太赫茲雷達及其隱身技術

邱桂花 于名訊 韓建龍 張瑞蓉 陳寶林 潘士兵

(中國兵器工業(yè)集團第五三研究所 濟南 250031)

0 引言

太赫茲波是指頻率介于毫米波與紅外光之間相當寬范圍的電磁輻射區(qū)域，通常指頻率為0.1THz到10THz(波長為3000 至30 微米)之間的輻射。太赫茲波具有帶寬很寬、穿透性強、安全性好等優(yōu)點，在軍事偵查、醫(yī)學成像、材料科學、射電天文、物理學等方面具有廣闊的應用前景。

1 太赫茲雷達

1.1 太赫茲雷達特點

太赫茲雷達是太赫茲波在軍事領域應用研究中最重要的研究方向，目前主要開展的是主動式太赫茲雷達的研究，利用目標和背景對THz 波的反射率的不同發(fā)現目標。與紅外雷達和激光雷達相比，太赫茲雷達具有良好的穿透煙霧、沙塵的能力，可用于探測敵方隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員，以及煙霧沙塵中的軍事裝備，可以實現全天候工作。與普通微波、毫米波雷達相比，太赫茲雷達波長更短、帶寬更寬，具有傳載信息能力強、抗干擾能力強、探測精度高、角度分辨率高等優(yōu)點，因此它在戰(zhàn)場偵察、目標識別與跟蹤等方面有著廣闊的應用前景。此外利用太赫茲輻射穿透地面的特點，可用來探測地下的雷場分布。

太赫茲雷達工作頻率可選在太赫茲波衰減小的大氣窗口內，太赫茲波在1.40THz 以下和1.50THz、1.98THz、2.52THz 等頻率附近存在著許多個相對透明的大氣窗口。但是因大氣中水等分子的吸收，太赫茲波在地面附近的衰減比微波大得多。0.1～1THz 的大氣窗口內，衰減系數介于0.04dB/km～100dB/km［1］。大氣衰減限制了太赫茲雷達在地面附近遠距離探測中的應用，太赫茲雷達應于遠距離成像和探測還需要深入的探索。

1.2 太赫茲雷達國內外的研究現狀

美國國防部、航空航天局和空軍相繼投入了大量資金支持寬波段、大功率太赫茲輻射源和超靈敏檢測裝置和成像技術的研究，歐共體也投入大量資金研發(fā)可應用于通信、雷達、成像及遙感的太赫茲器件。目前，美國已研制成功了0.225THz、0.35THz、0.58THz、0.67THz、1.56THz、2.4THz 等不同頻段的高分辨率太赫茲成像雷達，德國研制成功了0.22THz COBRA ISAR 成像系統(tǒng)。太赫茲雷達就成像體制而言可以分為掃描成像、合成孔徑雷達(SAR)成像和逆向合成孔徑雷達(ISAR)成像。

近幾年，國際上有報道的主要的太赫茲雷達系統(tǒng)有美國馬薩諸塞大學的1.56THz 成像系統(tǒng)［2］，美國西北太平洋國家實驗室的0.35THz 成像系統(tǒng)［3］，美國噴氣推進實驗室的工作頻率位于0.56～0.635THz、0.66～0.69THz、0.675THz 的幾部太赫茲雷達成像系統(tǒng)［4-6］，德國應用科學研究所的0.22THz COBRA ISAR 成像系統(tǒng)［7］、0.23～0.32THz三維成像系統(tǒng)，以色列0.33THz 掃描成像系統(tǒng)，蘇格蘭0.34THz 三維掃描成像雷達、瑞典0.21THz 三維ISAR 成像雷達。太赫茲雷達就成像體制而言可以分為掃描成像、合成孔徑雷達(SAR)成像和逆向合成孔徑雷達(ISAR)成像。

美國馬薩諸塞大學用自行開發(fā)的1.56THz 成像系統(tǒng)［2-3］對坦克縮比模型、軍用車輛等幾種軍用設備進行了ISAR 成像，達到了3.5cm 高分辨力;該雷達也可計算出目標的二維圖像，對雷達散射截面RCS 也有很高的靈敏度。1.56THz 雷達成像系統(tǒng)對軍用設備的成像結果見圖1。

德國應用科學研究所研制的COBRA-220 雷達成像系統(tǒng)［7］，工作頻率0.22THz，基于LDMCW 雷達體制，脈寬120ms，掃頻帶寬8GHz，功率20mW，在200m 距離上實現了1.8cm 的距離分辨力。

美國國防部先進研究項目局從2012 年5 月開始計劃用2 年時間開發(fā)出基于視頻合成孔徑雷達ViSAR，雷達工作頻段0.2315THz～0.235THz，項目目標是能夠透過云層、灰塵和其他遮蔽物進行ViSAR 成像，并能夠定位機動目標［8］。為了支持定位機動目標，ViSAR 系統(tǒng)需要在100m 直徑的監(jiān)視范圍，以5 幀/s 的速率得到近似0.2m 的SAR 分辨力。ViSAR 系統(tǒng)還必須能夠探測和跟蹤移動車輛并對其進行重新定位，并將圖像返回到適當的位置上。

國內多家單位也開展了太赫茲雷達的研究。中國工程物理研究院研制了0.14THz［9］、0.67THz［10］高分辨力逆合成孔徑雷達系統(tǒng)，通過寬帶ISAR 進行實時成像處理，獲得了太赫茲高分辨力ISAR 成像。0.14THz ISAR 雷達系統(tǒng)信號帶寬≥5GHz，二維成像分辨率3cm×3cm;0.67THz 雷達系統(tǒng)發(fā)射信號帶寬28.8GHz，成像分辨力達到1.3cm。此外，中科院電子所、首都師范大學、北京理工大學等單位也在進行太赫茲雷達的研究。

2 太赫茲隱身技術

太赫茲雷達的蓬勃快速發(fā)展及其在軍事領域的廣闊的應用前景使得太赫茲隱身技術的研究變得十分重要。目前武器裝備廣泛采用的隱身技術主要是針對已有的探測技術而設計的，對毫米波雷達、厘米波雷達以及紅外探測具有很好的隱身能力，但是對超寬帶太赫茲雷達的隱身效果可能不明顯，因此針對太赫茲雷達探測技術的隱身技術和隱身材料的研究也已經開始。從上世紀90 年代開始，美國在開展太赫茲雷達研究的同時，就開始了太赫茲吸波材料的研究，主要進行的是泡沫型太赫茲吸波材料和太赫茲吸波涂層的研究。近幾年，太赫茲波段的左手材料和屏蔽材料的研究也有報道。

2.1 泡沫型太赫茲吸波材料

泡沫型吸波材料是在聚氨酯海綿或硅橡膠中摻入特殊配方的吸收劑(或有耗煤質)制成的。電磁波經過吸波材料，使其內部填充的吸收劑(或有耗媒質)產生分子振動作用，從而將電磁能轉換成熱能，使通過金屬壁面反射的電磁波得到有效的抑制。泡沫型吸波材料一般有角錐形和平板形兩種形狀。角錐形結構使得電磁波在錐間被充分反射和吸收，損耗較大，但錐尖容易折斷;平板形結構對電磁波的損耗較小，但易安裝，對環(huán)境的適應性較強。

圖2 為美國專利US 5260513［11］報道的一種楔形的硅橡膠太赫茲吸波材料，該吸波材料楔形結構的凹槽角度為22.5o，用氧化鐵作為吸收劑，對0.3THz～3.0THz 的太赫茲波的吸收大于-60dB。美國專利US 4942402［12］報道了一種角錐形的硅橡膠太赫茲吸波材料，該吸波材料用硅酸土作為填充物，可吸收0.5THz～2.5THz 的太赫茲波。

圖2 專利US5260513 報道的THz 吸波材料的結構和反射率

英國Tomas Keating 公司的角錐形吸收材料TK THz RAM 對入射角度為0o～45o的0.31THz 的太赫茲波的反射率達-60dB［13］，垂直入射的0.406THz、0.576THz 和0.672THz 的太赫茲波的反射率分別為-48dB、-42dB 和-35dB［14，15］。美國馬薩諸塞洛厄爾大學的楔形微波吸收材料FIRAM-500 和TERASORB-500 和比利時Emerson and Cuming Microwave 公司的角錐形微波吸收材料Eccosorb VFX-NRL-2 對0.31THz 的太赫茲波的反射率也可達-40dB 左右［13］。

2.2 太赫茲吸波涂層

吸波涂料主要由吸收劑和成膜基體兩部分組成，然后通過噴涂、刷涂等工藝將其涂覆在要求隱身的器件或裝備表面。吸波涂層施工方便，應用靈活，容易在結構復雜的表面使用，是目前應用最廣泛的隱身技術之一，但吸波涂層的吸收性能比泡沫型吸波材料小的多。

美國馬薩諸塞大學Gatesman 等［16］將不銹鋼材料均勻的分散在高分子樹脂中，制備了不同厚度的Dallenbach 涂層。涂層的反射率由介電材料的含量和涂層的厚度決定。Dallenbach 涂層在0.585THz的RCS 為-27dB，但吸收頻段很窄。印度Dubey等［17］用熱塑性聚氨酯做粘合劑，碳纖維、炭黑、聚苯胺、玻璃微珠和鋁粉等多種材料為吸收劑，制備了多層結構的復合涂層，涂層厚度為2～3mm 時，涂層在1～2THz 的最低反射率達到了-30dB。

圖3 文獻16 報道的Dallenbach 涂層的反射率

2.3 左手材料

左手材料在一定的頻段下具有負的磁導率和負的介電常數，因此擁有和常規(guī)材料不同的特性，在隱身材料領域具有獨特的優(yōu)勢。左手材料的奇異特性并非取決于它的結構成分的基本物理性質，而是取決于包含在結構里面的特殊格局的形狀和分布。左手材料要求其內部尺寸必須小于電磁波的波長，太赫茲波段的電磁波波長為微米量級，所以太赫茲波段的左手材料的制備必須依賴于微納米加工技術。

美國波士頓大學Tao 等設計制備了具有開關功能的基于人工電磁媒質層的太赫茲吸收材料，利用Al 和SiNx 雙層材料的不同熱膨脹系數通過控制室溫控制開關功能，開關斷開時，該材料對0.75THz太赫茲波的透過率為0［18］。中國專利200910216064.4［19］公開了一種太赫茲波平面吸收材料，先在襯底表面制備連續(xù)金屬反射層，然后制備介質層，再在介質層上制備人工電磁媒質層，該吸收材料具有2 個強吸收頻帶。

3 結論

世界各國投入大量的資金支持太赫茲雷達及太赫茲輻射源和探測器件的開發(fā)，各種太赫茲探測技術獲得迅猛快速并不斷并應用。太赫茲雷達一旦獲得廣泛應用，將對現有武器裝備構成重大威脅。太赫茲隱身材料和技術研究是針對蓬勃發(fā)展的太赫茲雷達而開展的。美國最早投入太赫茲隱身技術的研究，截止目前在太赫茲波段具有隱身性能的泡沫型吸波材料、吸波涂層和左手材料的研究都已有研究報道。我國在太赫茲隱身材料的研究較晚，為了達到國外太赫茲隱身技術的研究水平，應加快太赫茲隱身材料和技術的研究。

圖4 文獻18 的吸收材料照片(a)和測試結果(b)

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