太赫茲FMCW雷達近感探測技術

成彬彬， 江 舸， 楊 陳， 蔡英武

（1．中國工程物理研究院太赫茲研究中心，四川 綿陽621900；2．中國工程物理研究院電子工程研究所，四川 綿陽621900）

0 引言

太赫茲波是指頻率在0．1 THz～10 THz之間的電磁波，是宏觀電子學向微觀光子學過渡的頻段，也是最后一個人類尚未完全認知和利用的頻段。在近感探測應用方面，由于太赫茲波長短，且較易做到5 GHz以上的帶寬，因此與微波、毫米波相比，太赫茲雷達在測距精度、探測分辨力等方面具有諸多優勢［1］。

近年來，國外太赫茲雷達的研究已廣泛開展，美國JPL（噴氣推進實驗室）著眼于倍頻的太赫茲源產生機理，開展了大量基礎理論和系統研究，先后研制出580 GHz、600 GHz和675 GHz等不同載頻的雷達系統，并用于近感成像，分辨力分別達到1．8 cm、2 cm和1 cm，其中值得一提的是其2011年研制出的675 GHz成像雷達，分辨力已達到亞厘米級，作用距離25 m［2］；德國FGAN（應用科學研究所）也是采用倍頻技術，于2007年研制出工作頻率220 GHz的太赫茲成像雷達COBRA－220，作用距離200 m，成像分辨力達到1．8 cm［3］；美國陸軍國家地面情報中心與馬薩諸塞州大學則另辟蹊徑，將高頻率穩定度的太赫茲量子級聯激光器（TQCL）作為其高分辨成像的輻射源，CO2泵浦激光器作為本振，實現了對飛機坦克等戰術目標模型的高分辨ISAR成像，在1．56 THz、3．4 THz和2．5 THz的頻率上實現了亞毫米級的成像分辨力［4］。國內目前只有電子科技大學和中國工程物理研究院在太赫茲雷達研制方面取得了一定的成果［5］，其中，中國工程物理研究院太赫茲研究中心研制的0．14 THz ISAR成像雷達的發射信號帶寬5 GHz，距離分辨力達到3 cm，并具備二維成像功能［6］，可通過適當改進，將其應用于近感探測，本文將對其中存在的關鍵技術問題進行探討。

1 太赫茲雷達近感探測技術

1．1 太赫茲雷達近感探測原理

太赫茲近感探測采用線性調頻連續波（LFMCW）的工作模式，其發射信號的時寬遠大于回波信號的時延，而且發射機和接收機同時工作，可滿足近距離無盲區探測的需求。同時LFMCW的信號帶寬為5 GHz，理論上可獲得3 cm的距離分辨力，且在接收端采用stretch技術實現脈沖壓縮，降低信號處理帶寬，從而降低數字信號處理的壓力。

太赫茲雷達近感探測的原理框圖，如圖1所示，主由天饋、發射鏈路、接收鏈路、基帶單元等部分組成，數字信號處理部分兼顧雷達控制功能，通過三角波發生器和一個線性調頻源產生3 GHz～8 GHz的對稱三角線性調頻連續波信號（ST－LFMCW），帶寬5 GHz，該信號功分兩路，一路饋入發射鏈路，通過諧波混頻實現上變頻到太赫茲波段，放大后經天線發射出去，太赫茲波與目標作用后的散射回波經接收天線收集進入接收鏈路，通過低噪放放大，諧波混頻到達基帶，與3 GHz～8 GHz源的另一路功分信號混頻完成去斜，成為窄帶信號，經高速采樣后進入信號處理單元，完成目標信息的提取，并將處理結果通過總線上報中控單元以供決策。

圖1 太赫茲雷達近感探測原理框圖

在太赫茲雷達近感探測的發射鏈路和接收鏈路中均要用到變頻單元，變頻單元主要由V波段的倍頻器和0．14 THz的諧波混頻器組成。在本設計中，0．14 THz諧波混頻器采用肖特基二極管來實現，利用二極管的非線性實現諧波混頻，其V波段的本振是通過將毫米波的點頻源經2倍頻獲得。

太赫茲雷達近感探測單元的發射信號形式為對稱三角線性調頻連續波，其發射及目標回波的時頻示意圖如圖2所示。在本設計中，其發射波形參數為中心頻率f0＝136．9 GHz，調制周期Tm＝100 μs，調制頻偏ΔFm＝5 GHz，接收回波與發射信號混頻后，由于時延及多普勒的存在，形成差拍信號fb，在上升段和下降段，fb的值是不一樣的，分別用f＋b和f－b表示，在f＋b和f－b的過渡區，存在一個頻率快速降為0然后再上升的過程，但該過程持續時間為τ＝2R／c（R為目標距離），對于近感探測應用，有τ?Tm，故可忽略不計，通過譜分析的方法獲得f＋b和f－b，而當目標距離為R，徑向速度為v時，f＋b和f－b與目標距離R，多普勒頻移fd≈（2v／c）f0之間存在如下關系［7］：

圖2 發射信號和運動目標回波信號時頻關系示意圖

由（1）和（2）可解得

由（3）（4）兩式可知，只要將回波信號和發射信號進行混頻得到差拍信號，經采樣后通過FFT譜分析獲得上掃頻段和下掃頻段的頻率，即可獲得目標的距離和徑向速度信息。

1．2 太赫茲雷達近感探測技術指標討論

太赫茲近感探測應用要求最大探測距離不小于25 m，探測概率不小于0．95，虛警概率不大于10－5，由此可查表得到前端接收機輸出信號的信噪比要求為14 dB。

在140 GHz的大氣窗口頻率上，相對濕度50%時，海平面上的衰減值約為5 dB／km，并且隨海拔高度的升高而減小，對于近感探測25 m的作用距離來說，該衰減可以忽略不計，因此其雷達方程可寫為

式中：Pt為發射功率；Gt和Gr分別為發射天線和接收天線增益；λ為工作波長；σ為目標散射面積；Ls為雷達系統損耗；k為玻爾茲曼常數；T為開爾文溫度；B為接收機帶寬；FN為噪聲系數；（SNR）omin為滿足檢測條件的最小信噪比。

發射鏈路實現基帶CHIRP信號的諧波混頻、放大和濾波，產生0．14 THz的發射信號，其原理如圖1所示，主要由V波段倍頻器、V波段放大器、0．14 THz混頻器、0．14 THz濾波器、0．14 THz放大器、0．14 THz隔離器等固態器件組成。二次諧波混頻器采用肖特基二極管實現方式，與SIS和HEB混頻器相比，它可在室溫工作，變頻損耗相對較小，設計參見［8］。基帶信號輸出至發射端電平0 dBm，0．14 THz二次諧波混頻器的上變頻SSB損耗13 dB，濾波器損耗1 dB，放大器增益16 dB，隔離器損耗1 dB，發射鏈總增益2 dB，因此輸出信號電平能達到2 dBm。留一定余量，Pt按照0 dBm計算。

發射和接收天線均采用喇叭天線，其口面尺寸24 mm×18 mm，長為55 mm，輸入端口為WR6標準矩形波導接口，在0．135 THz～0．145 THz頻率范圍增益能達到26 dB，3 dB波束寬度約7°，在25 m距離上覆蓋范圍約3 m，所以，Gt和Gr均按照26 dB計算。

接收鏈路采用低噪放＋諧波混頻的工作方式，常溫條件下，整個接收機的噪聲溫度約為Te≈4000 K，換算為噪聲系數大約FN＝11．4 dB，接收機采用stretch方式，最終處理帶寬B＝10 k Hz。

其余參數為λ＝c／f0＝2．2 mm，T＝290 K，Ls＝6 dB，k＝1．38×10－23J／K。圖3所示為不同散射截面積的目標在不同距離上的檢測信噪比，由圖中可以看出，對于RCS為0．05 m2以上的目標，在25 m處的檢測信噪比大于14 dB，滿足近感探測檢測性能的要求。而對于RCS為0．01 m2的目標，在相同的檢測信噪比要求下，作用距離只能達到17 m左右。

圖3 檢測信噪比隨目標距離的變化關系

對于太赫茲波來說，目標的RCS一般會比微波毫米波段要大，因此，對于大多說目標來說，其在太赫茲波段的RCS都會大于0．05 m2，該太赫茲近感探測雷達可滿足要求。

2 太赫茲雷達性能測試

太赫茲雷達是太赫茲近感探測的重要組成部分，本部分給出對其0．14 THz收發前端及整機集成測試方法和測試結果。

2．1 太赫茲雷達0．14 THz收發前端

圖4所示為0．14 THz發射前端輸出功率測量曲線和單音信號輸出頻譜，在－10 dBm IF信號輸入下，發射前端的小信號增益約為6 dB。在0 dBm IF信號激勵下，發射前端的飽和輸出功率約為2 dBm。

圖4 收發前端性能隨頻率變化測試曲線

2．2 太赫茲雷達測試

為了驗證太赫茲雷達近感探測的測距能力和距離分辨力，分別采用點目標和直升機模型進行測試，測試時目標距離為5 m，在點目標的一維距離像中，信噪比大約為43 dB，換算為25 m的距離，信噪比大約為15 dBm，滿足設計時的檢測信噪比需求，并且由點目標譜峰的半高寬可以測出，探測的距離分辨力大約為3 cm，達到設計的理論分辨力。雷達對點目標的成像結果，如圖5所示。

該太赫茲雷達還具備對復雜目標進行二維ISAR成像的能力，如圖6所示為一直升機模型及其在太赫茲雷達近感探測處理中所成的二維ISAR圖像，一維距離像和二維圖像均可用于對目標的識別。但對信號處理器的速度要求過高，目前難以達到近感探測所需要的處理時間。

4 結論及展望

本文提出了一種載頻0．14 THz、帶寬5 GHz的近感探測技術方案，對其關鍵技術指標進行了論證，完成了其中探測部分太赫茲雷達的設計和測試。試驗結果表明，在工作頻帶內雷達發射功率可達到1 mW，對RCS在0．05 m2以上目標的作用距離大于25 m，距離分辨力3 cm，滿足近感探測的需求。該太赫茲雷達還可獲得目標一維距離像和二維ISAR圖像，可用于目標識別，但其在近感探測技術上的應用還依賴于信號處理速度的提升。

圖5 0．14THZ雷達對點目標的成像結果

圖6 直升機模型的太赫茲二維ISAR

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［4］ Andriy A．Danylov，et al．Terahertz Inverse Synthetic Aperture Radar （ISAR）Imaging with a Quan－tum Cascade Laser Transmitter［J］．Optics Express，2010，18（5）：16264－16272．

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