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太赫兹雷达技术空间应用与研究进展

时间:11-18 00:00 阅读:78次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源:智能前沿技术

太赫兹技术是目前信息科学技术研究的前沿与热点领域之一,近几年来,受到世界各国研究机构的广泛关注,科学家们开展了许多基础研究与应用研究方面的工作,这一新技术的科学价值预示着它具有蓬勃的生命力和美好的发展前景[1]

▲太赫兹频段

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之一,目前主要开展的是主动式太赫兹雷达的研究[2]。对太赫兹雷达技术的研究按照频段划分为高低两大部分,在太赫兹低频段(0.1 ~ 3.0 THz)基于电子学方法开展,在太赫兹高频段(1 ~ 10 THz)则基于太赫兹光电子学方法开展光谱分析与辐射探测等研究[1]

1. 太赫兹雷达技术优势

与红外雷达和激光雷达相比,太赫兹雷达视场范围更宽,搜索能力更好,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、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应用前景[2]

▲太赫兹雷达反隐身模拟

太赫兹雷达是反隐身的利器,太赫兹频段对微波吸收材料具有良好的透过率,有利于对隐身目标的探测,而且宽带太赫兹雷达波对扁平形薄边缘能够产生很小的共振面而使反射波得到增强,具有良好的反隐身性能[3]。此外,太赫兹波可以在等离子体中传播,可以有效对抗等离子体隐身。无论是基于形状隐身还是涂料隐身,甚至基于等离子体隐身,太赫兹雷达都能使其现出原形[4]

现有的空间干扰途径主要集中在微波及红外频段,对太赫兹频段难以进行有效的干扰,因此,太赫兹雷达系统具有较为突出的抗干扰能力。同时,太赫兹频段提供的极窄天线波束,可减少干扰注入雷达主瓣波束的可能性,降低雷达对干扰的灵敏度。此外,极高的天线增益也能有效抑制旁瓣干扰[5]

▲彩虹5装备太赫兹雷达人称空中核磁共振可3D呈现地面目标

空基太赫兹雷达能实现对空间目标的远距离主动探测、精确测距测速测角、高分辨率成像、精细结构特征反演,而且可以利用材料在太赫兹频段丰富的特征谱线提取目标的“指纹特征”,可以弥补现有微波和红外探测系统的不足,是空间态势感知系统的有力补充。

基于太赫兹波辐射能够穿透地面的技术优势,可以利用它来探测地下的雷场分布。并且,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

2. 太赫兹雷达应用分析[6]

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。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

▲72倍缩比T80坦克模型的太赫兹逆合成孔径雷达成像

2.1 作为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。

2.2 作为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。

2.3 作为战场监视雷达

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。

2.4 作为低角跟踪雷达

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。

此外,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。

3. 太赫兹雷达空间应用

太赫兹雷达在航天器自身防御探测与空间防御和反导预警体系建设等方面显示出良好应用前景。

3.1 空间威胁来袭告警

随着航天活动持续不断、广泛频繁、逐步深入开展,空间碎片的数量激增。迄今为止,国际上已发生多起航天器被空间碎片毁伤的案例。据初步统计,目前尺寸大于1 mm的空间碎片总数已超过4000万个,面对数量如此巨大的危险碎片,地基远程探测手段无论从探测能力或监控处理能力上都不能满足实际需要,并且受到地域条件的限制,难以实现全球布网。因此必须通过天基平台采用直接探测告警技术来实现卫星主动规避风险[7]

▲KKV杀伤器

卫星本身也是敌方直接攻击的目标。近年来用于攻击卫星的动能拦截武器(Kinetic Kill Vehicle,KKV)得到迅速发展,它们利用自身高速飞行产生的动能去撞击和杀伤目标,其威力比爆炸性攻击武器还大,对卫星的生存造成重大威胁[8]。

使用高频段的星载太赫兹雷达进行探测和告警可以提高卫星在来袭威胁下的生存几率。虽然太赫兹雷达在地面应用还存在一些条件限制,但在没有大气吸收的空间环境中,太赫兹雷达可以充分发挥其优势[8],通过高分辨率敏锐探测,对各种潜在的来袭威胁进行告警提示,并且随着航天器平台处理能力和机动性能的提升,可以极大提高对抗防御能力。

3.2 弹道中段目标预警

太空战场必将成为未来战争的主战场,来自太空的战争威胁愈发显得严峻。其中,远程弹道导弹因其射程远,速度快,被引起特别的关注,并且一方面,由于它们在飞行的中间段会高速穿越近太空,同时又可携带核弹头,所以破坏能力强,这使得它们不仅成为战略大国之间制衡的重要武器,而且也是弱小国家保护自己的终极手段。因此,为了防备导弹攻击,各国都在不断完善和加强自己的防御体系,其中非常重要的部分就是用于实现探测、跟踪的预警系统。使用卫星搭载敏感器进行导弹目标探测,能极大拓展探测范围,延长预警时间[7]

▲弹道目标飞行阶段示意图

远程弹道导弹的飞行过程通常分为主动段、中间段和再入段三大部分,如图1所示。当导弹进入飞行中间段时,执行弹箭分离,弹头红外特征明显降低,同时导弹释放出许多干扰目标作为诱饵与真实弹头按照同样速度和轨迹飞行,企图实现迷惑对方目的。故提高中间段探测概率和目标跟踪、识别能力,是提升预警能力的关键。对中间段目标的高效跟踪,需要高精度的雷达系统。使用太赫兹雷达进行跟踪,可以拓展跟踪范围,同时避免大气层的影响,其短的雷达载波可以带来更高的分辨力,降低漏警率[8]

4. 太赫兹雷达研究进展

太赫兹雷达是国内外太赫兹技术应用发展的重要方向之一。世界各国都密切关注,投入大量人力、物力组织开展相关研究,其中以美国为典型代表,在该领域处于领先水平,研制开发出了多个太赫兹雷达系统。欧盟等其他国家也有些应用开发。

4.1 国外研究进展

最早关于太赫兹雷达的报道是1988年美国马萨诸塞大学的McIntosh等基于当时真空器件扩展互作用振荡器(EI0)的发展,在215 GHz的大气窗口附近实现了一部高功率非相干脉冲雷达[1]。1991年美国佐治亚理工学院的McMillan等为军方研制了225 GHz脉冲相干实验雷达。这是当时第一部在如此高的频段实现锁相的相参雷达。20世纪90年代末,美国弗吉尼亚大学的Crowe等在GaAs肖特基二极管倍频技术方面获得突破,使得基于固态电子学倍频源的太赫兹雷达技术向前迈进了一大步[3]。美国西北太平洋国家实验室(PNNL)研发了350 GHz太赫兹雷达成像系统,该系统能迅速扫描探测发现远处隐藏武器[4]。2000年,美国马萨诸塞州立大学亚毫米波技术实验室(STL)与美国陆军国家地面智能中心合作,研制了一套频率为1.56 THz的小型雷达系统。该雷达系统主要用于测试典型战术目标的缩比模型(按照电磁波的波长比例缩放)[9]。2006年,美国美国喷气推进实验室(JPL)研制了0.6 THz的高分辨率雷达探测系统,这是第一部具有高分辨率雷达测距能力的太赫兹成像系统[5]。2008年,JPL基于固态电子器件二极管倍频器与混频器研制了一部580 GHz的相参主动太赫兹雷达,2011年实现了中心频率675 GHz的太赫兹成像雷达[1]。2010年,美国马萨诸塞大学亚毫米波技术实验室(STL)又成功研制了一部基于太赫兹量子级联激光器(TQCL)的相干雷达成像系统,并进行了逆合成孔径雷达成像实验[9]。美国国防部先进研究项目局(DAPRA)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0.2315 THz ~ 0.235 THz,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[4]。

欧洲方面,德国最早开展了相关系统研究。随后,其他国家的研究机构也纷纷基于不同方式建立了太赫兹雷达试验系统。2008年,德国高频物理与雷达技术研究所(FGAN)尚频物理与雷达研究中心(FHR)在94GHz毫米波雷达COBRA的基础上研制了基于固态电子学器件的220 GHz FMCW特征测量实验雷达[1];2009年,德国PRG公司研制了了23 THz ~ 0.32 THz调频连续波扫描三维成像系统[4]。以色列撒玛利亚Ariel大学2010年基于VDI公司的固态电子学器件搭建了一部330 GHz FMCW太赫兹雷达实验系统用于隐藏目标探测与成像[4]。2010年,瑞典国防研究署设计了210 GHz雷达系统进行非接触三维ISAR成像[4];瑞典查尔姆斯科技大学在2010年基于倍频链路与外差接收链路实现了一部340 GHz太赫兹成像雷达[4]。2012年,苏格兰圣安德鲁大学研制了340 GHz超外差三维扫描成像雷达[4]

4.2 国内研究进展

国内中国工程物理研究院、中科院电子所、首都师范大学、北京理工大学、天津大学等单位都在进行太赫兹雷达的研究。

▲太赫兹雷达

2011年中国工程物理研究院自主研制了基于倍频发射链路和谐波混频接收方法实现0.14 THz高分辨率成像的逆合成孔径雷达(SAR)系统。这也是国内首部实现成像功能的固态电子学太赫兹实验雷达[1]。2012年设计了0.34 THz收发前端和0.67 THz的ISAR成像雷达收发链路,正演示验证全固态成像实验雷达。此外,中物院还将太赫兹SAR和无人机结合,进行了成像分析实验[4]

2012年中国兵器工业209所研制了0.89 THz激光器用于探测隐身目标[4]

2012年中科院电子所设计了0.2 THz聚焦波束扫描成像系统,实现了对模特和人体隐藏危险武器的探测,并进行了太赫兹准光高斯波束下三维图像的重建[4]

2012年首都师范大学和北京理工大学设计了0.2 THz频率步进雷达信号系统,系统采用频率步进信号,可以实现一维距离成像[4]

天津大学太赫兹研究中心梁达川博士及其团队将太赫兹时域光谱技术与雷达技术进行结合,在国际上首次搭建了以钛宝石飞秒激光振荡级为泵浦源的太赫兹雷达系统,也是国内第一套太赫兹RCS雷达系统™。

此外,北京理工大学基于脉冲步进雷达信号体制研制了0.2 THz成像雷达系统,并完成了分辨率与距离实验测量。

东南大学基于返波管搭建了连续太赫兹波透射与反射成像系统,实现了对不同类型目标的高分辨率成像。

哈尔滨工业大学也在阵列成像系统建设方面取得了进展[1]

5. 结语

太赫兹技术作为一门新兴的科学被誉为21世纪影响人类未来的十大技术之一。太赫兹雷达技术的发展无论在国防军事领域还是公共安全领域无疑都已引起令人瞩目的新变化。太赫兹雷达系统以其小型轻量、高分辨率等优势应用于航天器自身威胁告警以及弹道目标监测,将成为空间攻防体系建设的重要研究目标[1]。未来,太赫兹雷达将重点突破大功率、小型化太赫兹器件,目标太赫兹特性及高速实时信息处理等关键技术[1,17],实现对更小目标的更精确探测、更高分辨率成像与更细致的目标特征识别。

参考文献:

[1]王瑞君,王宏强,庄钊文,等.太赫兹雷达技术研究进展[J].激光与光电子学进展,2013,50(4):040001-1--040001-17.

[2]邱桂花,于名讯,韩建龙,等.太赫兹雷达及其隐身技术[J].火控雷达技术,2013,42(4):8-32.

[3]杨玉明,王红,谭贤四,等.太赫兹雷达反等离子体隐身研究[J].雷达科学与技术,2012(5):486-491.

[4]梁美彦,邓朝,张存林.太赫兹雷达成像技术[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(2):89-198.

[5]姚建铨,钟凯,徐德刚.太赫兹空间应用研究与展望[J].空间电子技术,2013(2):1-15.

[6]罗玉文,王鹤磊,胡忠明.太赫兹波在雷达领域的应用前景分析[J].电子科技,2014(11):63-166.

[7]刘丰,朱忠博,崔万照,等.太赫兹技术在空间领域应用的探讨[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(6):857-866.

[8]刘丰,朱忠博,李栋,等.太赫兹波在遥感技术中的应用探讨[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(5):93-699.

[9 ]冯伟,张戎,曹俊诚.太赫兹雷达技术研究进展[J].物理,2013,42(12):846-854.

[10]梁达川,谷建强,韩家广,等.宽频太赫兹时域雷达系统[J].空间电子技术,2013(4):99-103.

[11]徐刚锋,张岩.太赫兹成像雷达技术发展与制导应用探讨[J].太赫兹科学与电子信息学报,2013,11(4):507-511.

[12]郑新,刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用(I)[J].微波学报,2010,26(2):1-6.

[13]郑新,刘超.太赫兹技术的发展及在雷达和通讯系统中的应用(II)[J].微波学,2011,27(1):1-5.

[14]万亮,郭汝江,李大圣,等.天基太赫兹成像雷达概念性设计[C].第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集,2012:39-545.

[15]崔万照,李韵,史平彦,等.太赫兹科学与技术原理[M].北京:国防工业出版社,2012.

[16]刘丰,朱忠博,崔万照.空间太赫兹信息技术展望[J].微波学报,2013,29(2):1-6.

[17]王晓海.太赫兹成像技术及其研究新进展[C].第二届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集,2014:432-436.

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