精確制導(dǎo)前沿成像探測(cè)技術(shù)*

羅成高，鄧 彬，程永強(qiáng)，王文鵬，王宏強(qiáng)，王 展

(1. 國(guó)防科技大學(xué) 電子科學(xué)學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410073； 2. 北京遙感設(shè)備研究所 毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100038)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，利用精確制導(dǎo)武器對(duì)敵方的高價(jià)值要害目標(biāo)進(jìn)行“點(diǎn)穴式”打擊是現(xiàn)代軍事強(qiáng)國(guó)一個(gè)慣用的攻擊手段[1]。近年來(lái)的歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)和武裝沖突中，包括海灣戰(zhàn)爭(zhēng)、科索沃戰(zhàn)爭(zhēng)、伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)以及敘利亞反恐戰(zhàn)爭(zhēng)，精確制導(dǎo)武器大規(guī)模應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)，推動(dòng)了世界新軍事變革的快速發(fā)展和主要軍事強(qiáng)國(guó)全面向新世紀(jì)信息化部隊(duì)轉(zhuǎn)型的步伐[2]。

精確制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)走過(guò)了半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展歷程，首次使用是在1943年5月12日，英國(guó)空軍“自由號(hào)”巡邏轟炸機(jī)投下1枚聲尋的魚(yú)雷，嚴(yán)重破壞了德國(guó)U-456號(hào)潛艇[3]。

20世紀(jì)60年代中期出現(xiàn)的激光制導(dǎo)炸彈改變了對(duì)陸地目標(biāo)精確攻擊的局面，在越南戰(zhàn)場(chǎng)上得到了大量使用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，整個(gè)越南戰(zhàn)爭(zhēng)期間，美軍共投擲激光制導(dǎo)炸彈25 000余枚，炸毀重要目標(biāo)1800余個(gè)，其中還包括普通航彈難以摧毀的橋梁100余座。

隨后的20世紀(jì)70世紀(jì)至80年代又經(jīng)過(guò)冷戰(zhàn)軍備競(jìng)賽、新軍事革命等不同歷史因素的促進(jìn)，并經(jīng)受了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)，精確制導(dǎo)系統(tǒng)的體制、方法、技術(shù)和應(yīng)用都得到了很大的發(fā)展。

1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)，以美國(guó)為首的多國(guó)部隊(duì)用8%的精確制導(dǎo)武器摧毀了伊拉克80%的戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)[4-5]。但是，激光制導(dǎo)炸彈在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中也暴露出容易受云層和戰(zhàn)場(chǎng)煙霧、灰塵影響的弱點(diǎn)。隨著先進(jìn)紅外焦平面探測(cè)器技術(shù)和微波、毫米波單片集成電路技術(shù)以及高速實(shí)時(shí)信息處理機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以紅外成像末制導(dǎo)、主動(dòng)毫米波雷達(dá)末制導(dǎo)和多模復(fù)合制導(dǎo)為主流的精確制導(dǎo)技術(shù)開(kāi)始了一個(gè)迅速發(fā)展的階段，催生了直接碰撞動(dòng)能武器，使對(duì)包括彈道導(dǎo)彈和衛(wèi)星等目標(biāo)的空間目標(biāo)的精確打擊成為現(xiàn)實(shí)[6]。1999年，以美國(guó)為首的北約組織襲擊南斯拉夫，精確制導(dǎo)武器的使用量已上升到35%，整個(gè)“盟軍行動(dòng)”是“歷史上最精確的轟炸戰(zhàn)役”[3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，爆發(fā)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)再次成了精確制導(dǎo)武器的“秀場(chǎng)”，其超視距精確打擊能力以及極低的伴隨毀傷在戰(zhàn)場(chǎng)上不斷被證實(shí)并強(qiáng)化。2003年的伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中，美軍首先依托自身空中優(yōu)勢(shì)對(duì)伊拉克的國(guó)防指揮系統(tǒng)和防空系統(tǒng)進(jìn)行精確打擊，迅速瓦解了伊軍的抵抗，隨后地面部隊(duì)在幾乎沒(méi)有遇到有效抵抗的情況下完成了對(duì)伊拉克的占領(lǐng)。

然而，隨著精確制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，各種反制技術(shù)與對(duì)抗理論也應(yīng)運(yùn)而生，并獲得了長(zhǎng)足進(jìn)步。2011年敘利亞內(nèi)戰(zhàn)爆發(fā)以來(lái)，各種精確打擊技術(shù)與反制技術(shù)輪番上陣，各方勢(shì)力以IS極端組織武裝為打擊對(duì)象測(cè)試自身精確制導(dǎo)武器的實(shí)戰(zhàn)能力，積累實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。2017年以來(lái)，以美國(guó)為首的西方國(guó)家以“反化”為名，先后兩次對(duì)敘利亞政府軍據(jù)點(diǎn)實(shí)施定點(diǎn)精確打擊；同時(shí)，俄羅斯也出于自身戰(zhàn)略利益考量，在敘利亞部署了S-400等大量先進(jìn)的防空反導(dǎo)系統(tǒng)。在2018年美英法三國(guó)對(duì)敘利亞政府軍目標(biāo)實(shí)施精確打擊的過(guò)程中，共發(fā)射了100余枚精確制導(dǎo)導(dǎo)彈，但相當(dāng)數(shù)量的導(dǎo)彈均被敘利亞政府軍的防空系統(tǒng)攔截或擊落。盡管參戰(zhàn)雙方對(duì)精確打擊效果與攔截效果各執(zhí)一詞，說(shuō)法不一，但這是21世紀(jì)以來(lái)難得的一次精確打擊與有效攔截對(duì)抗的實(shí)戰(zhàn)案例，必將引起世界各國(guó)軍事機(jī)構(gòu)的強(qiáng)烈興趣，并促使各方對(duì)新型作戰(zhàn)形態(tài)下精確制導(dǎo)技術(shù)展開(kāi)新的研究。

用于精確打擊或反導(dǎo)攔截的精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)依賴于先進(jìn)的精確制導(dǎo)技術(shù)，而成像探測(cè)技術(shù)可直觀察獲取目標(biāo)的外形或基本結(jié)構(gòu)等豐富的目標(biāo)信息，抑制背景干擾，識(shí)別目標(biāo)及其要害部位，或者實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤，因而成為精確制導(dǎo)技術(shù)的重要發(fā)展方向。較為典型的精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)包括電視成像制導(dǎo)、紅外成像制導(dǎo)、激光雷達(dá)制導(dǎo)、合成孔徑雷達(dá)制導(dǎo)以及常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)等[7]。電視成像制導(dǎo)技術(shù)利用電視攝像機(jī)捕獲、識(shí)別、定位、跟蹤直至摧毀目標(biāo)，其應(yīng)用始于二戰(zhàn)期間美國(guó)研制的滑翔炸彈。電視成像制導(dǎo)技術(shù)制導(dǎo)精度高、隱蔽性好，但不能獲取目標(biāo)距離信息，不能全天時(shí)全天候工作。紅外成像制導(dǎo)技術(shù)利用紅外探測(cè)器探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射, 獲取可視圖像進(jìn)行目標(biāo)捕獲與跟蹤制導(dǎo)，具有分辨率高、隱蔽性好等優(yōu)點(diǎn)，但依賴于目標(biāo)和環(huán)境的輻射特性，不能探測(cè)冷目標(biāo)，且易受紅外誘餌干擾。激光雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)利用激光波束作為信息載體，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的精確測(cè)距、測(cè)速、成像以及目標(biāo)跟蹤與制導(dǎo)。具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、能全天時(shí)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，但易受氣候條件影響，難以全天候應(yīng)用，且波束窄，對(duì)空間非合作目標(biāo)的截獲概率和探測(cè)效率較低。合成孔徑雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)獲取目標(biāo)的高分辨距離像，利用雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成等效天線孔徑實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位向的高分辨，能夠全天時(shí)全天候探測(cè)，具有較高的距離和方位分辨率，但易受電子干擾，依賴于雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需要孔徑和采樣時(shí)間積累，難以實(shí)現(xiàn)高幀頻凝視前視成像。常規(guī)相控陣技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)30年代，其天線面陣由多個(gè)可獨(dú)立調(diào)控的輻射和接收單元組成，利用電磁波相干原理實(shí)現(xiàn)高速電控波束掃描與波形捷變，應(yīng)用于雷達(dá)導(dǎo)引頭精確制導(dǎo)領(lǐng)域，具有抗干擾能力強(qiáng)，發(fā)射功率大，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的實(shí)時(shí)搜索、探測(cè)、跟蹤以及精確制導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)。但常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)天線需要大量輻射和接收組件組成大規(guī)模天線陣列，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂，難以實(shí)現(xiàn)低成本小型化。

在未來(lái)新型作戰(zhàn)環(huán)境下，精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)所面臨的作戰(zhàn)目標(biāo)、環(huán)境、任務(wù)將會(huì)發(fā)生顯著變化，高速、高機(jī)動(dòng)空中和空間隱身目標(biāo)大量涌現(xiàn)，強(qiáng)地物雜波廣泛分布，有源干擾、無(wú)源干擾等先進(jìn)干擾手段被大量應(yīng)用，再加上以“蜂群”方式進(jìn)行攻擊的無(wú)人機(jī)和空面武器，諸多因素使精確制導(dǎo)武器的探測(cè)和作戰(zhàn)環(huán)境日趨嚴(yán)苛，作戰(zhàn)性能顯著下降，精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)面臨著日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[8-10]。為了適應(yīng)新的作戰(zhàn)目標(biāo)、任務(wù)以及嚴(yán)苛的探測(cè)環(huán)境，應(yīng)對(duì)新型作戰(zhàn)形態(tài)對(duì)精確制導(dǎo)系統(tǒng)提出的新挑戰(zhàn)，精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)將向高幀率、高分辨率、凝視化、抗干擾、低成本、小型化和數(shù)字化等方向發(fā)展，而近年來(lái)蓬勃發(fā)展的前沿?zé)狳c(diǎn)技術(shù)為精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)向這幾大方向的發(fā)展提供了有力的技術(shù)支撐。美國(guó)國(guó)防部在2013—2017年科技發(fā)展“五年計(jì)劃”中將超材料技術(shù)與量子信息與控制技術(shù)等列為未來(lái)六大顛覆性基礎(chǔ)研究領(lǐng)域。而在2004年，美國(guó)將太赫茲(TeraHertz，THz)技術(shù)列入“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”，2006年又將其列為國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科。近十年來(lái)，美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)先后設(shè)立了系列THz技術(shù)研究項(xiàng)目，如亞毫米波焦平面成像技術(shù)、高頻集成真空電子學(xué)、THz作戰(zhàn)延伸、THz電子學(xué)等相關(guān)項(xiàng)目[11]。2012年推出視頻合成孔徑雷達(dá)(Video Synthetic Aperture Radar，ViSAR)計(jì)劃[12]，2016年在專門(mén)雷達(dá)特征解決方案中提出加強(qiáng)亞毫米波目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)研究[13]。

因此，依托THz、量子和超材料等前沿顛覆性技術(shù)發(fā)展THz雷達(dá)、量子雷達(dá)以及超材料雷達(dá)等新概念前沿精確制導(dǎo)成像技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)未來(lái)精確制導(dǎo)技術(shù)的跨越式發(fā)展，提升精確制導(dǎo)武器的打擊與攔截作戰(zhàn)效力具有重大戰(zhàn)略意義。本文整理概括了精確制導(dǎo)成像技術(shù)的主要發(fā)展方向以及可采取的典型技術(shù)途徑，如表1所示，對(duì)幾種典型的精確制導(dǎo)成像技術(shù)途徑進(jìn)行了深入梳理與分析。

表1精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)主要發(fā)展方向與典型技術(shù)途徑Tab.1 Main developing trends and typical technical approaches of imaging and detecting technologies for precision guidance

主要發(fā)展方向典型技術(shù)途徑高幀率、高分辨率THz雷達(dá)精確制導(dǎo)凝視化、抗干擾量子雷達(dá)精確制導(dǎo)低成本、小型化、數(shù)字化超材料雷達(dá)精確制導(dǎo)

1 THz雷達(dá)精確制導(dǎo)成像技術(shù)

THz波通常指頻率在0.1～10 THz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)0.03～3 mm)之間的電磁波，其頻率介于毫米波與紅外之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光電子學(xué)的過(guò)渡頻段，具有一些不同于其他頻段的特殊性質(zhì)。THz頻段已成為軍事高科技競(jìng)爭(zhēng)的新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，THz雷達(dá)系統(tǒng)具有帶寬大、分辨率高、抗干擾、反隱身等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確測(cè)速測(cè)角、高分辨率成像以及精細(xì)結(jié)構(gòu)特征反演，還能夠利用材料在THz頻段豐富的特征譜線提取目標(biāo)的“指紋特征”，是未來(lái)成像探測(cè)技術(shù)的重要發(fā)展方向。分別針對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)、跟蹤與攔截，以及低空作戰(zhàn)條件下戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的精確識(shí)別與打擊等應(yīng)用場(chǎng)景，積極開(kāi)展THz雷達(dá)導(dǎo)引頭與THz ViSAR精確制導(dǎo)成像技術(shù)研究，可有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)微波和光學(xué)頻段成像制導(dǎo)技術(shù)的不足，助推精確制導(dǎo)成像技術(shù)向高幀頻、高分辨率方向的發(fā)展，增強(qiáng)“定點(diǎn)清除”式精確制導(dǎo)打擊的威懾力。

1.1 THz雷達(dá)導(dǎo)引頭

彈道導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中最具威脅性的攻擊性武器之一，它具有較強(qiáng)的突防能力、較大的破壞力以及可以攜帶多彈頭、核彈頭或者生物化學(xué)彈頭的優(yōu)越性能。但是彈道導(dǎo)彈防御卻面臨著速度快、干擾多等問(wèn)題，難度很大。因而一般通過(guò)采用分段和多次攔截的方式提高攔截概率，包括助推段攔截、中段攔截和末段攔截。對(duì)防御系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，越早發(fā)現(xiàn)來(lái)襲目標(biāo)，越容易實(shí)施攔截。綜合考慮攔截時(shí)機(jī)和難度，中段被認(rèn)為是攔截的主要階段。中段攔截有兩種方式，其中直接碰撞動(dòng)能殺傷是彈道導(dǎo)彈的重要發(fā)展趨勢(shì)，也就是所謂的外大氣動(dòng)能殺傷攔截器(Exoatmospheric Kill Vehicle，EKV)。目前EKV一般采用紅外導(dǎo)引頭，紅外導(dǎo)引頭通過(guò)探測(cè)目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、尾焰及蒙皮氣動(dòng)加熱的紅外輻射來(lái)獲取導(dǎo)引信息，具有測(cè)角精度高、能夠成像、大氣背景雜波小、重量輕等優(yōu)勢(shì)[14]，但也具有一些固有缺陷，比如采用被動(dòng)方式、過(guò)度依賴目標(biāo)熱輻射、受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響較大等。

而THz波具有頻率高、帶寬極高、煙霧穿透能力強(qiáng)、受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響小等特點(diǎn)，結(jié)合SAR或者旋轉(zhuǎn)陣列成像[15]等，開(kāi)展新型THz雷達(dá)導(dǎo)引頭技術(shù)研究，可以有效填補(bǔ)目前紅外導(dǎo)引頭的不足，具有很好的發(fā)展前景。

THz雷達(dá)導(dǎo)引頭在中段反導(dǎo)中具有諸多優(yōu)勢(shì)。首先，THz波能夠做到帶寬極高，有利于分析物體的光譜性質(zhì)，甚至反演物體材料信息，實(shí)現(xiàn)真假?gòu)楊^識(shí)別。其次，在反隱穿透方面，在助推段和末段中，來(lái)襲導(dǎo)彈目標(biāo)的高速運(yùn)動(dòng)還將會(huì)在彈頭外面形成一層等離子體鞘套，這也對(duì)紅外導(dǎo)引頭的探測(cè)與高分辨成像產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，對(duì)彈頭引起的氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)特別敏感。THz雷達(dá)導(dǎo)引頭頻率高，可穿透等離子體鞘套，對(duì)熱環(huán)境不敏感，受氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)影響小，因此THz雷達(dá)導(dǎo)引頭因反隱穿透能力而成為反導(dǎo)攔截的有效手段，填補(bǔ)目前紅外導(dǎo)引頭的不足。在目標(biāo)部位選擇方面，紅外導(dǎo)引頭在遠(yuǎn)距離時(shí)對(duì)彈頭的成像結(jié)果只是一個(gè)點(diǎn)，只有在近距離時(shí)才能分辨彈頭上不同的部位，且助推段和末段成像時(shí)還要受到氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)的影響。而THz雷達(dá)導(dǎo)引頭采用雷達(dá)高分辨成像技術(shù)，遠(yuǎn)距離時(shí)，保證信噪比達(dá)到一定水平，即可對(duì)彈頭目標(biāo)實(shí)現(xiàn)成像，成像積累時(shí)間極短，將為彈頭攔截提供更多的時(shí)間余量。成像還對(duì)氣動(dòng)光學(xué)效應(yīng)不敏感，穩(wěn)定的毫米級(jí)超高分辨二維成像可以獲得彈頭目標(biāo)的詳細(xì)部位分布，對(duì)于選擇關(guān)鍵部位進(jìn)行有效撞擊具有重要的意義。最后，在測(cè)量精度上，THz雷達(dá)導(dǎo)引頭因?yàn)楣ぷ黝l率高、波長(zhǎng)短，天線波束3 dB寬度將非常小，帶來(lái)了極高的角分辨能力。同時(shí)THz雷達(dá)導(dǎo)引頭帶寬大，可以實(shí)現(xiàn)高精度測(cè)距。參考紅外導(dǎo)引頭的測(cè)量精度，THz雷達(dá)導(dǎo)引頭在測(cè)角精度、測(cè)角視場(chǎng)和測(cè)距方面均能滿足制導(dǎo)要求。由5個(gè)散射點(diǎn)組成的錐體彈頭模型如圖1(a)所示，其中坐標(biāo)(0,0)位置既是參考點(diǎn)也是轉(zhuǎn)軸，目標(biāo)圍繞轉(zhuǎn)軸逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)小的角度，參考距離設(shè)為20 km，轉(zhuǎn)角設(shè)為0.02 rad。 分別給出X波段(載頻10 GHz，帶寬300 MHz)和THz頻段(載頻340 GHz，帶寬10 GHz)的仿真成像結(jié)果，如圖1(b)和圖1(c)所示。從仿真結(jié)果可以看出：X頻段由于分辨率不夠，難以將彈頭目標(biāo)上相距較近的散射點(diǎn)分開(kāi)；THz雷達(dá)則可以達(dá)到很高的分辨率，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行精細(xì)成像，識(shí)別目標(biāo)的細(xì)微結(jié)構(gòu)。這說(shuō)明THz雷達(dá)在精確制導(dǎo)成像與探測(cè)方面極具技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)階段，世界軍事強(qiáng)國(guó)均有具有代表性的反導(dǎo)攔截系統(tǒng)，如美國(guó)的愛(ài)國(guó)者系列、薩德系統(tǒng)和?；臉?biāo)準(zhǔn)系列，俄羅斯的S-300、S-400，中國(guó)紅旗-9系統(tǒng)。但是這些系統(tǒng)工作頻段相比THz一般都比較低。比較接近THz頻段的代表性導(dǎo)引頭為美國(guó)哈姆導(dǎo)彈的改型——先進(jìn)反輻射制導(dǎo)導(dǎo)彈(Advanced Anti-Radar Guided Missile，AARGM)，主要用于精確打擊各種防空陣地(包括預(yù)警雷達(dá)陣地、地空導(dǎo)彈和高炮武器系統(tǒng)、指揮信息系統(tǒng)等) ，也可打擊無(wú)輻射的普通目標(biāo)，還可用于軍用戰(zhàn)機(jī)實(shí)施自衛(wèi)作戰(zhàn)[17]。美國(guó)于2002年正式宣布該項(xiàng)研制計(jì)劃，2002—2005 年間完成了第一階段和第二階段的研制，2006年進(jìn)入第三階段的研制[18]。2010年7月5日，ATK公司宣布美國(guó)海軍已接收首次交付的AARGM。2015年8月18日，美國(guó)海軍在美國(guó)海軍航空系統(tǒng)司令部的穆古角海上試驗(yàn)場(chǎng)成功進(jìn)行了AARGM超聲速空面戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈系統(tǒng)一系列系留和實(shí)彈發(fā)射試驗(yàn)。2017年5月31日，ATK公司在位于加利福尼亞州北里奇市的生產(chǎn)基地舉行了一個(gè)儀式，向美國(guó)海軍交付了第500枚AARGM。AARGM采用了被動(dòng)微波/寬帶主動(dòng)毫米波復(fù)合導(dǎo)引頭，其中主動(dòng)毫米波導(dǎo)引頭用于導(dǎo)彈的末段飛行制導(dǎo)。它能進(jìn)行目標(biāo)搜索、自動(dòng)識(shí)別、跟蹤并且引爆戰(zhàn)斗部。相對(duì)于傳統(tǒng)的單模被動(dòng)制導(dǎo)方式，AARGM末段飛行使用主動(dòng)毫米波雷達(dá)制導(dǎo)，攻擊過(guò)程中即使敵方雷達(dá)關(guān)機(jī)，也能通過(guò)主動(dòng)輻射毫米波信號(hào)探測(cè)目標(biāo)，尋找敵方雷達(dá)天線或金屬反射體的強(qiáng)回波進(jìn)行攻擊，因此具有極強(qiáng)的抗敵方雷達(dá)關(guān)機(jī)能力。此外，由于該雷達(dá)具有高分辨自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別能力，能引導(dǎo)導(dǎo)彈精確打擊目標(biāo)的關(guān)鍵部位，提高作戰(zhàn)效能[19]。相較于毫米波導(dǎo)引頭，THz雷達(dá)導(dǎo)引頭無(wú)疑在制導(dǎo)精度等方面更具優(yōu)勢(shì)，也更具發(fā)展?jié)摿?，但由于大功率THz輻射源等器件因素制約，目前國(guó)內(nèi)外均沒(méi)有THz頻段的反導(dǎo)攔截設(shè)備和技術(shù)研究。

(a) 彈頭模型(a) Warhead model

(b) X波段雷達(dá)成像結(jié)果(b) X-band radar imaging result

(c) THz雷達(dá)成像結(jié)果(c) THz radar imaging result圖1 彈頭模型與雷達(dá)成像結(jié)果對(duì)比[16]Fig.1 Comparison of warhead model and radar imaging result[16]

鑒于THz雷達(dá)導(dǎo)引頭具有的突出優(yōu)勢(shì)，需要大力發(fā)展THz雷達(dá)導(dǎo)引頭精確制導(dǎo)技術(shù)，研究適用于導(dǎo)引頭的THz雷達(dá)新體制、新方法，掌握THz雷達(dá)精確測(cè)角技術(shù)、測(cè)距技術(shù)以及抗干擾技術(shù)，突破小型化大功率THz輻射源與高靈敏度THz室溫相干檢測(cè)器件技術(shù)瓶頸，推動(dòng)THz雷達(dá)導(dǎo)引頭的小型化、實(shí)用化進(jìn)程，用于解決空間目標(biāo)的精確探測(cè)、跟蹤、成像和識(shí)別以及成功攔截等問(wèn)題，為反隱穿透以及打擊部位精確選擇提供有效技術(shù)手段，提高反導(dǎo)攔截成功概率。

1.2 THz ViSAR

要保證我軍能在小型軍事沖突中“能打仗、打勝仗”，則要求我軍必須具備對(duì)地面高軍事價(jià)值機(jī)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行“定點(diǎn)清除”式的全天候精確制導(dǎo)打擊能力，尤其是利用無(wú)人機(jī)和攻擊機(jī)等小型低空平臺(tái)對(duì)行進(jìn)中的隊(duì)伍、運(yùn)輸物資的車(chē)輛、步兵車(chē)及坦克等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)施精確制導(dǎo)打擊。對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像，探測(cè)并識(shí)別出其中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，尤其是機(jī)動(dòng)目標(biāo)，是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)精確制導(dǎo)打擊的前提條件。

ViSAR系統(tǒng)是指圖像幀率滿足對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)持續(xù)跟蹤需求的SAR系統(tǒng)。ViSAR系統(tǒng)可逐幀顯現(xiàn)觀測(cè)區(qū)域的漸變靜態(tài)影像，形成視覺(jué)上的活動(dòng)圖像，可更直觀感知目標(biāo)的動(dòng)態(tài)，具有可全天時(shí)全天候工作、高分辨高識(shí)別能力以及慢動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)能力，能夠?qū)Ω信d趣時(shí)敏目標(biāo)進(jìn)行高分辨成像、識(shí)別和跟蹤，并與武器系統(tǒng)交聯(lián)實(shí)現(xiàn)火控與精確制導(dǎo)打擊。而THz雷達(dá)系統(tǒng)相比傳統(tǒng)的微波/毫米波雷達(dá)可獲得更高的距離分辨率、速度分辨率和角分辨率，具有帶寬大、波長(zhǎng)短、分辨率高、抗干擾等優(yōu)勢(shì)。將二者有機(jī)結(jié)合，發(fā)展THz ViSAR精確制導(dǎo)成像技術(shù)，可解決目前常規(guī)SAR對(duì)地觀測(cè)時(shí)存在的成像幀速率低、地面機(jī)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)困難和無(wú)法跟蹤等問(wèn)題，填補(bǔ)低能見(jiàn)度條件下地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)精確成像跟蹤手段空白，增強(qiáng)“定點(diǎn)清除”式精確制導(dǎo)打擊的威懾力。

2012年5月1日，美國(guó)DARPA公布了ViSAR招標(biāo)書(shū)。2012年7月31日，羅斯羅普·格魯曼公司宣稱在DARPA的THz電子學(xué)計(jì)劃的支持下研制出世界上第一個(gè)工作頻率達(dá)到0.85 THz的固態(tài)接收機(jī)。計(jì)劃的負(fù)責(zé)人約翰·阿爾布雷克特宣稱：“相干信號(hào)處理能力達(dá)到0.85 THz為DARPA的ViSAR等應(yīng)用系統(tǒng)研究提供技術(shù)支持”。2012年12月19日，DARPA發(fā)布了《ViSAR系統(tǒng)設(shè)計(jì)和發(fā)展計(jì)劃》。2017 年9 月28日，DARPA 官網(wǎng)報(bào)道，DARPA 開(kāi)發(fā)的ViSAR雷達(dá)成功獲取了被云層遮蔽的地面目標(biāo)的實(shí)時(shí)、全運(yùn)動(dòng)視頻圖像[20-21]。

THz ViSAR系統(tǒng)的基本組成主要包括天饋分機(jī)、收發(fā)分機(jī)、伺服控制分機(jī)、信號(hào)處理分機(jī)、數(shù)據(jù)處理與目標(biāo)分類分機(jī)以及顯示與控制分機(jī)等，如圖2所示。雷達(dá)發(fā)射機(jī)的作用是產(chǎn)生受到調(diào)制的大功率、寬頻帶、高穩(wěn)定射頻信號(hào)載波，并經(jīng)過(guò)饋線由天線向空間輻射；雷達(dá)接收機(jī)的作用是放大、變頻、檢波和預(yù)處理雷達(dá)回波，接收機(jī)靈敏度必須能夠滿足目標(biāo)檢測(cè)的需求；天線的功能是把能量集中于確定的波束內(nèi)，并將波束指向設(shè)定的方向，將發(fā)射的能量輻射到空間，接收的能量經(jīng)傳輸線送到接收機(jī)；伺服機(jī)構(gòu)是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部分，伺服系統(tǒng)通過(guò)控制系統(tǒng)使天線按要求掃描，完成天線波束移動(dòng)以使瞄準(zhǔn)誤差為零的任務(wù)；信號(hào)處理分機(jī)的作用是消除不需要的雜波信號(hào)，獲取需要的目標(biāo)信號(hào)，進(jìn)行平臺(tái)非期望運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)地面場(chǎng)景和動(dòng)目標(biāo)的高分辨實(shí)時(shí)SAR成像處理；數(shù)據(jù)處理與目標(biāo)分類分機(jī)用于對(duì)信號(hào)處理分機(jī)輸出的目標(biāo)位置信息和SAR圖像序列進(jìn)行進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理，提取目標(biāo)特征，對(duì)地面動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和識(shí)別；顯示與控制分機(jī)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的同步與控制，并實(shí)時(shí)顯示ViSAR成像結(jié)果。

圖2 THz ViSAR系統(tǒng)框圖Fig.2 Block diagram of THz ViSAR system

THz ViSAR系統(tǒng)可采用的工作模式主要有兩種：條帶快速瀏覽模式可在情報(bào)信息支持下，對(duì)潛在目標(biāo)區(qū)域采用條帶式成像方法，以確保能夠以足夠?qū)挼某上褚晥?chǎng)對(duì)潛在目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行覆蓋搜索，在檢測(cè)和鑒別目標(biāo)后轉(zhuǎn)入跟蹤模式；而聚束重點(diǎn)目標(biāo)跟蹤模式可對(duì)目標(biāo)所在區(qū)域采用聚束式成像方法，實(shí)現(xiàn)高成像分辨率和高幀率，以保證對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的持續(xù)精確跟蹤制導(dǎo)。

THz ViSAR系統(tǒng)裝配于攻擊機(jī)、低空無(wú)人機(jī)或直升機(jī)上，用于低能見(jiàn)度條件下對(duì)地面運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)視頻高分辨成像，對(duì)車(chē)輛、小股部隊(duì)、等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行視頻監(jiān)視，并最終實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定跟蹤與精確制導(dǎo)打擊。根據(jù)我國(guó)軍事應(yīng)用的需求，結(jié)合國(guó)內(nèi)毫米波與THz技術(shù)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，分階段開(kāi)展THz ViSAR雷達(dá)系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)的研究，重點(diǎn)突破小型化的電真空大功率放大器、固態(tài)功率放大器、低噪聲接收機(jī)、THz單片集成多功能電路以及THz天饋組件等基礎(chǔ)器件瓶頸，掌握高精度THz ViSAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)快速檢測(cè)成像核心關(guān)鍵技術(shù)，研制THz ViSAR雷達(dá)成像系統(tǒng)，開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究。盡快形成低空飛行平臺(tái)的高分辨率高幀率對(duì)地偵察能力，為提升我軍在低能見(jiàn)度條件下的精確制導(dǎo)打擊能力提供技術(shù)支持。

2 量子雷達(dá)精確制導(dǎo)成像技術(shù)

最初的量子成像是通過(guò)糾纏態(tài)光子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。糾纏光子對(duì)中的一個(gè)光子被置于接收系統(tǒng)中，另一個(gè)光子朝目標(biāo)發(fā)射，然后被目標(biāo)反射后由雷達(dá)系統(tǒng)接收，利用糾纏光場(chǎng)或電磁場(chǎng)的漲落統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)特性，從而可以利用系統(tǒng)內(nèi)部光子與接收光子的關(guān)聯(lián)處理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)[22-27]。而在光學(xué)三維成像技術(shù)中，常通過(guò)陣列調(diào)制方式對(duì)輻射場(chǎng)的幅度或相位實(shí)現(xiàn)空間調(diào)制，獲取目標(biāo)的空間三維信息，從而實(shí)現(xiàn)高分辨三維成像[28-29]。借鑒光學(xué)量子成像以及陣列調(diào)制成像的基本思想，近年來(lái)我國(guó)積極開(kāi)展了微波量子成像技術(shù)研究。微波量子成像利用陣列調(diào)制方式產(chǎn)生隨機(jī)輻射電磁場(chǎng)(對(duì)電磁波幅度、頻率、相位等物理量的隨機(jī)調(diào)制)替代光學(xué)量子成像中的隨機(jī)漲落光場(chǎng)，增大微波輻射信息在空間分布上的差異性，使同一波束的目標(biāo)能被差異信息標(biāo)度，從而為分辨同一波束內(nèi)的目標(biāo)提供了可能[30-32]。

除了對(duì)電磁波幅度、頻率、相位等物理量進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制，也可以尋求其他調(diào)制方式或可調(diào)制物理量，實(shí)現(xiàn)微波量子成像。經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)理論指出，電磁場(chǎng)不僅具有線動(dòng)量，同時(shí)也具有角動(dòng)量。電磁場(chǎng)線動(dòng)量通常與平動(dòng)相聯(lián)系，而角動(dòng)量通常與轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)應(yīng)。其中，角動(dòng)量又可以分為兩個(gè)部分：自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量(Orbital Angular Momentum，OAM)。自旋角動(dòng)量與電磁場(chǎng)的極化相對(duì)應(yīng)，而OAM與相位波前的變化情況相對(duì)應(yīng)，二者均為物理守恒量。近年來(lái)，OAM由于其特殊的物理性質(zhì)受到了廣泛關(guān)注。相對(duì)于自旋角動(dòng)量，OAM理論上具有無(wú)限的拓?fù)浜蓴?shù)，能夠提供更為豐富的信息調(diào)制自由度。

將電磁場(chǎng)OAM信息應(yīng)用于微波量子成像，即實(shí)現(xiàn)了一種新的雷達(dá)成像技術(shù)——基于OAM調(diào)制的量子成像，從而在傳統(tǒng)電磁波幅度、頻率、相位、極化等維度之外，增加了一個(gè)新的調(diào)制維度，提高電磁波的信息傳遞和信息獲取能力。其基本原理如圖3所示，當(dāng)對(duì)電磁波加載OAM調(diào)制時(shí)將形成扭曲的波前分布，其相位波前呈現(xiàn)螺旋形的結(jié)構(gòu)，雷達(dá)波束內(nèi)不同目標(biāo)處將形成具有差異性分布的輻射場(chǎng)激勵(lì)，目標(biāo)散射回波中將蘊(yùn)含更多的目標(biāo)信息，通過(guò)關(guān)聯(lián)處理有望提升雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的成像分辨能力。由于OAM調(diào)制輻射場(chǎng)具有確定的調(diào)制模式(相位分布)，且理論上可以產(chǎn)生無(wú)窮多種相互正交的調(diào)制模式，在實(shí)現(xiàn)高分辨率成像的同時(shí)可以提高關(guān)聯(lián)成像求解的效率[33-38]。

圖3 基于OAM調(diào)制的量子雷達(dá)成像原理示意圖[39]Fig.3 Schematic diagram of the imaging principle of quantum radar based on OAM modulation[39]

傳統(tǒng)雷達(dá)成像技術(shù)大多基于距離-多普勒原理，該原理通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)獲得距離向高分辨率，通過(guò)雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成大的虛擬合成孔徑獲得方位向高分辨率。但在某些軍事應(yīng)用場(chǎng)景中，無(wú)法保證方位向高分辨成像所需的大虛擬孔徑，難以成像。例如反艦導(dǎo)彈、空地導(dǎo)彈和防空導(dǎo)彈等在進(jìn)行末段尋的制導(dǎo)時(shí)，雷達(dá)導(dǎo)引頭與目標(biāo)處于凝視前視觀測(cè)幾何條件，雷達(dá)與目標(biāo)間的橫向相對(duì)運(yùn)動(dòng)很小，難以獲得大虛擬孔徑，將嚴(yán)重制約導(dǎo)彈的目標(biāo)識(shí)別能力和抗干擾能力的提升。而基于OAM調(diào)制的量子雷達(dá)成像技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)是不依賴于雷達(dá)與目標(biāo)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，利用輻射場(chǎng)的時(shí)空隨機(jī)漲落特性(即探測(cè)信號(hào)的時(shí)空差異性)進(jìn)行目標(biāo)分辨，可以在凝視觀測(cè)條件下突破傳統(tǒng)理論中天線口徑對(duì)分辨率的限制，具有分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、探測(cè)載荷輕等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候成像，在末制導(dǎo)導(dǎo)引頭前視成像與精確制導(dǎo)領(lǐng)域具有傳統(tǒng)成像制導(dǎo)手段無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

基于OAM調(diào)制的量子雷達(dá)制導(dǎo)成像技術(shù)作為一類正在探索的全新成像技術(shù)，其突破實(shí)孔徑成像系統(tǒng)衍射極限的高分辨原理已經(jīng)得到了初步的驗(yàn)證。然而，電磁場(chǎng)OAM的調(diào)制機(jī)理與調(diào)制方法、基于OAM調(diào)制的目標(biāo)信息高精度反演等科學(xué)問(wèn)題尚有待深入研究，其典型軍事應(yīng)用場(chǎng)景也需深入論證。因此，很有必要積極推動(dòng)基于OAM調(diào)制的量子雷達(dá)精確制導(dǎo)成像技術(shù)相關(guān)研究，促進(jìn)新體制雷達(dá)精確制導(dǎo)成像技術(shù)的發(fā)展，為量子技術(shù)在軍事領(lǐng)域獲得更加廣泛的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，大大補(bǔ)充和完善現(xiàn)有的精確制導(dǎo)成像手段。

3 超材料雷達(dá)精確制導(dǎo)成像技術(shù)

超材料的出現(xiàn)始于21 世紀(jì)的物理學(xué)領(lǐng)域，對(duì)于metamaterial 一詞，目前尚未有一個(gè)嚴(yán)格的、權(quán)威的定義，各種不同的文獻(xiàn)給出的定義也各不相同，但一般文獻(xiàn)中都認(rèn)為metamaterial 是“具有天然材料所不具備的超常物理性質(zhì)的人工復(fù)合結(jié)構(gòu)或復(fù)合材料”。因此，所謂電磁超材料，可認(rèn)為是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期或非周期性地排列或者植入基體材料內(nèi)(或表面)所構(gòu)成的一種人工電磁材料[40-44]。2014年，崔鐵軍等正式提出了可編程超材料的概念[45]，基于可編程超材料的新型電磁超表面天線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波在時(shí)-空-頻-極化等多維電磁物理空間的實(shí)時(shí)操控，不需要類似常規(guī)相控陣的大量有源移相組件，可顯著降低器件成本，其重量?jī)H相當(dāng)于傳統(tǒng)雷達(dá)天線的1/3～1/2，尺寸相當(dāng)于傳統(tǒng)雷達(dá)天線的1/5～1/3，可大幅降低系統(tǒng)運(yùn)輸、安裝與調(diào)試成本?；诔牧霞夹g(shù)，開(kāi)展超材料相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)成像技術(shù)以及超材料孔徑編碼雷達(dá)成像制導(dǎo)技術(shù)研究，可為小型無(wú)人機(jī)和導(dǎo)彈等平臺(tái)精確制導(dǎo)作戰(zhàn)提供一條新的技術(shù)途徑[46-47]。

3.1 超材料相控陣?yán)走_(dá)

常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)具有靈活、快速的天線波束掃描能力、天線波束形狀捷變能力、空間功率合成能力、天線與雷達(dá)平臺(tái)的共形能力、多波束形成能力、自適應(yīng)空域?yàn)V波與自適應(yīng)空-時(shí)處理能力，可極大地增大雷達(dá)導(dǎo)引頭的作用距離、抗干擾能力等性能指標(biāo)，過(guò)去20年獲得了廣泛的應(yīng)用。但常規(guī)相控陣天線由收發(fā)組件、波束控制模塊、傳統(tǒng)天線陣列等構(gòu)成，且陣元數(shù)量多，造成傳統(tǒng)相控陣天線體積大、散熱要求高、制作成本高昂。雷達(dá)終端作為導(dǎo)彈、衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等平臺(tái)的有效載荷，其外形尺寸和重量對(duì)于平臺(tái)本身的綜合性能指標(biāo)具有重要影響。過(guò)大的外形尺寸將顯著增加裝備的體積與飛行重量，降低武器平臺(tái)對(duì)彈藥、燃料或其他傳感設(shè)備的裝載能力，增大雷達(dá)反射面積，縮短武器裝備的作戰(zhàn)半徑，增加被敵方探測(cè)系統(tǒng)捕獲的風(fēng)險(xiǎn)。因此，盡管常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，也難以在小型無(wú)人機(jī)、彈載或星載等對(duì)雷達(dá)載荷體積和重量有著嚴(yán)苛要求的系統(tǒng)中獲得普遍應(yīng)用。

將可編程超材料技術(shù)與低剖面的微波介質(zhì)板及二極管開(kāi)關(guān)等相結(jié)合，研發(fā)出一系列新型的超材料相控陣天線，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的靈活調(diào)控。超材料相控陣天線在天線單元設(shè)計(jì)時(shí)即嵌入了相位、幅度、極化、頻率等調(diào)制功能，即在天線上集成了幅相控制功能，從而可以將傳統(tǒng)收發(fā)組件、波束控制模塊功能通過(guò)對(duì)超材料的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，極大降低了體積、功耗和成本，并實(shí)現(xiàn)了相控陣天線整體的“超低剖面”[48-51]。同時(shí)，超材料相控陣天線還可將電磁模擬信號(hào)數(shù)字化，智能實(shí)時(shí)地調(diào)整材料的電磁信息特性，以適應(yīng)或改變周?chē)姶怒h(huán)境。將超材料相控陣天線應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)可顯著提高雷達(dá)系統(tǒng)的數(shù)字化程度，通過(guò)與新型信息處理手段有機(jī)融合，有助于提升武器裝備雷達(dá)載荷智能化水平。新型超材料相控陣天線具有低剖面、波束掃描、多波束切換、波束靈活可控等諸多優(yōu)點(diǎn)，并且重量較小、外形緊湊、易于集成、易于共形、制作成本較低，在顯著降低系統(tǒng)復(fù)雜度和成本的前提下能夠?qū)崿F(xiàn)相控陣的所有功能，在目標(biāo)探測(cè)與精確制導(dǎo)領(lǐng)域具有重大潛力[52]。

采用超材料相控陣天線的新型雷達(dá)工作原理如圖4所示，雷達(dá)系統(tǒng)主要包括超材料相控陣天線、系統(tǒng)主機(jī)、信號(hào)產(chǎn)生模塊以及接收天線等核心部件。信號(hào)產(chǎn)生模塊產(chǎn)生發(fā)射信號(hào)，并以線饋(也可以采用空饋)方式送入超材料相控陣天線，超材料單元根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行幅相編碼調(diào)控，產(chǎn)生特定的照射波束，并能夠?qū)崿F(xiàn)快速數(shù)字波束掃描與波束形狀捷變等功能，可對(duì)特定目標(biāo)空域進(jìn)行不間斷高速掃描探測(cè)。當(dāng)目標(biāo)被波束照射時(shí)，其后向散射回波被接收天線接收，在系統(tǒng)主機(jī)中完成信號(hào)處理，提取出目標(biāo)的距離與角度信息。由于超材料相控陣天線無(wú)須機(jī)械移動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)快速數(shù)字波束掃描，照射波束不斷重復(fù)掃描目標(biāo)區(qū)域，更新目標(biāo)的方位與距離坐標(biāo)時(shí)具有極高的刷新速率，從而可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤制導(dǎo)。

圖4 超材料相控陣?yán)走_(dá)工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the imaging principle of metamaterial phased array radar

超材料相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵之處在于超材料相控陣天線對(duì)電磁波的智能操控，其中融合了電磁場(chǎng)與波以及材料等不同領(lǐng)域的知識(shí)，蘊(yùn)含著大量的問(wèn)題有待研究，比如具有多自由度的復(fù)雜超材料人工原子與外場(chǎng)耦合的物理機(jī)制、具有特殊宏觀排列方式的新型超材料中電磁波的傳播規(guī)律、超材料與電磁波的近場(chǎng)或準(zhǔn)近場(chǎng)空時(shí)分布之間的映射關(guān)系等。此外，在精確制導(dǎo)、多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤等應(yīng)用領(lǐng)域，還需要根據(jù)載荷平臺(tái)的需求，對(duì)天線陣列構(gòu)型以及陣元尺寸、間距、規(guī)模等進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，建立超材料相控陣天線優(yōu)化設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)超材料單元進(jìn)行大規(guī)模陣列互聯(lián)，在物理上實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高可控自由度的、能夠處理高容量的有源超材料低剖面相控陣天線。在未來(lái)新型作戰(zhàn)形態(tài)下，大力發(fā)展超材料相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)技術(shù)，推動(dòng)雷達(dá)載荷的小型化、輕量化、低成本以及智能化，對(duì)于提升裝備的戰(zhàn)場(chǎng)生存、隱身突防、精確制導(dǎo)與打擊等綜合作戰(zhàn)能力極具戰(zhàn)略價(jià)值。

3.2 超材料孔徑編碼雷達(dá)

傳統(tǒng)雷達(dá)成像技術(shù)的難題可以歸結(jié)為“依賴于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)而又受限于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)”，實(shí)際上這一約束源于它的成像方式，即方位向分辨率從多普勒頻率獲得。由于高的多普勒分辨率需要一定角度的數(shù)據(jù)支撐域，因此需要合成孔徑中的長(zhǎng)積累時(shí)間或?qū)嵖讖街械拇笠?guī)模雷達(dá)陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)較大方位角的空間采樣。又由于多普勒頻率處理的要求，需要對(duì)目標(biāo)進(jìn)行均勻的空間采樣，即要求目標(biāo)勻速運(yùn)動(dòng)或勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

基于超材料的孔徑編碼雷達(dá)成像技術(shù)借鑒融合了量子雷達(dá)成像技術(shù)與計(jì)算成像技術(shù)的重要思想，通過(guò)可編程超材料孔徑編碼天線對(duì)孔徑內(nèi)電磁波波束進(jìn)行時(shí)空二維隨機(jī)編碼，改變目標(biāo)區(qū)域電磁波空間幅相分布，構(gòu)造成像數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)計(jì)算求解該數(shù)學(xué)模型來(lái)最終獲取目標(biāo)散射系數(shù)精確分布[53-54]。其工作原理如圖5所示，在探測(cè)區(qū)域內(nèi)，所形成的雷達(dá)信號(hào)具有顯著的空間起伏特性，理想條件下，可以實(shí)現(xiàn)在時(shí)間-空間分布上的不相關(guān)。通過(guò)探測(cè)信號(hào)隨機(jī)空間分布對(duì)目標(biāo)進(jìn)行空間采樣，構(gòu)造成像數(shù)學(xué)模型，再借助計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力將圖像重構(gòu)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為成像模型的數(shù)學(xué)求解問(wèn)題，有望利用有限的孔徑，在極短的時(shí)間內(nèi)獲得超出同口徑傳統(tǒng)雷達(dá)衍射極限的分辨率。在此基礎(chǔ)上，將THz技術(shù)與超材料孔徑編碼成像技術(shù)相結(jié)合，還可進(jìn)一步提高成像系統(tǒng)的分辨性能。THz頻段(載頻340 GHz，帶寬20 GHz)超材料孔徑編碼雷達(dá)在前視凝視觀測(cè)幾何條件下對(duì)某型隱身飛機(jī)目標(biāo)的高分辨仿真成像結(jié)果如圖6所示。由圖6(b)可見(jiàn)，仿真成像結(jié)果很好地還原了原始目標(biāo)的輪廓和局部細(xì)節(jié)信息，能夠?yàn)槟繕?biāo)精準(zhǔn)識(shí)別和打擊部位選擇提供重要技術(shù)支撐。

圖5 超材料孔徑編碼雷達(dá)工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the imaging principle of metamaterial coded-aperture radar

(a) 隱身飛機(jī)(a) Stealth aircraft (b) 成像結(jié)果(b) Imaging result圖6 隱身飛機(jī)及其成像結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of stealth aircraft and imaging result

2013年，Hunt等提出基于超材料天線的微波編碼成像技術(shù)[55]。2014年8月，美國(guó)DARPA發(fā)布了成像雷達(dá)先進(jìn)掃描技術(shù)研究項(xiàng)目，旨在尋求一種不依賴于SAR和ISAR成像中目標(biāo)或平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的先進(jìn)雷達(dá)三維成像技術(shù)，擁有比相控陣低的系統(tǒng)復(fù)雜度和比機(jī)械掃描高的成像速率，視頻幀速率大于10 Hz[56]。2015年，美國(guó)Notre Dame和Virginia Diodes Inc.的研究人員提出了一種光誘導(dǎo)孔徑編碼成像技術(shù)[57-58]，通過(guò)數(shù)字光處理投影機(jī)實(shí)時(shí)地將數(shù)字Hadamard掩模投影到硅晶片上，從而對(duì)入射到硅晶片上的THz波束(500～750 GHz)透過(guò)率實(shí)現(xiàn)高速實(shí)時(shí)編碼。2016年，Li等提出了一種基于透射式2 bit可編程超表面的適用于微波頻段的單傳感器、單頻孔徑編碼成像技術(shù)[59]。該技術(shù)利用計(jì)算機(jī)控制現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)驅(qū)動(dòng)可編程超表面產(chǎn)生“0”和“1”的隨機(jī)編碼，對(duì)入射波束進(jìn)行隨機(jī)調(diào)制。研究人員還通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)對(duì)該方案的可行性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2017年，Chen等對(duì)孔徑編碼成像雷達(dá)技術(shù)的編碼策略進(jìn)行了深入研究[60]，對(duì)比分析了不同編碼位置、不同編碼對(duì)象以及不同編碼方式各自的特點(diǎn)，并開(kāi)展了仿真成像研究，研究結(jié)果對(duì)孔徑編碼成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。2018年，Chen等又提出了一種接收端孔徑編碼成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案[61]，可有效提升孔徑編碼制導(dǎo)雷達(dá)的探測(cè)成像距離。

超材料孔徑編碼雷達(dá)不需要利用多普勒頻率進(jìn)行方位向分辨，從而不依賴于雷達(dá)與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)高分辨、高幀頻、全天時(shí)全天候、前視凝視成像。同時(shí)，超材料孔徑編碼雷達(dá)的波束控制不需要大規(guī)模的移相器陣列，體積、重量、功耗和成本大大降低，在精確制導(dǎo)打擊與反導(dǎo)攔截方面具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值。

孔徑編碼雷達(dá)成像制導(dǎo)技術(shù)已經(jīng)獲得了國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，部分研究人員已經(jīng)開(kāi)展了初步研究[62]，但總體上仍處于起步階段，仍然面臨成像模型過(guò)于簡(jiǎn)單、編碼方案單一、目標(biāo)超分辨重建難度較大以及超材料孔徑編碼天線技術(shù)有待突破等關(guān)鍵問(wèn)題。同時(shí)，孔徑編碼雷達(dá)作用距離精確評(píng)估和分辨率定量表征技術(shù)也有待進(jìn)一步研究。相信隨著超材料技術(shù)的高速發(fā)展與日趨成熟，其對(duì)電磁波的操控能力將更加智能、靈活和穩(wěn)定，其成本也必將大幅降低。屆時(shí)，將為超材料相控陣?yán)走_(dá)制導(dǎo)技術(shù)與孔徑編碼雷達(dá)制導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展提供強(qiáng)大推動(dòng)作用，為精確制導(dǎo)雷達(dá)技術(shù)的小型化、低成本和智能化提供切實(shí)可行的技術(shù)解決方案，促進(jìn)我國(guó)雷達(dá)精確制導(dǎo)技術(shù)的跨越式發(fā)展，產(chǎn)生巨大的軍事與經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)論

在新型戰(zhàn)爭(zhēng)形態(tài)下，精確制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)目標(biāo)、使命任務(wù)以及戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境將發(fā)生顯著變化，這將給精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)帶來(lái)前所未有的挑戰(zhàn)，并促使精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)向高幀率、高分辨率、抗干擾、低成本、小型化和數(shù)字化等方向發(fā)展。依托THz、量子和超材料等前沿技術(shù)發(fā)展THz雷達(dá)導(dǎo)引頭、THz ViSAR、量子雷達(dá)、超材料相控陣?yán)走_(dá)以及超材料孔徑編碼雷達(dá)等前沿精確制導(dǎo)成像探測(cè)技術(shù)，對(duì)于推動(dòng)未來(lái)精確制導(dǎo)技術(shù)的跨越式發(fā)展，促進(jìn)前沿技術(shù)與精確制導(dǎo)技術(shù)的交叉融合創(chuàng)新具有重要意義。