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太赫兹雷达技术最新应用及发展趋势
浏览次数:22     发布时间:2018-02-28    
本文转载自公众号微波射频网
摘要:太赫兹雷达是太赫兹波应用研究中最重要的研究方向之一,相比于常规雷达,太赫兹雷达具有频率高、带宽宽、波束窄的特点,这些特点赋予了太赫兹雷达巨大的应用潜力。本文从技术特点、应用及发展现状、未来发展趋势等方面概述太赫兹雷达技术。
太赫兹波是电磁波谱上介于微波与红外光之间的电磁波,其频率在0.1~10 THz左右,波长对应3 mm~30 μm,兼有微波毫米波与红外光两个频段的特性。相比于微波、毫米波频段的信号,太赫兹频段的波长较小,适合于大信号带宽和窄天线波束的实现,可获得目标的精细成像,从而有利于目标的识别。相比于红外光信号,太赫兹波对非极性和弱极性介质材料具有更强的透射能力,可穿透云烟、识破伪装,适用于复杂战场环境,同时回波具有更好的相参性,具备更高的抗干扰能力。
太赫兹的频谱位置
太赫兹雷达是太赫兹波应用研究中最重要的研究方向之一。美国先后进行了0.2THz、1.56THz、0.6THz等高分辨率雷达实验,验证了太赫兹雷达的可行性,引发了各国投入到太赫兹雷达的研发中。
一、太赫兹雷达技术特点
总体而言,相比于常规雷达,太赫兹雷达具有频率高、带宽宽、波束窄的特点,这些特点赋予了太赫兹雷达巨大的应用潜力:
(1)频率高:太赫兹波频率高,有较高的多普勒带宽,多普勒效应明显,太赫兹雷达具有良好的多普勒分辨力,测速精度更高;同时太赫兹波散射特性对目标形状的细节敏感,因而,可提高多目标分辨和对目标识别的能力与成像质量。目前隐身飞机等目标设计的隐身频率局限于1GHz-20GHz,又因为机体等不平滑部位相对毫米波来说更加明显,这些不平滑部位都会产生角反射,从而增加有效反射面积,所以太赫兹雷达具有较强的反隐身功能。
(2)带宽宽:相同的相对带宽条件下,太赫兹波绝对带宽大,当作雷达载波时,太赫兹波在单位时间内能承载更多的信息,这也有助于获取更多的目标信息提高雷达性能;同时,太赫兹波宽谱特性还可以抑制雷达多径效应和杂波影响,消除系统之间的相互干扰。
(3)方向性强:在同等天线孔径下,太赫兹波的波束宽度相对较窄, 所以它的方向性要好于微波和毫米波,具有极高的空间分辨力,跟踪精度高;另外,由于太赫兹雷达以窄波束发射,因而使敌方在电子对抗中难以截获,再加上干扰机正确指向太赫兹雷达的干扰功率信号比指向微波雷达更加困难,所以太赫兹雷达具有低被截获性能,抗电子干扰性能好。
 
670 GHz雷达框图与成像结果
二、太赫兹雷达应用及发展现状
基于太赫兹雷达技术特点,非常有利于目标成像和获取目标特征结构细节,从而可对目标进行更精确的外形识别。由于太赫兹雷达对低径向速度的目标可以得到更大的多普勒频移,所以可用于对慢速运动或蠕动目标的发现和识别能力。另外,目标识别通常要求有较高的数据率,太赫兹雷达体积小、重量轻,有利于天线的快速扫描,从而可提供较高的数据率。这些特点让太赫兹雷达不仅在军事目标预警探测上有领先优势,同时在安检反恐、车辆防撞、气象测云、生物医学等领域有非常广阔的前景。
 
太赫兹雷达系统发展历程
(1)预警探测应用
太赫兹雷达自诞生以来一直追求在空间或地面军事目标预警探测上的应用。早在1992年,美国就依托战略防御倡议(星球大战计划)探索了太赫兹雷达在动能武器中的应用,并提出太赫兹相控阵、超导混频等技术设想,在电子学计划中又明确寻求“太赫兹技术在空间监视、导弹预警、反恐行动等领域的应用”,并于2012年启动直接面向地面目标探测的ViSAR项目,2016启动天地协同一体化太赫兹雷达技术研究,通过地面和太空部署的太赫兹雷达与地面传统雷达协同,有效反制依靠涂层和外形隐身的五代战机。
在反导拦截方面,太赫兹主动雷达导引头通过独立或与红外复合,可作为弹头识别的有效手段:它采用主动方式工作,可以有效探测冷弹头;可以远距离对弹头2维高分辨成像,获得包括细微结构和粗糙表面在内其几何特征,据此识别真弹头和选择打击点;弹头的微动在太赫兹频段可产生显著的微多普勒,可据此识别真弹头。此外它的高精度测距测速能力还可以实现对机动弹头的高精度制导,并且不受星体杂波和地面杂波影响。
此外,太赫兹雷达可搭载于飞艇或卫星用于对临近空间高超声速目标的探测,穿透等离子体对目标本体远距离成像,获取信息是高分辨本体像。天基太赫兹雷达能够近距离探测空间碎片并进行成像,得到其类型和轨道信息,从而为航天器的安全提供保障。太赫兹雷达在引信与末制导领域也有广阔的应用前景:测角和测距精度高,引导信息更加精准;具备近距离快速成像和微多普勒测量能力,支持目标及其部位识别;功率小、大气衰减严重,因此天然具备抗干扰能力;对沙尘烟雾有穿透性,优于激光制导。
 
频率0.6 THz时T64坦克2维多普勒成像
(2)安检反恐应用
近年来,国际国内反恐维稳形式呈现出袭击领域多、危害程度大、影响范围广的复杂态势,在公共安全场所对人员进行安检是预防公共安全事件最有效手段之一。目前以美国L3系统为代表的毫米波成像仪成熟度高且已部署应用,但机械扫描时需要人体静止驻留耗时略长,且阵元数目多、成本较高。太赫兹雷达具有分辨高、成像帧率高、器件小集成度高等特点,通过与被动焦平面、准光扫描、孔径合成、编码孔径等技术结合实现对无驻留人体的高精度实时成像,大幅提升安检效率,应对易聚集且不愿配合安检的群体,具有广阔应用前景。目前以TeraSCREEN为代表的太赫兹安检雷达正在验证测试,处于应用的前夜。
 
太赫兹人体扫描安检系统
(3)车辆防撞应用
车辆防撞报警可在自车与前车或障碍物之间存在潜在碰撞危险时,提醒驾驶员避免危险事故。相比于24 GHz和77 GHz的毫米波防撞报警雷达,太赫兹雷达在分辨率和小型化上更具优势。2015年英国伯明翰大学研制了太赫兹车辆防撞雷达,采用FMCW信号,中心频率150 GHz,带宽6 GHz,扫描成像的分辨率达3 cm×38 cm,在成本、阵列、射频干扰等问题解决后有望成为汽车主动安全和无人驾驶的传感利器。
 
英国伯明翰大学实验系统及结果
(4)气象测云应用
天基太赫兹雷达可用于气象测云以支持暴雨台风等预警。相比于毫米波雷达,太赫兹雷达可更准确地提供云粒子特性,同时星载平台避免了太赫兹波近地面大气衰减严重问题,云遥感雷达正从94 GHz向200 GHz以上频段发展。事实上自1989年以来,215/200/225 GHz雷达即被用来对薄云、粒子、降雪过程进行监测研究。北京理工大学对云粒子散射特性进行了研究并设计研制了太赫兹测云雷达系统。太赫兹云遥感雷达目前尚需突破大功率太赫兹源、高增益反射面天线、气象目标全极化信息获取、云粒子特性与气象参数反演等关键技术。
(5)生物医学应用
利用微多普勒敏感优势,太赫兹雷达在在非接触式生命信号监测方面也具有非常广阔的前景,可以避免接触式检测设备的局限性,实现对大面积烧烫伤病人、婴幼儿、防区监控范围内的流动人群呼吸和心跳进行监控,排查安全隐患;在军事上可以对远距离地面战场的士兵心跳呼吸进行监控,使指挥中心及时掌握战场伤亡情况从而为下一步作战计划提供参考。目前120 GHz、228 GHz太赫兹生命信号监测雷达已经问世并在进行室内实验。
三、未来发展趋势
太赫兹雷达拥有近30年的历史,近10年来伴随着新一轮科技革命的浪潮发展尤为迅猛,基础器件日趋进步,功率性能稳步提升,体制架构逐渐清晰,工作模式丰富多样,创新应用不断涌现。但是,太赫兹雷达毕竟处于发展上升期,仍有诸多基础性科学与工程问题需要攻克,重点在以下几个方面取得突破:
(1) 大功率高灵敏度相参太赫兹雷达
为加快太赫兹雷达在末制导、反隐身、反导拦截、一体化侦察打击等领域的应用,需重点发展120~340 GHz频段基础器件,一方面需要继续增加发射功率,研究固态合成功率放大器和电真空放大器。设计基于CMOS和InP工艺的太赫兹固态放大芯片,通过多路径向功率合成获得较大输出功率并综合考虑成本、散热、效率选择合成路数,功率从毫瓦量级提高到百毫瓦量级。在此基础上驱动以行波管为代表的大功率宽带电真空放大器技术研究,研制适用于太赫兹雷达的大功率紧凑型行波管放大器,峰值功率从瓦级提高到数十瓦量级。
另一方面,需要继续提高接收链路灵敏度。加强低噪声放大器、超导混频器研制。低噪声放大器噪声系数优于7 dB,超导混频器噪声温度优于50 K,以满足探测应用原理验证。
此外,还需设计低损耗高隔离度准光环形器及和差网络、高精度大口径反射面天线, 与固态倍频混频链路、放大器结合形成面向侦察打击的近程太赫兹雷达和面向空间目标预警探测等应用的中远程太赫兹雷达。
(2) 全尺寸目标RCS缩比测量太赫兹雷达
缩比测量可节约测量成本,提高测量效率。若利用1 THz对目标在X波段的RCS进行缩比测量,则缩比系数可达100。微波频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹低频段,太赫兹低频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹高频段。为此,需要突破基于电子学方式的低频段测量技术(≤0.7 T)和基于光学方式的高频段测量技术(>0.7 T),分别掌握微波倍频源和远红外激光器/QCL测量系统关键技术,突破紧缩场技术、频率与相位稳定控制技术、光束整形与大口径扩束系统设计、介质目标缩比规律等。
(3) 新材料器件驱动的新体制太赫兹雷达
经典的雷达体制发展有以下3个特点:通过相控阵技术实现了灵活的调幅、调频、调相;通过高速采集实现了中频/射频信号直采,前端简化,雷达呈现软件化和数字化特点;通过波形、模式等思维“软”创新,发展形成ISAR、SAR、MIMO雷达、智能化认知雷达、关联成像雷达等新的体制。经典的雷达体制发展模式正向纵深方向发展,但体制的进一步创新已面临瓶颈。21世纪以来,以超材料、石墨烯、忆阻器等为代表的新材料新器件层出不穷,将可能为雷达系统体制带来深刻变革,雷达体制的发展正从“软”驱动到“硬”驱动转变,越来越多地依赖新材料和新器件,材料器件种类决定了雷达体制和相应功能,这是一个值得关注的重要趋势。太赫兹雷达也不例外。
因此,应密切关注可编程超材料和液晶天线、频率扫描天线、等离子体天线、石墨烯功能材料等极有可能改变雷达体制架构的新材料新器件发展,驱动形成太赫兹孔径编码雷达、太赫兹光子学雷达等新体制太赫兹雷达。
(4) 集成阵列与片上雷达
通过高度集成实现阵列化与片上化是太赫兹雷达另一个重要发展方向。太赫兹频段雷达阵列由于难以实现相控阵,一般采用一发多收或快速开关切换多发多收方式。例如2015年美国JPL研制成功340 GHz集成收发阵列具有同置的8路收发通道,通过立体封装尺寸仅3 cm×9.6 cm。突破稀疏MIMO线阵面阵设计、片上MIMO雷达设计、波束形成、数字馈源阵单脉冲测角、阵列-合成孔径一体化成像等技术,推动其在无人机及其集群、可穿戴设备、小卫星等平台上的应用。
此外,发展具有测距和3维实时成像能力的太赫兹相干焦平面雷达、2~5 THz瓦级小型紧凑QCL雷达等对于安检、末制导等应用也具有重要价值,不再赘述。
四、总结
太赫兹技术作为一门新兴的科学被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一。太赫兹雷达技术的发展无论在国防军事领域还是公共安全领域无疑都已引起令人瞩目的新变化。由于太赫兹波的独特性质,抢占太赫兹雷达技术高地,对于提升国家经济、军事能力竞争力具有重大意义。
 

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