第7卷第1期 雷达学报 Vol.7No.1 2018年2月 Journal of Radar Feb.2018 太赫兹雷达技术 王宏强 邓彬 秦玉亮 (国防科技大学电子科学学院长沙410073) 摘要：太兹雷达具有带宽大、分辨率高、多勒敏感、抗干扰等独特优势 ,是目标探测领域的重要发展方 顾和介 了电子学和光学 太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展，其次对太赫雷达日标特性 信先风个方进了使理度要介品，时达了大精SA.A。片对见转何使限究 机理、 况，简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用，最后对太赫兹需达技术的发展方向进行了 展望。 关键词：太赫蕊雷达：散射特性：雷达散射截面(CS):成份 中图分类号，TN5 文献标识码：A 文章编号： 2095.283X2018101-0001.21 D0:10.12000/R1710 引用格式：王宏强，邓彬，秦玉亮，太赫兹雷达技术雷达学报，2018,7()：1-21.D01:10.12000/R17107. Referenee format:Wang Hongqiang,Deng Bin,and Qin Yuliang.Review of terahertz radar technology of Radars、.2018,70:1-21.Do:10.12000/JR17107 Review of Terahertz Radar Technology Wang Hongqiang Deng Bin Qin Yuliang 410073.Chm Abstract:Terahertz radar has unique advantages,including large bandwidth,high resolution,Doppler itivity.and anti-interference:it is a significant development in the field of target detection.Herein.the history of electronic and optical terahertzradar yesintroduced,and the crensiationand latest progres pertaining to these systems are reviewed.The target characteristi of terahertadr aresumri based on its mechanis,calculation,and measurement.Moreover,the current researeh status of terahertzSAR ISAR,array,and aperture encoding imaging are discussed,and the applications of terahertz radar,such as carly warning detection and scurity anti-terrorism systems,are briefly introduced.Finally,the development direction of terahertz radar technology is forecast Key words:Terahertz rdar:Scattering characteristics:Radar Cros Section (RCS):Imaging 1引言 制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微 太赫蒸波泛指频率在0,1一10THz波段内的电 波雷达，太赫滋雷达波长短、带宽大，具有极高的 磁波，波长对应3mm~30m,狭义的太赫兹指 “空时频”分辨力网：在空间上意味若成像分 0.3~3TH2,位于微波和红外之间，处于电子学向 同时目标粗糙和细微结构变 寻可见 能够 光学的过渡频段。19世纪20年代美国学者最早提出 目标特征进行精细刻画：在时间上意味着成像帧率 “红外与电波结合”川.1970年正式出现“太材 高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打 兹”一词，1988年太赫兹雷达问世。近年来 击：在须谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探 着太赫兹波产生、探测 传输等技术的 和高精度速度估计。此外，太赫兹雷达波束窄使得 展 太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略 天线增益和角跟踪精度高：频段宽容易实现抗干 扰，而严重的大气衰减对太赫兹雷达客观上也形成 了保护：器件小使系统可以高度集成化、小型化 收稿日期：2171120：改同日期：017-1229网路出版：201-18 通信作者：邓彬de 阵列化，适合于小型无人机及其集 卫星 基金项目：国家部委基金 搭 反材料 Foundation Item:The National Ministries Foudation 传播特性近光学特点大量使用准光器件对波束进行 1002018h Academie Journal Electronic Publishing House.All rights http://www.cnki.ne
太赫兹雷达技术 王宏强 邓 彬* 秦玉亮 (国防科技大学电子科学学院 长沙 410073) 摘 要：太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势，是目标探测领域的重要发展方 向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展，其次对太赫兹雷达目标特性从 机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍，同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状 况，简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用，最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了 展望。 关键词：太赫兹雷达；散射特性；雷达散射截面(RCS)；成像 中图分类号：TN95 文献标识码：A 文章编号：2095-283X(2018)01-0001-21 DOI: 10.12000/JR17107 引用格式：王宏强, 邓彬, 秦玉亮. 太赫兹雷达技术[J]. 雷达学报, 2018, 7(1): 1–21. DOI: 10.12000/JR17107. Reference format: Wang Hongqiang, Deng Bin, and Qin Yuliang. Review of terahertz radar technology[J]. Journal of Radars, 2018, 7(1): 1–21. DOI: 10.12000/JR17107. Review of Terahertz Radar Technology Wang Hongqiang Deng Bin Qin Yuliang (College of Electronic Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: Terahertz radar has unique advantages, including large bandwidth, high resolution, Doppler sensitivity, and anti-interference; it is a significant development in the field of target detection. Herein, the history of electronic and optical terahertz radar systems is introduced, and the current situation and latest progress pertaining to these systems are reviewed. The target characteristics of terahertz radar are summarized based on its mechanism, calculation, and measurement. Moreover, the current research status of terahertz SAR, ISAR, array, and aperture encoding imaging are discussed, and the applications of terahertz radar, such as early warning detection and security anti-terrorism systems, are briefly introduced. Finally, the development direction of terahertz radar technology is forecast. Key words: Terahertz radar; Scattering characteristics; Radar Cross Section (RCS); Imaging 1 引言 太赫兹波泛指频率在0.1～10 THz波段内的电 磁波，波长对应3 mm～30 μm，狭义的太赫兹指 0.3～3 THz，位于微波和红外之间，处于电子学向 光学的过渡频段。19世纪20年代美国学者最早提出 “红外与电波结合”[1]，1970年正式出现“太赫 兹”一词[2]，1988年太赫兹雷达问世[3]。近年来， 随着太赫兹波产生、探测、传输等技术的逐步发 展，太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略 制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微 波雷达，太赫兹雷达波长短、带宽大，具有极高的 “空时频”分辨力[4,5]：在空间上意味着成像分辨 率高，同时目标粗糙和细微结构变得可见，能够对 目标特征进行精细刻画；在时间上意味着成像帧率 高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打 击；在频谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探测 和高精度速度估计。此外，太赫兹雷达波束窄使得 天线增益和角跟踪精度高；频段宽容易实现抗干 扰，而严重的大气衰减对太赫兹雷达客观上也形成 了保护；器件小使系统可以高度集成化、小型化、 阵列化，适合于小型无人机及其集群、卫星、导弹 等平台搭载；能够反材料隐身和外形隐身，并利用 传播特性近光学特点大量使用准光器件对波束进行 收稿日期：2017-11-20；改回日期：2017-12-29；网络出版：2018-01-18 *通信作者： 邓彬 dengbin@nudt.edu.cn 基金项目：国家部委基金 Foundation Item: The National Ministries Foundation 第 7 卷 第 1 期 雷 达 学 报 Vol. 7No. 1 2018年2月 Journal of Radars Feb. 2018
2 雷达学报 第7卷 扩束、聚伟、准省等调控。相比干激光雷决，太林 面要讲展，“十二五”期间用绕核心，哭件性能提升 兹波穿透烟雾、 过小 、沙土的能力更强 日对空 和“杀手级应用”持续加大投入。 太赫兹技术和太 高速运动目标的气动光学效应与 环境效应不 t 赫滋雷达正处于实验验证向实际应用过液阶段，基 感，可月 于复 作战与空间高速运动目标探测 础和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器 可见，太赫兹技术和太赫兹雷达在军事领域具 件成熟程度、性能极限、应用方式等方面存在争 有广阔的应用前景，因此受到世界强国的高度重 议，但其科学价值、应用前景和发展潜力得到愈米 视。美国国防高级研究计划局(Defense advanced 愈多的关注和认可。 Research Projects Agency,DARPA)自1999年以来 与微波亮米波雷达和激光雷达相比，太赫兹宙 持续安排了亚毫米波焦平面成像技术(Submillimeter 达存在一定的频段特殊 本文主要从雷达系丝 Wave Imaging focal-plane ray Technology 目标成修 SWIFT)、高频集成真空电子学(High Frec 目标特性 应用技 术4 方面 述太 兹雷达研究进展情况，最后对太赫兹雷达技术的重 ted v 太林刻 点发展方向进行展望 太赫兹电子学等相关项目间， 2012年 出视频合成孔径雷达(Video 2 太赫兹雷达系统 Apertur 太赫兹波产生辐射方式主要分为电子学和光学 扫描技术(Advance Scanning Technology for Imaging 两类 其产生机 代表如图 所 据 Radars,ASTR)计划网，2016年在专门雷达特征解 太赫兹雷达可分为电子学和光学两类 需要说明的 决方案(Expert radar signature solutions 是量子级联激光器和半导体激光器太赫兹雷达由于 ERADS)中加强亚毫米波目标特性测量雷达研究。 采用激光激励而归入光学太林兹否达。 欧盟相继提出第七框架计别(2011一2019年)和第八 2.1电子学太赫兹雷达 框架计划(2020地平线计划)网，大力发展太赫兹人 目前报道的电子学太赫兹雷达系统主要基于固 体安检 通信、 微制 片术[0-。经费 态申子学器件和直空申子学器件 船采用外若式 0 与在质 3以及国家自然科 接收方式 其中220 子学器件发展水平如 ,国家重点研发计划等支 在太赫兹 表1所示。此外，使用准光光路的电子学太赫兹面 产生、检测、传输发射组件、应用系统方面取得了 达单独介绍。 报 受微 4 品体 图1太波产生射方式 Fig.1 The g ertz wave 表1220G日z电子学器件发展水平2017年)） Tab.1 The devel pmentstt of 0 GHz electronie device (2017) 器件类型 国外 内 倍朝燃 效率>20%，功半>100mW 效率约1%，功半约加mW 固态功放 功率约180m 功率约10mW,带室6GH2 因态器件 分请波湿顿爱 噪声系数7dB,变顿损耗约心dB 噪声系数GdB,麦顿损耗约7dB 低辈声放大 嗟声系数约5dB,增益约17B 电真空器件行波管功 功半约60W,带益约30dB.带宽>15Gz 功率约1.2W,增益约加dB.带微>10G 1994-2018 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
扩束、聚焦、准直等调控。相比于激光雷达，太赫 兹波穿透烟雾、浮尘、沙土的能力更强，且对空间 高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏 感，可用于复杂环境作战与空间高速运动目标探测。 可见，太赫兹技术和太赫兹雷达在军事领域具 有广阔的应用前景，因此受到世界强国的高度重 视。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)自1999年以来 持续安排了亚毫米波焦平面成像技术(Submillimeter Wave Imaging Focal-plane-array Technology, SWIFT)、高频集成真空电子学(High Frequency Integrated Vacuum Electronics, HiFIVE)、太赫兹 作战延伸、太赫兹电子学等相关项目[6]，2012年推 出视频合成孔径雷达(Video Synthetic Aperture Radar, ViSAR)计划[7]，2014年推出成像雷达先进 扫描技术(Advance Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)计划[8]，2016年在专门雷达特征解 决方案(Expert RADar Signature Solutions, ERADS)中加强亚毫米波目标特性测量雷达研究。 欧盟相继提出第七框架计划(2011—2019年)和第八 框架计划(2020地平线计划) [9]，大力发展太赫兹人 体安检、通信、微制造、芯片等技术[10–12]，经费超 过3000万欧元。国内在原863、973以及国家自然科 学基金、国家重点研发计划等支持下，在太赫兹波 产生、检测、传输发射组件、应用系统方面取得了 重要进展，“十三五”期间围绕核心器件性能提升 和“杀手级应用”持续加大投入。太赫兹技术和太 赫兹雷达正处于实验验证向实际应用过渡阶段，基 础和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器 件成熟程度、性能极限、应用方式等方面存在争 议，但其科学价值、应用前景和发展潜力得到愈来 愈多的关注和认可。 与微波毫米波雷达和激光雷达相比，太赫兹雷 达存在一定的频段特殊性。本文主要从雷达系统、 目标特性、目标成像、应用技术4个方面概述太赫 兹雷达研究进展情况，最后对太赫兹雷达技术的重 点发展方向进行展望。 2 太赫兹雷达系统 太赫兹波产生辐射方式主要分为电子学和光学 两类，其产生机理与典型代表如图1所示。据此， 太赫兹雷达可分为电子学和光学两类。需要说明的 是量子级联激光器和半导体激光器太赫兹雷达由于 采用激光激励而归入光学太赫兹雷达。 2.1 电子学太赫兹雷达 目前报道的电子学太赫兹雷达系统主要基于固 态电子学器件和真空电子学器件，一般采用外差式 接收方式。其中220 GHz电子学器件发展水平如 表1所示。此外，使用准光光路的电子学太赫兹雷 达单独介绍。 表 1 220 GHz电子学器件发展水平(2017年) Tab. 1 The development status of 220 GHz electronic devices (2017) 器件类型 国外 国内 固态器件 倍频器 效率>20%，功率>100 mW 效率约10%，功率约20 mW 固态功放 功率约180 mW 功率约10 mW，带宽6 GHz 分谐波混频器 噪声系数7 dB，变频损耗约6 dB 噪声系数6 dB，变频损耗约7 dB 低噪声放大器 噪声系数约5 dB，增益约17 dB 无 电真空器件 行波管功放 功率约60 W，增益约30 dB，带宽>15 GHz 功率约1.2 W，增益约20 dB，带宽>10 GHz 倍频、放大 (肖特基二极管、 场效应晶体管) 微波 THz 振荡器 (耿氏/HEMT/ HBT/共振隧穿/ 雪崩二极管) THz 放大器 (行波管/速调管/ EIK) THz 振荡器 (反波器/回旋管/ EIO/雪崩自由 电子激光器) 激励 (晶体/气体/光电 导天线/电子加速 器/参量) 激光 差频 (晶体/光电导) THz 激光 THz THz 光泵浦远红外气 体激光器 THz 气体 激光 THz 量子级联激光器 (QCL)/半导体 激光器 THz 非线性效应 电子加速 电子学：固态 电子学：电真空源 电子学：固态 非线性效应(整流)或电子加速 受激辐射 受激辐射 光学 激光 图 1 太赫兹波产生辐射方式 Fig. 1 The generating ways of terahertz wave 2 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 2.1.1固态电子学太赫兹雷达固态电子学器件以 国内近几年有多家单位均开展了固态电子学太 甘相诗先进的丁步墙款盐头为日的大域芯雷状立哈 妹兹雷达应用技术研究，并且在短时间内取得了 统收发设各的士要物成。上世纪0年代末，单闲排 些重要成果。中国工程物理研究院最早在2011年基 吉尼亚大学在GAs肖特基二极管倍频技术方面获 于自研的倍频发射链路和谐波混频器实现了140G严 得突破.，使得基于固态电子学倍源的太赫 雷达试验系统，2013年集成搭建了670GH2全周 雷达技术向前迈进了 后来在2004年分肉 态实验害达。2012年中科院电子所设计实现了 成的VDI 业男 方面的主安代表 VDI) 种0.2THz聚焦波束扫描系统， 200 年美国加 藏目标进行成像2到 可对人体携带的隐 电 进实验室(Jct ropulsion Lab GH2太赫兹雷达， 大学则基于脉 率测距能力的雷达系统。由于接收端混频的参 分辨 测 考信号同样需要倍频并有 一定差须，故采用双源结 带宽作 见距离 高分辨 构实现相干探测，这也成为目前太赫兹雷达的主流 点 于保证带宽范固内的频率调闲 线性度 架构。 欧洲以德国为首最早开展了相关系统研究，包 相干处理和提高分辨性能， 因此研究不同的信号调 括瑞典、丹麦、英国、以色列、荷兰等国的研究机 制方式如线性调领、步进频与编码信号等在太赫 构也纷纷基于不同方式建立了电子学太赫兹雷达试 雷达中的应用其有重要意义 验系统。2008年，德国高烦物理与雷达技术研究所 太赫兹雷达体制发展的另一个趋势是阵列天线 (Fraunbofer Institute for High fr 收发系统，包括采用小型化单片集成电路onolithic and Radar Technigues EcAN.FHRl在g4GHz克 Microwave Integrated Circuit,MMIC)的收发阵列 和稀疏布置的多发多收天线阵列。阵列天线的宽辐 射特性将会产生一个相对较大的视场，并且带来更 2013~2016年又研制了工作频率为0.3THz的米兰 高的空间分辨率，基于孔径合成技术可以快速地实 达(Miranda)3O0实验雷达系统n， 由 使用了低 现太林兹雷达实时高分辨成像 噪声放大器系统作用距离达到百米 基于集成收发阵列的雷达系统研究也进展迅 瑞典查尔姆斯科技大学在2010年基于倍频链路 速 ,美国JPL实验室已成功研制340GH2雷达阵列 与外差接收链路实现 30 收发器，并计划将其应用于安检以实现视顿帧速 6.5%的大赫兹司 用固体物理研究所巴 2011 德国夫琅和费 的成像， JDL所实限的8元集成收发列大小、 or Appl 在大赫花 德国法兰克福大学与丹麦科技大学食 PA)合作 论研究与实验系统建设 收机与发射机模 取祖 进国 们基于 电子学信号源提出 收发模块上融合了基于0】 m砷化镓异局 效应 赫兹阵 方向利用线性收发阵进 体管技术的片上集成天线。 该集成收发模块可在 行扫抽 机械 布置 被动雷达成像与高速数据通信等方面产生重要应用。 图2所示。系统的线性阵列由8个发射阵元与16个 T2 u Ix/Rx-Array 工作茶意 图2线阵扫描合成孔径雷达 Fig.2 The linear array scaning SAR 100201Ch mal Electronic Publishing House.All rights erved /www.cnki.ne
2.1.1 固态电子学太赫兹雷达 固态电子学器件以 其相对先进的工艺技术成为目前太赫兹雷达实验系 统收发设备的主要构成。上世纪90年代末，美国弗 吉尼亚大学在GaAs肖特基二极管倍频技术方面获 得突破[13,14]，使得基于固态电子学倍频源的太赫兹 雷达技术向前迈进了一大步，后来在2004年分离形 成的VDI (Virginia Diodes Inc., VDI)成为业界在 固态电子学倍频源方面的主要代表。2008年美国加 州喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)研制成功0.6 THz雷达，是第1部具有高分辨 率测距能力的雷达系统[15]。由于接收端混频的参 考信号同样需要倍频并有一定差频，故采用双源结 构实现相干探测，这也成为目前太赫兹雷达的主流 架构。 欧洲以德国为首最早开展了相关系统研究，包 括瑞典、丹麦、英国、以色列、荷兰等国的研究机 构也纷纷基于不同方式建立了电子学太赫兹雷达试 验系统。2008年，德国高频物理与雷达技术研究所 (Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques, FGAN-FHR)在94 GHz毫 米波雷达(COBRA)的基础上研制了基于固态电子学 器件的220 GHz FMCW特征测量实验雷达[16,17]。 2013～2016年又研制了工作频率为0.3 THz的米兰 达(Miranda) 300实验雷达系统[18]，由于使用了低 噪声放大器系统作用距离达到百米量级。 瑞典查尔姆斯科技大学在2010年基于倍频链路 与外差接收链路实现了一部340 GHz、相对带宽 6.5%的太赫兹雷达[19]，2011年又与德国夫琅和费应 用固体物理研究所(Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics, IFA)合作研制成功频率220 GHz 单片集成的外差低噪接收机与发射机模块，并且在 收发模块上融合了基于0.1 μm砷化镓异质场效应晶 体管技术的片上集成天线。该集成收发模块可在主 被动雷达成像与高速数据通信等方面产生重要应用。 国内近几年有多家单位均开展了固态电子学太 赫兹雷达应用技术研究，并且在短时间内取得了一 些重要成果。中国工程物理研究院最早在2011年基 于自研的倍频发射链路和谐波混频器实现了140 GHz 雷达试验系统[20]，2013年集成搭建了670 GHz全固 态实验雷达[21]。2012年中科院电子所设计实现了一 种0.2 THz聚焦波束扫描系统，可对人体携带的隐 藏目标进行成像[22]。电子科技大学2014年研制了 340 GHz太赫兹雷达，最高带宽达到28.8 GHz。北 京理工大学则基于脉冲步进频信号体制研制了0.2 THz 雷达系统，并完成了分辨率与测距实验。由于太赫 兹雷达系统均采用大带宽信号实现距离向高分辨， 难点之一在于保证带宽范围内的频率调制线性度， 因为这将决定接收信号是否具有稳定的相位而利于 相干处理和提高分辨性能。因此研究不同的信号调 制方式如线性调频、步进频与编码信号等在太赫兹 雷达中的应用具有重要意义。 太赫兹雷达体制发展的另一个趋势是阵列天线 收发系统，包括采用小型化单片集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)的收发阵列 和稀疏布置的多发多收天线阵列。阵列天线的宽辐 射特性将会产生一个相对较大的视场，并且带来更 高的空间分辨率，基于孔径合成技术可以快速地实 现太赫兹雷达实时高分辨成像。 基于集成收发阵列的雷达系统研究也进展迅 速，美国JPL实验室已成功研制340 GHz雷达阵列 收发器[23]，并计划将其应用于安检以实现视频帧速 的成像，JPL所实现的8阵元集成收发阵列大小仅 为8.4 cm。德国法兰克福大学与丹麦科技大学合作 在太赫兹阵列雷达的理论研究与实验系统建设方面 取得了进展，他们基于固态电子学信号源提出一种 太赫兹阵列雷达系统，水平方向利用线性收发阵进 行扫描，垂直方向进行机械扫描，系统机械布置如 图2所示。系统的线性阵列由8个发射阵元与16个 (a) 结构示意图 (a) The schematic diagram (b) 工作示意图 (b) The function diagram 2 m 128 mm 8 mm -7 m Rx metal block (lop view) Tx Tx/Rx-Array: Tx/Rx primary mirror scanning mirror secondary mirror 图 2 线阵扫描合成孔径雷达 Fig. 2 The linear array scanning SAR 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 3
雷达学报 第7卷 接收阵元物成，丁作倾段为220一320GH2,对线 器件源的发射频率增加至太赫兹频段时，可挂祖的 性接收阵接收的勒据其后向投影法进行合成 发射功率急剧下降，作用距离受限，同时太赫兹法 气中传输损耗严重， 这些都使得太赫兹雷达 图像聚焦 公可在基 太赫兹雷达SynViewScanf的基础上也进 “步提出界 由于太赫 用多发多收天线与合成重建方法实现太赫兹实时成 ,太赫兹面 可以大 像可. 2.1.2真空电子学太赫兹雷达太赫兹电真空器件 2008年以来美国JPL基于周态电子学器件 以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统发展中具有 研制了580GHz,600GHz,670GHz频段调频连续 重要意义。最早关于真空电子学太赫兹雷达的报追 (Frequency Modulated Continuous Wave 是1988年马萨诸塞大学的McIntosh R E等人基于 FMCV)相参主动太赫兹雷达2-，利用带宽信号 当时真空器件扩展互作用振荡器(Extended Inter- 实现距离向高分辨，通过安装在双轴旋转台上的偏 轴椭球反射镜米完成波束聚焦与逐点扫描，实现 action oscillator.EIO)的发展在215CHz的大气 位向厘米级的分辨率，可对4一25远的隐藏目标 口附近实现了 一部高功率非相干脉冲雷达。随 进行3D成像。为提高帧率采用了两种方法：一种 在1991年佐治亚理工学院的Me Millan等人为美国 通过时分复用多径技术将单波束变成双波束先后照 军方提出并实现了225GHz脉冲相干实验雷达， 射目标，成像时间缩短一半：另一种方法通过设计 同样采用脉冲扩展互作用振荡器作为发射机， 发 前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描，时间 脉冲峰值功率达到6 全固态接收机基于四分 大大缩短。如图4所示为670GHz雷达的结构组成 之一次谐波混频器实现。这是当时第1部在如此高 框图以及对衣服下隐藏的3个直径1英寸的PVC管 的矫段实现锁相的相参雷达。但是受限于直空器件 的成像。 本身，无法实现大带信号的发射，只能利用该雷 此外，国内使用准光光路的太赫兹雷达系统还 有中国科学院电子所和中国工程物理研究院刀刃状 达进行目标的多普勒回波测量 太赫兹雷达由于波 波束准光扫描雷达但，网，频段分别为220GH2和340 长非常短，因此多普勒特征将非常明显，可以基于 G日2，不再整述。 多普勘特征识别目标的不同坛动部件。如图3所示 2.14片上大糕兹雷达太赫兹雷法由干波长 为225G日z脉冲相干雷达以及测得的履带坦克不同 包括收发前端、 。早 部位多普勒回 2011年， 奥地利的林 兰即研 述雷 系统受限于发射机体积与信号体制等 20 GHz FMCW雷边 米用SiGe心片 芯片组由 因素未能进一步走向实用，仅见基于扩展互作用放 包括压控振荡器的基波信号生成芯片和收发芯片组 大器(Extended Interaction Klystron.EK)的测z 成，尺寸仅为4×3.5cm网。2011年12月，德国法兰 雷达，以及国内基于EIO的345GHz近程ISAR系 克福研发团队在欧盟资助下研发出一款尺寸8mm× 设计（尚未实现）。太赫兹技术发展仍然面临可实用 8mm的122GHz雷达到，也是当时世界上最小的 太赫兹源与太赫兹探测技术的问题。当传统电子学 雷达芯片（图5(a)。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工 图325GH2脉冲雷达与测量结果 Fig.3 The 225 GHz pulse radar and tracked resul 1994-2018 China Academic Journal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.ne
接收阵元构成，工作频段为220～320 GHz，对线 性接收阵列接收的数据基于后向投影算法进行合成 图像重建，在2 ms内可以实现像素为128×128的 图像聚焦[24,25]。德国的SynView公司在基于全固态 太赫兹雷达SynViewScan的基础上也进一步提出采 用多发多收天线与合成重建方法实现太赫兹实时成 像[26]。 2.1.2 真空电子学太赫兹雷达 太赫兹电真空器件 以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统发展中具有 重要意义。最早关于真空电子学太赫兹雷达的报道 是1988年马萨诸塞大学的McIntosh R E等人基于 当时真空器件扩展互作用振荡器(Extended Interaction Oscillator, EIO)的发展在215 GHz的大气窗 口附近实现了一部高功率非相干脉冲雷达[3]。随后 在1991年佐治亚理工学院的Mc Millan等人为美国 军方提出并实现了225 GHz脉冲相干实验雷达[27]， 同样采用脉冲扩展互作用振荡器作为发射机，发射 脉冲峰值功率达到60 W，全固态接收机基于四分 之一次谐波混频器实现。这是当时第1部在如此高 的频段实现锁相的相参雷达。但是受限于真空器件 本身，无法实现大带宽信号的发射，只能利用该雷 达进行目标的多普勒回波测量。太赫兹雷达由于波 长非常短，因此多普勒特征将非常明显，可以基于 多普勒特征识别目标的不同运动部件。如图3所示 为225 GHz脉冲相干雷达以及测得的履带坦克不同 部位多普勒回波。 上述雷达系统受限于发射机体积与信号体制等 因素未能进一步走向实用，仅见基于扩展互作用放 大器(Extended Interaction Klystron, EIK)的测云 雷达，以及国内基于EIO的345 GHz近程ISAR系统 设计(尚未实现)。太赫兹技术发展仍然面临可实用 太赫兹源与太赫兹探测技术的问题。当传统电子学 器件源的发射频率增加至太赫兹频段时，可获得的 发射功率急剧下降，作用距离受限，同时太赫兹波 在大气中传输损耗严重，这些都使得太赫兹雷达技 术应用受限。 2.1.3 基于准光的电子学太赫兹雷达 由于太赫兹 波具有近光学特点，太赫兹雷达可以大量使用准光 器件对波束进行调控，这也是太赫兹雷达的鲜明特 点之一。2008年以来美国JPL基于固态电子学器件 研制了580 GHz, 600 GHz, 670 GHz频段调频连续 波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)相参主动太赫兹雷达[28–31]，利用带宽信号 实现距离向高分辨，通过安装在双轴旋转台上的偏 轴椭球反射镜来完成波束聚焦与逐点扫描，实现方 位向厘米级的分辨率，可对4～25 m远的隐藏目标 进行3D成像。为提高帧率采用了两种方法：一种 通过时分复用多径技术将单波束变成双波束先后照 射目标，成像时间缩短一半；另一种方法通过设计 前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描，时间 大大缩短。如图4所示为670 GHz雷达的结构组成 框图以及对衣服下隐藏的3个直径1英寸的PVC管 的成像。 此外，国内使用准光光路的太赫兹雷达系统还 有中国科学院电子所和中国工程物理研究院刀刃状 波束准光扫描雷达[22,32]，频段分别为220 GHz和340 GHz，不再赘述。 2.1.4 片上太赫兹雷达 太赫兹雷达由于波长短， 包括收发前端、天线在内都具有芯片化潜力。早在 2011年，奥地利的林茨约翰•开普勒大学即研发了 120 GHz FMCW雷达。采用SiGe芯片，芯片组由 包括压控振荡器的基波信号生成芯片和收发芯片组 成，尺寸仅为4×3.5 cm[33]。2011年12月，德国法兰 克福研发团队在欧盟资助下研发出一款尺寸8 mm× 8 mm的122 GHz雷达[33]，也是当时世界上最小的 雷达芯片(图5(a))。2014年，德国卡尔斯鲁厄理工 (a) 雷达实物图 (a) The picture of the radar (b) 履带坦克多普勒回波测量结果 (b) The Doppler echo of tracked tank Power (dB) -30 -70 0 Frequency (Hz) 10K Track foldover Body Body foldover Track 图 3 225 GHz脉冲雷达与测量结果 Fig. 3 The 225 GHz pulse radar and tracked result 4 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 学院研制成功122GHz小型短距离雷达传感器到 2.2光学太赫兹雷达 (图51)。2015年，德国乌尔极大学研发了110 221时域雷达时域雷状是太赫时域业普技术 40GH2可重构雷达前端集成电路， 与雷达技术相结合的相干雷达系统， 具有频段高( 30GHz。 20 工程与射频系统研 THz以上) 带宽大 (距离)分辨率 究所研发出 类成D波 息丰富 成小型化等 存在功率低 双向FMCW雷达传感器，功耗为560mW,封装尺 集效率低、 光斑小（波束窄）波形固定等问题，但 寸为12mm×6mm 在无损检测、RCS测量等特定场景有若独特的应 在更高的240GHz频段，2013年德国波鸿大学 用。2000年以来，美国、德国、丹麦等国家以及国 研发了一种基于SiGe mmic的240GHz雷达传感 内首都师范大学、国防科技大学竿相继研制了 器，用于实现高分辨成像。该雷达带宽超过60GHz TDS系统，当其以反射方式用于目标测量时可视为 包括单片微波集成电路(Monolithic Micro 时域雷达。目前，主流工作频段为0.13TⅡz,国 ated Cireuit.MMIC芯片和数字控制模块」 外最高频段可达5一6THz,并往手持式、无需激 雷达能够实现204 一65日2的速 高线性频率 光激励LS ee)方向发展 扫描 最大输出功率约为 dBm 远红外激 光器 远红外激光器主要指光 德国伍珀塔尔 大学研发 泵浦气体激光器，它通过高功率的CO,激光器泵浦 收发芯片的240GHz圆形极化SiGe FMCW雷达系 甲醇、甲酸等气体，通过气体的转动跃迁产生单频 统。该系统可用于各种短距离应用，例如SARS 太赫兹波，如有两路输出即可形成相干的远红外激 AR成像和3-D扫描成像等可。 光器雷达。主要特点是输出的太赫兹波是单频信 ub-ref 且标的于像结果 图4670GH雷达 图与成像结果 Fig.4 The 670 GH h 122G81.0 图5太赫茗雷达芯片 Fig.5 The terahertz radar on chip 1004-2018 Chin Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
学院研制成功122 GHz小型短距离雷达传感器[34] (图5(b))。2015年，德国乌尔姆大学研发了110～ 140 GHz可重构雷达前端集成电路，带宽可达 30 GHz[35]。2016年奥地利通信工程与射频系统研 究所研发出一种基于130 nm SiGe的全集成D波段 双向FMCW雷达传感器，功耗为560 mW，封装尺 寸为12 mm×6 mm[32]。 在更高的240 GHz频段，2013年德国波鸿大学 研发了一种基于SiGe MMIC的240 GHz雷达传感 器，用于实现高分辨成像。该雷达带宽超过60 GHz， 包括单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC)芯片和数字控制模块。 雷达能够实现204～265 GHz的快速、高线性频率 扫描，最大输出功率约为–1 dBm EIRP[ 3 6 ]。 2014年，德国伍珀塔尔大学研发出一种基于具有单 收发芯片的240 GHz圆形极化SiGe FMCW雷达系 统。该系统可用于各种短距离应用，例如SAR/ISAR成像和3-D扫描成像等[37]。 2.2 光学太赫兹雷达 2.2.1 时域雷达 时域雷达是太赫兹时域光谱技术 与雷达技术相结合的相干雷达系统，具有频段高(2 THz以上)、带宽大、时间(距离)分辨率高、频谱信 息丰富、集成小型化等优势，尽管存在功率低、采 集效率低、光斑小(波束窄)、波形固定等问题，但 在无损检测、RCS测量等特定场景有着独特的应 用。2000年以来，美国、德国、丹麦等国家以及国 内首都师范大学、国防科技大学等相继研制了 TDS系统，当其以反射方式用于目标测量时可视为 时域雷达。目前，主流工作频段为0.1～3 THz，国 外最高频段可达5～6 THz，并往手持式、无需激 光激励(Laser-free)方向发展。 2.2.2 远红外激光器雷达 远红外激光器主要指光 泵浦气体激光器，它通过高功率的CO2激光器泵浦 甲醇、甲酸等气体，通过气体的转动跃迁产生单频 太赫兹波，如有两路输出即可形成相干的远红外激 光器雷达。主要特点是输出的太赫兹波是单频信 (a) 组成结构框图 (a) The picture of structure composition (b) 隐藏目标的躯干成像结果 (b) The torso imaging of conceal target 1 second, 65×69 pixels image main aperture 660～690 GHz beam path sub-reflector feed reflector rotating mirror rotating mirror THz transceiver and back-end electronics 图 4 670 GHz雷达框图与成像结果 Fig. 4 The 670 GHz radar and the imaging result (a) 当时最小的雷达芯片 (a) The minimal radar chip (b) 122 GHz小型短雷达 (b) The 122 GHz miniature radar RX2 RX1 TRX chips signal generation downconverter TX1 TX2 图 5 太赫兹雷达芯片 Fig. 5 The terahertz radar on chip 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 5