6 雷达学报 第7卷 号、烦密稳定性高、在很密的频段范用内可以间断 子激光器作为本振并将O江锁频到其上，保正发身 调谐，功率可达毫瓦甚至百毫瓦，是太赫兹高频段 要的相干源 关国马萨诸塞大学 当装其 极管湿颊哭】 实现对旋转 标的相干成像。图6为该 保证着 系统 原理图以及 Laboratory,STL)相继研制了0.32,0.52,0.58 对1/72 的缩比T80BV坦克模型的成像结果 1.56GHz远红外激光器宙达4，并尝试从点频打 此外，光学太赫兹雷达还有光电导阵列雷达 展到宽带。日本也研制成功800mW,6.3THz高功 光差频雷达、太赫兹相干/非相干焦平面雷达、太 率远红外激光器源。国内天津大学基于单路激光累 赫蕊光子学雷达等形式少量见诸文献报道。其中太 搭建了非相干远红外激光器雷达，但信噪比比较低网。 赫兹光子学雷达把接收到的太赫兹波通过电光转换 中国工程物理研究院研制的183mW,2.52TⅡ 变到光的频段，后进行光的滤波、放大等处理 OPL代表了闲内局高水平，但在雷达集成与应用方 并利用干涉、光外差或光学CCD阵列提取太赫装 面未开展相关研究 信息，目前尚在实验阶段。总体而言， 米学太 223QCL雷达量子级联激光器(G 香达由于功率、 光斑等限制， 主要用于近距离室内 Laser,QCL)能够在 从探测应用上看不如电子学 太林兹雷达前景 10mW太赫兹辐射。STL在2010年基于QCL实现 了一部2.408THz相干雷达4阿，它利用光抽运分 太赫兹雷达系统的整个发展历程如图7所示。 AP BS 2 VZ1V 创T发原理图 图624TH成像雷达框图与成像结米 3太赫兹雷达目标特性 律尤为重要。太赫滋波与物质材料的相互作用能够 目标特性是太赫兹雷达论证、设计以及实际应 激发材料的品格振动声子，由于声子与电子摇合产 用的共性基础问题。在太赫兹频段，金属材料的介 生特殊的电磁散射效应，使得太抹滋波段的散射特 电特性处于从导体到介质的过渡，目标细微结构处 性不是简单的高频外推 ，必须把宏观电磁理论与微 于从不可见到可见的过渡，目标表面处于从光滑到 观机理相结 从而推广经典D le模型并建 粗糙的过渡，散射行为处于从镜面反射到漫反射的 兹波 电磁介电响 应模型以计算全 电参 过渡。这个过渡频段的诸多特性长期以来没有得到 此外，太赫兹波段材料介电响应试验 充分研究，导致对太赫兹频段目标散射机理、目标 现出许多复杂的行为，比如部分材料响应函数敏感 散射特性获取等问题认知上的“太赫兹G即”。近 F环境温度阿。这类新出现的矛盾人们希望能够从 年来，各国研究机构对这一问题高度重视，相关研 量子力学水平进行解释并揭示内在规律。 究获得了长足的发展。下面分别从3个方面回顾近 目前，国内外针对太赫兹频段目标材料散射机 年来该领域取得的研究成果。 理的研究基本处于空白状态。2014年以来，国防利 3.1目标散射机理 技大学联合航天科工207所针对这一间题展开了前 由干太赫波段介申响应己经跨入了微观理论 性研究。由干在太频段申参数变化的机西 当不 确 电响应敏感于材料种 理紧密联系，掌握材料介电参 在该频段的变化 子电子耦合等 在构 造材料哈密方 品体结构 顿最时存在 1994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
号、频率稳定性高、在很宽的频段范围内可以间断 调谐，功率可达毫瓦甚至百毫瓦，是太赫兹高频段 主要的相干源。1993年以来，美国马萨诸塞大学亚 毫米波技术实验室(Submillimeter-wave Techniques Laboratory, STL)相继研制了0.32, 0.52, 0.58, 1.56 GHz远红外激光器雷达[38–42]，并尝试从点频扩 展到宽带。日本也研制成功800 mW, 6.3 THz高功 率远红外激光器源。国内天津大学基于单路激光器 搭建了非相干远红外激光器雷达，但信噪比比较低[43]。 中国工程物理研究院研制的183 mW, 2.52 THz OPL代表了国内最高水平，但在雷达集成与应用方 面未开展相关研究。 2.2.3 QCL雷达 量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)能够在1 THz以上提供平均功率大于 10 mW太赫兹辐射。STL在2010年基于QCL实现 了一部2.408 THz相干雷达[44,45]，它利用光抽运分 子激光器作为本振并将QCL锁频到其上，保证发射 与接收信号的相位稳定性，接收端与参考通道采用 一对肖特基二极管混频器，保证系统实现对旋转目 标的相干成像。图6为该雷达系统组成原理图以及 对1/72的缩比T80BV坦克模型的成像结果。 此外，光学太赫兹雷达还有光电导阵列雷达、 光差频雷达、太赫兹相干/非相干焦平面雷达、太 赫兹光子学雷达等形式少量见诸文献报道。其中太 赫兹光子学雷达把接收到的太赫兹波通过电光转换 变到光的频段，然后进行光的滤波、放大等处理， 并利用干涉、光外差或光学CCD阵列提取太赫兹 信息，目前尚在实验阶段。总体而言，光学太赫兹 雷达由于功率、光斑等限制，主要用于近距离室内 实验，从探测应用上看不如电子学太赫兹雷达前景 广阔。 太赫兹雷达系统的整个发展历程如图7所示。 3 太赫兹雷达目标特性 目标特性是太赫兹雷达论证、设计以及实际应 用的共性基础问题。在太赫兹频段，金属材料的介 电特性处于从导体到介质的过渡，目标细微结构处 于从不可见到可见的过渡，目标表面处于从光滑到 粗糙的过渡，散射行为处于从镜面反射到漫反射的 过渡。这个过渡频段的诸多特性长期以来没有得到 充分研究，导致对太赫兹频段目标散射机理、目标 散射特性获取等问题认知上的“太赫兹Gap”。近 年来，各国研究机构对这一问题高度重视，相关研 究获得了长足的发展。下面分别从3个方面回顾近 年来该领域取得的研究成果。 3.1 目标散射机理 由于太赫兹波段介电响应已经跨入了微观理论 的区域，太赫兹波段的新现象和新技术都与微观机 理紧密联系，掌握材料介电参数在该频段的变化规 律尤为重要。太赫兹波与物质材料的相互作用能够 激发材料的晶格振动声子，由于声子与电子耦合产 生特殊的电磁散射效应，使得太赫兹波段的散射特 性不是简单的高频外推，必须把宏观电磁理论与微 观机理相结合，从而推广经典Drude模型并建立太 赫兹波段的电磁介电响应模型以计算全频段介电参 数[46]。此外，太赫兹波段材料介电响应试验结果呈 现出许多复杂的行为，比如部分材料响应函数敏感 于环境温度[47]。这类新出现的矛盾人们希望能够从 量子力学水平进行解释并揭示内在规律。 目前，国内外针对太赫兹频段目标材料散射机 理的研究基本处于空白状态。2014年以来，国防科 技大学联合航天科工207所针对这一问题展开了前 瞻性研究。由于在太赫兹频段介电参数变化的机理 尚不明确，介电响应敏感于材料种类、晶体结构、 声子电子耦合等，在构造材料哈密尔顿量时存在诸 (a) 收发原理图 (a) The transceiver schematic diagram (b) 1/72 的缩比坦克模型 2 维成像结果 (b) The imaging result of 1/72 scaling tank -45 -13 OAP 1 OAP 3 OAP 5 OAP 6 BS 4 BS 3 BS 1 BS 2 OAP 4 OAP 2 Ret. SD Rec. SD Spherical mirror 1 Spherical mirror 3 Spherical mirror 2 Spatial filter QCL OPL 图 6 2.4 THz成像雷达框图与成像结果 Fig. 6 The 2.4 THz radar and the imaging result 6 雷 达 学 报 第 7 卷
第1期 王宏强等：太赫兹雷达技术 类风华青 运是环光在蓄选 美国时域雷达 美国L准光雷达 德国FC狄C 关国vDI30c雷达 关ISTL QCL站 中电 电子所20G达 电地桂大法 防科大20C车我需 中物院340C准光雷达 图7太赫兹雷达系统发展历程 Fig7 The developing proce of tera ertz radaT 多不确定因素。需要改进和发展非局域理论和电子 赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电 光量子与声量子相互作用理论， 效介电 磁代码联合 响应模型， BMCC织开发 ooting and 材料介电响应特性来源于原子种类、原子结构 Bouncing Ray,SBR)技术的X-Patch电磁计算钱 和电子能带等微观物理特性。为能够给出介电响应 该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实 近似解析的表达形式，航天科工207所采用玻尔兹 现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达 曼方程来描述材料中大量电子运动规律，并研究材 像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸 料受到太赫兹波激励后其电子分布函数弛豫回到平 塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太林兹 衡态的过程，其中电子弛豫时间是微观机理所阐 频段目标RCS计算，并与实测结果进行了比较，得 述，提出了空间非局域、时间非局域、申子由子规 到了较为一致的结果网，如图8所示，但仅能计算 合和电子声子耦合4种可能的新机理，给出 小尺寸目标 太赫兹 领段材料介电参数拟 在 、过 太赫 频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可 金属、 氧化 物等材料的实验比对中 到较好的 见到可见的过渡区域 相关量研究表明太赫 证，为揭示太赫兹波与物质相互作用规律和提供典 段下目标表面的亚被长租糙和细微结构对电酸散号 型材料全频段介电参数提供了依据。 行为其有重要影响，因此，为了史准确地对太赫 3.2目标散射特性建模与计算 频段（尤其高频段）目标散射特性进行建慎，目标表 目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性 面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因 的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙 素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰 表面目标，表面细微结构散射较强不可忽略，且是 法(Small Perturbation method.SPM)、吉尔霍夫 超申大尺计目标，这是太兹段目标做射特性硅 ximation.A}、 小斜率近们 模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性 两种技术途径： 种是由 波/毫米波向 (Two S etho TSM)等。 法是在大从 一种是由光学频段向下扩 蓝段的适用性也有部分 进行了研 ,包括关 微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太 STL实验室 可、波特兰大学 、德国的Jansen 1002018Ch ou al Electronic Publishing House All rights rved www.cnki.ne
多不确定因素。需要改进和发展非局域理论和电子、 光量子与声量子相互作用理论，给出经典等效介电 响应模型，揭示太赫兹频段材料散射的新机理[48]。 材料介电响应特性来源于原子种类、原子结构 和电子能带等微观物理特性。为能够给出介电响应 近似解析的表达形式，航天科工207所采用玻尔兹 曼方程来描述材料中大量电子运动规律，并研究材 料受到太赫兹波激励后其电子分布函数弛豫回到平 衡态的过程，其中电子弛豫时间是微观机理所阐 述，提出了空间非局域、时间非局域、电子电子耦 合和电子声子耦合4种可能的新机理，给出了典型 太赫兹频段材料介电参数拟合模型，在纯铝、过渡 金属、氧化物等材料的实验比对中得到较好的验 证，为揭示太赫兹波与物质相互作用规律和提供典 型材料全频段介电参数提供了依据。 3.2 目标散射特性建模与计算 目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性 的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙 表面目标，表面细微结构散射较强不可忽略，且是 超电大尺寸目标，这是太赫兹频段目标散射特性建 模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性可 采用两种技术途径：一种是由微波/毫米波向上扩 展，另一种是由光学频段向下扩展。 微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太 赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电 磁代码联合体(ElectroMagnetic Code Consortium, EMCC)组织开发了基于弹跳射线(Shooting and Bouncing Ray, SBR)技术的X-Patch电磁计算软件[49]， 该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实 现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达 像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸 塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太赫兹 频段目标RCS计算，并与实测结果进行了比较，得 到了较为一致的结果[50]，如图8所示，但仅能计算 小尺寸目标。 太赫兹频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可 见到可见的过渡区域。相关测量研究表明太赫兹频 段下目标表面的亚波长粗糙和细微结构对电磁散射 行为具有重要影响。因此，为了更准确地对太赫兹 频段(尤其高频段)目标散射特性进行建模，目标表 面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因 素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰 法(Small Perturbation Method, SPM)、吉尔霍夫 近似(Kirchhoff Approximation, KA)、小斜率近似 法(Small Slope Approximation, SSA)、双尺度法 (Two Scale Method, TSM)等。这些方法是在太赫 兹频段的适用性也有部分学者进行了研究，包括美 国STL实验室[51]、波特兰大学[52]、德国的Jansen 真空电子学太赫兹雷达 光学太赫兹雷达 固态电子学太赫兹雷达 准光电子学太赫兹雷达 1988 美国佐治亚理工学院 225 GHz相干脉冲多普勒测量雷达 美国马萨诸塞大学215 GHz 高功率非相干脉冲雷达 1991 1993 马萨诸塞大学 远红外激光器雷达 美国时域雷达 2000 美国JPL准光雷达 2008 德国FGAN 220 GHz 电子学雷达 美国VDI 330 GHz雷达 2010 美国STL QCL雷达 2011 中物院140 GHz 电子学雷达 电子所220 GHz雷达 2012 2013 2014 德国Miranda 300 GHz电子学雷达 电子科技大学 300 GHz电子学雷达 2015 欧盟TeraSreen准光雷达 国防科大200 GHz车载雷达 2016 中物院340 GHz准光雷达 图 7 太赫兹雷达系统发展历程 Fig. 7 The developing process of terahertz radar 第 1 期 王宏强等：太赫兹雷达技术 7