太赫茲波在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

羅玉文，王鶴磊，胡忠明

(1.空軍預(yù)警學(xué)院黃陂士官學(xué)校，湖北武漢 430010;2.武漢理工大學(xué)光纖中心，湖北武漢 430070)

太赫茲(THz)波一般指頻率在0.1～10 THz(1T=1012)范圍內(nèi)的電磁波，它介于毫米波與紅外光之間，波長(zhǎng)在0.03～3 mm，如圖1所示。

圖1 電磁頻譜圖

太赫茲頻段在無(wú)線電物理領(lǐng)域稱(chēng)為亞毫米波，在光學(xué)領(lǐng)域則被習(xí)慣稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外光。

在電磁頻譜上，THz波段兩側(cè)的紅外和微波技術(shù)在雷達(dá)上的應(yīng)用已成熟，但THz技術(shù)在雷達(dá)領(lǐng)域的應(yīng)用還很不完善。究其緣由，主要有兩方面原因:一是理論方面的。因?yàn)榇祟l段處于從宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，既不完全適合用光學(xué)理論來(lái)處理，也不完全適合用微波理論來(lái)研究。在20世紀(jì)80年代中期以前，由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生方法和檢測(cè)方法，人們對(duì)該波段的特性知之甚少，以至于該波段被稱(chēng)為電磁波譜中的“THz空隙”［1］。二是工程實(shí)現(xiàn)方面的。THz波在雷達(dá)中的應(yīng)用還受到某些相應(yīng)元件可用性因素的限制，例如發(fā)射功率低、接收機(jī)噪聲系數(shù)高、傳輸線損失大、成本高和不可靠等，這些因素目前都限制THz波段的廣泛運(yùn)用。下面對(duì)這兩方面的內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)分析，并結(jié)合目前及未來(lái)的科學(xué)技術(shù)和器件水平的發(fā)展對(duì)THz技術(shù)在雷達(dá)中的應(yīng)用進(jìn)行深入探討。

1 太赫茲波的特性分析

THz技術(shù)之所以引起科學(xué)界廣泛的關(guān)注，主要是由于THz波位于宏觀電子學(xué)與微觀光子學(xué)的過(guò)渡區(qū)，具有很多獨(dú)特的性質(zhì)。歸納起來(lái)，THz波具有獨(dú)特的低能性、高穿透性、指紋譜性、瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和高方向性［2］。

1.1 低能性

根據(jù)光子理論，太赫茲光子能量為ε=hv=6.63×10－34×1012=6.63×10－22(J)≈4.1 meV，僅是 X 射線光子能量的百萬(wàn)分之一。該值低于各種化學(xué)鍵的鍵能，不會(huì)導(dǎo)致光致電離而破壞被檢物質(zhì)。另外，水對(duì)太赫茲波有較強(qiáng)的吸收，因此太赫茲波不會(huì)穿透皮膚，對(duì)人體是安全的。鑒于以上兩個(gè)原因，太赫茲波適用于針對(duì)人體或其他生物樣品的活體檢查。

1.2 高穿透性

太赫茲對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有良好的穿透性，可對(duì)不透明物體進(jìn)行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術(shù)的有效互補(bǔ)，可用于安檢或質(zhì)檢過(guò)程中的無(wú)損檢測(cè)。目前，國(guó)際上已經(jīng)開(kāi)始利用太赫茲波的穿透特性，檢查郵件和識(shí)別毒品以及對(duì)航天飛機(jī)的無(wú)損探傷。另外，利用太赫茲輻射能以很小的衰減穿透陶瓷、煙霧、碳板、布料以及脂肪這一特點(diǎn)，將其用于檢測(cè)有毒有害分子，在環(huán)境監(jiān)測(cè)和保護(hù)以及軍事化學(xué)偵察方面有著重要作用。此外，太赫茲在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗也很少，是火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援、戰(zhàn)場(chǎng)尋敵等復(fù)雜環(huán)境中成像的理想光源。

1.3 指紋譜性

大多極性分子、生物大分子等有機(jī)分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間距位于THz波段，故可通過(guò)分析特有的光譜特征來(lái)識(shí)別分子結(jié)構(gòu)并分析物質(zhì)成分，就像利用指紋可以識(shí)別不同的人一樣。所以，根據(jù)這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術(shù)能夠分辨物體的形貌，鑒別物體的組成成分，分析物體的物理化學(xué)性質(zhì)，為緝毒、反恐、排爆等提供相關(guān)的理論依據(jù)和探測(cè)技術(shù)。

1.4 寬帶性

如果電磁波的相對(duì)帶寬按中心頻率的10%計(jì)算，則太赫茲波的相對(duì)帶寬可達(dá)Δf=f0×10%=1012Hz×10%=1011Hz=100 GHz。與低頻電磁波相比，具有較寬的帶寬，在單位時(shí)間內(nèi)可以承載更多的信息，因此，可作為大容量的通訊載體，獲得更豐富的光譜數(shù)據(jù)。

1.5 瞬態(tài)性

TH z脈沖的典型脈寬在皮秒量級(jí)，具有很高的時(shí)間分辨力，可方便地對(duì)各種材料進(jìn)行瞬態(tài)光譜研究。

1.6 相干性

THz相干測(cè)量技術(shù)能夠直接測(cè)量THz波的時(shí)域電場(chǎng)，傅里葉變換后同時(shí)給出電場(chǎng)振幅和相位信息，可以通過(guò)反射波的測(cè)量得到物體的圖像。利用成像系統(tǒng)把成像樣品振幅或相位信息進(jìn)行處理和分析，就可以得到樣品的THz圖像。太赫茲波成像的一個(gè)顯著特點(diǎn)是信息量大，可準(zhǔn)確顯示物體的內(nèi)外部信息。利用太赫茲成像還可獲得更高的空間分辨力及更長(zhǎng)的景深等，目前太赫茲顯微成像的分辨力已達(dá)到幾十μm。

1.7 高方向性

太赫茲輻射方向性很好，可用于戰(zhàn)場(chǎng)中的短距離定向保密通訊。特別是在太空通信方面有著潛在的優(yōu)勢(shì)。

THz波因以上的獨(dú)特性質(zhì)而具有廣闊的應(yīng)用前景，吸引著許多科學(xué)家和科研機(jī)構(gòu)廣泛研究。隨著THz技術(shù)研究的不斷發(fā)展，其應(yīng)用范圍已從基礎(chǔ)科學(xué)逐漸向武器裝備、航空航天、雷達(dá)與通信、天文與地理、反恐緝毒、農(nóng)業(yè)以及生物醫(yī)學(xué)等方面不斷擴(kuò)展［3－7］。

2 太赫茲波應(yīng)用于雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)與限制

2.1 太赫茲波應(yīng)用于雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)分析

2.1.1 太赫茲雷達(dá)較微波雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

與目前的主戰(zhàn)雷達(dá)──微波雷達(dá)相比，太赫茲雷達(dá)具有以下優(yōu)勢(shì):

(2)帶寬更寬，分辨力更高。單個(gè)太赫茲脈沖的頻帶可以覆蓋GHz～THz的頻率范圍，具有普通微波雷達(dá)所不可比擬的寬帶性能，可獲得更高的目標(biāo)分辨力，獲取更豐富的目標(biāo)信息，特別是可以獲取更清晰的空間目標(biāo)的雷達(dá)成像，是未來(lái)高清晰度目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)的發(fā)展方向。

(3)波長(zhǎng)更短，體積更小。由于太赫茲波長(zhǎng)相對(duì)于微波更短，在完成同樣功能的情況下，太赫茲雷達(dá)天線的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，這對(duì)于天基雷達(dá)、星載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和地面機(jī)動(dòng)雷達(dá)尤為重要。

(4)頻率更高，多普勒效應(yīng)更顯著。根據(jù)多普勒頻率的計(jì)算公式f=可知，對(duì)于同樣速度的目標(biāo)，d照射波長(zhǎng)越短，回波的多普勒頻移越大，因此，太赫茲雷達(dá)在慢動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)和識(shí)別中比微波雷達(dá)更有優(yōu)勢(shì)。

(5)抗干擾能力更強(qiáng)?，F(xiàn)有的電子戰(zhàn)干擾手段主要集中在微波頻段及紅外頻段，對(duì)THz頻段難以進(jìn)行有效的干擾。同時(shí)，THz頻段提供的極窄天線波束可以減少干擾機(jī)注入雷達(dá)主瓣波束的機(jī)會(huì)，降低雷達(dá)對(duì)干擾的靈敏度。此外，極高的天線增益也抑制了旁瓣干擾。

(5)多徑效應(yīng)和地面雜波干擾更小。多徑效應(yīng)取決于地面的鏡面反射因子，而地面的鏡面反射因子由表面粗糙度表示。表面粗糙度與有關(guān)(σ 是表面高h(yuǎn)度的均方根偏差)，當(dāng)波長(zhǎng)變小時(shí)，給定的表面呈現(xiàn)出更加粗糙的特性，因此減小了鏡面反射因子。另外，由于太赫茲雷達(dá)的窄波束寬度照射截取的地面較小，所以地雜波影響就相應(yīng)減少。

(6)反隱身效果更好?，F(xiàn)有的隱身技術(shù)采用的吸波材料，基本都處于微波波段，對(duì)太赫茲雷達(dá)均不適用。2004年，M.Stringer測(cè)試了X波段微波吸收材料在太赫茲波段的吸收特性，結(jié)果表明:在照射頻率0.2～1.5 THz內(nèi)透過(guò)率為20% ～30%，因此THz頻段對(duì)微波吸收材料具有良好的透過(guò)率，有利于隱身目標(biāo)探測(cè)。太赫茲波還能夠穿透等離子體，因此對(duì)于采用等離子體隱身的飛行體，太赫茲雷達(dá)也能夠輕易地使其“現(xiàn)出原形”。利用太赫茲波可在等離子體中傳播這一特性，還可以將其應(yīng)用到航天飛機(jī)或宇宙飛船發(fā)射或回收過(guò)程當(dāng)中。這是因?yàn)樵诎l(fā)射和回收的過(guò)程當(dāng)中，在航天飛機(jī)或宇宙飛船穿越電離層時(shí)會(huì)造成空氣電離，在其周?chē)纬傻入x子體覆體，導(dǎo)致常規(guī)的微波雷達(dá)無(wú)法探測(cè)跟蹤。而利用太赫茲技術(shù)，就可彌補(bǔ)這一點(diǎn)，能保持連續(xù)探測(cè)跟蹤。

2.1.2 較紅外雷達(dá)和激光雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)

與紅外和激光相比，太赫茲波在懸浮微粒和在塵埃、煙霧和戰(zhàn)場(chǎng)污染等條件下的衰減較低，因此，太赫茲雷達(dá)較紅外和激光雷達(dá)具有更強(qiáng)穿透沙塵、煙霧的能力，可以實(shí)現(xiàn)全天候工作。

基于太赫茲特有的“穿墻術(shù)”，太赫茲雷達(dá)可以探測(cè)到敵方隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員，以及煙霧、沙塵中的軍事裝備。另外，太赫茲雷達(dá)還可遠(yuǎn)程探測(cè)空氣中傳播的有毒生物顆?；蚧瘜W(xué)氣體。利用強(qiáng)太赫茲輻射穿透地面，能探測(cè)地下的雷場(chǎng)分布，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程炸彈探測(cè)等。

2.2 太赫茲波應(yīng)用于雷達(dá)的限制因素分析

太赫茲應(yīng)用于雷達(dá)的限制因素主要有兩方面:器件因素和強(qiáng)烈的大氣衰減。器件方面的原因主要是，隨著頻率的升高，發(fā)射源和本機(jī)振蕩器效率將降低，同時(shí)傳輸線的損耗也增加。到目前為止，包括發(fā)達(dá)國(guó)家在內(nèi)都還很難在太赫茲波段得到穩(wěn)定的大功率發(fā)射機(jī)、高靈敏度的接收機(jī)和低損耗的傳輸線。缺少這些關(guān)鍵器件，太赫茲波將無(wú)法應(yīng)用于遠(yuǎn)距離探測(cè)。當(dāng)然，器件方面的原因可隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)水平的發(fā)展得到解決，太赫茲波應(yīng)用于雷達(dá)最主要的限制因素是其強(qiáng)烈的大氣衰減。下面主要對(duì)對(duì)這一因素進(jìn)行分析。

大氣衰減包括大氣氧氣和水蒸汽等氣體分子、水汽凝結(jié)物對(duì)電波的吸收、散射和去極化，大氣折射指數(shù)不均勻所引起的損耗和波束散焦損耗，大氣波導(dǎo)的衰減效應(yīng)。

對(duì)太赫茲波而言，其大氣衰減主要是大氣中的氧氣和水蒸汽對(duì)太赫茲輻射的吸收，其中尤以水蒸汽的吸收最為嚴(yán)重。由氧氣造成的衰減在115 GHz附近有一峰值(約5 dB/km)，之后隨著頻率的增加快速下降，到頻率接近500 GHz時(shí)幾乎不衰減。但水蒸汽幾乎在整個(gè)太赫茲波段都有較嚴(yán)重的吸收，其損耗約為10 dB/km，只在兩個(gè)頻點(diǎn)(140 GHz和220 GHz)附近衰減較小(140 GHz處約為1 dB/km，220 GHz處約為3 dB/km)。

降水包括雨、雪和冰雹，其中引起電波衰減最嚴(yán)重的是雨。若要考慮雷達(dá)的全天候性能，這種衰減需要被計(jì)及。電波通過(guò)雨區(qū)時(shí)，雨滴一方面吸收電波能量，另一面使電波向各個(gè)方向散射，這兩者都使前向傳播信號(hào)發(fā)生衰減。研究發(fā)現(xiàn)，任一頻率的雨衰減率ktr可按雨強(qiáng)I的冪函數(shù)表示［8］

式中，K'、γ為雨衰減率參數(shù)。由于降雨是隨機(jī)的，雨強(qiáng)I沿路徑的分布也是隨機(jī)的。因此在雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)，雨衰減不可能作為一種必然因素予以考慮，而只能按概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)。

云霧、沙塵衰減與雨衰減類(lèi)似，是云霧和沙塵粒子對(duì)電波吸收和散射所致。雷達(dá)在沙漠和沙塵環(huán)境中工作時(shí)要考慮沙塵對(duì)電波的衰減。

考慮大氣衰減時(shí)的雷達(dá)距離方程為

以140 GHz處的衰減率1 dB/km計(jì)算，假設(shè)作用距離為5 km，雙程衰減將為10 dB，這個(gè)衰減還可接受，但若作用距離為50 km，雙程衰減將達(dá)100 dB，這對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)都不能接受，更不要說(shuō)遠(yuǎn)距離探測(cè)了。

不過(guò)，由于90%以上的水蒸汽集中在大氣的對(duì)流層，在對(duì)流層之外，水蒸汽含量幾乎為零，不存在降雨，塵埃也很少，十分透明，在很寬的頻率范圍內(nèi)已不存在大氣衰減。因此，遠(yuǎn)距離太赫茲探測(cè)系統(tǒng)的理想應(yīng)用場(chǎng)所應(yīng)是對(duì)流層之外的空間區(qū)域。對(duì)流層之外是平流層，其高度大約在50 km，目前，一些國(guó)家正在研制平流層飛艇載雷達(dá)系統(tǒng)，這種雷達(dá)系統(tǒng)就可采用太赫茲波段。另外，THz波在霧、霜、煙中傳播時(shí)比紅外或可見(jiàn)光的衰減要小，因此在近距離高分辨力雷達(dá)的應(yīng)用中是有優(yōu)勢(shì)的。

3 太赫茲雷達(dá)的的應(yīng)用前景分析

(1)作目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)。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(duì)目標(biāo)進(jìn)行更精確的外形識(shí)別。由于太赫茲雷達(dá)對(duì)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(duì)慢速運(yùn)動(dòng)或蠕動(dòng)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)和識(shí)別能力。另外，目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)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)作制導(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(cè)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(shì)，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。94 GHz空對(duì)地導(dǎo)彈尋的器就是其中一例。

(3)作火控雷達(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(dòng)性。另外，多徑效應(yīng)和地雜波對(duì)空中防衛(wèi)火炮系統(tǒng)的低角度跟蹤會(huì)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。

(4)作測(cè)量雷達(dá)。太赫茲雷達(dá)可用于空間測(cè)量大氣溫度、水蒸汽、臭氧剖面及云高和對(duì)流層風(fēng)。

(5)作戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)。由于太赫茲雷達(dá)對(duì)于地面測(cè)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(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)。

(6)作低角跟蹤雷達(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(lái)實(shí)施探測(cè)與跟蹤，其中，微波雷達(dá)用于遠(yuǎn)程探測(cè)與跟蹤，太赫茲雷達(dá)則用于低角跟蹤。

(7)作機(jī)載、星載雷達(dá)。由于太赫茲波具有較短的波長(zhǎng)，可減小元器件尺寸，尤其是天線尺寸，得到緊湊的系統(tǒng)，這正是機(jī)載、星載雷達(dá)系統(tǒng)所要求的。

4 結(jié)束語(yǔ)

(1)對(duì)太赫茲波在雷達(dá)中的應(yīng)用前景應(yīng)辯證地看待，因?yàn)槿魏我粋€(gè)頻段的電磁波都既有它的優(yōu)點(diǎn)，也有它的弱點(diǎn)，太赫茲波也不例外，在應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分利用其優(yōu)點(diǎn)，而盡量克服或避開(kāi)其弱點(diǎn)，這樣的應(yīng)用對(duì)這個(gè)頻段的資源才是有生命力的。各種波段的雷達(dá)系統(tǒng)性能比較如表1所示。

表1 各種波段的雷達(dá)系統(tǒng)性能比較

(2)太赫茲雷達(dá)的某些特點(diǎn)究竟是優(yōu)點(diǎn)還是缺點(diǎn)，要視應(yīng)用而定。比如，窄的波束寬度雖然提高了測(cè)量精度和分辨力，但卻不利于目標(biāo)搜索和捕獲;小的天線尺寸雖然可以使系統(tǒng)更緊湊，但卻不利于能量的收集。

(3)太赫茲波在大氣中的劇烈衰減是無(wú)法避免的，因此，遠(yuǎn)距離的太赫茲雷達(dá)的理想使用環(huán)境應(yīng)是對(duì)流層外的空間區(qū)域，在對(duì)流層內(nèi)只能近距離使用。

應(yīng)該說(shuō)明的是，研究太赫茲波雷達(dá)在雷達(dá)上的應(yīng)用，并不是否定其他傳感器或其他波段雷達(dá)的作用。因?yàn)樘掌澆ɡ走_(dá)的大氣傳輸損耗較大，只適用于近作用距離應(yīng)用場(chǎng)合，在遠(yuǎn)程或超遠(yuǎn)程應(yīng)用中，微波雷達(dá)仍將是探測(cè)目標(biāo)的主力軍。但是，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)雙方電、磁、聲、光熱等各個(gè)物理場(chǎng)中進(jìn)行激烈的爭(zhēng)奪，因此，預(yù)警、探測(cè)、跟蹤、識(shí)別、精密制導(dǎo)、引信引爆等方面，微波、太赫茲波、紅外光波、激光等信息系統(tǒng)的作用應(yīng)該是互補(bǔ)的、缺一不可的。雖然目前由于器件方面的原因?qū)е绿掌澙走_(dá)發(fā)展不夠理想，尚不能廣泛地實(shí)用化、商業(yè)化，但它仍具有較高的科研價(jià)值和巨大的發(fā)展?jié)摿?，是?guó)家新一代信息產(chǎn)業(yè)、國(guó)家安全的重大需求，對(duì)國(guó)防建設(shè)具有重大意義。

［1］姚建銓.太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2010，22(6):703 －707.

［2］許景周，張希成.THz科學(xué)技術(shù)和應(yīng)用［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2007.

［3］劉盛綱，鐘任斌.太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用的新發(fā)展［J］.電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38(5):481 －486.

［4］戚祖敏.太赫茲波在軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用研究［J］.紅外，2008，29(12):1 －4.

［5］王憶鋒，毛京湘.太赫茲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及應(yīng)用前景分析［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23(1):1 －4，41.

［6］楊光鯤，袁斌，謝東彥，等.太赫茲技術(shù)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.激光與紅外，2011，41(4):376 －380.

［7］朱彬，陳彥，鄧科，等.太赫茲科學(xué)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.成都大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，27(4):304 －307.

［8］張培昌，秉玉，鐵丕.雷達(dá)氣象學(xué)［M］.北京:氣象出版社，2000.

［9］肖健，高愛(ài)華.飛秒激光觸發(fā)光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波的研究［J］.電子科技，2010，23(3):7 －9.

［10］陳晗.太赫茲波技術(shù)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)科技信息，2007(20):274－275.