3技2014年第27卷第11期 电子·电路 Eleetronie Sci.Tech./Nov.15,2014 太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 罗玉文2，王鹤磊，胡忠明 (1.空军预警学碗黄破士官学校，湖北武汉430010：2.式汉理工大学光纤中心，湖北武汉430070)】 摘要在分析太赫兹波诸多独特性质的基础上，重点分析了太赫兹波应用于雷达的优势与限制因素，并对太赫 超大信号带宽、强穿透力、低截 强抗于 越的 太桃雷达以其高距离分力 阔的应用前景 太赫兹泼 0433.5:TN95 文献标识码A 文章编号1007-7820(2014)1-163-04 Analysis of Application Prospects of THz Wave in Radar LUO Yuwen',WANG Helei',HU Zhongming' (1.Huangpi Petty Officer School,Air Force Warning Academy,Wuhan 430010,Chinaz 2 Ontieal Fiber Centre.Wuhan Seience and Technology University.Wuhan 430010.China) Abstract The unique properties of THz wave are introduced.The advantages and disadvantages of THz wave The appl on prospects of THz Radar ed Th haaicfothrdhish probability of intercept,robust jamming immunily,and superior anti-sealth capability. Keywords THz wave:radar:application prospect:detection 太赫兹(THz)波 一般指频率在0.1-10THz(1T T波在雷达中的应用还受到某些相应元件可用性因 10)范围内的电磁波，它介于毫米波与红外光之间， 素的限制，例如发射功率低、接收机噪声系数高、传鞘 波长在0.03-3mm,如图1所示。 线损失大、成本高和不可靠等，这些因素目前都限制 TH2波段的污运用。 [电子学 光子学 下面对这两方面的内容进行 详细分析，并结合目前及未来的科学技术和器件水平 的发展对THz技术在雷达中的应用进行深入探讨， 微被 太热整波可见光射阀？射线 1太赫兹波的特性分析 图1电磁频谱图 T技术之所以引起科学界广泛的关注，主要是 太赫兹频段在无线电物理领域称为亚毫米波，在 由于THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区， 光学领域测被习惯称为远红外光。 具有很名独特的性质。归纳起来，THz被具有独特的 在电磁频滋上，THz波段两侧的红外和微被技术 低能性、高穿透性、指纹谱性、瞬态性、宽带性、相干性 在雷达上的应用已成熟，但T业技术在雷达领域的应 和高方向性 用还很不完善。究其缘由，主要有两方面原因：一是理 11低能性 论方面的。因为此频段处于从宏观电子学向微观光子 学的讨渡风，溉不完全活合用光学理论来处理，也不完 全适合用微波理论来研究。在20世纪80年代中期 光子能量的百万分之一。该值低于各种化学键的键 前，由于缺芝有效的TH2辐射产生方法和检测方法 能，不会导致光致电离而破坏被检物质。另外，水对太 人们对该波段的特性知之甚少，以至于该波段被称为 赫兹波有较强的吸收，因此太赫兹波不会穿透皮肤，对 电磁被普中的“THz空隙”山。二是工程实现方面的 人体是安全的。鉴于以上两个原因，太赫滋被适用于 针对人体或其他生物样品的活体检查。 收独日期：20131128 1.2高穿透性 作者简介：罗玉文(1974-)，男，博士，讲师。研究方向： 太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的 新体制雷达的发展与建设。Em 007a126 穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成 www.dianzikeji.org 163 194-2016 China Academic Eleetronie Publishing Hou All rights http://www.cnki.ne
2014 年第 27 卷第 11 期 Electronic Sci. ＆ Tech. /Nov. 15，2014 电子·电路 www. dianzikeji. org 收稿日期: 2013-11-28 作者简介: 罗 玉 文 ( 1974—)，男，博 士，讲 师。研 究 方 向: 新体制雷达的发展与建设。E-mail: lyuwen007@ 126. com 太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 罗玉文1，2 ，王鹤磊1 ，胡忠明1 (1. 空军预警学院 黄陂士官学校，湖北 武汉 430010; 2. 武汉理工大学 光纤中心，湖北 武汉 430070) 摘 要 在分析太赫兹波诸多独特性质的基础上，重点分析了太赫兹波应用于雷达的优势与限制因素，并对太赫 兹雷达的应用前景进行了分析。分析结果表明，太赫兹雷达以其高距离分辨力、超大信号带宽、强穿透力、低截获 率、强抗干扰性和优越的反隐身能力而具有广阔的应用前景。 关键词 太赫兹波; 雷达; 应用前景; 探测 中图分类号 O433. 5; TN95 文献标识码 A 文章编号 1007 － 7820(2014)11 － 163 － 04 Analysis of Application Prospects of THz Wave in Ｒadar LUO Yuwen1，2 ，WANG Helei1 ，HU Zhongming1 (1. Huangpi Petty Officer School，Air Force Warning Academy，Wuhan 430010，China; 2. Optical Fiber Centre，Wuhan Science and Technology University，Wuhan 430010，China) Abstract The unique properties of THz wave are introduced． The advantages and disadvantages of THz wave's application in radar are analyzed． The application prospects of THz Ｒadar are discussed． The analysis shows that THz radar has broad application prospects for its high range resolution，ultra wideband，high penetrability，low probability of intercept，robust jamming immunity，and superior anti-stealth capability． Keywords THz wave; radar; application prospect; detection 太赫兹(THz)波一般指频率在 0. 1 ～ 10 THz(1T = 1012 )范围内的电磁波，它介于毫米波与红外光之间， 波长在 0. 03 ～ 3 mm，如图 1 所示。 图 1 电磁频谱图 太赫兹频段在无线电物理领域称为亚毫米波，在 光学领域则被习惯称为远红外光。 在电磁频谱上，THz 波段两侧的红外和微波技术 在雷达上的应用已成熟，但 THz 技术在雷达领域的应 用还很不完善。究其缘由，主要有两方面原因:一是理 论方面的。因为此频段处于从宏观电子学向微观光子 学的过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完 全适合用微波理论来研究。在 20 世纪 80 年代中期以 前，由于缺乏有效的 THz 辐射产生方法和检测方法， 人们对该波段的特性知之甚少，以至于该波段被称为 电磁波谱中的“THz 空隙”［1］。二是工程实现方面的。 THz 波在雷达中的应用还受到某些相应元件可用性因 素的限制，例如发射功率低、接收机噪声系数高、传输 线损失大、成本高和不可靠等，这些因素目前都限制 THz 波段的广泛运用。下面对这两方面的内容进行了 详细分析，并结合目前及未来的科学技术和器件水平 的发展对 THz 技术在雷达中的应用进行深入探讨。 1 太赫兹波的特性分析 THz 技术之所以引起科学界广泛的关注，主要是 由于 THz 波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区， 具有很多独特的性质。归纳起来，THz 波具有独特的 低能性、高穿透性、指纹谱性、瞬态性、宽带性、相干性 和高方向性［2］。 1. 1 低能性 根据光子理论，太赫兹光子能量为 ε = hv = 6. 63 × 10 － 34 × 1012 = 6. 63 × 10 － 22 (J)≈4. 1 meV，仅是 X 射线 光子能量的百万分之一。该值低于各种化学键的键 能，不会导致光致电离而破坏被检物质。另外，水对太 赫兹波有较强的吸收，因此太赫兹波不会穿透皮肤，对 人体是安全的。鉴于以上两个原因，太赫兹波适用于 针对人体或其他生物样品的活体检查。 1. 2 高穿透性 太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的 穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是 X 射线成 361
电子·电路 罗玉文，等：太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质材 过程中的无损检测。 太赫兹波应用于雷达的优势与限制 目前，国际上已经开始利用太 兹波的穿透特性，检查邮件和识别毒品以及对航天飞 2.1太赫兹波应用于雷达的优势分析 机的无损探伤。另外，利用太赫兹辐射能以很小的衰 2.1.1太赫兹雷达较微波雷达的优势 减穿诱胞格、细雾、碳板、布料以及脂肪议一特占，将其 与目前的主战雷达 微波雷达相比，太赫兹雷 用于检测有毒有害分子，在环境监测和保护以及军事 达具有以下优势： 化学慎察方面有者重要作用。此外，太在浓烟沙 (1)波束更窄，方向性更好。根据波束宽度 尘环境中传输损耗也很少，是火灾教护，沙漠教援、战 分，对于一个固定的天线孔径D,在220G业上工作的 场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。 1.3指纹谱性 雷达比在X波段工作的雷达发射天线的波束宽度小 20倍以上，可探测更小的目标和实现更精确的定位 转动能级间距位于TH 具有更高的分辨力和更强的保密性，是未来高精度雷 语特征来识别分子结构并分析物质成分，就像利用指 达的发展方向 纹可以识别不同的人一样。所以，根据这些指纹谱，太 (2)带宽更宽，分辨力更高。单个太赫兹脉冲的 赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的 带日可以罗盖C 的频率范围，具有普通微 组成成分，分析物体的物理化学性质，为组毒、反恐、排 雷达所不可比拟的宽带性能，可获得更高的目标分新 等提供相关的理论依据和探测技术。 力，状取更丰富的目标信息，特别是可以获取更清晰的 1.4 宽带性 空间目标的雷达成像，是未来高清晰度目标识别雷达 如果电磁波的相对带宽按中心频率的10%计算 的发展方向。 则太赫滋波的相对带宽可达△f=×10%=102Hz× (3)波长更短，体积甲小。由于太林故波长相对 10%=10"Hz=100GHz。与低颍电磁波相比，月有拉 于微波更短，在完成同样功能的情况下，太赫兹雷达天 宽的带宽，在单位时间内可以承载更多的信息，因此 线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做 大容量的通讯载体，获得更丰富的光诺数据， 更加简单，经济，这对于天基雷达、星载雷达，机载雷达 瞬态性 和地面机云动宙达尤为重要 THz脉冲的典型脉宽在皮秒量级，具有很高的时 (4)频率更高，多普勒效应更显著。根据多普制 间分辨力，可方便地对各种材料进行瞬态光谱研究。 频率的计算公式= 可知，对于同样速度的目标 1.6相干性 THz相干测量技术能够直接测量TH波的时域电 场，傅里叶变换后同时给出电场振幅和相位信息，可心 优势 通过反射波的测量得到物体的图像。利用成像系统把 成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得 (5)抗干扰能力更强。现有的电子战干扰手段主 到样品的Tz图像。太赫兹波成像的一个显著特点 要集中在微波频段及红外频段，对T业频段难以进行有 效的干扰。同时，THz领段提供的极窄天线波束可以减 是信息量大，可准确显示物体的内外部信息。利用太 赫兹成像还可获得更高的空间分辨力及更长的景深 少干扰机注入雷达主瓣波束的机会，降低雷达对干扰的 等，目前太赫兹显微成像的分辨力已达到几十m 此外，极高的天线增益也抑制了旁瓣干扰 1.7高方向性 决于地而的镜面反射因子，而地面的镜面反射因子由 太赫故辐射方向性很好，可用于战场中的短距离 定向保密通讯。特别是在太空通信方面有着潜在的 表面粗糙度表示。表面粗糙度与只有关(，是表面高 度的均方根偏差)，当波长变小时，给定的表面呈现出 Tz波因以上的独特性质而具有广阔的应用前 景，吸引者许多科学家和科研机构广泛研究。随着 更加粗糙的特性，因此减小 了镜面反射因 另外， 于太赫兹雷达的窄波束宽度照射 线取的 面较小，所 THz技术研究的不断发展，其应用范围已从基础科学 以地杂波景影啊就相应减少 逐渐向武器装备、航空航天、雷达与通信、天文与地理 (6)反隐身效果更好。现有的隐身技术采用的吸 反恐组毒、农业以及生物医学等方面不断扩展B一 波材料，基本都处于微波波段，对太赫兹雷达均不适 用。2004年，L.Stringer测试了X波段微波吸收材料 16 www.dianzikeii.org 1994-2016 China Academic Joumal Electronic Publishing House All rights reserved /www.cnki.ne
电子·电路 罗玉文，等:太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 www. dianzikeji. org 像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检 过程中的无损检测。目前，国际上已经开始利用太赫 兹波的穿透特性，检查邮件和识别毒品以及对航天飞 机的无损探伤。另外，利用太赫兹辐射能以很小的衰 减穿透陶瓷、烟雾、碳板、布料以及脂肪这一特点，将其 用于检测有毒有害分子，在环境监测和保护以及军事 化学侦察方面有着重要作用。此外，太赫兹在浓烟、沙 尘环境中传输损耗也很少，是火灾救护、沙漠救援、战 场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。 1. 3 指纹谱性 大多极性分子、生物大分子等有机分子的振动和 转动能级间距位于 THz 波段，故可通过分析特有的光 谱特征来识别分子结构并分析物质成分，就像利用指 纹可以识别不同的人一样。所以，根据这些指纹谱，太 赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的 组成成分，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排 爆等提供相关的理论依据和探测技术。 1. 4 宽带性 如果电磁波的相对带宽按中心频率的 10% 计算， 则太赫兹波的相对带宽可达 Δf = f0 × 10% = 1012 Hz × 10% = 1011Hz = 100 GHz。与低频电磁波相比，具有较 宽的带宽，在单位时间内可以承载更多的信息，因此， 可作为大容量的通讯载体，获得更丰富的光谱数据。 1. 5 瞬态性 TH z 脉冲的典型脉宽在皮秒量级，具有很高的时 间分辨力，可方便地对各种材料进行瞬态光谱研究。 1. 6 相干性 THz 相干测量技术能够直接测量 THz 波的时域电 场，傅里叶变换后同时给出电场振幅和相位信息，可以 通过反射波的测量得到物体的图像。利用成像系统把 成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得 到样品的 THz 图像。太赫兹波成像的一个显著特点 是信息量大，可准确显示物体的内外部信息。利用太 赫兹成像还可获得更高的空间分辨力及更长的景深 等，目前太赫兹显微成像的分辨力已达到几十 μm。 1. 7 高方向性 太赫兹辐射方向性很好，可用于战场中的短距离 定向保密通讯。特别是在太空通信方面有着潜在的 优势。 THz 波因以上的独特性质而具有广阔的应用前 景，吸引着许多科学家和科研机构广泛研究。随着 THz 技术研究的不断发展，其应用范围已从基础科学 逐渐向武器装备、航空航天、雷达与通信、天文与地理、 反恐缉毒、农业以及生物医学等方面不断扩展［3 － 7］。 2 太赫兹波应用于雷达的优势与限制 2. 1 太赫兹波应用于雷达的优势分析 2. 1. 1 太赫兹雷达较微波雷达的优势 与目前的主战雷达──微波雷达相比，太赫兹雷 达具有以下优势: (1)波束更窄，方向性更好。根据波束宽度 θ≈ λ D ，对于一个固定的天线孔径 D，在 220 GHz 上工作的 雷达比在 X 波段工作的雷达发射天线的波束宽度小 20 倍以上，可探测更小的目标和实现更精确的定位， 具有更高的分辨力和更强的保密性，是未来高精度雷 达的发展方向。 (2)带宽更宽，分辨力更高。单个太赫兹脉冲的 频带可以覆盖 GHz ～ THz 的频率范围，具有普通微波 雷达所不可比拟的宽带性能，可获得更高的目标分辨 力，获取更丰富的目标信息，特别是可以获取更清晰的 空间目标的雷达成像，是未来高清晰度目标识别雷达 的发展方向。 (3)波长更短，体积更小。由于太赫兹波长相对 于微波更短，在完成同样功能的情况下，太赫兹雷达天 线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得 更加简单、经济，这对于天基雷达、星载雷达、机载雷达 和地面机动雷达尤为重要。 (4)频率更高，多普勒效应更显著。根据多普勒 频率的计算公式 fd = 2Vr λ 可知，对于同样速度的目标， 照射波长越短，回波的多普勒频移越大，因此，太赫兹 雷达在慢动目标的检测和识别中比微波雷达更有 优势。 (5)抗干扰能力更强。现有的电子战干扰手段主 要集中在微波频段及红外频段，对 THz 频段难以进行有 效的干扰。同时，THz 频段提供的极窄天线波束可以减 少干扰机注入雷达主瓣波束的机会，降低雷达对干扰的 灵敏度。此外，极高的天线增益也抑制了旁瓣干扰。 (5)多径效应和地面杂波干扰更小。多径效应取 决于地面的镜面反射因子，而地面的镜面反射因子由 表面粗糙度表示。表面粗糙度与σh λ 有关(σh 是表面高 度的均方根偏差)，当波长变小时，给定的表面呈现出 更加粗糙的特性，因此减小了镜面反射因子。另外，由 于太赫兹雷达的窄波束宽度照射截取的地面较小，所 以地杂波影响就相应减少。 (6)反隐身效果更好。现有的隐身技术采用的吸 波材料，基本都处于微波波段，对太赫兹雷达均不适 用。2004 年，M. Stringer 测试了 X 波段微波吸收材料 461
罗玉文，等：太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 电子·电路 在太赫兹波段的吸收特性，结果表明：在照射领率 衰减较小(140GHz处约为1dB/m,220GHz处约为 0.2~1.5THz内透过率为20%~30%，因此THz频 3 dB/km) 对微波吸收材料具有良好的透过率，有利于隐身目标 隆水句括雨、雪和冰雷，其中引起由波衰成最严面 探测。太抹藏被怀能够穿透等离子体，因此对于采用 的是雨。若要考虑雷达的全天候性能，这种衰减需要 等离子体隐身的飞行体，太赫兹雷达也能够轻易地供 被计及。电波通过雨区时，雨滴 一方面吸收电波能晶 其“现出原形” 利用太赫兹波可在等离子体中传播 一面使电波向各个方向散射，这两者都使前向传播 这一特性，还可以将其应用到航天飞机或宇宙飞船发 信号发生衰减。研究发现，任一频率的雨衰减率k可 射或同收过程当中，这是因为在发射和同收的过程当 按雨强1的幂函数表示圆 中，在航天飞机或字宙飞船穿戴申离层时会造成空气 (1 电离，在其周围形成等离子体覆体，导致常规的微波雷 式中，Ky为雨衰减率参数 ,由于降雨是随机的，雨 达无法探测跟踪 而利用太赫兹技术，就可弥补这 强I沿路径的分布也是随机的。因此在雷达设计时 点，能保持连续探测跟踪 雨衰减不可能作为一种必然因素予以考虑，而只能按 2.1.2较红外雷达和激光雷达的代势 慑率进行统计预测 与红外和激光相比，太赫滋被在悬浮微粒和在尘 云雾、沙尘衰减与雨衰减类似，是云雾和沙尘粒了 埃、烟雾和战场污染等条件下的衰减较低，因此，太赫 对电波吸收和散射所致。雷达在沙漠和沙尘环境中 兹雷达较红外和激光雷达具有更强穿透沙尘、烟雾 作时要考虑沙尘对电波的衰减 能力，可以实现全天候工作 考虑大气衰减时的雷达距离方程为 基干太林兹持有的“穿墙术”，太林兹雷达可以探 PC2 R'm=(4)P e-0 11e-R' (2 测到敌方隐薮的武器、伪装埋伏的式装人员，以及烟 雾、沙尘中的军事装备。另外，太赫兹雷达还可远程探 以140G处的衰减率 dBkm计算，假设作用 测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体。 利用强 距离为5km,双程衰减将为10B,这个衰减还可接受 赫滋辐射穿透地面，能深测地下的雷场分布，还可以进 但若作用距离为50km,双程衰减将达100dB,这对大 行远程炸弹探测等， 多数系统来说都不能接受，更不要说远距离探测了。 2.2太林兹波应用于雷达的限制因素分析 不，由于90%以上的水汽集中在大气的对 太赫兹应用于雷达的限制因素主要有两方而：器 层，在对流层之外，水蒸汽含量几乎为零，不存在降 件因素和强烈的大气衰减 器件方面的原 主要是 尘埃也很少，十分透明，在很宽的频率范围内已不存 随着频率的升高，发射源和本机振荡器效率将降低，同 大气衰减。因此，远距离太赫兹探测系统的理想应用 时传输线的损耗也增加。到目前为止，包括发达国家 场所应是对流层之外的空间风域。对流层之外是平流 在内都还很难在太赫兹波段得到稳定的大功率发射 层，其高度大约在50km,目前， 些国家正在研制 机、高灵敏度的接收机和低损耗的传输线。缺少这些 流层飞艇载雷达系统，这种雷达系统就可采用太赫热 关键器件，太赫兹波将无法应用于远距 离探测 当然 波段。 ,T业波在雾、霜、烟中传播时比红外或可 器件方面的原因可随若科学技术和工业水平的发展得 见光的衰减要小，因此在近距离高分力雷达的应用 到解决，太赫兹波应用于雷达最主要的限制因素是其 中是有优势的。 强烈的大气衰减。下面主要对对这一因素进行分析。 3 大气衰减包括大气氧气和水蒸汽等气体分子、水 太赫兹雷达的的应用前景分析 汽凝结物对电波的吸 和去极化，大气折射指菱 (1)作目标识别雷达 由于太赫兹雷达具有很高 不均匀所引起的损耗和被束散损耗，大气波导的哀 的空间分力和很宽的带宽，非常有利于目标成像和 减效应。 获取目标特征结构细节，从而可对目标进行更精确的 对太赫兹被而言，其大气衰减主要是大气中的氧 外形识别。由于太特兹雷达对低径向速度的目标可以 气和水汽对太林辐射的吸收，其中尤以水汽的 得到更大的多普勒频移，所以可用于对慢速运动或 吸收最为严重 由氧气造成的衰减在15GH附近有 动目标的发现和识别能力。另外，目标识别雷达通常 峰值（约5dB/km),之后随着频率的增加快速下降 要求有较高的数据率，太赫兹雷达体积小、重量轻，有 到频率接近500GH时几乎不衰减。但水蒸汽几乎在 利于天线的快速扫描，从而可提供较高的数据率。 整个太赫兹波段都有较严重的吸收，其损耗约为 (2)作制导雷达和导弹寻的器。由于太赫兹雷达 10dB/km,只在两个场占(140GHz和220GHz)附近 能得到较高的测量精度和分辨力，使其适用于制导雷 www.dianzikeji.org 165 1994-016 China Academic Joural Electronic Publishing louse.All rights reserved www.cnki.ne
罗玉文，等:太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 电子·电路 www. dianzikeji. org 在太赫兹 波 段 的 吸 收 特 性，结 果 表 明:在 照 射 频 率 0. 2 ～ 1. 5 THz 内透过率为 20% ～ 30% ，因此 THz 频段 对微波吸收材料具有良好的透过率，有利于隐身目标 探测。太赫兹波还能够穿透等离子体，因此对于采用 等离子体隐身的飞行体，太赫兹雷达也能够轻易地使 其“现出原形”。利用太赫兹波可在等离子体中传播 这一特性，还可以将其应用到航天飞机或宇宙飞船发 射或回收过程当中。这是因为在发射和回收的过程当 中，在航天飞机或宇宙飞船穿越电离层时会造成空气 电离，在其周围形成等离子体覆体，导致常规的微波雷 达无法探测跟踪。而利用太赫兹技术，就可弥补这一 点，能保持连续探测跟踪。 2. 1. 2 较红外雷达和激光雷达的优势 与红外和激光相比，太赫兹波在悬浮微粒和在尘 埃、烟雾和战场污染等条件下的衰减较低，因此，太赫 兹雷达较红外和激光雷达具有更强穿透沙尘、烟雾的 能力，可以实现全天候工作。 基于太赫兹特有的“穿墙术”，太赫兹雷达可以探 测到敌方隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员，以及烟 雾、沙尘中的军事装备。另外，太赫兹雷达还可远程探 测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体。利用强太 赫兹辐射穿透地面，能探测地下的雷场分布，还可以进 行远程炸弹探测等。 2. 2 太赫兹波应用于雷达的限制因素分析 太赫兹应用于雷达的限制因素主要有两方面:器 件因素和强烈的大气衰减。器件方面的原因主要是， 随着频率的升高，发射源和本机振荡器效率将降低，同 时传输线的损耗也增加。到目前为止，包括发达国家 在内都还很难在太赫兹波段得到稳定的大功率发射 机、高灵敏度的接收机和低损耗的传输线。缺少这些 关键器件，太赫兹波将无法应用于远距离探测。当然， 器件方面的原因可随着科学技术和工业水平的发展得 到解决，太赫兹波应用于雷达最主要的限制因素是其 强烈的大气衰减。下面主要对对这一因素进行分析。 大气衰减包括大气氧气和水蒸汽等气体分子、水 汽凝结物对电波的吸收、散射和去极化，大气折射指数 不均匀所引起的损耗和波束散焦损耗，大气波导的衰 减效应。 对太赫兹波而言，其大气衰减主要是大气中的氧 气和水蒸汽对太赫兹辐射的吸收，其中尤以水蒸汽的 吸收最为严重。由氧气造成的衰减在 115 GHz 附近有 一峰值(约 5 dB / km)，之后随着频率的增加快速下降， 到频率接近 500 GHz 时几乎不衰减。但水蒸汽几乎在 整个太 赫 兹 波 段 都有较严重的吸收，其 损 耗 约 为 10 dB / km，只在两个频点(140 GHz 和 220 GHz) 附近 衰减较小(140 GHz 处约为 1 dB / km，220 GHz 处约为 3 dB / km)。 降水包括雨、雪和冰雹，其中引起电波衰减最严重 的是雨。若要考虑雷达的全天候性能，这种衰减需要 被计及。电波通过雨区时，雨滴一方面吸收电波能量， 另一面使电波向各个方向散射，这两者都使前向传播 信号发生衰减。研究发现，任一频率的雨衰减率 ktr可 按雨强 I 的幂函数表示［8］ ktr = K'·I γ (1) 式中，K'、γ 为雨衰减率参数。由于降雨是随机的，雨 强 I 沿路径的分布也是随机的。因此在雷达设计时， 雨衰减不可能作为一种必然因素予以考虑，而只能按 概率进行统计预测。 云雾、沙尘衰减与雨衰减类似，是云雾和沙尘粒子 对电波吸收和散射所致。雷达在沙漠和沙尘环境中工 作时要考虑沙尘对电波的衰减。 考虑大气衰减时的雷达距离方程为 Ｒ' max = PtG2 λ2 σ (4π)3 P [ ] min e － 0. 115σ·Ｒ'mx (2) 以 140 GHz 处的衰减率 1 dB / km 计算，假设作用 距离为5 km，双程衰减将为10 dB，这个衰减还可接受， 但若作用距离为 50 km，双程衰减将达 100 dB，这对大 多数系统来说都不能接受，更不要说远距离探测了。 不过，由于 90% 以上的水蒸汽集中在大气的对流 层，在对流层之外，水蒸汽含量几乎为零，不存在降雨， 尘埃也很少，十分透明，在很宽的频率范围内已不存在 大气衰减。因此，远距离太赫兹探测系统的理想应用 场所应是对流层之外的空间区域。对流层之外是平流 层，其高度大约在 50 km，目前，一些国家正在研制平 流层飞艇载雷达系统，这种雷达系统就可采用太赫兹 波段。另外，THz 波在雾、霜、烟中传播时比红外或可 见光的衰减要小，因此在近距离高分辨力雷达的应用 中是有优势的。 3 太赫兹雷达的的应用前景分析 (1)作目标识别雷达。由于太赫兹雷达具有很高 的空间分辨力和很宽的带宽，非常有利于目标成像和 获取目标特征结构细节，从而可对目标进行更精确的 外形识别。由于太赫兹雷达对低径向速度的目标可以 得到更大的多普勒频移，所以可用于对慢速运动或蠕 动目标的发现和识别能力。另外，目标识别雷达通常 要求有较高的数据率，太赫兹雷达体积小、重量轻，有 利于天线的快速扫描，从而可提供较高的数据率。 (2)作制导雷达和导弹寻的器。由于太赫兹雷达 能得到较高的测量精度和分辨力，使其适用于制导雷 561
电子·电路 罗玉文，等：太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 达，但由于其作用距离不远，所以通常只能用作末制 (2)太赫兹雷达的某些特点究竟是优点还是缺 导。再加上其重量和体积方面的优势，其还适合作导 点，要视应用而定。比如，窄的波束宽度虽然提高了测 弹的寻的器。这是目前太赫兹雷达最有前景的应用领 量精度和分辨力，但却不利于目标搜索和捕获：小的天 域之一。94Gz空对地导弹寻的器就是其中一例。 线尺寸虽然可以使系统更紧凑，但却不利于能量的 (3)作火控雷大和错整跟踪雷秋。大林兹雷达活 收集 合在短距离火控系统中应用，因为它体积小、重量轻 (3)太赫兹波在大气中的剧烈衰减是无法避免 具有较高的机动性。另外，多径效应和地杂波对空中 的，因此，远距离的太赫兹雷达的理想使用环境应是对 防卫火炮系统的低角度跟踪会产生不良的影响，在这 流层外的空间区域，在对流层内只能近距离使用。 种情况下，太赫兹雷达的窄波束和高分辨力显示极大 应该说明的是，研究太赫兹波雷达在雷达上的应 的优越性。 用，并不是否定其他传感器或其他波段雷达的作用。 (4)作测量雷达。太赫兹雷达可用于空间测量大 因为太赫兹波雷达的大气传输损耗较大，只适用于近 气温府、水蒸汽、泉氧剖面及云高和对流县风」 作用距离应用场合，在远程或超远程应用中，微波雷达 (⑤)作战场监视雷达。由于太赫兹雷达对于地面 仍将是探测目标的主力军。但是，由于现代战争双方 测绘和目标监视具有较高的角分辨力，能够获得较清 电、磁、声、光热等各个物理场中进行激烈的争夺，因 晰的雷达成像，因此可用作战场监视雷达。 此，预警、探测、跟踪、识别、精密制导、引信引爆等方 (6)作低角跟踪雷达 由于太赫兹波多径效应利 面，微波、太赫兹波、红外光波，激光等信息系统的作用 地面杂波干扰更小，所以可采用微波雷达与太赫兹雷 应该是互补的、缺一不可的。虽然目前由于器件方面 达相配合来实施探测与跟踪，其中，微波雷达用于远程 的原因导致太赫兹雷达发展不够理想，尚不能广泛地 探测与跟踪，太赫兹雷达则用于低角跟踪。 实用化、商业化，但它仍具有较高的科研价值和巨大的 ()作机载、星载雷达。由于太赫兹波具有较短 发展潜力，是国家新一代信息产业、国家安全的重大需 的波长，可减小元器件尺寸，尤其是天线尺寸，得到紧 求，对国防建设具有重大意义。 凑的系统，这正是机载、星载雷达系统所要求的。 参考文献 4结束语 D]姚建太赫兹技术及其应用，重庆邮电大学学报：自 (1)对太赫兹波在雷达中的应用前景应辩证地看 然科学版，2010,22(6)：703-707 待，因为任何一个频段的电磁波都既有它的优点，也有 D]许景周，张希成.T科学技术和应用.北京：北京大 它的弱点，太赫兹波也不例外，在应用时应充分利用其 学出版社，2007. 优点，而尽量克服或避开其弱点，这样的应用对这个桶 B]刘盛纲，针任斌.太赫兹科学技术及其应用的新发展门 由子料技大学学报，2009,38(5)：481-486 段的资源才是有生命力的。各种波段的雷达系统性能 ]戚祖敏.太赫兹波在军事领域中的应用研究们.红外， 比较如表1所示 2008.20（12}:1-4 表1各种波段的雷达系统性能比起 王忆锋，毛京湘.太妹兹技术的发展现状及应用前景分析 雷达性能 微波雷达 太赫兹雷达 光学雷达 m.米由技术应用.2008,23(1)：1-4.41 分辨力 好 好 东彦，等太赫兹技术在军事领域的应用 30 测量精度 差 好 好 到 分类/识别能力 好 朱彬，陈彦， ,等.太赫兹 学技术及其应用们.成者 大学学报：自然科学版，2 008,27(4)304-3 反侦察能为 好 好 ®]张培吕，秉玉，铁丕.雷达气象学，北京：气象出版 反隐身使力 好 社，2000. 搜索和捕获目标能力 好 差 ]肖健，高爱华，飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的 环境适应能力 好 好 研究门.电子科技，2010,23(3)：7-9. 在烟雾、尘埃中的性能 差 10]陈晗.太赫兹波技术及其应用们.中国科技信息，2007 好 好 (20):274-275 166 www.dianzikeji.org 1994-2016 China Academic Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
电子·电路 罗玉文，等:太赫兹波在雷达领域的应用前景分析 www. dianzikeji. org 达，但由于其作用距离不远，所以通常只能用作末制 导。再加上其重量和体积方面的优势，其还适合作导 弹的寻的器。这是目前太赫兹雷达最有前景的应用领 域之一。94 GHz 空对地导弹寻的器就是其中一例。 (3)作火控雷达和精密跟踪雷达。太赫兹雷达适 合在短距离火控系统中应用，因为它体积小、重量轻， 具有较高的机动性。另外，多径效应和地杂波对空中 防卫火炮系统的低角度跟踪会产生不良的影响，在这 种情况下，太赫兹雷达的窄波束和高分辨力显示极大 的优越性。 (4)作测量雷达。太赫兹雷达可用于空间测量大 气温度、水蒸汽、臭氧剖面及云高和对流层风。 (5)作战场监视雷达。由于太赫兹雷达对于地面 测绘和目标监视具有较高的角分辨力，能够获得较清 晰的雷达成像，因此可用作战场监视雷达。 (6)作低角跟踪雷达。由于太赫兹波多径效应和 地面杂波干扰更小，所以可采用微波雷达与太赫兹雷 达相配合来实施探测与跟踪，其中，微波雷达用于远程 探测与跟踪，太赫兹雷达则用于低角跟踪。 (7)作机载、星载雷达。由于太赫兹波具有较短 的波长，可减小元器件尺寸，尤其是天线尺寸，得到紧 凑的系统，这正是机载、星载雷达系统所要求的。 4 结束语 (1)对太赫兹波在雷达中的应用前景应辩证地看 待，因为任何一个频段的电磁波都既有它的优点，也有 它的弱点，太赫兹波也不例外，在应用时应充分利用其 优点，而尽量克服或避开其弱点，这样的应用对这个频 段的资源才是有生命力的。各种波段的雷达系统性能 比较如表 1 所示。 表 1 各种波段的雷达系统性能比较 雷达性能 微波雷达 太赫兹雷达 光学雷达 分辨力 差 好 好 测量精度 差 好 好 分类∕识别能力 差 好 好 反侦察能力 差 好 好 反隐身能力 差 好 好 搜索和捕获目标能力 好 差 差 环境适应能力 好 好 差 在烟雾、尘埃中的性能 好 好 差 (2)太赫兹雷达的某些特点究竟是优点还是缺 点，要视应用而定。比如，窄的波束宽度虽然提高了测 量精度和分辨力，但却不利于目标搜索和捕获;小的天 线尺寸虽然可以使系统更紧凑，但却不利于能量的 收集。 (3)太赫兹波在大气中的剧烈衰减是无法避免 的，因此，远距离的太赫兹雷达的理想使用环境应是对 流层外的空间区域，在对流层内只能近距离使用。 应该说明的是，研究太赫兹波雷达在雷达上的应 用，并不是否定其他传感器或其他波段雷达的作用。 因为太赫兹波雷达的大气传输损耗较大，只适用于近 作用距离应用场合，在远程或超远程应用中，微波雷达 仍将是探测目标的主力军。但是，由于现代战争双方 电、磁、声、光热等各个物理场中进行激烈的争夺，因 此，预警、探测、跟踪、识别、精密制导、引信引爆等方 面，微波、太赫兹波、红外光波、激光等信息系统的作用 应该是互补的、缺一不可的。虽然目前由于器件方面 的原因导致太赫兹雷达发展不够理想，尚不能广泛地 实用化、商业化，但它仍具有较高的科研价值和巨大的 发展潜力，是国家新一代信息产业、国家安全的重大需 求，对国防建设具有重大意义。 参考文献 ［1］ 姚建铨． 太赫兹技术及其应用［J］． 重庆邮电大学学报:自 然科学版，2010，22(6):703 － 707． ［2］ 许景周，张希成． THz 科学技术和应用［M］． 北京:北京大 学出版社，2007． ［3］ 刘盛纲，钟任斌． 太赫兹科学技术及其应用的新发展［J］． 电子科技大学学报，2009，38(5):481 － 486． ［4］ 戚祖敏． 太赫兹波在军事领域中的应用研究［J］． 红外， 2008，29(12):1 － 4． ［5］ 王忆锋，毛京湘． 太赫兹技术的发展现状及应用前景分析 ［J］． 光电技术应用，2008，23(1):1 － 4，41． ［6］ 杨光鲲，袁斌，谢东彦，等． 太赫兹技术在军事领域的应用 ［J］． 激光与红外，2011，41(4):376 － 380． ［7］ 朱彬，陈彦，邓科，等． 太赫兹科学技术及其应用［J］． 成都 大学学报:自然科学版，2008，27(4):304 － 307． ［8］ 张培昌，秉玉，铁丕． 雷达气象学［M］． 北京:气象出版 社，2000． ［9］ 肖健，高爱华． 飞秒激光触发光电导天线产生太赫兹波的 研究［J］． 电子科技，2010，23(3):7 － 9． ［10］ 陈晗． 太赫兹波技术及其应用［J］． 中国科技信息，2007 (20):274 － 275． 661