太赫茲技術(shù)是目前信息科學(xué)技術(shù)研究的前沿與熱點(diǎn)領(lǐng)域之一，近幾年來，受到世界各國研究機(jī)構(gòu)的廣泛關(guān)注，科學(xué)家們開展了許多基礎(chǔ)研究與應(yīng)用研究方面的工作，這一新技術(shù)的科學(xué)價(jià)值預(yù)示著它具有蓬勃的生命力和美好的發(fā)展前景^[1]。

太赫茲雷達(dá)是太赫茲波在軍事領(lǐng)域應(yīng)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(dá)的研究^[2]。對太赫茲雷達(dá)技術(shù)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(xué)方法開展，在太赫茲高頻段(1~10THz)則基于太赫茲光電子學(xué)方法開展光譜分析與輻射探測等研究^[1]。

1、太赫茲雷達(dá)技術(shù)優(yōu)勢

與紅外雷達(dá)和激光雷達(dá)相比，太赫茲雷達(dá)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(shí)現(xiàn)全天候工作。與普通微波、毫米波雷達(dá)相比，太赫茲雷達(dá)波長更短、帶寬更寬，具有傳載信息能力強(qiáng)、探測精度高、角度分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，因此它在戰(zhàn)場偵察、目標(biāo)識別與跟蹤等方面有著廣闊應(yīng)用前景^[2]。

太赫茲雷達(dá)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(biāo)的探測，而且寬帶太赫茲雷達(dá)波對扁平形薄邊緣能夠產(chǎn)生很小的共振面而使反射波得到增強(qiáng)，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(dá)都能使其現(xiàn)出原形^[4]。

現(xiàn)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(jìn)行有效的干擾，因此，THz雷達(dá)系統(tǒng)具有較為突出的抗干擾能力。同時(shí)，太赫茲頻段提供的極窄天線波束，可減少干擾注入雷達(dá)主瓣波束的可能性，降低雷達(dá)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(dá)能實(shí)現(xiàn)對空間目標(biāo)的遠(yuǎn)距離主動探測、精確測距測速測角、高分辨率成像、精細(xì)結(jié)構(gòu)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(biāo)的“指紋特征”，可以彌補(bǔ)現(xiàn)有微波和紅外探測系統(tǒng)的不足，是空間態(tài)勢感知系統(tǒng)的有力補(bǔ)充。

基于太赫茲波輻射能夠穿透地面的技術(shù)優(yōu)勢，可以利用它來探測地下的雷場分布。并且，太赫茲雷達(dá)還可遠(yuǎn)程探測空氣中傳播的有毒生物顆粒或化學(xué)氣體。

2、太赫茲雷達(dá)應(yīng)用分析^[6]

由于太赫茲雷達(dá)具有很高的空間分辨力和很寬的帶寬，非常有利于目標(biāo)成像和獲取目標(biāo)特征結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，從而可對目標(biāo)進(jìn)行更精確的外形識別。由于太赫茲雷達(dá)對低徑向速度的目標(biāo)可以得到更大的多普勒頻移，所以可用于對慢速運(yùn)動或蠕動目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識別能力。另外，目標(biāo)識別通常要求有較高的數(shù)據(jù)率，太赫茲雷達(dá)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(shù)據(jù)率。

2.1 作為火控雷達(dá)和精密跟蹤雷達(dá)

太赫茲雷達(dá)適合在短距離火控系統(tǒng)中應(yīng)用，因?yàn)樗w積小、重量輕，具有較高的機(jī)動性。另外，多徑效應(yīng)和地雜波對空中防衛(wèi)火炮系統(tǒng)的低角度跟蹤會產(chǎn)生不良的影響，在這種情況下，太赫茲雷達(dá)的窄波束和高分辨力顯示極大的優(yōu)越性。

2.2 作為制導(dǎo)雷達(dá)和導(dǎo)彈尋的器

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

2.3 作為戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)

由于太赫茲雷達(dá)對于地面測繪和目標(biāo)監(jiān)視具有較高的角分辨力，能夠獲得較清晰的雷達(dá)成像，因此可用作戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)。

2.4 作為低角跟蹤雷達(dá)

由于太赫茲波多徑效應(yīng)和地面雜波干擾更小，所以可采用微波雷達(dá)與太赫茲雷達(dá)相配合來實(shí)施探測與跟蹤，其中，微波雷達(dá)用于遠(yuǎn)程探測與跟蹤，太赫茲雷達(dá)則用于低角跟蹤。

此外，太赫茲雷達(dá)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(fēng)。

3、太赫茲雷達(dá)空間應(yīng)用

太赫茲雷達(dá)在航天器自身防御探測與空間防御和反導(dǎo)預(yù)警體系建設(shè)等方面顯示出良好應(yīng)用前景。

3.1 空間威脅來襲告警

隨著航天活動持續(xù)不斷、廣泛頻繁、逐步深入開展，空間碎片的數(shù)量激增。迄今為止，國際上已發(fā)生多起航天器被空間碎片毀傷的案例。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，目前尺寸大于1mm的空間碎片總數(shù)已超過4000萬個(gè)，面對數(shù)量如此巨大的危險(xiǎn)碎片，地基遠(yuǎn)程探測手段無論從探測能力或監(jiān)控處理能力上都不能滿足實(shí)際需要，并且受到地域條件的限制，難以實(shí)現(xiàn)全球布網(wǎng)。因此必須通過天基平臺采用直接探測告警技術(shù)來實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星主動規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)^[7]。

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

使用高頻段的星載太赫茲雷達(dá)進(jìn)行探測和告警可以提高衛(wèi)星在來襲威脅下的生存幾率。雖然太赫茲雷達(dá)在地面應(yīng)用還存在一些條件限制，但在沒有大氣吸收的空間環(huán)境中，太赫茲雷達(dá)可以充分發(fā)揮其優(yōu)勢^[7]，通過高分辨率敏銳探測，對各種潛在的來襲威脅進(jìn)行告警提示，并且隨著航天器平臺處理能力和機(jī)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(biāo)預(yù)警

太空戰(zhàn)場必將成為未來戰(zhàn)爭的主戰(zhàn)場，來自太空的戰(zhàn)爭威脅愈發(fā)顯得嚴(yán)峻。其中，遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈因其射程遠(yuǎn)，速度快，被引起特別的關(guān)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(shí)又可攜帶核彈頭，所以破壞能力強(qiáng)，這使得它們不僅成為戰(zhàn)略大國之間制衡的重要武器，而且也是弱小國家保護(hù)自己的終極手段。因此，為了防備導(dǎo)彈攻擊，各國都在不斷完善和加強(qiáng)自己的防御體系，其中非常重要的部分就是用于實(shí)現(xiàn)探測、跟蹤的預(yù)警系統(tǒng)。使用衛(wèi)星搭載敏感器進(jìn)行導(dǎo)彈目標(biāo)探測，能極大拓展探測范圍，延長預(yù)警時(shí)間^[7]。

遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)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(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入飛行中間段時(shí)，執(zhí)行彈箭分離，彈頭紅外特征明顯降低，同時(shí)導(dǎo)彈釋放出許多干擾目標(biāo)作為誘餌與真實(shí)彈頭按照同樣速度和軌跡飛行，企圖實(shí)現(xiàn)迷惑對方目的。故提高中間段探測概率和目標(biāo)跟蹤、識別能力，是提升預(yù)警能力的關(guān)鍵。對中間段目標(biāo)的高效跟蹤，需要高精度的雷達(dá)系統(tǒng)。使用太赫茲雷達(dá)進(jìn)行跟蹤，可以拓展跟蹤范圍，同時(shí)避免大氣層的影響，其短的雷達(dá)載波可以帶來更高的分辨力，降低漏警率^[8]。

圖1、彈道目標(biāo)飛行階段示意圖

4、太赫茲雷達(dá)研究進(jìn)展

4.1 國外太赫茲雷達(dá)研究進(jìn)展

太赫茲雷達(dá)是國內(nèi)外太赫茲技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的重要方向之一。世界各國都密切關(guān)注，投入大量人力、物力組織開展相關(guān)研究，其中以美國為典型代表，在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先水平，研制開發(fā)出了多個(gè)太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)。歐盟等其他國家也有些應(yīng)用開發(fā)。

最早關(guān)于太赫茲雷達(dá)的報(bào)道是1988年美國馬薩諸塞大學(xué)的McIntosh等基于當(dāng)時(shí)真空器件擴(kuò)展互作用振蕩器（EI0)的發(fā)展，在215GHz的大氣窗口附近實(shí)現(xiàn)了一部高功率非相干脈沖雷達(dá)^[1]。

1991年美國佐治亞理工學(xué)院的McMillan等為軍方研制了225GHz脈沖相干實(shí)驗(yàn)雷達(dá)。這是當(dāng)時(shí)第一部在如此高的頻段實(shí)現(xiàn)鎖相的相參雷達(dá)。20世紀(jì)90年代末，美國弗吉尼亞大學(xué)的Crowe等在GaAs肖特基二極管倍頻技術(shù)方面獲得突破，使得基于固態(tài)電子學(xué)倍頻源的太赫茲雷達(dá)技術(shù)向前邁進(jìn)了一大步^[1]。美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（PNNL)研發(fā)了350GHz太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)能迅速掃描探測發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處隱藏武器^[4]。

2000年，美國馬薩諸塞州立大學(xué)亞毫米波技術(shù)實(shí)驗(yàn)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1.56THz的小型雷達(dá)系統(tǒng)。該雷達(dá)系統(tǒng)主要用于測試典型戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)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(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL)研制了0.6THz的高分辨率雷達(dá)探測系統(tǒng)，這是第一部具有高分辨率雷達(dá)測距能力的THz成像系統(tǒng)[5]。2008年，JPL基于固態(tài)電子器件二極管倍頻器與混頻器研制了一部580GHz的相參主動太赫茲雷達(dá)，2011年實(shí)現(xiàn)了中心頻率675GHz的太赫茲成像雷達(dá)^[1]。

2010年，美國馬薩諸塞大學(xué)亞毫米波技術(shù)實(shí)驗(yàn)室（STL)又成功研制了一部基于太赫茲量子級聯(lián)激光器(TQCL)的相干雷達(dá)成像系統(tǒng)，并進(jìn)行了逆合成孔徑雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)^[9]。

美國國防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DAPRA)從2012年5月開始計(jì)劃用2年時(shí)間開發(fā)出基于視頻合成孔徑雷達(dá)ViSAR，雷達(dá)工作頻段0.2315THz~0.235THz，項(xiàng)目目標(biāo)是能夠透過云層、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)^[4]。

歐洲以德國為首最早開展了相關(guān)系統(tǒng)研究，隨后，其他國家的研究機(jī)構(gòu)也紛紛基于不同方式建立了太赫茲雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)。2008年，德國高頻物理與雷達(dá)技術(shù)研究所(FGAN)尚頻物理與雷達(dá)研究中心(FHR)在94GHz毫米波雷達(dá)COBRA的基礎(chǔ)上研制了基于固態(tài)電子學(xué)器件的220GHz FMCW特征測量實(shí)驗(yàn)雷達(dá)^[1];2009年，德國：PRG公司研制了23THz~0.32THz調(diào)頻連續(xù)波掃描三維成像系統(tǒng)^[4]。以色列撒瑪利亞Ariel大學(xué)2010年基于VDI公司的固態(tài)電子學(xué)器件搭建了一部330GHz FMCW太赫茲雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)用于隱藏目標(biāo)探測與成像^[1]。2010年，瑞典國防研究署設(shè)計(jì)了210GHz雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行非接觸三維ISAR成像^[4];瑞典查爾姆斯科技大學(xué)在2010年基于倍頻鏈路與外差接收鏈路實(shí)現(xiàn)了一部340GHz太赫茲成像雷達(dá)^[1]。2012年，蘇格蘭圣安德魯大學(xué)研制了340GHz超外差三維掃描成像雷達(dá)^[4]。

4.2 國內(nèi)太赫茲雷達(dá)研究進(jìn)展

國內(nèi)中國工程物理研究院、中科院電子所、首都師范大學(xué)、北京理工大學(xué)、天津大學(xué)等單位都在進(jìn)行太赫茲雷達(dá)的研究。

2011年中國工程物理研究院自主研制了基于倍頻發(fā)射鏈路和諧波混頻接收方法實(shí)現(xiàn)0.14THz高分辨率成像的逆合成孔徑雷達(dá)（SAR)系統(tǒng)。這也是國內(nèi)首部實(shí)現(xiàn)成像功能的固態(tài)電子學(xué)太赫茲實(shí)驗(yàn)雷達(dá)^[1]。2012年設(shè)計(jì)了0.34THz收發(fā)前端和0.67THz的ISAR成像雷達(dá)收發(fā)鏈路，正演示驗(yàn)證全固態(tài)成像實(shí)驗(yàn)雷達(dá)。此外，中物院還將太赫茲SAR和無人機(jī)結(jié)合，進(jìn)行了成像分析實(shí)驗(yàn)^[4]。2012年中國兵器工業(yè)209所研制了0.89THz激光器用于探測隱身目標(biāo)^[4]。2012年中科院電子所設(shè)計(jì)了0.2THz聚焦波束掃描成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對模特和人體隱藏危險(xiǎn)武器的探測，并進(jìn)行了太赫茲準(zhǔn)光高斯波束下三維圖像的重建^[4]。2012年首都師范大學(xué)和北京理工大學(xué)設(shè)計(jì)了0.2THz頻率步進(jìn)雷達(dá)信號系統(tǒng)，系統(tǒng)采用頻率步進(jìn)信號，可以實(shí)現(xiàn)一維距離成像^[4]。天津大學(xué)太赫茲研究中心梁達(dá)川博士及其團(tuán)隊(duì)將太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)與雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行結(jié)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(dá)系統(tǒng)，也是國內(nèi)第一套太赫茲RCS雷達(dá)系統(tǒng)™。此外，北京理工大學(xué)基于脈沖步進(jìn)雷達(dá)信號體制研制了0.2THz成像雷達(dá)系統(tǒng)，并完成了分辨率與距離實(shí)驗(yàn)測量。東南大學(xué)基于返波管搭建了連續(xù)太赫茲波透射與反射成像系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對不同類型目標(biāo)的高分辨率成像。哈爾濱工業(yè)大學(xué)也在陣列成像系統(tǒng)建設(shè)方面取得了進(jìn)展^[1]。

5、結(jié)語

太赫茲技術(shù)作為一門新興的科學(xué)被譽(yù)為21世紀(jì)影響人類未來的十大技術(shù)之一。太赫茲雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展無論在國防軍事領(lǐng)域還是公共安全領(lǐng)域無疑都已引起令人矚目的新變化^[1]。太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)以其小型輕量、高分辨率等優(yōu)勢應(yīng)用于航天器自身威脅告警以及彈道目標(biāo)監(jiān)測，將成為空間攻防體系建設(shè)的重要研究目標(biāo)^[7]。未來，太赫茲雷達(dá)將重點(diǎn)突破大功率、小型化太赫茲器件，目標(biāo)太赫茲特性及高速實(shí)時(shí)信息處理等關(guān)鍵技術(shù)^[11_17]，實(shí)現(xiàn)對更小目標(biāo)的更精確探測、更高分辨率成像與更細(xì)致的目標(biāo)特征識別^[1]。

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本文由《空間電子技術(shù)》雜志社提供，作者為中國空間技術(shù)研究院西安分院空間微波技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室成員。