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        太赫茲雷達技術的空間應用與研究進展

        太赫茲技術是目前信息科學技術研究的前沿與熱點領域之一,近幾年來,受到世界各國研究機構的 廣泛關注,科學家們開展了許多基礎研究與應用研究方面的工作,這一新技術的科學價值預示著它具有蓬勃的生命力和美好的發展前景[1]。

        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之一,目前主要開展的是主動式太赫茲雷達的研究[]。對太赫茲雷達技術的研究按照頻段劃分為高低兩大部分,在太赫茲低頻段(0.1 ~3.0THz)基于電子學方法開展,在太赫茲高頻段 (1 ~10THz)則基于太赫茲光電子學方法開展光譜 分析與輻射探測等研究[1]。

         

        1 太赫茲雷達技術優勢

        與紅外雷達和激光雷達相比,太赫茲雷達視場范圍更寬,搜索能力更好,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、探測精 度高、角度分辨率高等優點,因此它在戰場偵察、目標識別與跟蹤等方面有著廣闊應用前景[2]。

        太赫茲雷達是反隱身的利器,太赫茲頻段對微 波吸收材料具有良好的透過率,有利于對隱身目標 的探測,而且寬帶太赫茲雷達波對扁平形薄邊緣能夠產生很小的共振面而使反射波得到增強,具有良好的反隱身性能[3]。此外,太赫茲波可以在等離子體中傳播,可以有效對抗等離子體隱身。無論是基于形狀隱身還是涂料隱身,甚至基于等離子體隱身,太赫茲雷達都能使其現出原形[4]。

        現有的空間干擾途徑主要集中在微波及紅外頻段,對太赫茲頻段難以進行有效的干擾,因此,THz雷達系統具有較為突出的抗干擾能力。同時,太赫茲頻段提供的極窄天線波束,可減少干擾注入雷達 主瓣波束的可能性,降低雷達對干擾的靈敏度。此外,極高的天線增益也能有效抑制旁瓣干擾[5]。

        空基太赫茲雷達能實現對空間目標的遠距離主動探測、精確測距測速測角、高分辨率成像、精細結構特征反演,而且可以利用材料在太赫茲頻段豐富的特征譜線提取目標的“指紋特征”,可以彌補現有 微波和紅外探測系統的不足,是空間態勢感知系統的有力補充。

        基于太赫茲波輻射能夠穿透地面的技術優勢, 可以利用它來探測地下的雷場分布。并且,太赫茲雷達還可遠程探測空氣中傳播的有毒生物顆?;蚧瘜W氣體。

         

        2 太赫茲雷達應用分析[6]

        由于太赫茲雷達具有很高的空間分辨力和很寬 的帶寬,非常有利于目標成像和獲取目標特征結構細節,從而可對目標進行更精確的外形識別。由于太赫茲雷達對低徑向速度的目標可以得到更大的多普勒頻移,所以可用于對慢速運動或蠕動目標的發現和識別能力。另外,目標識別通常要求有較高的數據率,太赫茲雷達體積小、重量輕,有利于天線的快速掃描,從而可提供較高的數據率。

         

        2.1作為火控雷達和精密跟蹤雷達

        太赫茲雷達適合在短距離火控系統中應用,因為它體積小、重量輕,具有較高的機動性。另外,多徑效應和地雜波對 空中防衛火炮系統的低角度跟蹤會產生不良的影響,在這種情況下,太赫茲雷達的窄波束和高分辨力顯示極大的優越性。

         

        2.2作為制導雷達和導彈尋的器

        由于太赫茲雷達能得到較高的測量精度和分辨力,使其適用于制導雷達,但由于其作用距離不遠, 所以通常只能用作末制導。再加上其重量和體積方面的優勢,其還適合作導彈的尋的器。這是目前太 赫茲雷達最有前景的應用領域之一。94GHz空對地導彈尋的器就是其中一例。

         

        2.3作為戰場監視雷達

        由于太赫茲雷達對于地面測繪和目標監視具有較高的角分辨力,能夠獲得較清晰的雷達成像,因此可用作戰場監視雷達。

         

        2.4作為低角跟蹤雷達

        由于太赫茲波多徑效應和地面雜波干擾更小, 所以可采用微波雷達與太赫茲雷達相配合來實施探測與跟蹤,其中,微波雷達用于遠程探測與跟蹤,太赫茲雷達則用于低角跟蹤。

        此外,太赫茲雷達可用于空間測量大氣溫度、水蒸汽、臭氧剖面及云高和對流層風。

         

        3 太赫茲雷達空間應用

        太赫茲雷達在航天器自身防御探測與空間防御和反導預警體系建設等方面顯示出良好應用前景。

         

        3.1空間威脅來襲告警

        隨著航天活動持續不斷、廣泛頻繁、逐步深入開展,空間碎片的數量激增。迄今為止,國際上已發生 多起航天器被空間碎片毀傷的案例。據初步統計, 目前尺寸大于1mm的空間碎片總數已超過4000萬個,面對數量如此巨大的危險碎片,地基遠程探測手 段無論從探測能力或監控處理能力上都不能滿足實際需要,并且受到地域條件的限制,難以實現全球布網。因此必須通過天基平臺采用直接探測告警技術 來實現衛星主動規避風險[7]。

        衛星本身也是敵方直接攻擊的目標。近年來用 于攻擊衛星的動能攔截武器(Kinetic Kill Vehicle, KKV)得到迅速發展,它們利用自身高速飛行產生的動能去撞擊和殺傷目標,其威力比爆炸性攻擊武器還大,對衛星的生存造成重大威脅[8]。

        使用高頻段的星載太赫茲雷達進行探測和告警可以提高衛星在來襲威脅下的生存幾率。雖然太赫茲雷達在地面應用還存在一些條件限制,但在沒有大氣吸收的空間環境中,太赫茲雷達可以充分發揮 其優勢[],通過高分辨率敏銳探測,對各種潛在的來 襲威脅進行告警提示,并且隨著航天器平臺處理能力和機動性能的提升,可以極大提高對抗防御能力。

         

        3.2彈道中段目標預警

        太空戰場必將成為未來戰爭的主戰場,來自太空的戰爭威脅愈發顯得嚴峻。其中,遠程彈道導彈 因其射程遠,速度快,被引起特別的關注,并且一方面,由于它們在飛行的中間段會高速穿越近太空,同 時又可攜帶核彈頭,所以破壞能力強,這使得它們不僅成為戰略大國之間制衡的重要武器,而且也是弱小國家保護自己的終極手段。因此,為了防備導彈 攻擊,各國都在不斷完善和加強自己的防御體系,其中非常重要的部分就是用于實現探測、跟蹤的預警系統。使用衛星搭載敏感器進行導彈目標探測,能 極大拓展探測范圍,延長預警時間[7]。

        遠程彈道導彈的飛行過程通常分為主動段、中間段和再入段三大部分,如圖1所示。當導彈進入飛行中間段時,執行彈箭分離,彈頭紅外特征明顯降低,同時導彈釋放出許多干擾目標作為誘餌與真實 彈頭按照同樣速度和軌跡飛行,企圖實現迷惑對方目的。故提高中間段探測概率和目標跟蹤、識別能力,是提升預警能力的關鍵。對中間段目標的高效跟蹤,需要高精度的雷達系統。使用太赫茲雷達進行跟蹤,可以拓展跟蹤范圍,同時避免大氣層的影響,其短的雷達載波可以帶來更高的分辨力,降低漏警率[8]。

         

        4 太赫茲雷達研究進展

         

        4.1國外太赫茲雷達研究進展

        太赫茲雷達是國內外太赫茲技術應用發展的重 要方向之一。世界各國都密切關注,投入大量人力、 物力組織開展相關研究,其中以美國為典型代表,在 該領域處于領先水平,研制開發出了多個太赫茲雷 達系統。歐盟等其他國家也有些應用開發。

        最早關于太赫茲雷達的報道是1988年美國馬 薩諸塞大學的McIntosh等基于當時真空器件擴展互作用振蕩器(EI0)的發展,在215GHz的大氣窗口 附近實現了一部高功率非相干脈沖雷達[1]。

        1991年美國佐治亞理工學院的McMillan等為 軍方研制了 225GHz脈沖相干實驗雷達。這是當時 第一部在如此高的頻段實現鎖相的相參雷達。20 世紀90年代末,美國弗吉尼亞大學的Crowe等在GaAs肖特基二極管倍頻技術方面獲得突破,使得基 于固態電子學倍頻源的太赫茲雷達技術向前邁進了一大步[]。美國西北太平洋國家實驗室(PNNL)研發了 350GHz太赫茲雷達成像系統,該系統能迅速掃描探測發現遠處隱藏武器[4]。

        2000年,美國馬薩諸塞州立大學亞毫米波技術 實驗室(STL)與美國陸軍國家地面智能中心合作, 研制了一套頻率為1. 56 THz的小型雷達系統。該雷達系統主要用于測試典型戰術目標的縮比模型 (按照電磁波的波長比例縮放)[9]。

        2006年,美國美國噴氣推進實驗室(JPL)研制 0. 6THz的高分辨率雷達探測系統,這是第一部 具有高分辨率雷達測距能力的THz成像系統[5]。 2008年,JPL基于固態電子器件二極管倍頻器與混頻器研制了一'580GHz的相參主動太赫茲雷達, 2011年實現了中心頻率675GHz的太赫茲成像雷達[1]。

        2010年,美國馬薩諸塞大學亞毫米波技術實驗室(STL)又成功研制了一部基于太赫茲量子級聯激光器(TQCL)的相干雷達成像系統,并進行了逆合 成孔徑雷達成像實驗[9]。

        美國國防部先進研究項目局(DAPRA)2012 5月開始計劃用2年時間開發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[4]。

        歐洲以德國為首最早開展了相關系統研究,隨后,其他國家的研究機構也紛紛基于不同方式建立了太赫茲雷達試驗系統。2008年,德國高頻物理與 雷達技術研究所(FGAN)尚頻物理與雷達研究中心 (FHR)94GHz毫米波雷達COBRA的基礎上研制 了基于固態電子學器件的220GHz FMCW特征測量實驗雷達[1];2009年,德國:PRG公司研制了 23 THz~0. 32 THz調頻連續波掃描三維成像系統[4]。 以色列撒瑪利亞Ariel大學2010年基于VDI公司的固態電子學器件搭建了一部330GHz FMCW太赫茲 雷達實驗系統用于隱藏目標探測與成像[]。2010年,瑞典國防研究署設計了 210 GHz雷達系統進行 非接觸三維ISAR成像[];瑞典查爾姆斯科技大學 2010年基于倍頻鏈路與外差接收鏈路實現了一 340GHz太赫茲成像雷達[]。2012年,蘇格蘭圣安德魯大學研制了 340GHz超外差三維掃描成像雷 [4]。

         

        4.2國內太赫茲雷達研究進展

        國內中國工程物理研究院、中科院電子所、首都師范大學、北京理工大學、天津大學等單位都在進行太赫茲雷達的研究。

        2011年中國工程物理研究院自主研制了基于倍頻發射鏈路和諧波混頻接收方法實現0. 14THz 高分辨率成像的逆合成孔徑雷達(SAR)系統。這 也是國內首部實現成像功能的固態電子學太赫茲實驗雷達[1]。2012年設計了 0. 34THz收發前端和0. 67THzISAR成像雷達收發鏈路,正演示驗證全固態成像實驗雷達。此外,中物院還將太赫茲SAR 無人機結合,進行了成像分析實驗[4]。2012年中國兵器工業209所研制了 0. 89 THz 激光器用于探測隱身目標[4]。2012年中科院電子所設計了 0. 2THz聚焦波束掃描成像系統,實現了對模特和人體隱藏危險武器的探測,并進行了太赫茲準光高斯波束下三維圖像的重建[4]。2012 年首都師范大學和北京理工大學設計了 0.2THz頻率步進雷達信號系統,系統采用頻率步進 信號,可以實現一維距離成像[4]。天津大學太赫茲研究中心梁達川博士及其團隊將太赫茲時域光譜技術與雷達技術進行結合,在國際上首次搭建了以鈦寶石飛秒激光振蕩級為泵浦源的太赫茲雷達系統,也是國內第一套太赫茲RCS 達系統?。此外,北京理工大學基于脈沖步進雷達信號體制研制了 0. 2THz成像雷達系統,并完成了分辨率 與距離實驗測量。東南大學基于返波管搭建了連續太赫茲波透射與反射成像系統,實現了對不同類型目標的高分辨率成像。哈爾濱工業大學也在陣列成 像系統建設方面取得了進展[1]。

         

        5 結語

        太赫茲技術作為一門新興的科學被譽為21世紀影響人類未來的十大技術之一。太赫茲雷達技術的發展無論在國防軍事領域還是公共安全領域無疑都已引起令人矚目的新變化[]。太赫茲雷達系統以其小型輕量、高分辨率等優勢應用于航天器自身 威脅告警以及彈道目標監測,將成為空間攻防體系 建設的重要研究目標[]。未來,太赫茲雷達將重點 突破大功率、小型化太赫茲器件,目標太赫茲特性及 高速實時信息處理等關鍵技術[1_17],實現對更小目標的更精確探測、更高分辨率成像與更細致的目標特征識別[1]。


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