第11卷第5期 太赫兹科学与电子信息学报 Vol I No 5 2013年10月 Journal of Terahertz Science and Electronie Information Technology 0ct.,2013 文章编号：2095-4980(2013)05-0693-09 太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 刘丰1，朱忠博'，李栋'，尚社，崔万照，刘江凡2，席晓丽2 摘要： 段。 受到了特别 以及在 达及测达等 的发 及设 达在 应用前景 大赫兹 面测量；反隐身 doi:10.11805/TKYDA201305.069 Discussion on terahertz techniques in remote sensing LIU Feng'.ZHU Zhong-bo',LI Dong'.SHANG She'.CUI Wan-zhao',LIU Jiang-fan'.XI Xiao-li' (I.Sei China of Spa and light and attracts much atte ntion in field.The adva alyzed in onomical obse Radar Cm ection(RCS)m and del and thei nt tronds ar ssed and envisioned as well.The tion of and target alarn are dise assed in detail.A of Terahertz techniques words:terabertz wave: ing:Radar Cross-Section me ing fields rement of scaled model:counter-stealth radar:early-warning radar 太赫兹(THz,1THz=102Hz)频段指频率从0.1THz到10THz、波长从30um到3mm的电磁辐射区域，是 电磁波谱中桥接宏观电子学与微观光子学的特殊频段。物质的太赫兹频段发射、透射和反射频谱包含丰富的物理 和化学信息，凝聚态物质声子频率、大分子振动、转动特征谱均位于太林兹频段，半导体中载流子对太赫兹辐射 响应非常灵敏，故太赫兹期段的研究已形成与既有颜段的有力互补，成为探索物质结构，揭示物理化学过程的新 手段。太林兹频段作为新近关注的探测和信息传输频段，目前这个领域的研究正在积极开展4八。特别是在遥 感领域，开展太赫兹频段被动遥感研究，可以获取更多传统波段难以获得的信息。使用太赫兹波作为雷达载波， 与传统微波需达相比具有波长短、信号绝对带宽大、纵向分辨力高，且对相同目标需达散射截面(RCS)大：相同 天线可以提供更高的增益，实现窄波束，获得多目标识别能力和高的横向分辨力，减少干扰信号注人雷达主瓣波 束的几率，抗干扰性好；短雷达波对目标微小的多普勒变化更敏感，对微动目标的测量可以反演出其独特的运动 和结构特性。与激光雷达相比：探测视场更宽，搜索能力强；太赫兹波穿透能力强，可以穿透雾、尘等障碍环境 实现更广应用领域的探测和成像。 1 太赫兹被动遥感 依据黑体辐射原理。一切温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，中低温物体的热辐射主要集中在太赫 收稿日期：201304-18：修回日期：2013-05-30 基金项目：空间微波技术回家重点实验率基金资助项日(9140C530404130C53193) 1994-2015Chi Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
第 11 卷 第 5 期 太赫兹科学与电子信息学报 Vo1．11，No．5 2013 年 10 月 Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology Oct．，2013 文章编号：2095-4980(2013)05-0693-09 太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 刘 丰 1 ，朱忠博 1 ，李 栋 1 ，尚 社 1 ，崔万照 1 ，刘江凡 2 ，席晓丽 2 (1.西安空间无线电技术研究所 空间微波技术国家级重点实验室，陕西 西安 710100； 2.西安理工大学 自动化与电子工程学院，陕西 西安 710048) 摘 要：太赫兹频段是宏观电子学向微观光子学过渡的纽带，是电磁频谱中最近被开发的频 段，在遥感领域受到了特别关注。介绍了太赫兹频段的技术优势，以及在天文观测、地球气象观 测、目标参数测量、反隐身雷达及探测雷达等领域的发展状况及设想，探讨了太赫兹雷达在弹道 目标探测及空间来袭目标告警等场景下的应用。揭示了太赫兹技术在遥感领域良好的应用前景。 关键词：太赫兹波；被动遥感；缩比雷达散射截面测量；反隐身雷达；预警雷达 中图分类号：TN015；P414；P161.4 文献标识码：A doi：10.11805/TKYDA201305.0693 Discussion on terahertz techniques in remote sensing LIU Feng1 ，ZHU Zhong-bo1 ，LI Dong1 ，SHANG She1 ，CUI Wan-zhao1 ，LIU Jiang-fan2 ，XI Xiao-li2 (1.Science and Technology on Space Microwave Laboratory，China Academy of Space Technology(Xi’an)，Xi’an Shaanxi 710100，China； 2.The Faculty of Automation and Information Engineering，Xi’an University of Technology，Xi’an Shaanxi 710048，China) Abstract ： Terahertz band is the bridge connecting the electrical waves and light waves in electromagnetic spectrum. It is the latest developed band，and attracts much attention in remote sensing field. The advantages of Terahertz wave are analyzed in astronomical observation ， metrological observation ， target Radar Cross-Section(RCS) measurement ， counter-stealth ， and detecting radar applications，and their development trends are discussed and envisioned as well. The application of Terahertz radar in the scenes of ballistic target detection and space target alarm are discussed in detail. A good prospect is suggested for the application of Terahertz techniques in remote sensing fields. Key words：terahertz wave；passive remote sensing；Radar Cross-Section measurement of scaledmodel；counter-stealth radar；early-warning radar 太赫兹(THz，1 THz＝1012 Hz)频段指频率从 0.1 THz 到 10 THz、波长从 30 μm 到 3 mm 的电磁辐射区域，是 电磁波谱中桥接宏观电子学与微观光子学的特殊频段。物质的太赫兹频段发射、透射和反射频谱包含丰富的物理 和化学信息，凝聚态物质声子频率、大分子振动、转动特征谱均位于太赫兹频段，半导体中载流子对太赫兹辐射 响应非常灵敏，故太赫兹频段的研究已形成与既有频段的有力互补，成为探索物质结构，揭示物理化学过程的新 手段[1-3]。太赫兹频段作为新近关注的探测和信息传输频段，目前这个领域的研究正在积极开展[4-7]。特别是在遥 感领域，开展太赫兹频段被动遥感研究，可以获取更多传统波段难以获得的信息。使用太赫兹波作为雷达载波， 与传统微波雷达相比具有波长短、信号绝对带宽大、纵向分辨力高，且对相同目标雷达散射截面(RCS)大；相同 天线可以提供更高的增益，实现窄波束，获得多目标识别能力和高的横向分辨力，减少干扰信号注入雷达主瓣波 束的几率，抗干扰性好；短雷达波对目标微小的多普勒变化更敏感，对微动目标的测量可以反演出其独特的运动 和结构特性。与激光雷达相比：探测视场更宽，搜索能力强；太赫兹波穿透能力强，可以穿透雾、尘等障碍环境， 实现更广应用领域的探测和成像。 1 太赫兹被动遥感 依据黑体辐射原理，一切温度高于绝对零度的物体都会产生热辐射，中低温物体的热辐射主要集中在太赫兹 收稿日期：2013-04-18；修回日期：2013-05-30 基金项目：空间微波技术国家重点实验室基金资助项目(9140C530404130C53193)
694 太赫兹科学与电子信息学报 第11卷 颍段，例如从字宙大爆炸至今，字宙的背景温度已经降至约2.73K,由热辐射理论可知，字宙射线中太赫兹類段 的能量儿平占到宇宙背景辐射总能量的80%。开展对地球大气太赫兹類段的被动遥感可以获得丰富的辐射信息， 可用于获取大气垂直泪度、湿度廓线：对深空的太赫兹探测可以获得空问的物理信息、潜在的远地文明和资源信 息。目前美国等国已经对太赫兹频段遥感技术建立了测量标准网，有望很快在太赫兹遥感中得到推广。 11深空探测 目前深空探测关注的5大重点领域包括：月球探测、火是探测、水星与金星探测、巨行星及其卫是探测、小 行星与彗星探测，太赫兹颜段观测技术将在其中发挥重要作用。 多同参与的想模能大的地面天文太扶袭提测计划如阿塔卡马大型毫米波/哑袭米波在列a AMA计划正在实能，其工作频段为O3T2095T2】 超高空间分辨素对字宙暗区观测和成像。俄罗斯科学院研究了频段在0.13TH2-0.38TH2的探测器阵列，用 于构建全谱段的天文观测体系，见图1，a为单像元 为射执计芯 。为3×3探测器阵列，d为接收部件 学匹和结 为人射 ,2为望远镜像平面，3和4为40K和4K温度的低损耗红外射线窗 知6为4 和40K的热屏，7为低温腔体，8为0.3K制冷机底，9为位于椭球透镜焦点的接收天线阵，10为硅非球面透镜。 探测器为热电子超导辐射热计，噪声等效功率Noise Equivalent NEP可低于1O-H2n。中国空间技 术研究院、中科院紫金山天文台等单位完成了O.5Tz的相干太赫兹探测系统.灵敏度达到8倍量子极限，前端 实时带宽可达0.16T2 由于地球大气对太赫兹短段衰减极大，人们更加关注天基太林滋观测.目前已有许多在轨运用的太林燕载荷 2004年欧洲航天局E an Sr ESA)的R0ta深空探测卫星发射升空，该卫月携带多种君 学探测载荷.其中包括1台562GH2的频谱探测器。Rosetta卫星将飞往彗星Comet67 P/Churyumov-Gerasime 并穿越彗尾，研究彗呈挥发物质，包括水汽、 一氧化碳、氨、甲醇的含量，并通过特征谱线的多普物颜移，定量 分析挥发物质从售核逸散的速度] 同年，关国国家航室航天局(National Aeronautics and Space Administration.NASA)发射了Aura对地观测卫星.其 搭找的25THz临边探测载荷可以用于对地球大气中OH根离 子息氧氢氧化合物等成分的浓度和分布进行探调成像到 2009年，ESA的Herschel卫星发射升空前往地日拉格朗 日L2点，携带的主要载荷包括一台频率覆盖450GHz5THz 的高分辨率外差频谱仪(Heterodyne Instrument for the Far 1 nfrared.HIE).使用低曝声超导_绝终_超导(Superconductor. Insulator-Superconductor,.SIS)探测器和热电子辐射热测量计 (Hot Electron Bolometer,HEB)混颜器，用于对深空进行宽频 段的探测，见图2。与地面探测设备相比，由于没有大气 的干扰，可以获得更远的探测距离和更高的分辨力。 1.2气象观测 于卫星观测网来提供相适应的高时间分辨率和高空 994-2015 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved.htp://www.cnki.ne
694 太赫兹科学与电子信息学报 第 11 卷 频段，例如从宇宙大爆炸至今，宇宙的背景温度已经降至约 2.73 K，由热辐射理论可知，宇宙射线中太赫兹频段 的能量几乎占到宇宙背景辐射总能量的 80%。开展对地球大气太赫兹频段的被动遥感可以获得丰富的辐射信息， 可用于获取大气垂直温度、湿度廓线；对深空的太赫兹探测可以获得空间的物理信息、潜在的远地文明和资源信 息。目前美国等国已经对太赫兹频段遥感技术建立了测量标准[8]，有望很快在太赫兹遥感中得到推广。 1.1 深空探测 目前深空探测关注的 5 大重点领域包括：月球探测、火星探测、水星与金星探测、巨行星及其卫星探测、小 行星与彗星探测[9]，太赫兹频段观测技术将在其中发挥重要作用。 由多国参与的规模庞大的地面天文太赫兹探测计划如阿塔卡马大型毫米波/亚毫米波阵列(Atacama Large Millimeter/submillimeter Array，ALMA)计划正在实施，其工作频段为 0.3 THz~0.95 THz，空间分辨力达 0.01″，用于 超高空间分辨率对宇宙暗区观测和成像[10]。俄罗斯科学院研究了频段在 0.13 THz~0.38 THz 的探测器阵列[11]，用 于构建全谱段的天文观测体系，见图 1，a 为单像元，b 为辐射热计芯片，c 为 3×3 探测器阵列，d 为接收部件 光学匹配结构，1 为入射窗，2 为望远镜像平面，3 和 4 为 40 K 和 4 K 温度的低损耗红外射线窗，5 和 6 为 4 K 和 40 K 的热屏，7 为低温腔体，8 为 0.3 K 制冷机底，9 为位于椭球透镜焦点的接收天线阵，10 为硅非球面透镜。 探测器为热电子超导辐射热计，噪声等效功率(Noise Equivalent Power，NEP)可低于 10-18 W·Hz-1/2。中国空间技 术研究院、中科院紫金山天文台等单位完成了 0.5 THz 的相干太赫兹探测系统，灵敏度达到 8 倍量子极限，前端 实时带宽可达 0.16 THz。 由于地球大气对太赫兹频段衰减极大，人们更加关注天基太赫兹观测，目前已有许多在轨运用的太赫兹载荷。 2004 年，欧洲航天局(European Space Agency，ESA)的 Rosetta 深空探测卫星发射升空，该卫星携带多种科 学探测载荷，其中包括 1 台 562 GHz 的频谱探测器。Rosetta 卫星将飞往彗星 Comet 67P/Churyumov-Gerasimenko 并穿越彗尾，研究彗星挥发物质，包括水汽、一氧化碳、氨、甲醇的含量，并通过特征谱线的多普勒频移，定量 分析挥发物质从彗核逸散的速度[12]。 同年，美国国家航空航天局 (National Aeronautics and Space Administration，NASA)发射了 Aura 对地观测卫星，其 搭载的 2.5 THz 临边探测载荷可以用于对地球大气中 OH 根离 子、臭氧、氯氧化合物等成分的浓度和分布进行探测成像[13]。 2009 年，ESA 的 Herschel 卫星发射升空前往地日拉格朗 日 L2 点，携带的主要载荷包括一台频率覆盖 450 GHz~5 THz 的高分辨率外差频谱仪(Heterodyne Instrument for the Far Infrared，HIFI)，使用低噪声超导–绝缘–超导(SuperconductorInsulator-Superconductor，SIS)探测器和热电子辐射热测量计 (Hot Electron Bolometer，HEB)混频器，用于对深空进行宽频 段的探测[14]，见图 2。与地面探测设备相比，由于没有大气 的干扰，可以获得更远的探测距离和更高的分辨力。 1.2 气象观测 在地球气象观测中为了获得高分辨率数值预报，必须借助于卫星观测网来提供相适应的高时间分辨率和高空 间观测资料，包括大气的温度和湿度的垂直分布及有关图像资料。 a b c d 2 1 3 4 5 6 7 8 9 10 Fig.1 0.13 THz-0.38 THz array radiometer 图 1 0.13 THz~0.38 THz 辐射计阵列示意图 Fig.2 HIFI payload on Herschel satellite 图 2 Herschel 卫星搭载的 HIFI 载荷
第5期 刘丰等：太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 695 现有的气象载荷主要为微波辆射计、散射计及红外成像仪，然而经验表明红外探测通道难以提供诸如锋面 结构、气旋生成、强对流等天气现象的信息，而传统微波探测通道却可能直接穿透主要大气活动区域，不能够 细观测云层内部气象条件的变化。太赫兹被作为微被和红外的中向波段，兼具有微被穿透性好和红外分辨力高的 特点，设置多个太裤兹频段的通道，可以得到大气垂直分布的精确信息。 t0.0011H2 TH2频段，大气中主要吸收气体是水汽 通过对水汽叫 1 TH: 以下 有3条较强的氧 分别在 0.4 THz,0.11875THz和0 42476THz 018331T 1z和0. 15THz,0.221 THz 都是 理 用 和 前各 设置了0.183THz通道 例 如美国的先进技 分别用 缩比雷达散射截面积(RCS)测量 目标RCS是武器系统研制中的关键技术指标，对需达系统设计、目标识别、跟踪点选择和隐身技术具有重 要的指导意义。一般的，理论计算不能精确获得目标RCS,故RCS的测量是雷达技术中非常重要的研究内容。 随着太赫兹波应用于雷达，太赫兹频段目标RCS测量受到关注；此外，太赫兹波用于大型目标在传统雷达 波段的缩比RCS测量也是非常有价值的研究方向。 对于大型目标，可通过电破缩比测试方式获得目标RCS。缩比模型测量需要应用缩比定律，一般测量使用 的缩比模型均为金属制品，缩比测量依据理想导体缩比定律，当对波长的平方进行归一化，若2个理想导体目 标具有相同形状、相同波数，仅尺寸不同，则它们的RCS方向图完全相同。 近年来，随着雷达探测频率不断提升以及对大型目标（如战舰和战略轰炸机等）的RCS缩比测量的需求，RCS 缩比测量系统的工作频率将达到太林兹频段甚至太赫兹频段的高频端。太赫兹缩比模型RCS测量可大幅节约微 波波段全尺寸目标RCS测量成本，缩短测量周期。缩比模型测量结果通过频率缩比计算，可用于微波波段全尺 寸目标RCS评估。例如要测试获取300m尺度的大型舰船在厘米波段（例如0.016THz)的RCS,按照缩比系数1：150 制作尺寸为2m的缩比舰船模型开展测试，则缩比测试频率为2.4THz,若要获得舰船在毫米波段的RC$(例如制 导雷达工作情形)，则需要更高的缩比测试频率。典型雷达目标缩比关系见表1。 Tablel Electro cy/THz /5 hand tank 10 120 05 7$han aero plane 25 150 05 0 1K-5 l50 35(Ka bund) 525 针对电磁比测 的需习 ,有2种较为常用的太赫兹 种是使用连缕太赫： 被源（包括相 量领 行宽 的研 机构已 THz-TDS平台进 1:150的飞村 属 垂直转动的频 分别 个微波波段雷达RCS测量结果 1002015Ch ou al Eleetronie Publishing House.All rights served htp: www.cnki.ne
第5期 刘 丰等：太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 695 现有的气象载荷主要为微波辐射计、散射计及红外成像仪，然而经验表明，红外探测通道难以提供诸如锋面 结构、气旋生成、强对流等天气现象的信息，而传统微波探测通道却可能直接穿透主要大气活动区域，不能够精 细观测云层内部气象条件的变化。太赫兹波作为微波和红外的中间波段，兼具有微波穿透性好和红外分辨力高的 特点，设置多个太赫兹频段的通道，可以得到大气垂直分布的精确信息。 在 0.001 THz~1 THz 频段，大气中主要吸收气体是水汽 (H2O)和氧气(O2)。通过对氧气吸收谱线的测量，可反演大气 温度的垂直分布廓线；通过对水汽吸收谱线的测量，可反演 大气湿度的垂直分布廓线。1 THz 以下，有 3 条较强的氧气 吸收线，分别在 0.057 29 THz,0.118 75 THz 和 0.424 76 THz， 并有 0.183 31 THz 和 0.380 2 THz 两条较强的水汽吸收线。 另外，0.089 THz,0.11 THz,0.15 THz,0.22 THz 和 0.34 THz 等 都是较理想的窗区通道，可用于进行地表降水和水汽含量的 探测[15]。目前各国气象辐射计都设置了 0.183 THz 通道，例 如美国的先进技术微波辐射计 ( Ad v an c ed Te ch n o lo g y Microwave Sounder，ATMS)(见图 3[16])，2 幅天线分别用以接 收 0.023 8 THz~0.06 THz 频段和 0.089 THz~0.183 THz 频段。 2 缩比雷达散射截面积(RCS)测量 目标 RCS 是武器系统研制中的关键技术指标，对雷达系统设计、目标识别、跟踪点选择和隐身技术具有重 要的指导意义。一般的，理论计算不能精确获得目标 RCS，故 RCS 的测量是雷达技术中非常重要的研究内容。 随着太赫兹波应用于雷达，太赫兹频段目标 RCS 测量受到关注；此外，太赫兹波用于大型目标在传统雷达 波段的缩比 RCS 测量[17]也是非常有价值的研究方向。 对于大型目标，可通过电磁缩比测试方式获得目标 RCS。缩比模型测量需要应用缩比定律，一般测量使用 的缩比模型均为金属制品，缩比测量依据理想导体缩比定律[18]，当对波长的平方进行归一化，若 2 个理想导体目 标具有相同形状、相同波数，仅尺寸不同，则它们的 RCS 方向图完全相同。 近年来，随着雷达探测频率不断提升以及对大型目标(如战舰和战略轰炸机等)的 RCS 缩比测量的需求，RCS 缩比测量系统的工作频率将达到太赫兹频段甚至太赫兹频段的高频端。太赫兹缩比模型 RCS 测量可大幅节约微 波波段全尺寸目标 RCS 测量成本，缩短测量周期。缩比模型测量结果通过频率缩比计算，可用于微波波段全尺 寸目标 RCS 评估。例如要测试获取 300 m 尺度的大型舰船在厘米波段(例如 0.016 THz)的 RCS，按照缩比系数 1:150 制作尺寸为 2 m 的缩比舰船模型开展测试，则缩比测试频率为 2.4 THz，若要获得舰船在毫米波段的 RCS(例如制 导雷达工作情形)，则需要更高的缩比测试频率。典型雷达目标缩比关系见表 1。 表 1 典型目标电磁缩比关系 Table1 Electromagnetic scaling relationship of typical targets targets scale/m radar frequency/GHz minification model scale/m testing frequency/THz 3(S band) 0.06 tank 10 8(X band) 1:20 0.5 0.16 3(S band) 0.15 aero plane 25 8(X band) 1:50 0.5 0.40 3(S band) 0.45 8(X band) 1.20 16(Ku band) 2.40 large surface ship 300 35(Ka band) 1:150 2.0 5.25 针对电磁缩比测试的需求，有 2 种较为常用的太赫兹测量系统方案：一种是使用连续太赫兹波源(包括相干 激光差频或信号发生器)的单频点 RCS 测试系统，另一种采用在频谱测量领域已经成熟的太赫兹时域频谱技术 (THz-TDS)平台进行宽带同步 RCS 测量。目前不同的研究机构已经开展了平板[19]、标准几何模型[20-22]、武器模 型[23-24]的 RCS 研究。例如 2010 年丹麦技术大学利用飞秒激光泵浦的 THz-TDS 平台进行了 1:150 的飞机金属模 型 RCS 测量，获得了该模型水平、垂直转动的频率平均 RCS 方位图和 0.3 THz,0.7 THz 和 1.1 THz 三频点的 RCS 方位图，分别模拟了 0.002 THz、0.004 7 THz、0.007 3 THz 三个微波波段雷达 RCS 测量结果[23]，见图 4。国内 天津大学、原航天工业总公司下属单位也开展了该领域研究工作。 Fig.3 US Advanced Technology Microwave Sounder(ATMS) 图 3 美国 ATMS 辐射计
696 太赫兹科学与电子信息学报 第11卷 generation FWHM-73 mm -1200 1200 3太赫兹反隐身雷达 隐身技术在现代军事对抗中发挥者越来越重要的作用，具备隐身特性的装甲车辆、飞行器及水面战斗舰艇具 有很好的反搜索和反跟踪性能，在隐蔽自身的同时可以给予敌方出其不意的打击。隐身技术包括无源隐身技术和 有源隐身技术，已对现有雷达技术构成严重挑战。研制新型反隐身雷达成为非常紧迫的课题，太赫兹雷达技术有 望在反隐身领域发挥独特作用。 3.1太赫兹反无源隐身技术 雷达回波能量 平滑的外表可以有效降传 ,且对于 带需达来说，这种设计使得目 RCS处于光学 数值稳定 不存在语振效 该波段雷达系统。但对于宽带太赫兹雷达来说 大带、窄脉冲极 有效地对抗 地提高了分力，探测目标的模型将不再是 个点模型，而变为分布式模型，其隐身外形将 难以使电 利过 会显示题身数果。 材料隐 特 电 和磁损耗的原 或利用 适厚度涂层造 人射 反射波相 相消起到 积作用。 故在超苑 带太赫滋 被面前不具 大部 隐 母材料为具有 地像效应的铁 体 皮能量 可以起到反隐身作用 蛛神（可工作在 3.2太赫兹反等离子体隐身技术 等高子体具有对电磁波吸收和折射的作用。1992年类国首次提出等离子体折射隐身概念，通过非均匀等 离子体对入射电酸波的折射使电磁波传播轨迹发生弯曲，回波偏离对方雷达的接收方向，从面使之不能探测到目 标准确位置。吸收隐身利用的是等离子体通过对人射到其中的电磁波发生碰撞，吸收其大部分能量，使得雷达回 波最小来实现隐身。 等高子体实现电磁隐身与其介电特性有关，在非磁化冷等高子体中，相对介电系数￡，表示为： 式中：口为载被频：为等离子休频率，也称为朗尔频奉；·为碰撞奉。式()反映了等离子体与电磁波 相互作用关系。可以看到等离子体具有高通滤》 率低于等离子体颜率时 对自由 把 通过与 的有 由 碰撞频率 10cm, 目标木身为良学休理想反射休 仿真得到穿透等 994-2015 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.ne
696 太赫兹科学与电子信息学报 第 11 卷 Fig.4 Layout of RCS measurement facility for scaled models 图 4 缩比 RCS 测量装置及金属模型示意图 3 太赫兹反隐身雷达 隐身技术在现代军事对抗中发挥着越来越重要的作用，具备隐身特性的装甲车辆、飞行器及水面战斗舰艇具 有很好的反搜索和反跟踪性能，在隐蔽自身的同时可以给予敌方出其不意的打击。隐身技术包括无源隐身技术和 有源隐身技术，已对现有雷达技术构成严重挑战。研制新型反隐身雷达成为非常紧迫的课题，太赫兹雷达技术有 望在反隐身领域发挥独特作用。 3.1 太赫兹反无源隐身技术 无源隐身技术主要利用外形设计或为目标覆盖吸波材料、透波材料的方法减弱敌侦察系统雷达回波能量。 使用隐身外形设计，平滑的外表可以有效降低角反射效应，且对于一般窄带雷达来说，这种设计使得目标的 RCS 处于光学区，数值稳定，不存在谐振效应，有效地对抗了该波段雷达系统。但对于宽带太赫兹雷达来说， 大带宽、窄脉冲极大地提高了分辨力，探测目标的模型将不再是一个点模型，而变为分布式模型，其隐身外形将 难以使电磁波“爬过”其表面，故而这种技术在太赫兹技术面前不会显示隐身效果。 材料隐身利用某些特定材料对入射电磁波会产生很大的电磁损耗、高频介质损耗和磁损耗的原理，或利用合 适厚度涂层造成入射––反射波相干相消起到回波抑制作用。由于涂料都是窄带选择性吸收，故在超宽带太赫兹雷 达波面前不具备设计的隐身特性；另一方面，大部分隐身材料为具有弛豫效应的铁氧体吸收材料，利用磁壁共振 和磁畴旋转共振引起电磁波损耗，而共振的建立需要一定时间，对于超短的太赫兹脉冲(可工作在 ps 量级脉冲宽 度)，共振无法建立，故涂层无法吸收太赫兹雷达波能量，可以起到反隐身作用。 3.2 太赫兹反等离子体隐身技术 等离子体具有对电磁波吸收和折射的作用。1992 年美国首次提出等离子体折射隐身概念[25]，通过非均匀等 离子体对入射电磁波的折射使电磁波传播轨迹发生弯曲，回波偏离对方雷达的接收方向，从而使之不能探测到目 标准确位置。吸收隐身利用的是等离子体通过对入射到其中的电磁波发生碰撞，吸收其大部分能量，使得雷达回 波最小来实现隐身。 等离子体实现电磁隐身与其介电特性有关，在非磁化冷等离子体中，相对介电系数 r ε 表示为： 2 2 2 p p r 22 22 n i 1 ω ω ν ε ω ν ωω ν = =− − + + (1) 式中： ω 为载波频率； ωp 为等离子体频率，也称为朗缪尔频率；ν 为碰撞频率。式(1)反映了等离子体与电磁波 相互作用关系。可以看到等离子体具有高通滤波器特性，当雷达波频率低于等离子体频率时，电磁波电场对自由 电子做功，把一部分能量传给电子，而自身能量被衰减，电子通过与其他粒子的有效碰撞，把能量转化为无规则 运动消耗掉，故电磁波在传播方向上按指数衰减，损耗很大[26]。假设等离子体层参数[27]：电子密度 ne=2×1019 m-3 ， 碰撞频率ν =10 Grad/s，等离子体层厚度分别为 1 cm 和 10 cm，目标本身为良导体理想反射体，仿真得到穿透等 generation grating 1 714 mm λ/2 generation pulse λ/2 detection PD1 Wollaston PD2 prism ZnTe crystal FWHM=73 mm rotation platform Mg:LiNbO3 fs pulse Δτ optical chopper black polyethylene THz sampling pulse λ/4 1 200 6.6º 1 200 (a) (b) lock-in amplifier
第5期 刘丰等：太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 697 离子体层并反射输出的功率谱见图5，可见在现有雷达波段 等离子体损耗非常大，日标可以实现理想的隐身效果，但当使 用太赫兹频段电磁被作为雷达载波，可以避开共振吸收等效 例如在0 波往返损耗也小 5dB.等离子体层在太赫兹雷达面前透明度 -20 提高，实现了反等离子体有源隐身。 4 太赫兹雷达应用技术 太赫兹雷达的研究受到各国重视。美国喷气推进实验岁 (Jet Propulsion Laboratory,JPL)使用全固态器件的太赫兹雷达 系统工作在0.12THz-0.67TH多个频点，采用扫描成像模式】 Fig 5 Power reflec a reflecting 可获得亚厘米级的分辨力，德国应用科学研究所的COBRA 图5覆益等离子休层的目标电经反射话 1SAR雷达工作颜率0.22THz,带宽大于0.008THz,采用调频 连续波(Frequency Modulated Continuous Wave,FMCW)调制.分辨力优于2cm2.日本采用异步电光采样方式的 太赫兹脉冲雷达充分利用短脉冲特性使距离分辨力达到0.5mm3心。中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中 心的0.67THz1SAR系统.带宽超过0.028TH2.横向分辨力优于1.3cmB。太赫兹雷达在多种武器平台的应用 往往受地面大气（特别是水汽的强吸收）的限制.而空问环境应用避免了这个问题，太赫兹雷达可以充分发挥其高 分辨优势，在反导预警体系建设和航天器自身防御探测方面显示出良好应用前景。 4.1太赫兹雷达侦测弹道目标 随着战争的需要，人类战场已经延伸到太空。远程弹道导弹射程远，速度快，飞行中段高速穿越近太空，可 携带核弹头，破坏能力强。针对弹道战略武器的防御体系中非常重要的部分为实现探测和跟踪的预警系统。 Descent Pha Re:er FSchmncoue 弹道导弹的飞行过程分为主动段、中间段和再人段，见图6，现有的导弹预警体系，主要使用地基需达发现 主动段起飞的目标，同时使用天基光学敏感器探测主动段高层的火箭尾焰，但是当导弹进人飞行中间段，弹箭分 ,弹头红外特征 降低，同时导弹释放出许多干扰目标作为诱饵与真实弹头按照同样速度利和轨迹飞行，极大提 了突防慨率。故提高中间段探测概率和目标跟踪、识别能力，是提升预警能力的关健。 对中间段日标的高效跟踪，需要高精确度的需达系统，地基需达受限于其视线角，难以进行更长航段的跟踪 同时雷达波受地球大气衰减作用，对空间目标的探测距离受限：使用天基太赫兹雷达进行跟踪，可以拓展跟踪范 图，同时避免 大气层的影响，短的雷达载波带来更高的分辨力，可以降低漏警率 中间段预警面临的另一方面重要问题是诱饵的干扰，诱饵有多种形式，主要分为轻诱饵和重诱饵 ,轻诱饵包 括悬浮颗粒、金属箔】 金属丝、箱条、喷徐金属膜的碳布气球等，重诱饵也称弹头或假目标，具有与真分 头相似的外形和雷达散射特征。 1994-2015 China Academic ou al Eleetronie Publishing House.All rights reserved www.cnki.ne
第5期 刘 丰等：太赫兹波在遥感技术中的应用探讨 697 离子体层并反射输出的功率谱见图 5，可见在现有雷达波段， 等离子体损耗非常大，目标可以实现理想的隐身效果，但当使 用太赫兹频段电磁波作为雷达载波，可以避开共振吸收等效 应，例如在 0.16 THz 处，即使对 10 cm 厚的等离子体层，雷达 波往返损耗也小于 5 dB，等离子体层在太赫兹雷达面前透明度 提高，实现了反等离子体有源隐身。 4 太赫兹雷达应用技术 太赫兹雷达的研究受到各国重视。美国喷气推进实验室 (Jet Propulsion Laboratory，JPL)使用全固态器件的太赫兹雷达 系统工作在 0.12 THz~0.67 THz 多个频点，采用扫描成像模式， 可获得亚厘米级的分辨力[28]，德国应用科学研究所的 COBRA ISAR 雷达工作频率 0.22 THz，带宽大于 0.008 THz，采用调频 连续波(Frequency Modulated Continuous Wave，FMCW)调制，分辨力优于 2 cm[29]，日本采用异步电光采样方式的 太赫兹脉冲雷达充分利用短脉冲特性使距离分辨力达到 0.5 mm[30]。中国工程物理研究院太赫兹科学技术研究中 心的 0.67 THz ISAR 系统，带宽超过 0.028 THz，横向分辨力优于 1.3 cm[31]。太赫兹雷达在多种武器平台的应用 往往受地面大气(特别是水汽的强吸收)的限制，而空间环境应用避免了这个问题，太赫兹雷达可以充分发挥其高 分辨优势，在反导预警体系建设和航天器自身防御探测方面显示出良好应用前景。 4.1 太赫兹雷达侦测弹道目标 随着战争的需要，人类战场已经延伸到太空。远程弹道导弹射程远，速度快，飞行中段高速穿越近太空，可 携带核弹头，破坏能力强。针对弹道战略武器的防御体系[32]中非常重要的部分为实现探测和跟踪的预警系统。 弹道导弹的飞行过程分为主动段、中间段和再入段，见图 6，现有的导弹预警体系，主要使用地基雷达发现 主动段起飞的目标，同时使用天基光学敏感器探测主动段高层的火箭尾焰，但是当导弹进入飞行中间段，弹箭分 离，弹头红外特征降低，同时导弹释放出许多干扰目标作为诱饵与真实弹头按照同样速度和轨迹飞行，极大提升 了突防概率。故提高中间段探测概率和目标跟踪、识别能力，是提升预警能力的关键。 对中间段目标的高效跟踪，需要高精确度的雷达系统，地基雷达受限于其视线角，难以进行更长航段的跟踪， 同时雷达波受地球大气衰减作用，对空间目标的探测距离受限；使用天基太赫兹雷达进行跟踪，可以拓展跟踪范 围，同时避免大气层的影响，短的雷达载波带来更高的分辨力，可以降低漏警率。 中间段预警面临的另一方面重要问题是诱饵的干扰，诱饵有多种形式，主要分为轻诱饵和重诱饵，轻诱饵包 括悬浮颗粒、金属箔片、金属丝、箔条、喷涂金属薄膜的碳布气球等，重诱饵也称假弹头或假目标，具有与真弹 头相似的外形和雷达散射特征。 Fig.6 Schematic of ballistic target in flying course 图 6 弹道目标飞行阶段示意图 0 50 100 150 200 250 carrier frequency/GHz 0 -10 -20 -30 -40 power reflectance/dB d=1 cm d=10 cm Fig.5 Power reflectance from an idea reflecting surface covered with plasma layer 图 5 覆盖等离子体层的目标电磁反射谱