最新雷达技术：太赫兹雷达及其散射特性介绍

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一、引言

    太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，受到世界各国研究机构的高度关注，并且开展了许多基础与应用方面的研究工作，这一新型技术的科学价值预示着它具有蓬勃的生命力和美好发展前景。美国2004年将太赫兹技术列为“改变未来世界的十大技术”，2006年将其列为国防重点科学，包括美国国家基金会(NSF)、国家航天局(NASA)、DARPA、能源部(DOE)等机构的项目支持，美国国家航天局喷气推进实验室(NASA JPL)，橡树国家实验室（ORNL）等研究机构和Intel，IBM等企业公司的共同参与。日本2005年将太赫兹技术列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首。欧盟设专项资金资助太赫兹技术的研究，英国以卢瑟福国家实验室（RAL）为代表的太赫兹技术研究机构，德国，荷兰，以色列等，都在大力支持太赫兹技术的基础和应用研究。在这场太赫兹技术研究热潮中，各国都希望在太赫兹技术的研究和应用中取得一席之地。

二、太赫兹频谱介绍

    太赫兹(THz)波是指电磁频率在0.1THz~10 THz(波长在3 mm~30 μm)之间的电磁波,图1所示，波段介于微波与远红外光之间，兼有微波毫米波与红外光两个频段的特性。该频段是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，这是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段，由此，也被称为电磁波谱的“太赫兹空隙(THz gap)”。

图1 THz波在电磁波谱中的位置图

    太赫兹波相比毫米波、红外线，在传播、散射、反射、吸收、穿透等方面有着显著的优点：太赫兹波的波长短，空间分辨率很高；太赫兹波具有很好的穿透沙尘烟雾的能力，对非金属材料具有良好的穿透性；太赫兹波光子能量小，没有类似X射线的电离效应，不会对物质产生破坏作用。

    太赫兹波的主要是通过THz源的辐射产生。THz辐射的主要特点[1]：

    (1)   量子能量和黑体温度很低，如表1；

    (2)   许多生物大分子的振动和旋转频率都处于THz波段，所以利用THz波可以获得丰富的生物及其材料信息；

    (3)   THz辐射能以很小的衰减穿透如陶瓷、脂肪、碳板、布料、塑料等物质；

    (4)   THz的时域频谱信噪比很高，使THz非常适用于成像应用；

    (5)   瞬时带宽很宽(0.1~10THz)，可利用于高速通信，如图2；

表1 THz波的量子能量和黑体温度

图2 THz脉冲对应的频谱图

    根据THz辐射产生的机理，可以将其辐射源分为两大类：一类是利用电子学的方法，另一类是利用光学的方法产生THz波辐射。目前光学方法产生THz辐射的主要有以下几种：

    (1)     THz气体激光器；

    (2)     利用超短激光脉冲产生THz辐射，有两种方案：光电导和光整流；

    (3)     利用非线性差频过程(DFG)和参量过程产生THz波；

    (4)     基于远红外光泵浦产生THz辐射；

    利用光学参量方法可研制出在室温下运转、宽带可调谐、结构紧凑及易于操作的全固态THz波辐射源：太赫兹波参量发生器(THz-wave Parametric Generation—TPG)和太赫兹波参量振荡器(THz-waveParametric Oscillator－TPO)。

    采用电子学法主要有以下几种：

    (1)   反向波振荡器（Backward WaveOscillator－BWO）；

    (2)   THz回旋管（THzGyrotrons）；

    (3)   自由电子激光器（Free electron laser，FEL）；

    (4)   浅掺杂的P型锗半导体激光器；

    (5)   量子级联激光器（Quantum cascade laser ,QCL）；

    (6)   电子学振荡器频率转换（倍频）；

    (7)   基于高能加速器的THz辐射源；

    利用电子学方法产生THz辐射的优点是效率较高，可以产生大功率的THz波，但频率较低，一般在1THz以下。利用光子学方法产生THz辐射的优点是产生的THz波的方向性和相干性很好，但是输出效率底。

    鉴于太赫兹介于电子学和光子学之间的特殊频段的原因，对于THz的长波方向，我们可以依靠电子学（Electronics）科学技术产生太赫兹波，而THz的短波长方向则主要是光子学(Photonics)科学技术的方法。

    对于太赫兹波段信号的检测通常分两种情况：对于超短脉冲信号，大多采用光导取样或自由空间电光取样的方法；对于连续波信号，则有多种检测方案。

    对于频率稍低的太赫兹，如果需要很高的频率分辨率，大多采用超外差式检测器，具体有：温室肖特基二极管混频器、超导体-绝缘体-超导体（SIS）结混频器、超导热电子测辐射计（HEB）混频器；对于频率更高但并不需要极高的谱线分辨率时，则可用直接检测器，如：肖特基二极管平方率检测器等室温直接检测器，超导-绝缘-正常金属（SIN）隧道结复合测辐射计、超导转变边缘测辐射计等冷却的直接检测器。

    总的说来，采用超导技术的检测太赫兹信号方法，可以获得迄今为此最高的灵敏度，但有关系统必须工作在极低的温度下。

三、太赫兹技术应用

    太赫兹波作为电子学和光子学的交叉过渡频段，其应用也具有电子学和光子学不可兼顾的范围。

    在基础科学研究中，THz波不仅可以成像，而且可以作为一种特殊而有效的探针，对物质内部进行深入的研究，提供关于物质的化学及生物成分、波谱特性、THz标记、分子动力学过程，乃至量子互作用过程等重要信息。具体可应用于研究物质的非线性特性、THz望远镜、等离子体检测、药物分析和检测、生物分子诊断、层析成像等方面。

图3 THz频段下毒品频谱图

    在工程应用方面，太赫兹技术可广泛应用于雷达系统、通信服务、公共安检（如图4(a)）等。可以利用太赫兹被动成像技术（类光学的焦平面，CCD等）进行公共安检和天文观测等；可以利用太赫兹时域光谱系统成像（类电子学微波的脉冲或连续波，反射或透射）进行无损检测（如图4(b)）、医学成像和隐蔽物探测等；可以利用太赫兹雷达成像进行导引头和目标识别等；可以利用太赫兹的大带宽和穿透性特征实现沙尘、烟雾等复杂环境情况下的高速区域保密通信；可以利用THz雷达技术用于飞船返回舱再入段测量，解决“黑障”问题[2]；等等。

目前，国际市场上已开始出现太赫兹技术的商业化产品，如：THz光谱分析系统。代表性产品有美国Zomega 公司的mini-Z小型化THz时域光谱仪、FiCO 光纤耦合式THz时域系统，Picometrix 公司的T-ray4000 系统，英国TeraView 公司的TPSspectra 光谱仪，德国Toptica 公司的TeraScan连续波THz 光谱分析系统和TeraFlash时域光谱分析平台等[3]。

         

(a)THz成像显示隐藏的塑料匕首              (b)无损检测(NDT)

图4 THz技术应用研究

四、太赫兹雷达系统介绍

    太赫兹雷达是国内外太赫兹技术研究的重要方向之一。与传统雷达系统的组成与实现相类似，目前报道的太赫兹雷达系统主要基于太赫兹电真空器件源、太赫兹固态电子学器件源以及太赫兹量子级联激光器源等方式实现，并采用外差式接收方式。其中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，全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[4]。

    关于太赫兹雷达的研究可以追溯到1988年马萨诸塞大学的McIntoshR E等人基于当时真空器件扩展互作用振荡器（EIO）的215GHz的大气窗口附近的一部高功率非相干脉冲雷达。1991年佐治亚理工学院的Mc Millan等人提出并实现了225GHz脉冲相干实验雷达。该雷达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60W，全固态接收机基于四分之一次谐波混频器实现。这是当时第一部高频段实现锁相的相参雷达。受限于真空器件本身，无法实现大带宽信号的发射，太赫兹雷达发展缓慢，直到GaAs肖特基二极管倍频技术的出现，使得太赫兹的发生进入了基于固态电子学倍频源的时代，这也直接催生了后来的太赫兹国际天文观测项目ALMA和SOFIA。

    近几年，越来越多的过内外研究结构加入到太赫兹雷达的研究中，包括有美国喷气推进实验室(Jet PropulsionLaboratory , JPL)的580GHz、600GHz、675GHz等频点太赫兹雷达成像系统[5-7]、美国马萨诸塞大学亚毫米波技术实验室（STL）的1.56THz 、2.408THz成像系统、美国西北太平洋国家实验室(Pacific NorthwestNational Laboratory，PNNL)的350GHz 成像系统[8]、德国应用科学研究所(Forschungsgesellschaftfür AngewandteNaturwissenschaften, FGAN)高频物理与雷达研究中心(High Frequency Physicsand Radar Techniques，FHR)的0.22THzCOBRA ISAR 成像系统[9]，这些太赫兹近程成像雷达系统都是基于线性调频连续波体制。

    值得提出的是JPL的580GHz太赫兹雷达是基于固态电子器件二极管倍频器与混频器技术，具有相参主动性，调频带宽将近20GHz，可实现距离向上的高分辨，方位向上利用窄波束扫描实现厘米级别的分辨率。通过波束在二维空间上对目标区域进行连续扫描，能将目标快速映射到三维空间中，实现快速高分辨成像。其675GHz的太赫兹成像雷达带宽29GHz，作用距离达25米。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，同时，又通过设计前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描成像，这样使得成像时间大大缩短，实现了更高帧速的成像。系统可对4-25m远的隐藏目标进行3D成像，最高分辨率小于1cm，通过对隐藏在衣服下面的手枪进行成像，能够将人体表面的衣服与人体皮肤在距离向上分辨开来，而隐藏在衣服里面的枪支自然轮廓清晰。这样的成像效果主要归功于以下三个原因：第一是将近30GHz的巨大带宽带来距离向高分辨率，第二是相位的稳定性为相参信号处理提供保证，第三是675GHz的载频能很轻易的穿透衣服，如图5.

图5 675GHz雷达框图与成像结果。(a)组成结构框图；(b)隐藏目标的躯干成像结果

    STL的2.4.08THz想干雷达成像系统是基于太赫兹量子级联激光器（TQCL）实现，它利用了光抽运分子激光器作为本振源并通过TQCL锁频，使得发射与吸收信号的相位保持稳定性；接收端与参考通道采用一对肖特基二极管混频器，保证系统对旋转目标的相干成像。如图6。

图6 2.408THz成像雷达框图与成像结果。(a)收发原理图；(b)1/72缩比坦克模型二维成像结果

    此外，还有瑞典、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太赫兹雷达试验系统。最近，美国国防部先进研究项目局(Defense AdvancedResearch Projects Agency，DARPA)正在进行基于视频合成孔径雷达(Video SAR, ViSAR)方面的工作，其雷达采用的频段也为THz频段的231.5-235GHz。

    在国内，中国工程物理研究院率先于2011年研制成功国内首部实现成像功能的固态电子学太赫兹实验雷达，该雷达系统基于倍频发射链路和谐波混频接收方法，可实现140GHz成像[10]。在此基础上，于2012年构建完成了0.67THz的逆合成孔径雷达（ISAR）成像系统[11-12]，该系统作业距离2m~8m，采用收发分开的天线，发射信号形式为宽带线性调频连续波信号，信号带宽为28.8GHz，经系统非线性校正处理后的成像分辨力可达到1.3cm。该平台通过将Ka波段带宽1.2GHz、功率2W的线性调频信号24倍频，获得0.66THz~0.68888THz的发射信号，功率为1.2mW，接收端的回波经过谐波混频完成去斜（Dechirp）形成2.4GHz中频信号，二次变频后经高速采样送入信号处理机箱完成成像。如图7。

图7 0.67 THz 雷达架构及工作原理框图

    另外，中科院电子所，北京理工大学，东南大学，哈尔滨工业大学，首都师范大学等研究机构也进行了太赫兹雷达相关的研究。

五、太赫兹频段目标散射特性

    太赫兹频段目标散射特性研究是太赫兹技术应用于雷达的技术基础，对于太赫兹频段下目标散射特性的研究将直接加快太赫兹雷达具体化、实用化的进程。由于太赫兹波波长极短，对于物理尺寸在厘米或米量级的检测目标，其在太赫兹频段具有极大的电尺寸，但它与近红外及激光频段相比电尺寸又很小，因而必然会呈现出与微波频段和激光频段明显不同的散射特性。

    基于太赫兹实验测量系统进行太赫兹散射特性研究的主要方式包括利用抛物面型或全息图型紧缩场进行缩距测量，利用时域系统测试目标的瞬态响应，以及利用极窄脉冲高分辨系统和逆合成孔径技术进行目标闪烁点识别的二维和三维成像测量等。

    STL实验室搭建了多部分别基于抽运气体激光源、全固态电子学源的太赫兹抛物面紧缩场测量系统，工作频点包括：160GHz、240GHz、350GHz、524GHz、1.56THz，并利用太赫兹紧缩场测量系统对军用卡车、坦克的缩比模型等目标进行了测量并成像。2010年，该实验室还利用160GHz与350GHz全极化紧缩场测量系统分别对表面光滑圆柱、表面周期粗糙的导体与介质涂层圆柱、带细小刻痕圆柱以及光滑焊接圆柱进行了测量并成像，通过成像可以观测到不同特征引起的目标二维像变化，揭示了太赫兹波识别目标细微结构特征的能力。图8为1.56THz紧缩场测量系统及其对1/16缩比卡车模型的高分辨二维成像，分辨率达到1.1mm，从成像结果可以轻松识别出卡车的各个关键散射部位。

图8 1.56THz紧缩场测量系统与测量结果。(a)组成结构图；(b)缩比卡车模型的二维成像结果

    抛物面型紧缩场系统利用抛物面反射镜在很近的距离将球面波变为平面波，对反射镜表面精度要求比较高，采用全息衍射器件作为替代，可以降低其精度要求。芬兰赫尔辛基科技大学建立了全息图型太赫兹紧缩场系统对缩比模型进行RCS测量[13]。该系统工作频率310GHz，准单站配置，静态场区域直径12cm。通过对标准体（金属球和平板）的测试，验证了相位全息图型RCS紧缩场测量的可行性，并将导弹模型的测量结果与计算结果进行了对比验证，如图9所示。

图9 全息图型太赫兹紧缩场系统与测量结果。(a)系统结构图；(b)导弹模型不同极化RCS测量与仿真结果比较

    THz时域光谱(THz-TDS)是近年迅速发展并不断扩大其应用领域的一种新型物理测量和分析手段。通过记录THz辐射电场的时间波形，进行傅里叶变换以后，就可以得到THz脉冲电场的频谱。这一方法类似于傅立叶变换红外光谱技术(FTIR)，所不同的是，THz-TDS直接测量电场，而FTIR所测量的是一个互相关信号。因此，THz-TDS在获得脉冲电场振幅谱的同时，还同时直接得到各频率分量的位相谱，这是优于传统的光学测量的一个重要特点(在一般光学测量中，位相信息需要利用Kramers-Kronig关系间接得出)。利用这一技术，可以方便地得到被测样品复介电常数、载流子浓度等物理信息，进而可以对各种材料的物性和所发生的相互作用过程进行细致的研究。此外，THz测量技术的高信噪比和单个THz脉冲所包含的宽频带，使得THz-TDS技术能够迅速地对材料组成的微细变化做出分析和鉴定。目前，对光电子材料响应速率的要求已经达到了GHz甚至THz的范围，THz时域光谱技术的非接触测量性质在这一方面具有独特的优势。

    2010年丹麦科技大学的基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时域脉冲系统[14]，该系统光路中使用一对抛物面反射镜将太赫兹波束展宽并校准，实现了远场条件的目标测量，并获得了1/150缩比F-16飞机模型的不同姿态角RCS结果。太赫兹极窄脉冲允许的距离向亚毫米分辨能力使得在每个角度的时域回波可以完全把目标上不同部件区分开来，在获得多角度测量数据后，利用加窗滤波逆投影算法实现了对目标的高分辨成像，并可以从成像结果明显识别出飞机上的不同类型散射部件，如机翼、机尾、导弹等。

    太赫兹频段目标散射特性研究的另一个重点是针对太赫兹波在测量介质目标的特征谱、介电常数等参数时，目标表面的不同粗糙特性对散射能量分布和参数测量的影响，据此测量获得了不同粗糙表面的散射能量分布，并用解析模型去解释这一现象。

    另外，通过电磁仿真计算的方法研究目标特性是传统研究微波频段的常用手段，但在太赫兹频段下，由于波长的变短，一般的目标都将是极大电尺寸，由此带来的计算复杂度也是巨大的。这也将促进电磁计算向并行化、高效化等研究方向的发展。

    总的说来，太赫兹雷达的大带宽信号发射、天线波束方向性强、测角精度高，能实现隐蔽物的探测，完成高分辨成像。并且，在太赫兹频段下，物体的微多普勒特征更加明显，可以更容易的实现动目标检测的任务。

六、太赫兹雷达成像

    目前，就太赫兹成像系统就成像体制而言可以分为：扫描成像、焦平面阵列成像、以及SAR 和ISAR成像三种。

    扫描成像是通过光路系统控制太赫兹波束对目标进行光栅扫描，并对扫描数据进行处理获得目标图像。其单点或整列扫描的方式，使得成像处理简单，但成像的速度缓慢。如美国JPL实验室的600GHz实验雷达与675GHz实验雷达。对于焦平面阵列成像方式，最初是应用于对红外成像的研究。太赫兹焦平面阵列成像采用类红外焦平面成像的方式，如图10。首先通过发射端的抛物面和焦平面将THz波反射发出，并在相应的接收端设置焦平面和抛物面，将焦平面接收到的太赫兹波回波发射到太赫兹检测器上，完成太赫兹回波成像。该技术被认为是高灵敏度、快速响应、室温工作的成像技术，美国DARPA早在2004年的TIFT计划和2005年的SWIFT计划中就将太赫兹焦平面成像阵列技术列为重点研究内容。对于SAR和ISAR成像，该方法采用了类微波波段成像的方式，通过回波的二维压缩处理方式成像。如图11采用的是0.58THz三维成像系统对人体图像的成像和重建[5]，其信号体制为线性调频连续波（LFMCW），中心频率585GHz，扫频带宽为12.6GHz，扫描周期100ms，其ISAR成像可获得亚厘米级的分辨率。图中左边是对暴露在人体外的放在塑料容器里的滚珠进行成像，右边是把容器隐藏在衣服下面进行成像。图12是德国应用科学研究所(FGAN)高频物理与雷达技术实验室研制的COBRA-220雷达成像系统对汽车的ISAR成像[9]。这套系统工作频率为220GHz，基于LFMCW雷达体制，脉宽120ms，扫频带宽8GHz，功率20mW，在200m距离上实现了1.8cm的距离分辨力。

图10 基于焦平面阵列成像技术的远距离雷达示意图

图11 0.58 THz 系统对人体三维图像的重建

图12 轿车照片和220GHz频段ISAR成像

    太赫兹成像不仅能给出物体的密度信息，而且能给出频率域的信息[15]。太赫兹获得的材料的转动和振动信息将比传统的光频、微波和X射线等获得的更精细。

    总的说来，太赫兹电磁波成像的基本原理是：利用已知波形的太赫兹波作为成像射线，透过成像样品(或从样品反射)的太赫兹波的强度和相位包含了样品复介电常数的空间分布。将透射的太赫兹波的强度和相位的二维信息记录下来，并经过适当的数字处理和频谱分析，就能得到样品的太赫兹波的三维图像，太赫兹波成像技术的一个显著特点是信息量大，每一像源对应一个太赫兹时域谱，通过对时域谱进行傅里叶变换又可得到每一点的太赫兹频率响应谱[15]。

七、总结

    随着THz频段的大功率回旋管在俄罗斯的研制成功，以及四倍频回旋管的研制，THz源的产生将不再困难。THz近场成像和近场波谱的研究，THz有缘照相机等新概念产品的出现将改变世界和人类的生活。

    对于外太空，太赫兹同样重要。据资料显示，在宇宙空间中，约50%的宇宙空间光子能量，大量星际分子的特征谱线在THz范围。我们可以利用太赫兹望远镜，用于观测暗能量、暗物质和地外星系等天文研究。由于在外太空近似真空的状态，不用考虑水分的影响，THz可用于卫星间的通信，其无线传输速度可达到10GB/s，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，由此可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。

    对于现在研究中的临近空间，太赫兹频段电磁波也具有明显的优势和特性。我们可以利用太赫兹对临近空间进行探测，对空间目标（卫星、碎片）进行监视与成像，对大气外的弹道导弹进行探测和预警，等等。

    对于太赫兹的研究，除了相对成熟的THz-TDS技术外，为了满足不同的测量要求，以THz辐射作为探测源的其它新型探测方法和技术也是这一领域正在发展的重要研究课题。总体上看，作为一种新兴的光谱分析手段，THz技术由于光源本身和探测技术所具有的特点，在物理学基础研究、信息和光电子材料的检测、化学和生物样品的分析鉴定、生物医学、物体内部逐层探测，乃至现代通讯技术等领域正呈现出蓬勃的发展趋势，并展现出巨大的应用潜力。研究太赫兹技术，抢占太赫兹频段资源，将关系着国家未来的发展和需要，具有非常重要的战略意义。

八、参考文献

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