太赫茲雷達(dá)的特點及其應(yīng)用

董 坤

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

0 引言

太赫茲波(Terahertz，THz)是指頻率在 0.1～10 THz（波長在 30 μm～3 mm）波段內(nèi)的電磁波，也被稱為“T射線”，其頻譜介于微波與紅外光之間，是人類尚未完全認(rèn)知和利用的頻段，在電磁頻譜上形成所謂“太赫茲空隙(THz gap)”。近年來，隨著各國持續(xù)加大對太赫茲技術(shù)的投入力度，太赫茲理論和基礎(chǔ)器件水平得到了快速發(fā)展和提高，其應(yīng)用涵蓋了雷達(dá)探測、電子對抗、大氣環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)成像、安全檢查等領(lǐng)域。本文將著重介紹太赫茲雷達(dá)的特點及其應(yīng)用。

1 太赫茲雷達(dá)的特點

太赫茲頻譜的特殊位置賦予了太赫茲波一系列技術(shù)特點，當(dāng)應(yīng)用于雷達(dá)探測領(lǐng)域時，其特點主要有：

（1）測速精度高

太赫茲雷達(dá)頻率高，多普勒帶寬大，因而多普勒效應(yīng)明顯，具有良好的多普勒分辨力，測速精度高。

（2）跟蹤精度高

太赫茲雷達(dá)波長短，因而波束寬度小，具有極高的空間分辨力，跟蹤精度高。

（3）抗干擾能力強(qiáng)

太赫茲雷達(dá)的極窄天線波束可以減少干擾信號進(jìn)入雷達(dá)主瓣波束的機(jī)會，具有低被截獲性能，抗干擾性能好。

（4）成像分辨率高

太赫茲雷達(dá)頻率高，帶寬大，成像分辨率高，因而具有很高的目標(biāo)識別能力。

2 太赫茲雷達(dá)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國際上進(jìn)行太赫茲雷達(dá)研究的機(jī)構(gòu)主要有美國的JPL實驗室和STL實驗室、德國的Fraunhdfer研究室、以色列的Ariel大學(xué)、西班牙Madrid Ciudad大學(xué)等，而國內(nèi)進(jìn)行太赫茲雷達(dá)研究的機(jī)構(gòu)主要有中科院電子所、國防科技大學(xué)、中國工程物理研究院、北京理工大學(xué)、電子科技大學(xué)等。受限于當(dāng)前太赫茲器件的發(fā)展水平和強(qiáng)烈的大氣衰減，目前太赫茲雷達(dá)主要應(yīng)用于成像領(lǐng)域，工作頻率集中于太赫茲低端，如140 GHz、220 GHz等，成像距離在幾米到幾百米，成像分辨率在cm量級，例如，德國的220 GHz太赫茲成像雷達(dá)COBRA-220，其主要應(yīng)用于近距離隱藏武器的探測、軍營和艦艇的防護(hù)，作用距離為500 m，成像分辨率為1.8 cm。圖1為該系統(tǒng)對汽車目標(biāo)的成像結(jié)果。

圖1 COBRA-220對汽車目標(biāo)的成像結(jié)果

另外，美國DAPPA開發(fā)的視頻合成孔徑雷達(dá)（ViSAR），工作頻段 0.231 5～0.235 THz，作用距離高達(dá)10 km，分辨率為0.2 m，圖像幀速率大于5 Hz，目標(biāo)是透過云層、灰塵和其他遮蔽物進(jìn)行ViSAR成像，并能夠定位機(jī)動目標(biāo)。2017年的最新報告表明，該雷達(dá)成功獲取了被云層遮蔽的地面目標(biāo)的實時、全運動視頻圖像。目前的太赫茲雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測系統(tǒng)多停留在研究論證階段，鮮有試驗系統(tǒng)報道。

3 太赫茲雷達(dá)應(yīng)用

太赫茲雷達(dá)的諸多特點賦予了其在軍事應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景，如空間目標(biāo)識別、彈道導(dǎo)彈預(yù)警、導(dǎo)彈精確制導(dǎo)、反隱身探測等。另外，由于地面太赫茲波衰減嚴(yán)重，因而太赫茲雷達(dá)的理想應(yīng)用場景應(yīng)是對流層以外的空間。

（1）空間目標(biāo)識別

由于太赫茲雷達(dá)頻率高、帶寬大，因而其具有很高的探測和成像分辨力，非常有利于目標(biāo)成像識別，因此，可作為目標(biāo)識別雷達(dá)使用。另外，由于太赫茲雷達(dá)多普勒分辨率高，因而可對慢速運動目標(biāo)形成較大的多普勒頻移，能夠提高對蠕動目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識別能力。最后，太赫茲雷達(dá)體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，有利于天線的快速掃描，從而實現(xiàn)較高的數(shù)據(jù)率，實現(xiàn)目標(biāo)識別快速響應(yīng)。

（2）彈道導(dǎo)彈預(yù)警

彈道導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)入飛行中段，火箭發(fā)動機(jī)停止工作，彈箭分離，彈頭紅外特征明顯降低，同時導(dǎo)彈釋放出許多干擾目標(biāo)作為誘餌與真實彈頭并飛，提升了突防概率。地基雷達(dá)由于工作機(jī)理限制，無法對中段彈道導(dǎo)彈目標(biāo)進(jìn)行高精度跟蹤，若利用天基太赫茲雷達(dá)進(jìn)行跟蹤，則可以大大拓展跟蹤范圍，同時跟蹤精度提高。太赫茲雷達(dá)對目標(biāo)回波中微小的多普勒變化非常敏感，可獲取目標(biāo)微動信息，從而提高彈頭的識別能力。

（3）導(dǎo)彈精確制導(dǎo)

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭通過接收目標(biāo)自輻射或反射的能量，形成控制命令并跟蹤目標(biāo)，引導(dǎo)武器攻擊目標(biāo)。與微波雷達(dá)相比，太赫茲雷達(dá)波束更窄、方向性更好，可以探測和跟蹤更小的目標(biāo)，因而可以大幅度提高打擊精度。受制于大氣衰減，太赫茲雷達(dá)通常只能用作末制導(dǎo)。在實戰(zhàn)中，需要在常規(guī)制導(dǎo)方法進(jìn)入近距離攻擊范圍時，采用無縫制導(dǎo)切換技術(shù)，近距離使用太赫茲波制導(dǎo)，實現(xiàn)高精度打擊目的。

（4）反隱身探測

相比于微波雷達(dá)，太赫茲雷達(dá)具有反隱身的能力。一方面，隱身飛行器的材料表面常見的一些微小凸起或者縫隙在太赫茲波段處于光學(xué)區(qū)，散射強(qiáng)度大，RCS可能會明顯增大；另一方面，在目前的技術(shù)條件下，隱形材料一般是針對微波頻段的雷達(dá)而設(shè)計，在太赫茲頻段難以發(fā)揮作用。因而可將太赫茲雷達(dá)和傳統(tǒng)微波雷達(dá)、光學(xué)傳感器相結(jié)合，搭建協(xié)同探測系統(tǒng)，通過各傳感器優(yōu)勢互補，可實現(xiàn)對隱身飛機(jī)的探測、跟蹤、識別和打擊。

4 結(jié)語

近些年，太赫茲基礎(chǔ)器件水平的提升促進(jìn)了太赫茲雷達(dá)的研究，并取得了一定的進(jìn)展，但太赫茲雷達(dá)距離實際應(yīng)用還有很長的路要走，相信隨著研究的深入，太赫茲雷達(dá)的研究必將取得突破性進(jìn)展。