羅玉文，王鶴磊，胡忠明

(1.空軍預警學院黃陂士官學校，湖北武漢 430010;2.武漢理工大學光纖中心，湖北武漢 430070)

太赫茲(THz)波一般指頻率在0.1～10 THz(1T=1012)范圍內的電磁波，它介于毫米波與紅外光之間，波長在0.03～3 mm，如圖1所示。

圖1 電磁頻譜圖

太赫茲頻段在無線電物理領域稱為亞毫米波，在光學領域則被習慣稱為遠紅外光。

在電磁頻譜上，THz波段兩側的紅外和微波技術在雷達上的應用已成熟，但THz技術在雷達領域的應用還很不完善。究其緣由，主要有兩方面原因:一是理論方面的。因為此頻段處于從宏觀電子學向微觀光子學的過渡區(qū)，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合用微波理論來研究。在20世紀80年代中期以前，由于缺乏有效的THz輻射產(chǎn)生方法和檢測方法，人們對該波段的特性知之甚少，以至于該波段被稱為電磁波譜中的“THz空隙”［1］。二是工程實現(xiàn)方面的。THz波在雷達中的應用還受到某些相應元件可用性因素的限制，例如發(fā)射功率低、接收機噪聲系數(shù)高、傳輸線損失大、成本高和不可靠等，這些因素目前都限制THz波段的廣泛運用。下面對這兩方面的內容進行了詳細分析，并結合目前及未來的科學技術和器件水平的發(fā)展對THz技術在雷達中的應用進行深入探討。

1 太赫茲波的特性分析

THz技術之所以引起科學界廣泛的關注，主要是由于THz波位于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區(qū)，具有很多獨特的性質。歸納起來，THz波具有獨特的低能性、高穿透性、指紋譜性、瞬態(tài)性、寬帶性、相干性和高方向性［2］。

1.1 低能性

根據(jù)光子理論，太赫茲光子能量為ε=hv=6.63×10－34×1012=6.63×10－22(J)≈4.1 meV，僅是 X 射線光子能量的百萬分之一。該值低于各種化學鍵的鍵能，不會導致光致電離而破壞被檢物質。另外，水對太赫茲波有較強的吸收，因此太赫茲波不會穿透皮膚，對人體是安全的。鑒于以上兩個原因，太赫茲波適用于針對人體或其他生物樣品的活體檢查。

1.2 高穿透性

太赫茲對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性，可對不透明物體進行透視成像，是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補，可用于安檢或質檢過程中的無損檢測。目前，國際上已經(jīng)開始利用太赫茲波的穿透特性，檢查郵件和識別毒品以及對航天飛機的無損探傷。另外，利用太赫茲輻射能以很小的衰減穿透陶瓷、煙霧、碳板、布料以及脂肪這一特點，將其用于檢測有毒有害分子，在環(huán)境監(jiān)測和保護以及軍事化學偵察方面有著重要作用。此外，太赫茲在濃煙、沙塵環(huán)境中傳輸損耗也很少，是火災救護、沙漠救援、戰(zhàn)場尋敵等復雜環(huán)境中成像的理想光源。

1.3 指紋譜性

大多極性分子、生物大分子等有機分子的振動和轉動能級間距位于THz波段，故可通過分析特有的光譜特征來識別分子結構并分析物質成分，就像利用指紋可以識別不同的人一樣。所以，根據(jù)這些指紋譜，太赫茲光譜成像技術能夠分辨物體的形貌，鑒別物體的組成成分，分析物體的物理化學性質，為緝毒、反恐、排爆等提供相關的理論依據(jù)和探測技術。

1.4 寬帶性

如果電磁波的相對帶寬按中心頻率的10%計算，則太赫茲波的相對帶寬可達Δf=f0×10%=1012Hz×10%=1011Hz=100 GHz。與低頻電磁波相比，具有較寬的帶寬，在單位時間內可以承載更多的信息，因此，可作為大容量的通訊載體，獲得更豐富的光譜數(shù)據(jù)。

1.5 瞬態(tài)性

TH z脈沖的典型脈寬在皮秒量級，具有很高的時間分辨力，可方便地對各種材料進行瞬態(tài)光譜研究。

1.6 相干性

THz相干測量技術能夠直接測量THz波的時域電場，傅里葉變換后同時給出電場振幅和相位信息，可以通過反射波的測量得到物體的圖像。利用成像系統(tǒng)把成像樣品振幅或相位信息進行處理和分析，就可以得到樣品的THz圖像。太赫茲波成像的一個顯著特點是信息量大，可準確顯示物體的內外部信息。利用太赫茲成像還可獲得更高的空間分辨力及更長的景深等，目前太赫茲顯微成像的分辨力已達到幾十μm。

1.7 高方向性

太赫茲輻射方向性很好，可用于戰(zhàn)場中的短距離定向保密通訊。特別是在太空通信方面有著潛在的優(yōu)勢。

THz波因以上的獨特性質而具有廣闊的應用前景，吸引著許多科學家和科研機構廣泛研究。隨著THz技術研究的不斷發(fā)展，其應用范圍已從基礎科學逐漸向武器裝備、航空航天、雷達與通信、天文與地理、反恐緝毒、農(nóng)業(yè)以及生物醫(yī)學等方面不斷擴展［3－7］。

2 太赫茲波應用于雷達的優(yōu)勢與限制

2.1 太赫茲波應用于雷達的優(yōu)勢分析

2.1.1 太赫茲雷達較微波雷達的優(yōu)勢

與目前的主戰(zhàn)雷達──微波雷達相比，太赫茲雷達具有以下優(yōu)勢:

(2)帶寬更寬，分辨力更高。單個太赫茲脈沖的頻帶可以覆蓋GHz～THz的頻率范圍，具有普通微波雷達所不可比擬的寬帶性能，可獲得更高的目標分辨力，獲取更豐富的目標信息，特別是可以獲取更清晰的空間目標的雷達成像，是未來高清晰度目標識別雷達的發(fā)展方向。

(3)波長更短，體積更小。由于太赫茲波長相對于微波更短，在完成同樣功能的情況下，太赫茲雷達天線的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結構也可以做得更加簡單、經(jīng)濟，這對于天基雷達、星載雷達、機載雷達和地面機動雷達尤為重要。

(4)頻率更高，多普勒效應更顯著。根據(jù)多普勒頻率的計算公式f=可知，對于同樣速度的目標，d照射波長越短，回波的多普勒頻移越大，因此，太赫茲雷達在慢動目標的檢測和識別中比微波雷達更有優(yōu)勢。

(5)抗干擾能力更強。現(xiàn)有的電子戰(zhàn)干擾手段主要集中在微波頻段及紅外頻段，對THz頻段難以進行有效的干擾。同時，THz頻段提供的極窄天線波束可以減少干擾機注入雷達主瓣波束的機會，降低雷達對干擾的靈敏度。此外，極高的天線增益也抑制了旁瓣干擾。

(5)多徑效應和地面雜波干擾更小。多徑效應取決于地面的鏡面反射因子，而地面的鏡面反射因子由表面粗糙度表示。表面粗糙度與有關(σ 是表面高h度的均方根偏差)，當波長變小時，給定的表面呈現(xiàn)出更加粗糙的特性，因此減小了鏡面反射因子。另外，由于太赫茲雷達的窄波束寬度照射截取的地面較小，所以地雜波影響就相應減少。

(6)反隱身效果更好?，F(xiàn)有的隱身技術采用的吸波材料，基本都處于微波波段，對太赫茲雷達均不適用。2004年，M.Stringer測試了X波段微波吸收材料在太赫茲波段的吸收特性，結果表明:在照射頻率0.2～1.5 THz內透過率為20% ～30%，因此THz頻段對微波吸收材料具有良好的透過率，有利于隱身目標探測。太赫茲波還能夠穿透等離子體，因此對于采用等離子體隱身的飛行體，太赫茲雷達也能夠輕易地使其“現(xiàn)出原形”。利用太赫茲波可在等離子體中傳播這一特性，還可以將其應用到航天飛機或宇宙飛船發(fā)射或回收過程當中。這是因為在發(fā)射和回收的過程當中，在航天飛機或宇宙飛船穿越電離層時會造成空氣電離，在其周圍形成等離子體覆體，導致常規(guī)的微波雷達無法探測跟蹤。而利用太赫茲技術，就可彌補這一點，能保持連續(xù)探測跟蹤。

2.1.2 較紅外雷達和激光雷達的優(yōu)勢

與紅外和激光相比，太赫茲波在懸浮微粒和在塵埃、煙霧和戰(zhàn)場污染等條件下的衰減較低，因此，太赫茲雷達較紅外和激光雷達具有更強穿透沙塵、煙霧的能力，可以實現(xiàn)全天候工作。

基于太赫茲特有的“穿墻術”，太赫茲雷達可以探測到敵方隱蔽的武器、偽裝埋伏的武裝人員，以及煙霧、沙塵中的軍事裝備。另外，太赫茲雷達還可遠程探測空氣中傳播的有毒生物顆?；蚧瘜W氣體。利用強太赫茲輻射穿透地面，能探測地下的雷場分布，還可以進行遠程炸彈探測等。

2.2 太赫茲波應用于雷達的限制因素分析

太赫茲應用于雷達的限制因素主要有兩方面:器件因素和強烈的大氣衰減。器件方面的原因主要是，隨著頻率的升高，發(fā)射源和本機振蕩器效率將降低，同時傳輸線的損耗也增加。到目前為止，包括發(fā)達國家在內都還很難在太赫茲波段得到穩(wěn)定的大功率發(fā)射機、高靈敏度的接收機和低損耗的傳輸線。缺少這些關鍵器件，太赫茲波將無法應用于遠距離探測。當然，器件方面的原因可隨著科學技術和工業(yè)水平的發(fā)展得到解決，太赫茲波應用于雷達最主要的限制因素是其強烈的大氣衰減。下面主要對對這一因素進行分析。

大氣衰減包括大氣氧氣和水蒸汽等氣體分子、水汽凝結物對電波的吸收、散射和去極化，大氣折射指數(shù)不均勻所引起的損耗和波束散焦損耗，大氣波導的衰減效應。

對太赫茲波而言，其大氣衰減主要是大氣中的氧氣和水蒸汽對太赫茲輻射的吸收，其中尤以水蒸汽的吸收最為嚴重。由氧氣造成的衰減在115 GHz附近有一峰值(約5 dB/km)，之后隨著頻率的增加快速下降，到頻率接近500 GHz時幾乎不衰減。但水蒸汽幾乎在整個太赫茲波段都有較嚴重的吸收，其損耗約為10 dB/km，只在兩個頻點(140 GHz和220 GHz)附近衰減較小(140 GHz處約為1 dB/km，220 GHz處約為3 dB/km)。

降水包括雨、雪和冰雹，其中引起電波衰減最嚴重的是雨。若要考慮雷達的全天候性能，這種衰減需要被計及。電波通過雨區(qū)時，雨滴一方面吸收電波能量，另一面使電波向各個方向散射，這兩者都使前向傳播信號發(fā)生衰減。研究發(fā)現(xiàn)，任一頻率的雨衰減率ktr可按雨強I的冪函數(shù)表示［8］

式中，K'、γ為雨衰減率參數(shù)。由于降雨是隨機的，雨強I沿路徑的分布也是隨機的。因此在雷達設計時，雨衰減不可能作為一種必然因素予以考慮，而只能按概率進行統(tǒng)計預測。

云霧、沙塵衰減與雨衰減類似，是云霧和沙塵粒子對電波吸收和散射所致。雷達在沙漠和沙塵環(huán)境中工作時要考慮沙塵對電波的衰減。

考慮大氣衰減時的雷達距離方程為

以140 GHz處的衰減率1 dB/km計算，假設作用距離為5 km，雙程衰減將為10 dB，這個衰減還可接受，但若作用距離為50 km，雙程衰減將達100 dB，這對大多數(shù)系統(tǒng)來說都不能接受，更不要說遠距離探測了。

不過，由于90%以上的水蒸汽集中在大氣的對流層，在對流層之外，水蒸汽含量幾乎為零，不存在降雨，塵埃也很少，十分透明，在很寬的頻率范圍內已不存在大氣衰減。因此，遠距離太赫茲探測系統(tǒng)的理想應用場所應是對流層之外的空間區(qū)域。對流層之外是平流層，其高度大約在50 km，目前，一些國家正在研制平流層飛艇載雷達系統(tǒng)，這種雷達系統(tǒng)就可采用太赫茲波段。另外，THz波在霧、霜、煙中傳播時比紅外或可見光的衰減要小，因此在近距離高分辨力雷達的應用中是有優(yōu)勢的。

3 太赫茲雷達的的應用前景分析

(1)作目標識別雷達。由于太赫茲雷達具有很高的空間分辨力和很寬的帶寬，非常有利于目標成像和獲取目標特征結構細節(jié)，從而可對目標進行更精確的外形識別。由于太赫茲雷達對低徑向速度的目標可以得到更大的多普勒頻移，所以可用于對慢速運動或蠕動目標的發(fā)現(xiàn)和識別能力。另外，目標識別雷達通常要求有較高的數(shù)據(jù)率，太赫茲雷達體積小、重量輕，有利于天線的快速掃描，從而可提供較高的數(shù)據(jù)率。

(2)作制導雷達和導彈尋的器。由于太赫茲雷達能得到較高的測量精度和分辨力，使其適用于制導雷達，但由于其作用距離不遠，所以通常只能用作末制導。再加上其重量和體積方面的優(yōu)勢，其還適合作導彈的尋的器。這是目前太赫茲雷達最有前景的應用領域之一。94 GHz空對地導彈尋的器就是其中一例。

(3)作火控雷達和精密跟蹤雷達。太赫茲雷達適合在短距離火控系統(tǒng)中應用，因為它體積小、重量輕，具有較高的機動性。另外，多徑效應和地雜波對空中防衛(wèi)火炮系統(tǒng)的低角度跟蹤會產(chǎn)生不良的影響，在這種情況下，太赫茲雷達的窄波束和高分辨力顯示極大的優(yōu)越性。

(4)作測量雷達。太赫茲雷達可用于空間測量大氣溫度、水蒸汽、臭氧剖面及云高和對流層風。

(5)作戰(zhàn)場監(jiān)視雷達。由于太赫茲雷達對于地面測繪和目標監(jiān)視具有較高的角分辨力，能夠獲得較清晰的雷達成像，因此可用作戰(zhàn)場監(jiān)視雷達。

(6)作低角跟蹤雷達。由于太赫茲波多徑效應和地面雜波干擾更小，所以可采用微波雷達與太赫茲雷達相配合來實施探測與跟蹤，其中，微波雷達用于遠程探測與跟蹤，太赫茲雷達則用于低角跟蹤。

(7)作機載、星載雷達。由于太赫茲波具有較短的波長，可減小元器件尺寸，尤其是天線尺寸，得到緊湊的系統(tǒng)，這正是機載、星載雷達系統(tǒng)所要求的。

4 結束語

(1)對太赫茲波在雷達中的應用前景應辯證地看待，因為任何一個頻段的電磁波都既有它的優(yōu)點，也有它的弱點，太赫茲波也不例外，在應用時應充分利用其優(yōu)點，而盡量克服或避開其弱點，這樣的應用對這個頻段的資源才是有生命力的。各種波段的雷達系統(tǒng)性能比較如表1所示。

表1 各種波段的雷達系統(tǒng)性能比較

(2)太赫茲雷達的某些特點究竟是優(yōu)點還是缺點，要視應用而定。比如，窄的波束寬度雖然提高了測量精度和分辨力，但卻不利于目標搜索和捕獲;小的天線尺寸雖然可以使系統(tǒng)更緊湊，但卻不利于能量的收集。

(3)太赫茲波在大氣中的劇烈衰減是無法避免的，因此，遠距離的太赫茲雷達的理想使用環(huán)境應是對流層外的空間區(qū)域，在對流層內只能近距離使用。

應該說明的是，研究太赫茲波雷達在雷達上的應用，并不是否定其他傳感器或其他波段雷達的作用。因為太赫茲波雷達的大氣傳輸損耗較大，只適用于近作用距離應用場合，在遠程或超遠程應用中，微波雷達仍將是探測目標的主力軍。但是，由于現(xiàn)代戰(zhàn)爭雙方電、磁、聲、光熱等各個物理場中進行激烈的爭奪，因此，預警、探測、跟蹤、識別、精密制導、引信引爆等方面，微波、太赫茲波、紅外光波、激光等信息系統(tǒng)的作用應該是互補的、缺一不可的。雖然目前由于器件方面的原因導致太赫茲雷達發(fā)展不夠理想，尚不能廣泛地實用化、商業(yè)化，但它仍具有較高的科研價值和巨大的發(fā)展?jié)摿?，是國家新一代信息產(chǎn)業(yè)、國家安全的重大需求，對國防建設具有重大意義。

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