太赫茲雷達技術（四）
太赫茲由于波長短對相對轉角要求較小，還可以進行方位-俯仰成像獲得橫剖面類光學圖像，用于目標散射中心診斷與分析。美國STL實驗室基于遠紅外激光器和QCL分別實現了1.5 THz和2.4 THz方位俯仰成像[44,73]。國防科技大學針對目標成像結果中散射點數目急劇增加和目標散射分布呈現出的塊結構分布特性，提出了基于塊稀疏恢復理論的目標方位俯仰圖像重建方法[74]；提出了基于雙頻干涉的目標距離-方位-俯仰3維成像方法在距離維成像的同時回避了大帶寬信號非線性校正難題。
在太赫茲雷達微動目標ISAR成像，國防科技大學進行深入研究，利用太赫茲雷達的微多普勒敏感性和高分辨成像優勢，估計得到了目標微動參數并獲得了高分辨高幀率ISAR像[75,76]，成像結果如圖15所示。
 | 圖 15?進動彈頭目標ISAR成像結果Fig.15?The imaging result of precession warhead |
此外，太赫茲波長短同時導致目標或平臺抖動對成像的影響顯著增強，帶來分辨率惡化，國防科技大學對此也開展了探索性研究。總地來看，太赫茲ISAR成像還需要在以下幾個方面加強研究：散射中心模型適用性與目標特征增強成像、太赫茲高頻段ISAR成像、太赫茲超大帶寬成像與色散性分析、高速平動目標ISAR成像理論與實驗。
4.2 SAR成像
太赫茲SAR可以搭載于空中移動平臺實現對地物成像，遂行抵近偵察、一體化偵察打擊等任務，具有集群小型化、高分辨、高幀率、多普勒敏感等優勢。早在2010年，西安電子科技大學THz-SAR系統進行了詳細論證設計[77,78]，同年中國工程物理研究院開展了無人機載THz-SAR概念研究。2012年5月美國DARPA發布“視頻合成孔徑雷達”研究項目[79]，頻段選在230 GHz，雷達可裝置在各種航空平臺上穿透云層對地面進行成像，幀率與紅外傳感器相當，同時具備地面運動目標指示能力。DARPA確定了該系統4項關鍵技術：緊湊型機載發射機與接收機、功率放大器、場景仿真與數據測試系統、實時成像先進算法。2017年在改裝的DC-3客機上成功進行飛行測試[80]。
在成像方法研究方面，2009年電子科技大學基于THz-SAR系統，采用時頻分析方法檢測微動目標，并用小波估計其微動參數[81]。2010年西安電子科技大學對THz頻段目標微多普勒現象進行了定量分析，提出了基于原子分解的微多普勒分析方法，并對THz-SAR系統中典型微動形式的微多普勒進行建模，采用Gabor變換方法提取微動特征參數[82]，采用時頻分析的方法提取振動和轉動目標的微動特征參數[83]。2015年哈爾濱工業大學將R-D算法用于THz-SAR驗證了R-D算法同樣適用于THz-SAR這一結論，同時基于離散正弦調頻變換和基于Chirplet分解的方法對THz-SAR平臺高頻振動這一微波SAR無需考慮的因素進行補償，驗證了這兩種方法的有效性[84]。
在THz-SAR試驗方面，德國FHR利用MIRANDA-300進行了車載成像試驗，距離向分辨率5 mm，方位向分辨率1.5 mm(圖16)。中科院電子所研制了200 GHz雷達系統并對角反射器等目標進行了室外車載實驗，方位向分辨率達到7.5 mm。國防科技大學研制了220 GHz車載THz-SAR系統并獲得了自行車目標的清晰圖像[85](圖17)。
總地來看，太赫茲SAR存在平臺抖動補償、勻速直線及圓周SAR運動目標檢測與成像方法、飛行平臺SAR系統集成與試驗技術等問題亟待解決。
 | 圖 16?MIRANDA-300雷達車載成像結果Fig.16?The vehicle imaging of MIRANDA-300 radar |
 | 圖 17?國防科技大學車載THz-SAR系統及成像結果Fig.17?The vehicle THz-SAR system and imaging of NUDT |
4.3 陣列成像
陣列化是雷達成像體制的發展趨勢。盡管存在加工和集成難度大等問題，但太赫茲雷達尺寸小尤其適合于陣列化，在陣列成像領域具有很大的應用潛力。德國法蘭克福大學與丹麥科技大學合作基于8發16收線陣雷達提出了雙站快速因子分解后向投影算法進行圖像重建，在2 ms內可以完成像素大小為128×128的圖像聚焦[25]。美國JPL實驗室8陣元集成收發陣列也已應用于安檢成像系統以實現視頻幀速的成像[23]。2013年，歐盟開展了一項名為TeraSCREEN的項目[9]，致力于研究站開式安檢太赫茲實時成像系統，計劃搭建一套30 GHz帶寬的360 GHz接收機陣列以數據融合的方式進行安檢成像(圖18)。
 | 圖 18?TeraSCREEN項目擬采用的陣列構型Fig.18?The intending array configuration of TeraSCREEN |
國內方面，2012年中科院電子所設計研制了中心頻率為0.2 THz、掃頻帶寬15 GHz的3維全息成像系統。系統發射束腰半徑為2.7 cm的高斯波束，陣元間隔為2 mm，成像分辨率可達8.8 mm，實現了太赫茲準光高斯波束下對隱藏危險物品人體模型的3維圖像重建[22,86–88]。圖19為該系統簡化結構圖和對隱藏手槍目標的模特成像結果。隨后幾年，該單位對成像算法不斷完善，取得了良好的成像效果。
 | 圖 19?0.2 THz雷達攜帶手槍人體模型成像結果Fig.19?The imaging of the people carried pistol by 0.2 THz |
2016年，中國工程物理研究院搭建了一套基于MIMO陣列的340 GHz準光式3維掃描成像系統。該系統采用4發16收陣列，發射信號帶寬為16 GHz。能在4 m遠處對人體目標大小的成像場景實現準實時成像(圖20)[89]。
 | 圖 20?工物院340 GHz-MIMO成像系統實物圖與成像結果Fig.20?The picture and imaging of 340 GHz-MIMO of industrial institute |
總體而言，太赫茲陣列雷達成像理論與系統均受到高度的重視，但相控陣技術尚不成熟，且一般都通過快速開關切換而非波形正交實現通道切換。為了降低面陣陣元數量要求和成本，目前多采用線陣與綜合孔徑、準光掃描、稀疏等技術幾何降低陣元數量，太赫茲面陣陣列實時成像仍任重道遠。
4.4 孔徑編碼成像
前述太赫茲ISAR和SAR成像依賴于雷達與目標的相對運動，需要孔徑合成時間積累，成像幀率依然受限；而實孔徑陣列雷達由于需要使用的陣元數量多，結構復雜，建設與維護成本高昂，難以完全滿足需要高分辨高幀率前視或凝視成像的應用場景。破解“高分辨高幀率凝視成像”這一難題亟需雷達成像原理、體制和方法的突破。太赫茲孔徑編碼成像雷達技術應運而生，它借鑒融合了太赫茲成像技術與微波關聯成像技術[90]等重要思想，利用孔徑編碼天線改變目標區域太赫茲波空間幅相分布，構造具有顯著時間-空間不相關性的輻射場分布形式，并通過計算成像思想進行成像。
2014年8月，美國國防高級研究計劃局發布了成像雷達先進掃描技術(Advanced Scanning Technology for Imaging Radars, ASTIR)研究項目[8]，旨在尋求一種不依賴于SAR和ISAR成像中目標或平臺運動的先進雷達3D成像技術，設想使用電控次反射面和單個收發鏈路實現高分辨成像。該項目的發布是太赫茲孔徑編碼成像發展的里程碑事件。太赫茲編碼天線的興起與迅猛發展為孔徑編碼成像技術向太赫茲頻段拓展提供了重要技術支撐。2015年，美國Notre Dame和VDI的研究人員提出了一種光誘導孔徑編碼成像技術[91,92]，通過DLP投影機實時地將數字Hadamard掩模投影到硅晶片上，從而對入射到硅晶片上的太赫茲波束(500～750 GHz)透過率實現高速實時編碼。2016年，天津大學與第三軍醫大的研究人員使用具有特定振幅編碼方案的金屬掩模板對太赫茲波束(0.5～2.7 THz)進行調制[93]，金屬掩模板由機械導軌驅動在光路中移動，實現編碼方案的時序改變，再結合壓縮感知的基本思想，實現了對特定目標的單像素太赫茲主動成像。2017年，國防科技大學研究人員提出了一種可同時實現對太赫茲波束隨機相位編碼與波束指向控制的孔徑編碼成像技術，用于實現對近場目標的高速數字掃描成像，還對孔徑編碼成像雷達技術的編碼策略進行了深入研究，對比分析了不同編碼位置、不同編碼對象以及不同編碼方式各自的特點，并開展了仿真成像研究。研究結果對孔徑編碼成像系統的設計與開發具有重要的指導意義[94]。
總體而言，國內外相關領域的學者已對孔徑編碼成像技術開展了一系列研究并拓展到了太赫茲頻段。但受限于目前的器件工藝水平，多采用機械編碼方式或光誘導硅晶片，天線編碼方式單一，切換速度較慢，導致對太赫茲輻射場的編碼調制效果不夠理想，天線設計、孔徑編碼策略等關鍵技術尚未突破，實驗研究有待加強。太赫茲孔徑編碼成像技術總體上仍處于起步階段。
5 太赫茲雷達應用技術
下面簡述太赫茲雷達主要在以下5個領域的應用。
5.1 預警探測應用
太赫茲雷達自誕生以來一直追求在空間或地面軍事目標預警探測上的應用。早在1992年，美國就依托戰略防御倡議(星球大戰計劃)探索了太赫茲雷達在動能武器中的應用，并提出太赫茲相控陣、超導混頻等技術設想，在電子學計劃中又明確尋求“太赫茲技術在空間監視、導彈預警、反恐行動等領域的應用”，并于2012年啟動直接面向地面目標探測的ViSAR項目，2016啟動天地協同一體化太赫茲雷達技術研究，通過地面和太空部署的太赫茲雷達與地面傳統雷達協同，有效反制依靠涂層和外形隱身的五代戰機。
在反導攔截方面，太赫茲主動雷達導引頭通過獨立或與紅外復合，可作為彈頭識別的有效手段：它采用主動方式工作，可以有效探測冷彈頭；可以遠距離對彈頭2維高分辨成像，獲得包括細微結構和粗糙表面在內其幾何特征，據此識別真彈頭和選擇打擊點；彈頭的微動在太赫茲頻段可產生顯著的微多普勒，可據此識別真彈頭。此外它的高精度測距測速能力還可以實現對機動彈頭的高精度制導，并且不受星體雜波和地面雜波影響。
此外，太赫茲雷達可搭載于飛艇或衛星用于對臨近空間高超聲速目標的探測，穿透等離子體對目標本體遠距離成像，獲取信息是高分辨本體像。天基太赫茲雷達能夠近距離探測空間碎片并進行成像，得到其類型和軌道信息，從而為航天器的安全提供保障。太赫茲雷達在引信與末制導領域也有廣闊的應用前景：測角和測距精度高，引導信息更加精準；具備近距離快速成像和微多普勒測量能力，支持目標及其部位識別；功率小、大氣衰減嚴重，因此天然具備抗干擾能力；對沙塵煙霧有穿透性，優于激光制導。
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