太赫兹雷达的特点及其应用

太赫兹雷达的特点及其应用

李婷婷 刘兴兴 华伟

陕西黄河集团有限公司 陕西省西安市 710043

摘要：太赫兹波THz是指频率在 0.1～10THz（波长在 30 μm～3 mm）波段内的电磁波，也被称为“T 射线”，其频谱介于微波与红外光之间，是人类尚未完全认知和利用的频段，在电磁频谱上形成所谓“太赫兹空隙(THz gap)”。 近年来，随着各国持续加大对太赫兹技术的投入力度，太赫兹理论和基础器件水平得到了快速发展和提高，其应用涵盖了雷达探测、电子对抗、大气环境监测、医学成像、安全检查等领域。

关键词：太赫兹；雷达；应用

太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一，近几年来，受到世界各国研究机构的广泛关注，科学家们开展了许多基础研究与应用研究方面的工作，这一新技术的科学价值预示着它具有蓬勃的生命力和美好的发展前景。太赫兹雷达是太赫兹波在军事领域应用研究中最重要的研究方向之一，目前主要开展的是主动式太赫兹雷达的研究。对太赫兹雷达技术的研究按照频段划分为高低两大部分，在太赫兹低频段( 0.1～3.0THz) 基于电子学方法开展，在太赫兹高频段( 1～10THz) 则基于太赫兹光电子学方法开展光谱分析与辐射探测等研究。

一、太赫兹雷达的特点

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。

二、太赫兹雷达应用

太赫兹雷达的诸多特点赋予了其在军事应用领域的广阔应用前景，如空间目标识别、弹道导弹预警、导弹精确制导、反隐身探测等。另外，由于地面太赫兹波衰减严重，因而太赫兹雷达的理想应用场景应是对流层以外的空间。

1、弹道导弹预警。弹道导弹目标进入飞行中段，火箭发动机停止工作，弹箭分离，弹头红外特征明显降低，同时导弹释放出许多干扰目标作为诱饵与真实弹头并飞，提升了突防概率。地基雷达由于工作机理限制，无法对中段弹道导弹目标进行高精度跟踪，若利用天基太赫兹雷达进行跟踪，则可以大大拓展跟踪范围，同时跟踪精度提高。太赫兹雷达对目标回波中微小的多普勒变化非常敏感，可获取目标微动信息，从而提高弹头的识别能力。

2、导弹精确制导。导弹导引头通过接收目标自辐射或反射的能量，形成控制命令并跟踪目标，引导武器攻击目标。与微波雷达相比，太赫兹雷达波束更窄、方向性更好，可以探测和跟踪更小的目标，因而可以大幅度提高打击精度。受制于大气衰减，太赫兹雷达通常只能用作末制导。 在实战中，需要在常规制导方法进入近距离攻击范围时，采用无缝制导切换技术，近距离使用太赫兹波制导，实现高精度打击目的。

3、反隐身探测。相比于微波雷达， 太赫兹雷达具有反隐身的能力。 一方面，隐身飞行器的材料表面常见的一些微小凸起或者缝隙在太赫兹波段处于光学区， 散射强度大，RCS 可能会明显增大；另一方面，在目前的技术条件下， 隐形材料一般是针对微波频段的雷达而设计，在太赫兹频段难以发挥作用。 因而可将太赫兹雷达和传统微波雷达、光学传感器相结合，搭建协同探测系统，通过各传感器优势互补，可实现对隐身飞机的探测、跟踪、识别和打击。

4、空间目标识别。由于太赫兹雷达频率高、带宽大，因而其具有很高的探测和成像分辨力， 非常有利于目标成像识别，因此，可作为目标识别雷达使用。 另外，由于太赫兹雷达多普勒分辨率高，因而可对慢速运动目标形成较大的多普勒频移，能够提高对蠕动目标的发现和识别能力。 最后，太赫兹雷达体积小、重量轻、结构紧凑，有利于天线的快速扫描，从而实现较高的数据率，实现目标识别快速响应。 空间威胁来袭告警，目前尺寸大于 1mm 的空间碎片总数已超过 4000 万 个，面对数量如此巨大的危险碎片，地基远程探测手段无论从探测能力或监控处理能力上都不能满足实际需要，并且受到地域条件的限制，难以实现全球布网。因此必须通过天基平台采用直接探测告警技术来实现卫星主动规避风险。卫星本身也是敌方直接攻击的目标。近年来用于攻击卫星的动能拦截武器KKV得到迅速发展，它们利用自身高速飞行产生的动能去撞击和杀伤目标，其威力比爆炸性攻击武器还大，对卫星的生存造成重大威胁。使用高频段的星载太赫兹雷达进行探测和告警可以提高卫星在来袭威胁下的生存几率。虽然太赫兹雷达在地面应用还存在一些条件限制，但在没有大气吸收的空间环境中，太赫兹雷达可以充分发挥其优势，通过高分辨率敏锐探测，对各种潜在的来袭威胁进行告警提示，并且随着航天器平台处理能力和机动性能的提升，可以极大提高对抗防御能力。

三、太赫兹雷达技术展望

由于太赫兹波自身的优点，相比传统雷达，太赫兹雷达具备更高的测速精度、 更高的目标分辨识别的能力和更好的成像能力，以及低截获率，强抗干扰性和穿透等离子体能力等诸多优点，对国防和国家安全具有重要的应用价值。当前，世界各国均在大力发展自己的太赫兹技术。 经过 20 年发展， 在太赫兹产生和探测方面都取得了巨大的进步，相关的太赫兹器件也争相涌现，但就太赫兹雷达而言，技术和器件水平还无法达到实际需求。在太赫兹技术发展早期，光子学手段则起着最主要的推动作用。早在 Cook、Hochstrasser 等人 就发现利用含飞秒激光脉冲倍频成分的双色激光脉冲电离气体可产生强的太赫兹波， 聚焦后其峰值电场可达 MV/cm。 通过该方式可将双色飞秒激光聚焦于远处产生太赫兹波，从而回避大气吸收，解决了太赫兹的远程产生问题。基于飞秒激光电离气体所产生的荧光检测太赫兹波，解决了太赫兹产生的远程探测问题，并通过实验演示了距离 16m 的太赫兹产生和探测的远程操控。 该实验为新体制太赫兹雷达的研制提供了启示。太赫兹波在电磁波谱上位于微波与红外之间，其频段特殊性决定了太赫兹技术与电子学技术、光子学技术之间的紧密联系。但在太赫兹技术的发展过程中， 电子学手段和光子学手段主要是并行前进的。在微波频段，电子学与光子学已交叉融合诞生了微波光子学。事实证明，在系统中通过电与光的相互转化，充分利用电子学与光子学处理手段的优势可显著提高系统的性能。

近些年，太赫兹基础器件水平的提升促进了太赫兹雷达的研究，并取得了一定的进展，但太赫兹雷达距离实际应用还有很长的路要走，相信随着研究的深入，太赫兹雷达的研究必将取得突破性进展。

参考文献：

[1] 李大圣，邓楚强，刘振华，等.太赫兹成像雷达系统研究进展[J].微波学报，2018（6）：07.

[2] 罗玉文，王鹤磊，胡忠明.太赫兹波在雷达领域的应用前景分析[J].电 子科技，2019（11）：16.