太赫兹雷达技术（四）

太赫兹由于波长短对相对转角要求较小，还可以进行方位-俯仰成像获得横剖面类光学图像，用于目标散射中心诊断与分析。美国STL实验室基于远红外激光器和QCL分别实现了1.5 THz和2.4 THz方位俯仰成像^[44,73]。国防科技大学针对目标成像结果中散射点数目急剧增加和目标散射分布呈现出的块结构分布特性，提出了基于块稀疏恢复理论的目标方位俯仰图像重建方法^[74]；提出了基于双频干涉的目标距离-方位-俯仰3维成像方法在距离维成像的同时回避了大带宽信号非线性校正难题。

在太赫兹雷达微动目标ISAR成像，国防科技大学进行深入研究，利用太赫兹雷达的微多普勒敏感性和高分辨成像优势，估计得到了目标微动参数并获得了高分辨高帧率ISAR像^[75,76]，成像结果如图15所示。

图 15 进动弹头目标ISAR成像结果Fig.15 The imaging result of precession warhead

此外，太赫兹波长短同时导致目标或平台抖动对成像的影响显著增强，带来分辨率恶化，国防科技大学对此也开展了探索性研究。总地来看，太赫兹ISAR成像还需要在以下几个方面加强研究：散射中心模型适用性与目标特征增强成像、太赫兹高频段ISAR成像、太赫兹超大带宽成像与色散性分析、高速平动目标ISAR成像理论与实验。

4.2 SAR成像

太赫兹SAR可以搭载于空中移动平台实现对地物成像，遂行抵近侦察、一体化侦察打击等任务，具有集群小型化、高分辨、高帧率、多普勒敏感等优势。早在2010年，西安电子科技大学THz-SAR系统进行了详细论证设计^[77,78]，同年中国工程物理研究院开展了无人机载THz-SAR概念研究。2012年5月美国DARPA发布“视频合成孔径雷达”研究项目^[79]，频段选在230 GHz，雷达可装置在各种航空平台上穿透云层对地面进行成像，帧率与红外传感器相当，同时具备地面运动目标指示能力。DARPA确定了该系统4项关键技术：紧凑型机载发射机与接收机、功率放大器、场景仿真与数据测试系统、实时成像先进算法。2017年在改装的DC-3客机上成功进行飞行测试^[80]。

在成像方法研究方面，2009年电子科技大学基于THz-SAR系统，采用时频分析方法检测微动目标，并用小波估计其微动参数^[81]。2010年西安电子科技大学对THz频段目标微多普勒现象进行了定量分析，提出了基于原子分解的微多普勒分析方法，并对THz-SAR系统中典型微动形式的微多普勒进行建模，采用Gabor变换方法提取微动特征参数^[82]，采用时频分析的方法提取振动和转动目标的微动特征参数^[83]。2015年哈尔滨工业大学将R-D算法用于THz-SAR验证了R-D算法同样适用于THz-SAR这一结论，同时基于离散正弦调频变换和基于Chirplet分解的方法对THz-SAR平台高频振动这一微波SAR无需考虑的因素进行补偿，验证了这两种方法的有效性^[84]。

在THz-SAR试验方面，德国FHR利用MIRANDA-300进行了车载成像试验，距离向分辨率5 mm，方位向分辨率1.5 mm(图16)。中科院电子所研制了200 GHz雷达系统并对角反射器等目标进行了室外车载实验，方位向分辨率达到7.5 mm。国防科技大学研制了220 GHz车载THz-SAR系统并获得了自行车目标的清晰图像^[85](图17)。

总地来看，太赫兹SAR存在平台抖动补偿、匀速直线及圆周SAR运动目标检测与成像方法、飞行平台SAR系统集成与试验技术等问题亟待解决。

图 16 MIRANDA-300雷达车载成像结果Fig.16 The vehicle imaging of MIRANDA-300 radar

图 17 国防科技大学车载THz-SAR系统及成像结果Fig.17 The vehicle THz-SAR system and imaging of NUDT

4.3 阵列成像

阵列化是雷达成像体制的发展趋势。尽管存在加工和集成难度大等问题，但太赫兹雷达尺寸小尤其适合于阵列化，在阵列成像领域具有很大的应用潜力。德国法兰克福大学与丹麦科技大学合作基于8发16收线阵雷达提出了双站快速因子分解后向投影算法进行图像重建，在2 ms内可以完成像素大小为128×128的图像聚焦^[25]。美国JPL实验室8阵元集成收发阵列也已应用于安检成像系统以实现视频帧速的成像^[23]。2013年，欧盟开展了一项名为TeraSCREEN的项目^[9]，致力于研究站开式安检太赫兹实时成像系统，计划搭建一套30 GHz带宽的360 GHz接收机阵列以数据融合的方式进行安检成像(图18)。

图 18 TeraSCREEN项目拟采用的阵列构型Fig.18 The intending array configuration of TeraSCREEN

国内方面，2012年中科院电子所设计研制了中心频率为0.2 THz、扫频带宽15 GHz的3维全息成像系统。系统发射束腰半径为2.7 cm的高斯波束，阵元间隔为2 mm，成像分辨率可达8.8 mm，实现了太赫兹准光高斯波束下对隐藏危险物品人体模型的3维图像重建^[22,86–88]。图19为该系统简化结构图和对隐藏手枪目标的模特成像结果。随后几年，该单位对成像算法不断完善，取得了良好的成像效果。

图 19 0.2 THz雷达携带手枪人体模型成像结果Fig.19 The imaging of the people carried pistol by 0.2 THz

2016年，中国工程物理研究院搭建了一套基于MIMO阵列的340 GHz准光式3维扫描成像系统。该系统采用4发16收阵列，发射信号带宽为16 GHz。能在4 m远处对人体目标大小的成像场景实现准实时成像(图20)^[89]。

图 20 工物院340 GHz-MIMO成像系统实物图与成像结果Fig.20 The picture and imaging of 340 GHz-MIMO of industrial institute

总体而言，太赫兹阵列雷达成像理论与系统均受到高度的重视，但相控阵技术尚不成熟，且一般都通过快速开关切换而非波形正交实现通道切换。为了降低面阵阵元数量要求和成本，目前多采用线阵与综合孔径、准光扫描、稀疏等技术几何降低阵元数量，太赫兹面阵阵列实时成像仍任重道远。

4.4 孔径编码成像

前述太赫兹ISAR和SAR成像依赖于雷达与目标的相对运动，需要孔径合成时间积累，成像帧率依然受限；而实孔径阵列雷达由于需要使用的阵元数量多，结构复杂，建设与维护成本高昂，难以完全满足需要高分辨高帧率前视或凝视成像的应用场景。破解“高分辨高帧率凝视成像”这一难题亟需雷达成像原理、体制和方法的突破。太赫兹孔径编码成像雷达技术应运而生，它借鉴融合了太赫兹成像技术与微波关联成像技术^[90]等重要思想，利用孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅相分布，构造具有显著时间-空间不相关性的辐射场分布形式，并通过计算成像思想进行成像。

2014年8月，美国国防高级研究计划局发布了成像雷达先进扫描技术(Advanced Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)研究项目^[8]，旨在寻求一种不依赖于SAR和ISAR成像中目标或平台运动的先进雷达3D成像技术，设想使用电控次反射面和单个收发链路实现高分辨成像。该项目的发布是太赫兹孔径编码成像发展的里程碑事件。太赫兹编码天线的兴起与迅猛发展为孔径编码成像技术向太赫兹频段拓展提供了重要技术支撑。2015年，美国Notre Dame和VDI的研究人员提出了一种光诱导孔径编码成像技术^[91,92]，通过DLP投影机实时地将数字Hadamard掩模投影到硅晶片上，从而对入射到硅晶片上的太赫兹波束(500～750 GHz)透过率实现高速实时编码。2016年，天津大学与第三军医大的研究人员使用具有特定振幅编码方案的金属掩模板对太赫兹波束(0.5～2.7 THz)进行调制^[93]，金属掩模板由机械导轨驱动在光路中移动，实现编码方案的时序改变，再结合压缩感知的基本思想，实现了对特定目标的单像素太赫兹主动成像。2017年，国防科技大学研究人员提出了一种可同时实现对太赫兹波束随机相位编码与波束指向控制的孔径编码成像技术，用于实现对近场目标的高速数字扫描成像，还对孔径编码成像雷达技术的编码策略进行了深入研究，对比分析了不同编码位置、不同编码对象以及不同编码方式各自的特点，并开展了仿真成像研究。研究结果对孔径编码成像系统的设计与开发具有重要的指导意义^[94]。

总体而言，国内外相关领域的学者已对孔径编码成像技术开展了一系列研究并拓展到了太赫兹频段。但受限于目前的器件工艺水平，多采用机械编码方式或光诱导硅晶片，天线编码方式单一，切换速度较慢，导致对太赫兹辐射场的编码调制效果不够理想，天线设计、孔径编码策略等关键技术尚未突破，实验研究有待加强。太赫兹孔径编码成像技术总体上仍处于起步阶段。

5 太赫兹雷达应用技术

下面简述太赫兹雷达主要在以下5个领域的应用。

5.1 预警探测应用

太赫兹雷达自诞生以来一直追求在空间或地面军事目标预警探测上的应用。早在1992年，美国就依托战略防御倡议(星球大战计划)探索了太赫兹雷达在动能武器中的应用，并提出太赫兹相控阵、超导混频等技术设想，在电子学计划中又明确寻求“太赫兹技术在空间监视、导弹预警、反恐行动等领域的应用”，并于2012年启动直接面向地面目标探测的ViSAR项目，2016启动天地协同一体化太赫兹雷达技术研究，通过地面和太空部署的太赫兹雷达与地面传统雷达协同，有效反制依靠涂层和外形隐身的五代战机。

在反导拦截方面，太赫兹主动雷达导引头通过独立或与红外复合，可作为弹头识别的有效手段：它采用主动方式工作，可以有效探测冷弹头；可以远距离对弹头2维高分辨成像，获得包括细微结构和粗糙表面在内其几何特征，据此识别真弹头和选择打击点；弹头的微动在太赫兹频段可产生显著的微多普勒，可据此识别真弹头。此外它的高精度测距测速能力还可以实现对机动弹头的高精度制导，并且不受星体杂波和地面杂波影响。

此外，太赫兹雷达可搭载于飞艇或卫星用于对临近空间高超声速目标的探测，穿透等离子体对目标本体远距离成像，获取信息是高分辨本体像。天基太赫兹雷达能够近距离探测空间碎片并进行成像，得到其类型和轨道信息，从而为航天器的安全提供保障。太赫兹雷达在引信与末制导领域也有广阔的应用前景：测角和测距精度高，引导信息更加精准；具备近距离快速成像和微多普勒测量能力，支持目标及其部位识别；功率小、大气衰减严重，因此天然具备抗干扰能力；对沙尘烟雾有穿透性，优于激光制导。