以美國L3系統(tǒng)為代表的毫米波成像儀成熟度高且已部署應用，但機械掃描時需要人體靜止駐留耗時略長，且陣元數(shù)目多、成本較高。太赫茲雷達具有分辨高、成像幀率高、器件小集成度高等特點，通過與被動焦平面、準光掃描、孔徑合成、編碼孔徑等技術結合實現(xiàn)對無駐留人體的高精度實時成像，大幅提升安檢效率，應對易聚集且不愿配合安檢的群體，具有廣闊應用前景。目前以TeraSCREEN為代表的太赫茲安檢雷達正在驗證測試，處于應用的前夜。

太赫茲人體掃描安檢系統(tǒng)

(3)車輛防撞應用

車輛防撞報警可在自車與前車或障礙物之間存在潛在碰撞危險時，提醒駕駛員避免危險事故。相比于24 GHz和77 GHz的毫米波防撞報警雷達，太赫茲雷達在分辨率和小型化上更具優(yōu)勢。2015年英國伯明翰大學研制了太赫茲車輛防撞雷達，采用FMCW信號，中心頻率150 GHz，帶寬6 GHz，掃描成像的分辨率達3 cm×38 cm，在成本、陣列、射頻干擾等問題解決后有望成為汽車主動安全和無人駕駛的傳感利器。

英國伯明翰大學實驗系統(tǒng)及結果

(4)氣象測云應用

天基太赫茲雷達可用于氣象測云以支持暴雨臺風等預警。相比于毫米波雷達，太赫茲雷達可更準確地提供云粒子特性，同時星載平臺避免了太赫茲波近地面大氣衰減嚴重問題，云遙感雷達正從94 GHz向200 GHz以上頻段發(fā)展。事實上自1989年以來，215/200/225 GHz雷達即被用來對薄云、粒子、降雪過程進行監(jiān)測研究。北京理工大學對云粒子散射特性進行了研究并設計研制了太赫茲測云雷達系統(tǒng)。太赫茲云遙感雷達目前尚需突破大功率太赫茲源、高增益反射面天線、氣象目標全極化信息獲取、云粒子特性與氣象參數(shù)反演等關鍵技術。

(5)生物醫(yī)學應用

利用微多普勒敏感優(yōu)勢，太赫茲雷達在在非接觸式生命信號監(jiān)測方面也具有非常廣闊的前景，可以避免接觸式檢測設備的局限性，實現(xiàn)對大面積燒燙傷病人、嬰幼兒、防區(qū)監(jiān)控范圍內的流動人群呼吸和心跳進行監(jiān)控，排查安全隱患；在軍事上可以對遠距離地面戰(zhàn)場的士兵心跳呼吸進行監(jiān)控，使指揮中心及時掌握戰(zhàn)場傷亡情況從而為下一步作戰(zhàn)計劃提供參考。目前120 GHz、228 GHz太赫茲生命信號監(jiān)測雷達已經問世并在進行室內實驗。

三、未來發(fā)展趨勢

太赫茲雷達擁有近30年的歷史，近10年來伴隨著新一輪科技革命的浪潮發(fā)展尤為迅猛，基礎器件日趨進步，功率性能穩(wěn)步提升，體制架構逐漸清晰，工作模式豐富多樣，創(chuàng)新應用不斷涌現(xiàn)。但是，太赫茲雷達畢竟處于發(fā)展上升期，仍有諸多基礎性科學與工程問題需要攻克，重點在以下幾個方面取得突破：

(1) 大功率高靈敏度相參太赫茲雷達

為加快太赫茲雷達在末制導、反隱身、反導攔截、一體化偵察打擊等領域的應用，需重點發(fā)展120～340 GHz頻段基礎器件，一方面需要繼續(xù)增加發(fā)射功率，研究固態(tài)合成功率放大器和電真空放大器。設計基于CMOS和InP工藝的太赫茲固態(tài)放大芯片，通過多路徑向功率合成獲得較大輸出功率并綜合考慮成本、散熱、效率選擇合成路數(shù)，功率從毫瓦量級提高到百毫瓦量級。在此基礎上驅動以行波管為代表的大功率寬帶電真空放大器技術研究，研制適用于太赫茲雷達的大功率緊湊型行波管放大器，峰值功率從瓦級提高到數(shù)十瓦量級。

另一方面，需要繼續(xù)提高接收鏈路靈敏度。加強低噪聲放大器、超導混頻器研制。低噪聲放大器噪聲系數(shù)優(yōu)于7 dB，超導混頻器噪聲溫度優(yōu)于50 K，以滿足探測應用原理驗證。

此外，還需設計低損耗高隔離度準光環(huán)形器及和差網絡、高精度大口徑反射面天線, 與固態(tài)倍頻混頻鏈路、放大器結合形成面向偵察打擊的近程太赫茲雷達和面向空間目標預警探測等應用的中遠程太赫茲雷達。

(2) 全尺寸目標RCS縮比測量太赫茲雷達

縮比測量可節(jié)約測量成本，提高測量效率。若利用1 THz對目標在X波段的RCS進行縮比測量，則縮比系數(shù)可達100。微波頻段大型目標RCS的縮比測量一般落在太赫茲低頻段，太赫茲低頻段大型目標RCS的縮比測量一般落在太赫茲高頻段。為此，需要突破基于電子學方式的低頻段測量技術(≤0.7 T)和基于光學方式的高頻段測量技術(>0.7 T)，分別掌握微波倍頻源和遠紅外激光器/QCL測量系統(tǒng)關鍵技術，突破緊縮場技術、頻率與相位穩(wěn)定控制技術、光束整形與大口徑擴束系統(tǒng)設計、介質目標縮比規(guī)律等。

(3) 新材料器件驅動的新體制太赫茲雷達

經典的雷達體制發(fā)展有以下3個特點：通過相控陣技術實現(xiàn)了靈活的調幅、調頻、調相；通過高速采集實現(xiàn)了中頻/射頻信號直采，前端簡化，雷達呈現(xiàn)軟件化和數(shù)字化特點；通過波形、模式等思維“軟”創(chuàng)新，發(fā)展形成ISAR、SAR、MIMO雷達、智能化認知雷達、關聯(lián)成像雷達等新的體制。經典的雷達體制發(fā)展模式正向縱深方向發(fā)展，但體制的進一步創(chuàng)新已面臨瓶頸。21世紀以來，以超材料、石墨烯、憶阻器等為代表的新材料新器件層出不窮，將可能為雷達系統(tǒng)體制帶來深刻變革，雷達體制的發(fā)展正從“軟”驅動到“硬”驅動轉變，越來越多地依賴新材料和新器件，材料器件種類決定了雷達體制和相應功能，這是一個值得關注的重要趨勢。太赫茲雷達也不例外。

因此，應密切關注可編程超材料和液晶天線、頻率掃描天線、等離子體天線、石墨烯功能材料等極有可能改變雷達體制架構的新材料新器件發(fā)展，驅動形成太赫茲孔徑編碼雷達、太赫茲光子學雷達等新體制太赫茲雷達。

(4) 集成陣列與片上雷達

通過高度集成實現(xiàn)陣列化與片上化是太赫茲雷達另一個重要發(fā)展方向。太赫茲頻段雷達陣列由于難以實現(xiàn)相控陣，一般采用一發(fā)多收或快速開關切換多發(fā)多收方式。例如2015年美國JPL研制成功340 GHz集成收發(fā)陣列具有同置的8路收發(fā)通道，通過立體封裝尺寸僅3 cm×9.6 cm。突破稀疏MIMO線陣面陣設計、片上MIMO雷達設計、波束形成、數(shù)字饋源陣單脈沖測角、陣列-合成孔徑一體化成像等技術，推動其在無人機及其集群、可穿戴設備、小衛(wèi)星等平臺上的應用。

此外，發(fā)展具有測距和3維實時成像能力的太赫茲相干焦平面雷達、2～5 THz瓦級小型緊湊QCL雷達等對于安檢、末制導等應用也具有重要價值，不再贅述。

四、總結

太赫茲技術作為一門新興的科學被譽為21世紀影響人類未來的十大技術之一。太赫茲雷達技術的發(fā)展無論在國防軍事領域還是公共安全領域無疑都已引起令人矚目的新變化。由于太赫茲波的獨特性質，搶占太赫茲雷達技術高地，對于提升國家經濟、軍事能力競爭力具有重大意義。