太赫兹雷达系统

太赫兹波泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，波长对应3mm～30μm，狭义的太赫兹指0.3～3THz，位于微波和红外之间，处于电子学向光学的过渡频段。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。

图1太赫兹波产生辐射方式

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220GHz电子学器件发展水平如表1所示。

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。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(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,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340GHz雷达阵列收发器，如图2所示。

图2线阵扫描合成孔径雷达

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，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。

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。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3所示为670GHz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。

图3 670GHz雷达框图与成像结果

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，在更高的240GHz频段，2013年德国波鸿大学研发了一种基于SiGeMMIC的240GHz雷达传感器，用于实现高分辨成像。该雷达带宽超过60GHz，包括单片微波集成电路(MonolithicMicrowaveIntegratedCircuit,MMIC)芯片和数字控制模块。雷达能够实现204～265GHz的快速、高线性频率扫描，最大输出功率约为–1dBmEIRP。

光学太赫兹雷达

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(2THz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。目前，主流工作频段为0.1～3THz，国外最高频段可达5～6THz，并往手持式、无需激光激励(Laser-free)方向发展。

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。

量子级联激光器(QuantumCascadeLaser,QCL)能够在1THz以上提供平均功率大于10mW太赫兹辐射，STL在2010年基于QCL实现了一部2.408THz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，该雷达系统组成原理及成像效果，如图4所示。

图4 QCLTHz成像雷达框图与成像结果

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。

太赫兹雷达的应用

太赫兹波由于其高频率、强穿透力、瞬态性、光谱特征等特性，在近距离通信、保密通信、空间通信、外天空通信与雷达探测成像领域具有广泛的应用场景。太赫兹通信技术可用于远距离卫星之间的空间通信，实现卫星互联与星间组网，是天基网络不可或缺的一环。利用太赫兹通信技术，可实现空中机载平台与地面设备和主控平台之间的连接，实现空间与地面的组网；其组网形式可由图5所示。太赫兹对远红外和微波技术具有很好的互补性，近年来各国对太赫兹技术进行了研究，特别是太赫兹技术在雷达上的应用研究取得了相应的成果

图5太赫兹技术应用场景示意图

【图/文 玉贵升】