太赫兹FMCW雷达近感探测技术

成彬彬， 江 舸， 杨 陈， 蔡英武

（1．中国工程物理研究院太赫兹研究中心，四川 绵阳621900；2．中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳621900）

0 引言

太赫兹波是指频率在0．1 THz～10 THz之间的电磁波，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，也是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。在近感探测应用方面，由于太赫兹波长短，且较易做到5 GHz以上的带宽，因此与微波、毫米波相比，太赫兹雷达在测距精度、探测分辨力等方面具有诸多优势［1］。

近年来，国外太赫兹雷达的研究已广泛开展，美国JPL（喷气推进实验室）着眼于倍频的太赫兹源产生机理，开展了大量基础理论和系统研究，先后研制出580 GHz、600 GHz和675 GHz等不同载频的雷达系统，并用于近感成像，分辨力分别达到1．8 cm、2 cm和1 cm，其中值得一提的是其2011年研制出的675 GHz成像雷达，分辨力已达到亚厘米级，作用距离25 m［2］；德国FGAN（应用科学研究所）也是采用倍频技术，于2007年研制出工作频率220 GHz的太赫兹成像雷达COBRA－220，作用距离200 m，成像分辨力达到1．8 cm［3］；美国陆军国家地面情报中心与马萨诸塞州大学则另辟蹊径，将高频率稳定度的太赫兹量子级联激光器（TQCL）作为其高分辨成像的辐射源，CO2泵浦激光器作为本振，实现了对飞机坦克等战术目标模型的高分辨ISAR成像，在1．56 THz、3．4 THz和2．5 THz的频率上实现了亚毫米级的成像分辨力［4］。国内目前只有电子科技大学和中国工程物理研究院在太赫兹雷达研制方面取得了一定的成果［5］，其中，中国工程物理研究院太赫兹研究中心研制的0．14 THz ISAR成像雷达的发射信号带宽5 GHz，距离分辨力达到3 cm，并具备二维成像功能［6］，可通过适当改进，将其应用于近感探测，本文将对其中存在的关键技术问题进行探讨。

1 太赫兹雷达近感探测技术

1．1 太赫兹雷达近感探测原理

太赫兹近感探测采用线性调频连续波（LFMCW）的工作模式，其发射信号的时宽远大于回波信号的时延，而且发射机和接收机同时工作，可满足近距离无盲区探测的需求。同时LFMCW的信号带宽为5 GHz，理论上可获得3 cm的距离分辨力，且在接收端采用stretch技术实现脉冲压缩，降低信号处理带宽，从而降低数字信号处理的压力。

太赫兹雷达近感探测的原理框图，如图1所示，主由天馈、发射链路、接收链路、基带单元等部分组成，数字信号处理部分兼顾雷达控制功能，通过三角波发生器和一个线性调频源产生3 GHz～8 GHz的对称三角线性调频连续波信号（ST－LFMCW），带宽5 GHz，该信号功分两路，一路馈入发射链路，通过谐波混频实现上变频到太赫兹波段，放大后经天线发射出去，太赫兹波与目标作用后的散射回波经接收天线收集进入接收链路，通过低噪放放大，谐波混频到达基带，与3 GHz～8 GHz源的另一路功分信号混频完成去斜，成为窄带信号，经高速采样后进入信号处理单元，完成目标信息的提取，并将处理结果通过总线上报中控单元以供决策。

图1 太赫兹雷达近感探测原理框图

在太赫兹雷达近感探测的发射链路和接收链路中均要用到变频单元，变频单元主要由V波段的倍频器和0．14 THz的谐波混频器组成。在本设计中，0．14 THz谐波混频器采用肖特基二极管来实现，利用二极管的非线性实现谐波混频，其V波段的本振是通过将毫米波的点频源经2倍频获得。

太赫兹雷达近感探测单元的发射信号形式为对称三角线性调频连续波，其发射及目标回波的时频示意图如图2所示。在本设计中，其发射波形参数为中心频率f0＝136．9 GHz，调制周期Tm＝100 μs，调制频偏ΔFm＝5 GHz，接收回波与发射信号混频后，由于时延及多普勒的存在，形成差拍信号fb，在上升段和下降段，fb的值是不一样的，分别用f＋b和f－b表示，在f＋b和f－b的过渡区，存在一个频率快速降为0然后再上升的过程，但该过程持续时间为τ＝2R／c（R为目标距离），对于近感探测应用，有τ≪Tm，故可忽略不计，通过谱分析的方法获得f＋b和f－b，而当目标距离为R，径向速度为v时，f＋b和f－b与目标距离R，多普勒频移fd≈（2v／c）f0之间存在如下关系［7］：

图2 发射信号和运动目标回波信号时频关系示意图

由（1）和（2）可解得

由（3）（4）两式可知，只要将回波信号和发射信号进行混频得到差拍信号，经采样后通过FFT谱分析获得上扫频段和下扫频段的频率，即可获得目标的距离和径向速度信息。

1．2 太赫兹雷达近感探测技术指标讨论

太赫兹近感探测应用要求最大探测距离不小于25 m，探测概率不小于0．95，虚警概率不大于10－5，由此可查表得到前端接收机输出信号的信噪比要求为14 dB。

在140 GHz的大气窗口频率上，相对湿度50%时，海平面上的衰减值约为5 dB／km，并且随海拔高度的升高而减小，对于近感探测25 m的作用距离来说，该衰减可以忽略不计，因此其雷达方程可写为

式中：Pt为发射功率；Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益；λ为工作波长；σ为目标散射面积；Ls为雷达系统损耗；k为玻尔兹曼常数；T为开尔文温度；B为接收机带宽；FN为噪声系数；（SNR）omin为满足检测条件的最小信噪比。

发射链路实现基带CHIRP信号的谐波混频、放大和滤波，产生0．14 THz的发射信号，其原理如图1所示，主要由V波段倍频器、V波段放大器、0．14 THz混频器、0．14 THz滤波器、0．14 THz放大器、0．14 THz隔离器等固态器件组成。二次谐波混频器采用肖特基二极管实现方式，与SIS和HEB混频器相比，它可在室温工作，变频损耗相对较小，设计参见［8］。基带信号输出至发射端电平0 dBm，0．14 THz二次谐波混频器的上变频SSB损耗13 dB，滤波器损耗1 dB，放大器增益16 dB，隔离器损耗1 dB，发射链总增益2 dB，因此输出信号电平能达到2 dBm。留一定余量，Pt按照0 dBm计算。

发射和接收天线均采用喇叭天线，其口面尺寸24 mm×18 mm，长为55 mm，输入端口为WR6标准矩形波导接口，在0．135 THz～0．145 THz频率范围增益能达到26 dB，3 dB波束宽度约7°，在25 m距离上覆盖范围约3 m，所以，Gt和Gr均按照26 dB计算。

接收链路采用低噪放＋谐波混频的工作方式，常温条件下，整个接收机的噪声温度约为Te≈4000 K，换算为噪声系数大约FN＝11．4 dB，接收机采用stretch方式，最终处理带宽B＝10 k Hz。

其余参数为λ＝c／f0＝2．2 mm，T＝290 K，Ls＝6 dB，k＝1．38×10－23J／K。图3所示为不同散射截面积的目标在不同距离上的检测信噪比，由图中可以看出，对于RCS为0．05 m2以上的目标，在25 m处的检测信噪比大于14 dB，满足近感探测检测性能的要求。而对于RCS为0．01 m2的目标，在相同的检测信噪比要求下，作用距离只能达到17 m左右。

图3 检测信噪比随目标距离的变化关系

对于太赫兹波来说，目标的RCS一般会比微波毫米波段要大，因此，对于大多说目标来说，其在太赫兹波段的RCS都会大于0．05 m2，该太赫兹近感探测雷达可满足要求。

2 太赫兹雷达性能测试

太赫兹雷达是太赫兹近感探测的重要组成部分，本部分给出对其0．14 THz收发前端及整机集成测试方法和测试结果。

2．1 太赫兹雷达0．14 THz收发前端

图4所示为0．14 THz发射前端输出功率测量曲线和单音信号输出频谱，在－10 dBm IF信号输入下，发射前端的小信号增益约为6 dB。在0 dBm IF信号激励下，发射前端的饱和输出功率约为2 dBm。

图4 收发前端性能随频率变化测试曲线

2．2 太赫兹雷达测试

为了验证太赫兹雷达近感探测的测距能力和距离分辨力，分别采用点目标和直升机模型进行测试，测试时目标距离为5 m，在点目标的一维距离像中，信噪比大约为43 dB，换算为25 m的距离，信噪比大约为15 dBm，满足设计时的检测信噪比需求，并且由点目标谱峰的半高宽可以测出，探测的距离分辨力大约为3 cm，达到设计的理论分辨力。雷达对点目标的成像结果，如图5所示。

该太赫兹雷达还具备对复杂目标进行二维ISAR成像的能力，如图6所示为一直升机模型及其在太赫兹雷达近感探测处理中所成的二维ISAR图像，一维距离像和二维图像均可用于对目标的识别。但对信号处理器的速度要求过高，目前难以达到近感探测所需要的处理时间。

4 结论及展望

本文提出了一种载频0．14 THz、带宽5 GHz的近感探测技术方案，对其关键技术指标进行了论证，完成了其中探测部分太赫兹雷达的设计和测试。试验结果表明，在工作频带内雷达发射功率可达到1 mW，对RCS在0．05 m2以上目标的作用距离大于25 m，距离分辨力3 cm，满足近感探测的需求。该太赫兹雷达还可获得目标一维距离像和二维ISAR图像，可用于目标识别，但其在近感探测技术上的应用还依赖于信号处理速度的提升。

图5 0．14THZ雷达对点目标的成像结果

图6 直升机模型的太赫兹二维ISAR

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［3］ Cooper K B，Dengler R J，Chattopadhyay G，et al．A High－resolution Imaging Radar at 580 GHz

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［4］ Andriy A．Danylov，et al．Terahertz Inverse Synthetic Aperture Radar （ISAR）Imaging with a Quan－tum Cascade Laser Transmitter［J］．Optics Express，2010，18（5）：16264－16272．

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［6］ 蔡英武，杨陈，曾耿华，等．太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究［J］．强激光与粒子束，2011，24（3）：1102－1103．

［7］ 杨毅．毫米波FMCW雷达近炸引信信号处理设计与实现［J］．电子技术应用，2010，36（10）：53－56．

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