太赫兹雷达及其隐身技术

邱桂花 于名讯 韩建龙 张瑞蓉 陈宝林 潘士兵

(中国兵器工业集团第五三研究所 济南 250031)

0 引言

太赫兹波是指频率介于毫米波与红外光之间相当宽范围的电磁辐射区域，通常指频率为0.1THz到10THz(波长为3000 至30 微米)之间的辐射。太赫兹波具有带宽很宽、穿透性强、安全性好等优点，在军事侦查、医学成像、材料科学、射电天文、物理学等方面具有广阔的应用前景。

1 太赫兹雷达

1.1 太赫兹雷达特点

太赫兹雷达是太赫兹波在军事领域应用研究中最重要的研究方向，目前主要开展的是主动式太赫兹雷达的研究，利用目标和背景对THz 波的反射率的不同发现目标。与红外雷达和激光雷达相比，太赫兹雷达具有良好的穿透烟雾、沙尘的能力，可用于探测敌方隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员，以及烟雾沙尘中的军事装备，可以实现全天候工作。与普通微波、毫米波雷达相比，太赫兹雷达波长更短、带宽更宽，具有传载信息能力强、抗干扰能力强、探测精度高、角度分辨率高等优点，因此它在战场侦察、目标识别与跟踪等方面有着广阔的应用前景。此外利用太赫兹辐射穿透地面的特点，可用来探测地下的雷场分布。

太赫兹雷达工作频率可选在太赫兹波衰减小的大气窗口内，太赫兹波在1.40THz 以下和1.50THz、1.98THz、2.52THz 等频率附近存在着许多个相对透明的大气窗口。但是因大气中水等分子的吸收，太赫兹波在地面附近的衰减比微波大得多。0.1～1THz 的大气窗口内，衰减系数介于0.04dB/km～100dB/km［1］。大气衰减限制了太赫兹雷达在地面附近远距离探测中的应用，太赫兹雷达应于远距离成像和探测还需要深入的探索。

1.2 太赫兹雷达国内外的研究现状

美国国防部、航空航天局和空军相继投入了大量资金支持宽波段、大功率太赫兹辐射源和超灵敏检测装置和成像技术的研究，欧共体也投入大量资金研发可应用于通信、雷达、成像及遥感的太赫兹器件。目前，美国已研制成功了0.225THz、0.35THz、0.58THz、0.67THz、1.56THz、2.4THz 等不同频段的高分辨率太赫兹成像雷达，德国研制成功了0.22THz COBRA ISAR 成像系统。太赫兹雷达就成像体制而言可以分为扫描成像、合成孔径雷达(SAR)成像和逆向合成孔径雷达(ISAR)成像。

近几年，国际上有报道的主要的太赫兹雷达系统有美国马萨诸塞大学的1.56THz 成像系统［2］，美国西北太平洋国家实验室的0.35THz 成像系统［3］，美国喷气推进实验室的工作频率位于0.56～0.635THz、0.66～0.69THz、0.675THz 的几部太赫兹雷达成像系统［4-6］，德国应用科学研究所的0.22THz COBRA ISAR 成像系统［7］、0.23～0.32THz三维成像系统，以色列0.33THz 扫描成像系统，苏格兰0.34THz 三维扫描成像雷达、瑞典0.21THz 三维ISAR 成像雷达。太赫兹雷达就成像体制而言可以分为扫描成像、合成孔径雷达(SAR)成像和逆向合成孔径雷达(ISAR)成像。

美国马萨诸塞大学用自行开发的1.56THz 成像系统［2-3］对坦克缩比模型、军用车辆等几种军用设备进行了ISAR 成像，达到了3.5cm 高分辨力;该雷达也可计算出目标的二维图像，对雷达散射截面RCS 也有很高的灵敏度。1.56THz 雷达成像系统对军用设备的成像结果见图1。

德国应用科学研究所研制的COBRA-220 雷达成像系统［7］，工作频率0.22THz，基于LDMCW 雷达体制，脉宽120ms，扫频带宽8GHz，功率20mW，在200m 距离上实现了1.8cm 的距离分辨力。

美国国防部先进研究项目局从2012 年5 月开始计划用2 年时间开发出基于视频合成孔径雷达ViSAR，雷达工作频段0.2315THz～0.235THz，项目目标是能够透过云层、灰尘和其他遮蔽物进行ViSAR 成像，并能够定位机动目标［8］。为了支持定位机动目标，ViSAR 系统需要在100m 直径的监视范围，以5 帧/s 的速率得到近似0.2m 的SAR 分辨力。ViSAR 系统还必须能够探测和跟踪移动车辆并对其进行重新定位，并将图像返回到适当的位置上。

国内多家单位也开展了太赫兹雷达的研究。中国工程物理研究院研制了0.14THz［9］、0.67THz［10］高分辨力逆合成孔径雷达系统，通过宽带ISAR 进行实时成像处理，获得了太赫兹高分辨力ISAR 成像。0.14THz ISAR 雷达系统信号带宽≥5GHz，二维成像分辨率3cm×3cm;0.67THz 雷达系统发射信号带宽28.8GHz，成像分辨力达到1.3cm。此外，中科院电子所、首都师范大学、北京理工大学等单位也在进行太赫兹雷达的研究。

2 太赫兹隐身技术

太赫兹雷达的蓬勃快速发展及其在军事领域的广阔的应用前景使得太赫兹隐身技术的研究变得十分重要。目前武器装备广泛采用的隐身技术主要是针对已有的探测技术而设计的，对毫米波雷达、厘米波雷达以及红外探测具有很好的隐身能力，但是对超宽带太赫兹雷达的隐身效果可能不明显，因此针对太赫兹雷达探测技术的隐身技术和隐身材料的研究也已经开始。从上世纪90 年代开始，美国在开展太赫兹雷达研究的同时，就开始了太赫兹吸波材料的研究，主要进行的是泡沫型太赫兹吸波材料和太赫兹吸波涂层的研究。近几年，太赫兹波段的左手材料和屏蔽材料的研究也有报道。

2.1 泡沫型太赫兹吸波材料

泡沫型吸波材料是在聚氨酯海绵或硅橡胶中掺入特殊配方的吸收剂(或有耗煤质)制成的。电磁波经过吸波材料，使其内部填充的吸收剂(或有耗媒质)产生分子振动作用，从而将电磁能转换成热能，使通过金属壁面反射的电磁波得到有效的抑制。泡沫型吸波材料一般有角锥形和平板形两种形状。角锥形结构使得电磁波在锥间被充分反射和吸收，损耗较大，但锥尖容易折断;平板形结构对电磁波的损耗较小，但易安装，对环境的适应性较强。

图2 为美国专利US 5260513［11］报道的一种楔形的硅橡胶太赫兹吸波材料，该吸波材料楔形结构的凹槽角度为22.5o，用氧化铁作为吸收剂，对0.3THz～3.0THz 的太赫兹波的吸收大于-60dB。美国专利US 4942402［12］报道了一种角锥形的硅橡胶太赫兹吸波材料，该吸波材料用硅酸土作为填充物，可吸收0.5THz～2.5THz 的太赫兹波。

图2 专利US5260513 报道的THz 吸波材料的结构和反射率

英国Tomas Keating 公司的角锥形吸收材料TK THz RAM 对入射角度为0o～45o的0.31THz 的太赫兹波的反射率达-60dB［13］，垂直入射的0.406THz、0.576THz 和0.672THz 的太赫兹波的反射率分别为-48dB、-42dB 和-35dB［14，15］。美国马萨诸塞洛厄尔大学的楔形微波吸收材料FIRAM-500 和TERASORB-500 和比利时Emerson and Cuming Microwave 公司的角锥形微波吸收材料Eccosorb VFX-NRL-2 对0.31THz 的太赫兹波的反射率也可达-40dB 左右［13］。

2.2 太赫兹吸波涂层

吸波涂料主要由吸收剂和成膜基体两部分组成，然后通过喷涂、刷涂等工艺将其涂覆在要求隐身的器件或装备表面。吸波涂层施工方便，应用灵活，容易在结构复杂的表面使用，是目前应用最广泛的隐身技术之一，但吸波涂层的吸收性能比泡沫型吸波材料小的多。

美国马萨诸塞大学Gatesman 等［16］将不锈钢材料均匀的分散在高分子树脂中，制备了不同厚度的Dallenbach 涂层。涂层的反射率由介电材料的含量和涂层的厚度决定。Dallenbach 涂层在0.585THz的RCS 为-27dB，但吸收频段很窄。印度Dubey等［17］用热塑性聚氨酯做粘合剂，碳纤维、炭黑、聚苯胺、玻璃微珠和铝粉等多种材料为吸收剂，制备了多层结构的复合涂层，涂层厚度为2～3mm 时，涂层在1～2THz 的最低反射率达到了-30dB。

图3 文献16 报道的Dallenbach 涂层的反射率

2.3 左手材料

左手材料在一定的频段下具有负的磁导率和负的介电常数，因此拥有和常规材料不同的特性，在隐身材料领域具有独特的优势。左手材料的奇异特性并非取决于它的结构成分的基本物理性质，而是取决于包含在结构里面的特殊格局的形状和分布。左手材料要求其内部尺寸必须小于电磁波的波长，太赫兹波段的电磁波波长为微米量级，所以太赫兹波段的左手材料的制备必须依赖于微纳米加工技术。

美国波士顿大学Tao 等设计制备了具有开关功能的基于人工电磁媒质层的太赫兹吸收材料，利用Al 和SiNx 双层材料的不同热膨胀系数通过控制室温控制开关功能，开关断开时，该材料对0.75THz太赫兹波的透过率为0［18］。中国专利200910216064.4［19］公开了一种太赫兹波平面吸收材料，先在衬底表面制备连续金属反射层，然后制备介质层，再在介质层上制备人工电磁媒质层，该吸收材料具有2 个强吸收频带。

3 结论

世界各国投入大量的资金支持太赫兹雷达及太赫兹辐射源和探测器件的开发，各种太赫兹探测技术获得迅猛快速并不断并应用。太赫兹雷达一旦获得广泛应用，将对现有武器装备构成重大威胁。太赫兹隐身材料和技术研究是针对蓬勃发展的太赫兹雷达而开展的。美国最早投入太赫兹隐身技术的研究，截止目前在太赫兹波段具有隐身性能的泡沫型吸波材料、吸波涂层和左手材料的研究都已有研究报道。我国在太赫兹隐身材料的研究较晚，为了达到国外太赫兹隐身技术的研究水平，应加快太赫兹隐身材料和技术的研究。

图4 文献18 的吸收材料照片(a)和测试结果(b)

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