太赫兹雷达技术（五）
5.2 安检反恐应用
近年来，国际国内反恐维稳形式呈现出袭击领域多、危害程度大、影响范围广的复杂态势，在公共安全场所对人员进行安检是预防公共安全事件最有效手段之一。目前以美国L3系统为代表的毫米波成像仪成熟度高且已部署应用，但机械扫描时需要人体静止驻留耗时略长，且阵元数目多、成本较高。太赫兹雷达具有分辨高、成像帧率高、器件小集成度高等特点，通过与被动焦平面、准光扫描、孔径合成、编码孔径等技术结合实现对无驻留人体的高精度实时成像，大幅提升安检效率，应对易聚集且不愿配合安检的群体，具有广阔应用前景。目前以TeraSCREEN为代表的太赫兹安检雷达正在验证测试，处于应用的前夜。
5.3 车辆防撞应用
车辆防撞报警可在自车与前车或障碍物之间存在潜在碰撞危险时，提醒驾驶员避免危险事故。相比于24 GHz和77 GHz的毫米波防撞报警雷达[95–99]，太赫兹雷达在分辨率和小型化上更具优势。2015年英国伯明翰大学研制了太赫兹车辆防撞雷达，采用FMCW信号，中心频率150 GHz，带宽6 GHz，扫描成像的分辨率达3 cm×38 cm，在成本、阵列、射频干扰等问题解决后有望成为汽车主动安全和无人驾驶的传感利器(图21)。
 | 图 21 英国伯明翰大学实验系统及结果Fig.21 The experimental system and result of University of Birmingham |
5.4 气象测云应用
天基太赫兹雷达可用于气象测云以支持暴雨台风等预警。相比于毫米波雷达，太赫兹雷达可更准确地提供云粒子特性，同时星载平台避免了太赫兹波近地面大气衰减严重问题，云遥感雷达正从94 GHz向200 GHz以上频段发展。事实上自1989年以来，215/200/225 GHz雷达即被用来对薄云、粒子、降雪过程进行监测研究。北京理工大学对云粒子散射特性进行了研究并设计研制了太赫兹测云雷达系统[100]。太赫兹云遥感雷达目前尚需突破大功率太赫兹源、高增益反射面天线、气象目标全极化信息获取、云粒子特性与气象参数反演等关键技术。
5.5 生物医学应用
利用微多普勒敏感优势，太赫兹雷达在在非接触式生命信号监测方面也具有非常广阔的前景，可以避免接触式检测设备的局限性，实现对大面积烧烫伤病人、婴幼儿、防区监控范围内的流动人群呼吸和心跳进行监控，排查安全隐患；在军事上可以对远距离地面战场的士兵心跳呼吸进行监控，使指挥中心及时掌握战场伤亡情况从而为下一步作战计划提供参考。目前120 GHz、228 GHz太赫兹生命信号监测雷达已经问世并在进行室内实验。
6 发展展望
太赫兹雷达拥有近30年的历史，近10年来伴随着新一轮科技革命的浪潮发展尤为迅猛，基础器件日趋进步，功率性能稳步提升，体制架构逐渐清晰，工作模式丰富多样，创新应用不断涌现。但是，太赫兹雷达毕竟处于发展上升期，仍有诸多基础性科学与工程问题需要攻克，重点在以下几个方面取得突破：
(1) 大功率高灵敏度相参太赫兹雷达
为加快太赫兹雷达在末制导、反隐身、反导拦截、一体化侦察打击等领域的应用，需重点发展120～340 GHz频段基础器件，一方面需要继续增加发射功率，研究固态合成功率放大器和电真空放大器。设计基于CMOS和InP工艺的太赫兹固态放大芯片，通过多路径向功率合成获得较大输出功率并综合考虑成本、散热、效率选择合成路数，功率从毫瓦量级提高到百毫瓦量级。在此基础上驱动以行波管为代表的大功率宽带电真空放大器技术研究，研制适用于太赫兹雷达的大功率紧凑型行波管放大器，峰值功率从瓦级提高到数十瓦量级。
另一方面，需要继续提高接收链路灵敏度。加强低噪声放大器、超导混频器研制。低噪声放大器噪声系数优于7 dB，超导混频器噪声温度优于50 K，以满足探测应用原理验证。
此外，还需设计低损耗高隔离度准光环形器及和差网络、高精度大口径反射面天线, 与固态倍频混频链路、放大器结合形成面向侦察打击的近程太赫兹雷达和面向空间目标预警探测等应用的中远程太赫兹雷达。
(2) 全尺寸目标RCS缩比测量太赫兹雷达
缩比测量可节约测量成本，提高测量效率。若利用1 THz对目标在X波段的RCS进行缩比测量，则缩比系数可达100。微波频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹低频段，太赫兹低频段大型目标RCS的缩比测量一般落在太赫兹高频段。为此，需要突破基于电子学方式的低频段测量技术(≤0.7 T)和基于光学方式的高频段测量技术(>0.7 T)，分别掌握微波倍频源和远红外激光器/QCL测量系统关键技术，突破紧缩场技术、频率与相位稳定控制技术、光束整形与大口径扩束系统设计、介质目标缩比规律等。
(3) 新材料器件驱动的新体制太赫兹雷达
经典的雷达体制发展有以下3个特点：通过相控阵技术实现了灵活的调幅、调频、调相；通过高速采集实现了中频/射频信号直采，前端简化，雷达呈现软件化和数字化特点；通过波形、模式等思维“软”创新，发展形成ISAR、SAR、MIMO雷达、智能化认知雷达、关联成像雷达等新的体制。经典的雷达体制发展模式正向纵深方向发展，但体制的进一步创新已面临瓶颈。21世纪以来，以超材料、石墨烯、忆阻器等为代表的新材料新器件层出不穷，将可能为雷达系统体制带来深刻变革，雷达体制的发展正从“软”驱动到“硬”驱动转变，越来越多地依赖新材料和新器件，材料器件种类决定了雷达体制和相应功能，这是一个值得关注的重要趋势。太赫兹雷达也不例外。
因此，应密切关注可编程超材料和液晶天线、频率扫描天线、等离子体天线、石墨烯功能材料等极有可能改变雷达体制架构的新材料新器件发展，驱动形成太赫兹孔径编码雷达、太赫兹光子学雷达等新体制太赫兹雷达。
(4) 集成阵列与片上雷达
通过高度集成实现阵列化与片上化是太赫兹雷达另一个重要发展方向。太赫兹频段雷达阵列由于难以实现相控阵，一般采用一发多收或快速开关切换多发多收方式。例如2015年美国JPL研制成功340 GHz集成收发阵列具有同置的8路收发通道，通过立体封装尺寸仅3 cm×9.6 cm。突破稀疏MIMO线阵面阵设计、片上MIMO雷达设计、波束形成、数字馈源阵单脉冲测角、阵列-合成孔径一体化成像等技术，推动其在无人机及其集群、可穿戴设备、小卫星等平台上的应用。
此外，发展具有测距和3维实时成像能力的太赫兹相干焦平面雷达、2～5 THz瓦级小型紧凑QCL雷达等对于安检、末制导等应用也具有重要价值，不再赘述。
总之，太赫兹雷达作为一项基于光电交叉学科的新兴技术有着重要的学术和应用价值，尽管取得了很多重要的成果但仍不够成熟，需要国内外同行进一步深入研究，充分利用这一频段资源，填补微波与红外之间的空白，最终推动雷达学科发展并促进其在军民领域的重要应用。
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