太赫兹波在雷达领域的应用前景分析

罗玉文，王鹤磊，胡忠明

(1.空军预警学院黄陂士官学校，湖北武汉 430010;2.武汉理工大学光纤中心，湖北武汉 430070)

太赫兹(THz)波一般指频率在0.1～10 THz(1T=1012)范围内的电磁波，它介于毫米波与红外光之间，波长在0.03～3 mm，如图1所示。

图1 电磁频谱图

太赫兹频段在无线电物理领域称为亚毫米波，在光学领域则被习惯称为远红外光。

在电磁频谱上，THz波段两侧的红外和微波技术在雷达上的应用已成熟，但THz技术在雷达领域的应用还很不完善。究其缘由，主要有两方面原因:一是理论方面的。因为此频段处于从宏观电子学向微观光子学的过渡区，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合用微波理论来研究。在20世纪80年代中期以前，由于缺乏有效的THz辐射产生方法和检测方法，人们对该波段的特性知之甚少，以至于该波段被称为电磁波谱中的“THz空隙”［1］。二是工程实现方面的。THz波在雷达中的应用还受到某些相应元件可用性因素的限制，例如发射功率低、接收机噪声系数高、传输线损失大、成本高和不可靠等，这些因素目前都限制THz波段的广泛运用。下面对这两方面的内容进行了详细分析，并结合目前及未来的科学技术和器件水平的发展对THz技术在雷达中的应用进行深入探讨。

1 太赫兹波的特性分析

THz技术之所以引起科学界广泛的关注，主要是由于THz波位于宏观电子学与微观光子学的过渡区，具有很多独特的性质。归纳起来，THz波具有独特的低能性、高穿透性、指纹谱性、瞬态性、宽带性、相干性和高方向性［2］。

1.1 低能性

根据光子理论，太赫兹光子能量为ε=hv=6.63×10－34×1012=6.63×10－22(J)≈4.1 meV，仅是 X 射线光子能量的百万分之一。该值低于各种化学键的键能，不会导致光致电离而破坏被检物质。另外，水对太赫兹波有较强的吸收，因此太赫兹波不会穿透皮肤，对人体是安全的。鉴于以上两个原因，太赫兹波适用于针对人体或其他生物样品的活体检查。

1.2 高穿透性

太赫兹对许多介电材料和非极性物质具有良好的穿透性，可对不透明物体进行透视成像，是X射线成像和超声波成像技术的有效互补，可用于安检或质检过程中的无损检测。目前，国际上已经开始利用太赫兹波的穿透特性，检查邮件和识别毒品以及对航天飞机的无损探伤。另外，利用太赫兹辐射能以很小的衰减穿透陶瓷、烟雾、碳板、布料以及脂肪这一特点，将其用于检测有毒有害分子，在环境监测和保护以及军事化学侦察方面有着重要作用。此外，太赫兹在浓烟、沙尘环境中传输损耗也很少，是火灾救护、沙漠救援、战场寻敌等复杂环境中成像的理想光源。

1.3 指纹谱性

大多极性分子、生物大分子等有机分子的振动和转动能级间距位于THz波段，故可通过分析特有的光谱特征来识别分子结构并分析物质成分，就像利用指纹可以识别不同的人一样。所以，根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组成成分，分析物体的物理化学性质，为缉毒、反恐、排爆等提供相关的理论依据和探测技术。

1.4 宽带性

如果电磁波的相对带宽按中心频率的10%计算，则太赫兹波的相对带宽可达Δf=f0×10%=1012Hz×10%=1011Hz=100 GHz。与低频电磁波相比，具有较宽的带宽，在单位时间内可以承载更多的信息，因此，可作为大容量的通讯载体，获得更丰富的光谱数据。

1.5 瞬态性

TH z脉冲的典型脉宽在皮秒量级，具有很高的时间分辨力，可方便地对各种材料进行瞬态光谱研究。

1.6 相干性

THz相干测量技术能够直接测量THz波的时域电场，傅里叶变换后同时给出电场振幅和相位信息，可以通过反射波的测量得到物体的图像。利用成像系统把成像样品振幅或相位信息进行处理和分析，就可以得到样品的THz图像。太赫兹波成像的一个显著特点是信息量大，可准确显示物体的内外部信息。利用太赫兹成像还可获得更高的空间分辨力及更长的景深等，目前太赫兹显微成像的分辨力已达到几十μm。

1.7 高方向性

太赫兹辐射方向性很好，可用于战场中的短距离定向保密通讯。特别是在太空通信方面有着潜在的优势。

THz波因以上的独特性质而具有广阔的应用前景，吸引着许多科学家和科研机构广泛研究。随着THz技术研究的不断发展，其应用范围已从基础科学逐渐向武器装备、航空航天、雷达与通信、天文与地理、反恐缉毒、农业以及生物医学等方面不断扩展［3－7］。

2 太赫兹波应用于雷达的优势与限制

2.1 太赫兹波应用于雷达的优势分析

2.1.1 太赫兹雷达较微波雷达的优势

与目前的主战雷达──微波雷达相比，太赫兹雷达具有以下优势:

(2)带宽更宽，分辨力更高。单个太赫兹脉冲的频带可以覆盖GHz～THz的频率范围，具有普通微波雷达所不可比拟的宽带性能，可获得更高的目标分辨力，获取更丰富的目标信息，特别是可以获取更清晰的空间目标的雷达成像，是未来高清晰度目标识别雷达的发展方向。

(3)波长更短，体积更小。由于太赫兹波长相对于微波更短，在完成同样功能的情况下，太赫兹雷达天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济，这对于天基雷达、星载雷达、机载雷达和地面机动雷达尤为重要。

(4)频率更高，多普勒效应更显著。根据多普勒频率的计算公式f=可知，对于同样速度的目标，d照射波长越短，回波的多普勒频移越大，因此，太赫兹雷达在慢动目标的检测和识别中比微波雷达更有优势。

(5)抗干扰能力更强。现有的电子战干扰手段主要集中在微波频段及红外频段，对THz频段难以进行有效的干扰。同时，THz频段提供的极窄天线波束可以减少干扰机注入雷达主瓣波束的机会，降低雷达对干扰的灵敏度。此外，极高的天线增益也抑制了旁瓣干扰。

(5)多径效应和地面杂波干扰更小。多径效应取决于地面的镜面反射因子，而地面的镜面反射因子由表面粗糙度表示。表面粗糙度与有关(σ 是表面高h度的均方根偏差)，当波长变小时，给定的表面呈现出更加粗糙的特性，因此减小了镜面反射因子。另外，由于太赫兹雷达的窄波束宽度照射截取的地面较小，所以地杂波影响就相应减少。

(6)反隐身效果更好。现有的隐身技术采用的吸波材料，基本都处于微波波段，对太赫兹雷达均不适用。2004年，M.Stringer测试了X波段微波吸收材料在太赫兹波段的吸收特性，结果表明:在照射频率0.2～1.5 THz内透过率为20% ～30%，因此THz频段对微波吸收材料具有良好的透过率，有利于隐身目标探测。太赫兹波还能够穿透等离子体，因此对于采用等离子体隐身的飞行体，太赫兹雷达也能够轻易地使其“现出原形”。利用太赫兹波可在等离子体中传播这一特性，还可以将其应用到航天飞机或宇宙飞船发射或回收过程当中。这是因为在发射和回收的过程当中，在航天飞机或宇宙飞船穿越电离层时会造成空气电离，在其周围形成等离子体覆体，导致常规的微波雷达无法探测跟踪。而利用太赫兹技术，就可弥补这一点，能保持连续探测跟踪。

2.1.2 较红外雷达和激光雷达的优势

与红外和激光相比，太赫兹波在悬浮微粒和在尘埃、烟雾和战场污染等条件下的衰减较低，因此，太赫兹雷达较红外和激光雷达具有更强穿透沙尘、烟雾的能力，可以实现全天候工作。

基于太赫兹特有的“穿墙术”，太赫兹雷达可以探测到敌方隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员，以及烟雾、沙尘中的军事装备。另外，太赫兹雷达还可远程探测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体。利用强太赫兹辐射穿透地面，能探测地下的雷场分布，还可以进行远程炸弹探测等。

2.2 太赫兹波应用于雷达的限制因素分析

太赫兹应用于雷达的限制因素主要有两方面:器件因素和强烈的大气衰减。器件方面的原因主要是，随着频率的升高，发射源和本机振荡器效率将降低，同时传输线的损耗也增加。到目前为止，包括发达国家在内都还很难在太赫兹波段得到稳定的大功率发射机、高灵敏度的接收机和低损耗的传输线。缺少这些关键器件，太赫兹波将无法应用于远距离探测。当然，器件方面的原因可随着科学技术和工业水平的发展得到解决，太赫兹波应用于雷达最主要的限制因素是其强烈的大气衰减。下面主要对对这一因素进行分析。

大气衰减包括大气氧气和水蒸汽等气体分子、水汽凝结物对电波的吸收、散射和去极化，大气折射指数不均匀所引起的损耗和波束散焦损耗，大气波导的衰减效应。

对太赫兹波而言，其大气衰减主要是大气中的氧气和水蒸汽对太赫兹辐射的吸收，其中尤以水蒸汽的吸收最为严重。由氧气造成的衰减在115 GHz附近有一峰值(约5 dB/km)，之后随着频率的增加快速下降，到频率接近500 GHz时几乎不衰减。但水蒸汽几乎在整个太赫兹波段都有较严重的吸收，其损耗约为10 dB/km，只在两个频点(140 GHz和220 GHz)附近衰减较小(140 GHz处约为1 dB/km，220 GHz处约为3 dB/km)。

降水包括雨、雪和冰雹，其中引起电波衰减最严重的是雨。若要考虑雷达的全天候性能，这种衰减需要被计及。电波通过雨区时，雨滴一方面吸收电波能量，另一面使电波向各个方向散射，这两者都使前向传播信号发生衰减。研究发现，任一频率的雨衰减率ktr可按雨强I的幂函数表示［8］

式中，K'、γ为雨衰减率参数。由于降雨是随机的，雨强I沿路径的分布也是随机的。因此在雷达设计时，雨衰减不可能作为一种必然因素予以考虑，而只能按概率进行统计预测。

云雾、沙尘衰减与雨衰减类似，是云雾和沙尘粒子对电波吸收和散射所致。雷达在沙漠和沙尘环境中工作时要考虑沙尘对电波的衰减。

考虑大气衰减时的雷达距离方程为

以140 GHz处的衰减率1 dB/km计算，假设作用距离为5 km，双程衰减将为10 dB，这个衰减还可接受，但若作用距离为50 km，双程衰减将达100 dB，这对大多数系统来说都不能接受，更不要说远距离探测了。

不过，由于90%以上的水蒸汽集中在大气的对流层，在对流层之外，水蒸汽含量几乎为零，不存在降雨，尘埃也很少，十分透明，在很宽的频率范围内已不存在大气衰减。因此，远距离太赫兹探测系统的理想应用场所应是对流层之外的空间区域。对流层之外是平流层，其高度大约在50 km，目前，一些国家正在研制平流层飞艇载雷达系统，这种雷达系统就可采用太赫兹波段。另外，THz波在雾、霜、烟中传播时比红外或可见光的衰减要小，因此在近距离高分辨力雷达的应用中是有优势的。

3 太赫兹雷达的的应用前景分析

(1)作目标识别雷达。由于太赫兹雷达具有很高的空间分辨力和很宽的带宽，非常有利于目标成像和获取目标特征结构细节，从而可对目标进行更精确的外形识别。由于太赫兹雷达对低径向速度的目标可以得到更大的多普勒频移，所以可用于对慢速运动或蠕动目标的发现和识别能力。另外，目标识别雷达通常要求有较高的数据率，太赫兹雷达体积小、重量轻，有利于天线的快速扫描，从而可提供较高的数据率。

(2)作制导雷达和导弹寻的器。由于太赫兹雷达能得到较高的测量精度和分辨力，使其适用于制导雷达，但由于其作用距离不远，所以通常只能用作末制导。再加上其重量和体积方面的优势，其还适合作导弹的寻的器。这是目前太赫兹雷达最有前景的应用领域之一。94 GHz空对地导弹寻的器就是其中一例。

(3)作火控雷达和精密跟踪雷达。太赫兹雷达适合在短距离火控系统中应用，因为它体积小、重量轻，具有较高的机动性。另外，多径效应和地杂波对空中防卫火炮系统的低角度跟踪会产生不良的影响，在这种情况下，太赫兹雷达的窄波束和高分辨力显示极大的优越性。

(4)作测量雷达。太赫兹雷达可用于空间测量大气温度、水蒸汽、臭氧剖面及云高和对流层风。

(5)作战场监视雷达。由于太赫兹雷达对于地面测绘和目标监视具有较高的角分辨力，能够获得较清晰的雷达成像，因此可用作战场监视雷达。

(6)作低角跟踪雷达。由于太赫兹波多径效应和地面杂波干扰更小，所以可采用微波雷达与太赫兹雷达相配合来实施探测与跟踪，其中，微波雷达用于远程探测与跟踪，太赫兹雷达则用于低角跟踪。

(7)作机载、星载雷达。由于太赫兹波具有较短的波长，可减小元器件尺寸，尤其是天线尺寸，得到紧凑的系统，这正是机载、星载雷达系统所要求的。

4 结束语

(1)对太赫兹波在雷达中的应用前景应辩证地看待，因为任何一个频段的电磁波都既有它的优点，也有它的弱点，太赫兹波也不例外，在应用时应充分利用其优点，而尽量克服或避开其弱点，这样的应用对这个频段的资源才是有生命力的。各种波段的雷达系统性能比较如表1所示。

表1 各种波段的雷达系统性能比较

(2)太赫兹雷达的某些特点究竟是优点还是缺点，要视应用而定。比如，窄的波束宽度虽然提高了测量精度和分辨力，但却不利于目标搜索和捕获;小的天线尺寸虽然可以使系统更紧凑，但却不利于能量的收集。

(3)太赫兹波在大气中的剧烈衰减是无法避免的，因此，远距离的太赫兹雷达的理想使用环境应是对流层外的空间区域，在对流层内只能近距离使用。

应该说明的是，研究太赫兹波雷达在雷达上的应用，并不是否定其他传感器或其他波段雷达的作用。因为太赫兹波雷达的大气传输损耗较大，只适用于近作用距离应用场合，在远程或超远程应用中，微波雷达仍将是探测目标的主力军。但是，由于现代战争双方电、磁、声、光热等各个物理场中进行激烈的争夺，因此，预警、探测、跟踪、识别、精密制导、引信引爆等方面，微波、太赫兹波、红外光波、激光等信息系统的作用应该是互补的、缺一不可的。虽然目前由于器件方面的原因导致太赫兹雷达发展不够理想，尚不能广泛地实用化、商业化，但它仍具有较高的科研价值和巨大的发展潜力，是国家新一代信息产业、国家安全的重大需求，对国防建设具有重大意义。

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