精確制導前沿成像探測技術*

羅成高，鄧 彬，程永強，王文鵬，王宏強，王 展

(1. 國防科技大學 電子科學學院， 湖南 長沙 410073； 2. 北京遙感設備研究所 毫米波遙感技術重點實驗室， 北京 100038)

現代戰爭中，利用精確制導武器對敵方的高價值要害目標進行“點穴式”打擊是現代軍事強國一個慣用的攻擊手段[1]。近年來的歷次局部戰爭和武裝沖突中，包括海灣戰爭、科索沃戰爭、伊拉克戰爭以及敘利亞反恐戰爭，精確制導武器大規模應用于戰場，推動了世界新軍事變革的快速發展和主要軍事強國全面向新世紀信息化部隊轉型的步伐[2]。

精確制導技術已經走過了半個多世紀的發展歷程，首次使用是在1943年5月12日，英國空軍“自由號”巡邏轟炸機投下1枚聲尋的魚雷，嚴重破壞了德國U-456號潛艇[3]。

20世紀60年代中期出現的激光制導炸彈改變了對陸地目標精確攻擊的局面，在越南戰場上得到了大量使用。據統計，整個越南戰爭期間，美軍共投擲激光制導炸彈25 000余枚，炸毀重要目標1800余個，其中還包括普通航彈難以摧毀的橋梁100余座。

隨后的20世紀70世紀至80年代又經過冷戰軍備競賽、新軍事革命等不同歷史因素的促進，并經受了實戰檢驗，精確制導系統的體制、方法、技術和應用都得到了很大的發展。

1991年海灣戰爭爆發，以美國為首的多國部隊用8%的精確制導武器摧毀了伊拉克80%的戰略和戰術目標[4-5]。但是，激光制導炸彈在海灣戰爭中也暴露出容易受云層和戰場煙霧、灰塵影響的弱點。隨著先進紅外焦平面探測器技術和微波、毫米波單片集成電路技術以及高速實時信息處理機技術的發展，以紅外成像末制導、主動毫米波雷達末制導和多模復合制導為主流的精確制導技術開始了一個迅速發展的階段，催生了直接碰撞動能武器，使對包括彈道導彈和衛星等目標的空間目標的精確打擊成為現實[6]。1999年，以美國為首的北約組織襲擊南斯拉夫，精確制導武器的使用量已上升到35%，整個“盟軍行動”是“歷史上最精確的轟炸戰役”[3]。

進入21世紀以來，爆發的幾次局部戰爭再次成了精確制導武器的“秀場”，其超視距精確打擊能力以及極低的伴隨毀傷在戰場上不斷被證實并強化。2003年的伊拉克戰爭中，美軍首先依托自身空中優勢對伊拉克的國防指揮系統和防空系統進行精確打擊，迅速瓦解了伊軍的抵抗，隨后地面部隊在幾乎沒有遇到有效抵抗的情況下完成了對伊拉克的占領。

然而，隨著精確制導技術的快速發展，各種反制技術與對抗理論也應運而生，并獲得了長足進步。2011年敘利亞內戰爆發以來，各種精確打擊技術與反制技術輪番上陣，各方勢力以IS極端組織武裝為打擊對象測試自身精確制導武器的實戰能力，積累實戰經驗。2017年以來，以美國為首的西方國家以“反化”為名，先后兩次對敘利亞政府軍據點實施定點精確打擊；同時，俄羅斯也出于自身戰略利益考量，在敘利亞部署了S-400等大量先進的防空反導系統。在2018年美英法三國對敘利亞政府軍目標實施精確打擊的過程中，共發射了100余枚精確制導導彈，但相當數量的導彈均被敘利亞政府軍的防空系統攔截或擊落。盡管參戰雙方對精確打擊效果與攔截效果各執一詞，說法不一，但這是21世紀以來難得的一次精確打擊與有效攔截對抗的實戰案例，必將引起世界各國軍事機構的強烈興趣，并促使各方對新型作戰形態下精確制導技術展開新的研究。

用于精確打擊或反導攔截的精確制導武器系統依賴于先進的精確制導技術，而成像探測技術可直觀察獲取目標的外形或基本結構等豐富的目標信息，抑制背景干擾，識別目標及其要害部位，或者實現多目標的實時跟蹤，因而成為精確制導技術的重要發展方向。較為典型的精確制導成像探測技術包括電視成像制導、紅外成像制導、激光雷達制導、合成孔徑雷達制導以及常規相控陣雷達制導等[7]。電視成像制導技術利用電視攝像機捕獲、識別、定位、跟蹤直至摧毀目標，其應用始于二戰期間美國研制的滑翔炸彈。電視成像制導技術制導精度高、隱蔽性好，但不能獲取目標距離信息，不能全天時全天候工作。紅外成像制導技術利用紅外探測器探測目標的紅外輻射, 獲取可視圖像進行目標捕獲與跟蹤制導，具有分辨率高、隱蔽性好等優點，但依賴于目標和環境的輻射特性，不能探測冷目標，且易受紅外誘餌干擾。激光雷達制導技術利用激光波束作為信息載體，實現目標的精確測距、測速、成像以及目標跟蹤與制導。具有制導精度高、抗干擾能力強、能全天時探測等優點，但易受氣候條件影響，難以全天候應用，且波束窄，對空間非合作目標的截獲概率和探測效率較低。合成孔徑雷達制導技術通過發射寬帶信號獲取目標的高分辨距離像，利用雷達與目標之間的相對運動形成等效天線孔徑實現目標方位向的高分辨，能夠全天時全天候探測，具有較高的距離和方位分辨率，但易受電子干擾，依賴于雷達與目標之間的相對運動，需要孔徑和采樣時間積累，難以實現高幀頻凝視前視成像。常規相控陣技術最早出現于20世紀30年代，其天線面陣由多個可獨立調控的輻射和接收單元組成，利用電磁波相干原理實現高速電控波束掃描與波形捷變，應用于雷達導引頭精確制導領域，具有抗干擾能力強，發射功率大，可同時實現多目標的實時搜索、探測、跟蹤以及精確制導等優點。但常規相控陣雷達天線需要大量輻射和接收組件組成大規模天線陣列，系統復雜，成本高昂，難以實現低成本小型化。

在未來新型作戰環境下，精確制導成像探測技術所面臨的作戰目標、環境、任務將會發生顯著變化，高速、高機動空中和空間隱身目標大量涌現，強地物雜波廣泛分布，有源干擾、無源干擾等先進干擾手段被大量應用，再加上以“蜂群”方式進行攻擊的無人機和空面武器，諸多因素使精確制導武器的探測和作戰環境日趨嚴苛，作戰性能顯著下降，精確制導成像探測技術面臨著日益嚴峻的挑戰[8-10]。為了適應新的作戰目標、任務以及嚴苛的探測環境，應對新型作戰形態對精確制導系統提出的新挑戰，精確制導成像探測技術將向高幀率、高分辨率、凝視化、抗干擾、低成本、小型化和數字化等方向發展，而近年來蓬勃發展的前沿熱點技術為精確制導成像探測技術向這幾大方向的發展提供了有力的技術支撐。美國國防部在2013—2017年科技發展“五年計劃”中將超材料技術與量子信息與控制技術等列為未來六大顛覆性基礎研究領域。而在2004年，美國將太赫茲(TeraHertz，THz)技術列入“改變未來世界的十大技術”，2006年又將其列為國防重點學科。近十年來，美國國防高級研究計劃局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)先后設立了系列THz技術研究項目，如亞毫米波焦平面成像技術、高頻集成真空電子學、THz作戰延伸、THz電子學等相關項目[11]。2012年推出視頻合成孔徑雷達(Video Synthetic Aperture Radar，ViSAR)計劃[12]，2016年在專門雷達特征解決方案中提出加強亞毫米波目標特性測量雷達研究[13]。

因此，依托THz、量子和超材料等前沿顛覆性技術發展THz雷達、量子雷達以及超材料雷達等新概念前沿精確制導成像技術，對于推動未來精確制導技術的跨越式發展，提升精確制導武器的打擊與攔截作戰效力具有重大戰略意義。本文整理概括了精確制導成像技術的主要發展方向以及可采取的典型技術途徑，如表1所示，對幾種典型的精確制導成像技術途徑進行了深入梳理與分析。

表1精確制導成像探測技術主要發展方向與典型技術途徑Tab.1 Main developing trends and typical technical approaches of imaging and detecting technologies for precision guidance

主要發展方向典型技術途徑高幀率、高分辨率THz雷達精確制導凝視化、抗干擾量子雷達精確制導低成本、小型化、數字化超材料雷達精確制導

1 THz雷達精確制導成像技術

THz波通常指頻率在0.1～10 THz(對應波長0.03～3 mm)之間的電磁波，其頻率介于毫米波與紅外之間，處于宏觀電子學向微觀光電子學的過渡頻段，具有一些不同于其他頻段的特殊性質。THz頻段已成為軍事高科技競爭的新的戰略制高點，THz雷達系統具有帶寬大、分辨率高、抗干擾、反隱身等優勢，能夠實現對目標的精確測速測角、高分辨率成像以及精細結構特征反演，還能夠利用材料在THz頻段豐富的特征譜線提取目標的“指紋特征”，是未來成像探測技術的重要發展方向。分別針對空間目標探測、跟蹤與攔截，以及低空作戰條件下戰場目標的精確識別與打擊等應用場景，積極開展THz雷達導引頭與THz ViSAR精確制導成像技術研究，可有效彌補傳統微波和光學頻段成像制導技術的不足，助推精確制導成像技術向高幀頻、高分辨率方向的發展，增強“定點清除”式精確制導打擊的威懾力。

1.1 THz雷達導引頭

彈道導彈是現代戰爭中最具威脅性的攻擊性武器之一，它具有較強的突防能力、較大的破壞力以及可以攜帶多彈頭、核彈頭或者生物化學彈頭的優越性能。但是彈道導彈防御卻面臨著速度快、干擾多等問題，難度很大。因而一般通過采用分段和多次攔截的方式提高攔截概率，包括助推段攔截、中段攔截和末段攔截。對防御系統來說，越早發現來襲目標，越容易實施攔截。綜合考慮攔截時機和難度，中段被認為是攔截的主要階段。中段攔截有兩種方式，其中直接碰撞動能殺傷是彈道導彈的重要發展趨勢，也就是所謂的外大氣動能殺傷攔截器(Exoatmospheric Kill Vehicle，EKV)。目前EKV一般采用紅外導引頭，紅外導引頭通過探測目標發動機噴管、尾焰及蒙皮氣動加熱的紅外輻射來獲取導引信息，具有測角精度高、能夠成像、大氣背景雜波小、重量輕等優勢[14]，但也具有一些固有缺陷，比如采用被動方式、過度依賴目標熱輻射、受氣動光學效應影響較大等。

而THz波具有頻率高、帶寬極高、煙霧穿透能力強、受氣動光學效應影響小等特點，結合SAR或者旋轉陣列成像[15]等，開展新型THz雷達導引頭技術研究，可以有效填補目前紅外導引頭的不足，具有很好的發展前景。

THz雷達導引頭在中段反導中具有諸多優勢。首先，THz波能夠做到帶寬極高，有利于分析物體的光譜性質，甚至反演物體材料信息，實現真假彈頭識別。其次，在反隱穿透方面，在助推段和末段中，來襲導彈目標的高速運動還將會在彈頭外面形成一層等離子體鞘套，這也對紅外導引頭的探測與高分辨成像產生嚴重干擾，對彈頭引起的氣動光學效應特別敏感。THz雷達導引頭頻率高，可穿透等離子體鞘套，對熱環境不敏感，受氣動光學效應影響小，因此THz雷達導引頭因反隱穿透能力而成為反導攔截的有效手段，填補目前紅外導引頭的不足。在目標部位選擇方面，紅外導引頭在遠距離時對彈頭的成像結果只是一個點，只有在近距離時才能分辨彈頭上不同的部位，且助推段和末段成像時還要受到氣動光學效應的影響。而THz雷達導引頭采用雷達高分辨成像技術，遠距離時，保證信噪比達到一定水平，即可對彈頭目標實現成像，成像積累時間極短，將為彈頭攔截提供更多的時間余量。成像還對氣動光學效應不敏感，穩定的毫米級超高分辨二維成像可以獲得彈頭目標的詳細部位分布，對于選擇關鍵部位進行有效撞擊具有重要的意義。最后，在測量精度上，THz雷達導引頭因為工作頻率高、波長短，天線波束3 dB寬度將非常小，帶來了極高的角分辨能力。同時THz雷達導引頭帶寬大，可以實現高精度測距。參考紅外導引頭的測量精度，THz雷達導引頭在測角精度、測角視場和測距方面均能滿足制導要求。由5個散射點組成的錐體彈頭模型如圖1(a)所示，其中坐標(0,0)位置既是參考點也是轉軸，目標圍繞轉軸逆時針轉動一個小的角度，參考距離設為20 km，轉角設為0.02 rad。 分別給出X波段(載頻10 GHz，帶寬300 MHz)和THz頻段(載頻340 GHz，帶寬10 GHz)的仿真成像結果，如圖1(b)和圖1(c)所示。從仿真結果可以看出：X頻段由于分辨率不夠，難以將彈頭目標上相距較近的散射點分開；THz雷達則可以達到很高的分辨率，能夠對目標進行精細成像，識別目標的細微結構。這說明THz雷達在精確制導成像與探測方面極具技術優勢。

現階段，世界軍事強國均有具有代表性的反導攔截系統，如美國的愛國者系列、薩德系統和海基的標準系列，俄羅斯的S-300、S-400，中國紅旗-9系統。但是這些系統工作頻段相比THz一般都比較低。比較接近THz頻段的代表性導引頭為美國哈姆導彈的改型——先進反輻射制導導彈(Advanced Anti-Radar Guided Missile，AARGM)，主要用于精確打擊各種防空陣地(包括預警雷達陣地、地空導彈和高炮武器系統、指揮信息系統等) ，也可打擊無輻射的普通目標，還可用于軍用戰機實施自衛作戰[17]。美國于2002年正式宣布該項研制計劃，2002—2005 年間完成了第一階段和第二階段的研制，2006年進入第三階段的研制[18]。2010年7月5日，ATK公司宣布美國海軍已接收首次交付的AARGM。2015年8月18日，美國海軍在美國海軍航空系統司令部的穆古角海上試驗場成功進行了AARGM超聲速空面戰術導彈系統一系列系留和實彈發射試驗。2017年5月31日，ATK公司在位于加利福尼亞州北里奇市的生產基地舉行了一個儀式，向美國海軍交付了第500枚AARGM。AARGM采用了被動微波/寬帶主動毫米波復合導引頭，其中主動毫米波導引頭用于導彈的末段飛行制導。它能進行目標搜索、自動識別、跟蹤并且引爆戰斗部。相對于傳統的單模被動制導方式，AARGM末段飛行使用主動毫米波雷達制導，攻擊過程中即使敵方雷達關機，也能通過主動輻射毫米波信號探測目標，尋找敵方雷達天線或金屬反射體的強回波進行攻擊，因此具有極強的抗敵方雷達關機能力。此外，由于該雷達具有高分辨自動目標識別能力，能引導導彈精確打擊目標的關鍵部位，提高作戰效能[19]。相較于毫米波導引頭，THz雷達導引頭無疑在制導精度等方面更具優勢，也更具發展潛力，但由于大功率THz輻射源等器件因素制約，目前國內外均沒有THz頻段的反導攔截設備和技術研究。

(a) 彈頭模型(a) Warhead model

(b) X波段雷達成像結果(b) X-band radar imaging result

(c) THz雷達成像結果(c) THz radar imaging result圖1 彈頭模型與雷達成像結果對比[16]Fig.1 Comparison of warhead model and radar imaging result[16]

鑒于THz雷達導引頭具有的突出優勢，需要大力發展THz雷達導引頭精確制導技術，研究適用于導引頭的THz雷達新體制、新方法，掌握THz雷達精確測角技術、測距技術以及抗干擾技術，突破小型化大功率THz輻射源與高靈敏度THz室溫相干檢測器件技術瓶頸，推動THz雷達導引頭的小型化、實用化進程，用于解決空間目標的精確探測、跟蹤、成像和識別以及成功攔截等問題，為反隱穿透以及打擊部位精確選擇提供有效技術手段，提高反導攔截成功概率。

1.2 THz ViSAR

要保證我軍能在小型軍事沖突中“能打仗、打勝仗”，則要求我軍必須具備對地面高軍事價值機動目標進行“定點清除”式的全天候精確制導打擊能力，尤其是利用無人機和攻擊機等小型低空平臺對行進中的隊伍、運輸物資的車輛、步兵車及坦克等運動目標實施精確制導打擊。對地面目標進行高分辨成像，探測并識別出其中的運動目標，尤其是機動目標，是實現目標精確制導打擊的前提條件。

ViSAR系統是指圖像幀率滿足對地面運動目標持續跟蹤需求的SAR系統。ViSAR系統可逐幀顯現觀測區域的漸變靜態影像，形成視覺上的活動圖像，可更直觀感知目標的動態，具有可全天時全天候工作、高分辨高識別能力以及慢動目標檢測能力，能夠對感興趣時敏目標進行高分辨成像、識別和跟蹤，并與武器系統交聯實現火控與精確制導打擊。而THz雷達系統相比傳統的微波/毫米波雷達可獲得更高的距離分辨率、速度分辨率和角分辨率，具有帶寬大、波長短、分辨率高、抗干擾等優勢。將二者有機結合，發展THz ViSAR精確制導成像技術，可解決目前常規SAR對地觀測時存在的成像幀速率低、地面機動目標探測困難和無法跟蹤等問題，填補低能見度條件下地面運動目標精確成像跟蹤手段空白，增強“定點清除”式精確制導打擊的威懾力。

2012年5月1日，美國DARPA公布了ViSAR招標書。2012年7月31日，羅斯羅普·格魯曼公司宣稱在DARPA的THz電子學計劃的支持下研制出世界上第一個工作頻率達到0.85 THz的固態接收機。計劃的負責人約翰·阿爾布雷克特宣稱：“相干信號處理能力達到0.85 THz為DARPA的ViSAR等應用系統研究提供技術支持”。2012年12月19日，DARPA發布了《ViSAR系統設計和發展計劃》。2017 年9 月28日，DARPA 官網報道，DARPA 開發的ViSAR雷達成功獲取了被云層遮蔽的地面目標的實時、全運動視頻圖像[20-21]。

THz ViSAR系統的基本組成主要包括天饋分機、收發分機、伺服控制分機、信號處理分機、數據處理與目標分類分機以及顯示與控制分機等，如圖2所示。雷達發射機的作用是產生受到調制的大功率、寬頻帶、高穩定射頻信號載波，并經過饋線由天線向空間輻射；雷達接收機的作用是放大、變頻、檢波和預處理雷達回波，接收機靈敏度必須能夠滿足目標檢測的需求；天線的功能是把能量集中于確定的波束內，并將波束指向設定的方向，將發射的能量輻射到空間，接收的能量經傳輸線送到接收機；伺服機構是系統的一個關鍵部分，伺服系統通過控制系統使天線按要求掃描，完成天線波束移動以使瞄準誤差為零的任務；信號處理分機的作用是消除不需要的雜波信號，獲取需要的目標信號，進行平臺非期望運動補償，實現地面場景和動目標的高分辨實時SAR成像處理；數據處理與目標分類分機用于對信號處理分機輸出的目標位置信息和SAR圖像序列進行進一步數據處理，提取目標特征，對地面動目標進行跟蹤和識別；顯示與控制分機用于實現整個雷達系統的同步與控制，并實時顯示ViSAR成像結果。

圖2 THz ViSAR系統框圖Fig.2 Block diagram of THz ViSAR system

THz ViSAR系統可采用的工作模式主要有兩種：條帶快速瀏覽模式可在情報信息支持下，對潛在目標區域采用條帶式成像方法，以確保能夠以足夠寬的成像視場對潛在目標區域進行覆蓋搜索，在檢測和鑒別目標后轉入跟蹤模式；而聚束重點目標跟蹤模式可對目標所在區域采用聚束式成像方法，實現高成像分辨率和高幀率，以保證對運動目標的持續精確跟蹤制導。

THz ViSAR系統裝配于攻擊機、低空無人機或直升機上，用于低能見度條件下對地面運動目標實現視頻高分辨成像，對車輛、小股部隊、等運動目標進行視頻監視，并最終實現持續穩定跟蹤與精確制導打擊。根據我國軍事應用的需求，結合國內毫米波與THz技術領域的研究現狀，分階段開展THz ViSAR雷達系統和關鍵技術的研究，重點突破小型化的電真空大功率放大器、固態功率放大器、低噪聲接收機、THz單片集成多功能電路以及THz天饋組件等基礎器件瓶頸，掌握高精度THz ViSAR運動補償和運動目標快速檢測成像核心關鍵技術，研制THz ViSAR雷達成像系統，開展實驗研究。盡快形成低空飛行平臺的高分辨率高幀率對地偵察能力，為提升我軍在低能見度條件下的精確制導打擊能力提供技術支持。

2 量子雷達精確制導成像技術

最初的量子成像是通過糾纏態光子系統實現的。糾纏光子對中的一個光子被置于接收系統中，另一個光子朝目標發射，然后被目標反射后由雷達系統接收，利用糾纏光場或電磁場的漲落統計關聯特性，從而可以利用系統內部光子與接收光子的關聯處理實現目標探測[22-27]。而在光學三維成像技術中，常通過陣列調制方式對輻射場的幅度或相位實現空間調制，獲取目標的空間三維信息，從而實現高分辨三維成像[28-29]。借鑒光學量子成像以及陣列調制成像的基本思想，近年來我國積極開展了微波量子成像技術研究。微波量子成像利用陣列調制方式產生隨機輻射電磁場(對電磁波幅度、頻率、相位等物理量的隨機調制)替代光學量子成像中的隨機漲落光場，增大微波輻射信息在空間分布上的差異性，使同一波束的目標能被差異信息標度，從而為分辨同一波束內的目標提供了可能[30-32]。

除了對電磁波幅度、頻率、相位等物理量進行隨機調制，也可以尋求其他調制方式或可調制物理量，實現微波量子成像。經典電動力學理論指出，電磁場不僅具有線動量，同時也具有角動量。電磁場線動量通常與平動相聯系，而角動量通常與轉動相對應。其中，角動量又可以分為兩個部分：自旋角動量和軌道角動量(Orbital Angular Momentum，OAM)。自旋角動量與電磁場的極化相對應，而OAM與相位波前的變化情況相對應，二者均為物理守恒量。近年來，OAM由于其特殊的物理性質受到了廣泛關注。相對于自旋角動量，OAM理論上具有無限的拓撲荷數，能夠提供更為豐富的信息調制自由度。

將電磁場OAM信息應用于微波量子成像，即實現了一種新的雷達成像技術——基于OAM調制的量子成像，從而在傳統電磁波幅度、頻率、相位、極化等維度之外，增加了一個新的調制維度，提高電磁波的信息傳遞和信息獲取能力。其基本原理如圖3所示，當對電磁波加載OAM調制時將形成扭曲的波前分布，其相位波前呈現螺旋形的結構，雷達波束內不同目標處將形成具有差異性分布的輻射場激勵，目標散射回波中將蘊含更多的目標信息，通過關聯處理有望提升雷達對目標的成像分辨能力。由于OAM調制輻射場具有確定的調制模式(相位分布)，且理論上可以產生無窮多種相互正交的調制模式，在實現高分辨率成像的同時可以提高關聯成像求解的效率[33-38]。

圖3 基于OAM調制的量子雷達成像原理示意圖[39]Fig.3 Schematic diagram of the imaging principle of quantum radar based on OAM modulation[39]

傳統雷達成像技術大多基于距離-多普勒原理，該原理通過發射寬帶信號獲得距離向高分辨率，通過雷達與目標的相對運動形成大的虛擬合成孔徑獲得方位向高分辨率。但在某些軍事應用場景中，無法保證方位向高分辨成像所需的大虛擬孔徑，難以成像。例如反艦導彈、空地導彈和防空導彈等在進行末段尋的制導時，雷達導引頭與目標處于凝視前視觀測幾何條件，雷達與目標間的橫向相對運動很小，難以獲得大虛擬孔徑，將嚴重制約導彈的目標識別能力和抗干擾能力的提升。而基于OAM調制的量子雷達成像技術的最大優勢是不依賴于雷達與目標之間的相對運動，利用輻射場的時空隨機漲落特性(即探測信號的時空差異性)進行目標分辨，可以在凝視觀測條件下突破傳統理論中天線口徑對分辨率的限制，具有分辨率高、抗干擾能力強、探測載荷輕等優點，可以實現全天時全天候成像，在末制導導引頭前視成像與精確制導領域具有傳統成像制導手段無法比擬的優勢，具有巨大的潛在應用價值。

基于OAM調制的量子雷達制導成像技術作為一類正在探索的全新成像技術，其突破實孔徑成像系統衍射極限的高分辨原理已經得到了初步的驗證。然而，電磁場OAM的調制機理與調制方法、基于OAM調制的目標信息高精度反演等科學問題尚有待深入研究，其典型軍事應用場景也需深入論證。因此，很有必要積極推動基于OAM調制的量子雷達精確制導成像技術相關研究，促進新體制雷達精確制導成像技術的發展，為量子技術在軍事領域獲得更加廣泛的應用奠定基礎，大大補充和完善現有的精確制導成像手段。

3 超材料雷達精確制導成像技術

超材料的出現始于21 世紀的物理學領域，對于metamaterial 一詞，目前尚未有一個嚴格的、權威的定義，各種不同的文獻給出的定義也各不相同，但一般文獻中都認為metamaterial 是“具有天然材料所不具備的超常物理性質的人工復合結構或復合材料”。因此，所謂電磁超材料，可認為是將具有特定幾何形狀的宏觀基本單元周期或非周期性地排列或者植入基體材料內(或表面)所構成的一種人工電磁材料[40-44]。2014年，崔鐵軍等正式提出了可編程超材料的概念[45]，基于可編程超材料的新型電磁超表面天線，可實現對電磁波在時-空-頻-極化等多維電磁物理空間的實時操控，不需要類似常規相控陣的大量有源移相組件，可顯著降低器件成本，其重量僅相當于傳統雷達天線的1/3～1/2，尺寸相當于傳統雷達天線的1/5～1/3，可大幅降低系統運輸、安裝與調試成本。基于超材料技術，開展超材料相控陣雷達制導成像技術以及超材料孔徑編碼雷達成像制導技術研究，可為小型無人機和導彈等平臺精確制導作戰提供一條新的技術途徑[46-47]。

3.1 超材料相控陣雷達

常規相控陣雷達具有靈活、快速的天線波束掃描能力、天線波束形狀捷變能力、空間功率合成能力、天線與雷達平臺的共形能力、多波束形成能力、自適應空域濾波與自適應空-時處理能力，可極大地增大雷達導引頭的作用距離、抗干擾能力等性能指標，過去20年獲得了廣泛的應用。但常規相控陣天線由收發組件、波束控制模塊、傳統天線陣列等構成，且陣元數量多，造成傳統相控陣天線體積大、散熱要求高、制作成本高昂。雷達終端作為導彈、衛星、無人機等平臺的有效載荷，其外形尺寸和重量對于平臺本身的綜合性能指標具有重要影響。過大的外形尺寸將顯著增加裝備的體積與飛行重量，降低武器平臺對彈藥、燃料或其他傳感設備的裝載能力，增大雷達反射面積，縮短武器裝備的作戰半徑，增加被敵方探測系統捕獲的風險。因此，盡管常規相控陣雷達具有諸多優點，也難以在小型無人機、彈載或星載等對雷達載荷體積和重量有著嚴苛要求的系統中獲得普遍應用。

將可編程超材料技術與低剖面的微波介質板及二極管開關等相結合，研發出一系列新型的超材料相控陣天線，可實現對電磁波的靈活調控。超材料相控陣天線在天線單元設計時即嵌入了相位、幅度、極化、頻率等調制功能，即在天線上集成了幅相控制功能，從而可以將傳統收發組件、波束控制模塊功能通過對超材料的控制來實現，極大降低了體積、功耗和成本，并實現了相控陣天線整體的“超低剖面”[48-51]。同時，超材料相控陣天線還可將電磁模擬信號數字化，智能實時地調整材料的電磁信息特性，以適應或改變周圍電磁環境。將超材料相控陣天線應用于雷達系統可顯著提高雷達系統的數字化程度，通過與新型信息處理手段有機融合，有助于提升武器裝備雷達載荷智能化水平。新型超材料相控陣天線具有低剖面、波束掃描、多波束切換、波束靈活可控等諸多優點，并且重量較小、外形緊湊、易于集成、易于共形、制作成本較低，在顯著降低系統復雜度和成本的前提下能夠實現相控陣的所有功能，在目標探測與精確制導領域具有重大潛力[52]。

采用超材料相控陣天線的新型雷達工作原理如圖4所示，雷達系統主要包括超材料相控陣天線、系統主機、信號產生模塊以及接收天線等核心部件。信號產生模塊產生發射信號，并以線饋(也可以采用空饋)方式送入超材料相控陣天線，超材料單元根據應用需求對輸入的信號進行幅相編碼調控，產生特定的照射波束，并能夠實現快速數字波束掃描與波束形狀捷變等功能，可對特定目標空域進行不間斷高速掃描探測。當目標被波束照射時，其后向散射回波被接收天線接收，在系統主機中完成信號處理，提取出目標的距離與角度信息。由于超材料相控陣天線無須機械移動即可實現快速數字波束掃描，照射波束不斷重復掃描目標區域，更新目標的方位與距離坐標時具有極高的刷新速率，從而可實現多目標的實時跟蹤制導。

圖4 超材料相控陣雷達工作原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of the imaging principle of metamaterial phased array radar

超材料相控陣雷達的關鍵之處在于超材料相控陣天線對電磁波的智能操控，其中融合了電磁場與波以及材料等不同領域的知識，蘊含著大量的問題有待研究，比如具有多自由度的復雜超材料人工原子與外場耦合的物理機制、具有特殊宏觀排列方式的新型超材料中電磁波的傳播規律、超材料與電磁波的近場或準近場空時分布之間的映射關系等。此外，在精確制導、多目標探測與跟蹤等應用領域，還需要根據載荷平臺的需求，對天線陣列構型以及陣元尺寸、間距、規模等進行優化設計，建立超材料相控陣天線優化設計數學模型，對超材料單元進行大規模陣列互聯，在物理上實現大規模、高可控自由度的、能夠處理高容量的有源超材料低剖面相控陣天線。在未來新型作戰形態下，大力發展超材料相控陣雷達制導技術，推動雷達載荷的小型化、輕量化、低成本以及智能化，對于提升裝備的戰場生存、隱身突防、精確制導與打擊等綜合作戰能力極具戰略價值。

3.2 超材料孔徑編碼雷達

傳統雷達成像技術的難題可以歸結為“依賴于目標運動而又受限于目標運動”，實際上這一約束源于它的成像方式，即方位向分辨率從多普勒頻率獲得。由于高的多普勒分辨率需要一定角度的數據支撐域，因此需要合成孔徑中的長積累時間或實孔徑中的大規模雷達陣列來實現較大方位角的空間采樣。又由于多普勒頻率處理的要求，需要對目標進行均勻的空間采樣，即要求目標勻速運動或勻速轉動。

基于超材料的孔徑編碼雷達成像技術借鑒融合了量子雷達成像技術與計算成像技術的重要思想，通過可編程超材料孔徑編碼天線對孔徑內電磁波波束進行時空二維隨機編碼，改變目標區域電磁波空間幅相分布，構造成像數學模型，并通過計算求解該數學模型來最終獲取目標散射系數精確分布[53-54]。其工作原理如圖5所示，在探測區域內，所形成的雷達信號具有顯著的空間起伏特性，理想條件下，可以實現在時間-空間分布上的不相關。通過探測信號隨機空間分布對目標進行空間采樣，構造成像數學模型，再借助計算機強大的計算能力將圖像重構問題轉化為成像模型的數學求解問題，有望利用有限的孔徑，在極短的時間內獲得超出同口徑傳統雷達衍射極限的分辨率。在此基礎上，將THz技術與超材料孔徑編碼成像技術相結合，還可進一步提高成像系統的分辨性能。THz頻段(載頻340 GHz，帶寬20 GHz)超材料孔徑編碼雷達在前視凝視觀測幾何條件下對某型隱身飛機目標的高分辨仿真成像結果如圖6所示。由圖6(b)可見，仿真成像結果很好地還原了原始目標的輪廓和局部細節信息，能夠為目標精準識別和打擊部位選擇提供重要技術支撐。

圖5 超材料孔徑編碼雷達工作原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the imaging principle of metamaterial coded-aperture radar

(a) 隱身飛機(a) Stealth aircraft (b) 成像結果(b) Imaging result圖6 隱身飛機及其成像結果對比Fig.6 Comparison of stealth aircraft and imaging result

2013年，Hunt等提出基于超材料天線的微波編碼成像技術[55]。2014年8月，美國DARPA發布了成像雷達先進掃描技術研究項目，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三維成像技術，擁有比相控陣低的系統復雜度和比機械掃描高的成像速率，視頻幀速率大于10 Hz[56]。2015年，美國Notre Dame和Virginia Diodes Inc.的研究人員提出了一種光誘導孔徑編碼成像技術[57-58]，通過數字光處理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THz波束(500～750 GHz)透過率實現高速實時編碼。2016年，Li等提出了一種基于透射式2 bit可編程超表面的適用于微波頻段的單傳感器、單頻孔徑編碼成像技術[59]。該技術利用計算機控制現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)驅動可編程超表面產生“0”和“1”的隨機編碼，對入射波束進行隨機調制。研究人員還通過演示實驗對該方案的可行性進行了實驗驗證。2017年，Chen等對孔徑編碼成像雷達技術的編碼策略進行了深入研究[60]，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。2018年，Chen等又提出了一種接收端孔徑編碼成像系統實現方案[61]，可有效提升孔徑編碼制導雷達的探測成像距離。

超材料孔徑編碼雷達不需要利用多普勒頻率進行方位向分辨，從而不依賴于雷達與目標的相對運動即可實現高分辨、高幀頻、全天時全天候、前視凝視成像。同時，超材料孔徑編碼雷達的波束控制不需要大規模的移相器陣列，體積、重量、功耗和成本大大降低，在精確制導打擊與反導攔截方面具有巨大的潛在應用價值。

孔徑編碼雷達成像制導技術已經獲得了國內外研究機構的廣泛關注，部分研究人員已經開展了初步研究[62]，但總體上仍處于起步階段，仍然面臨成像模型過于簡單、編碼方案單一、目標超分辨重建難度較大以及超材料孔徑編碼天線技術有待突破等關鍵問題。同時，孔徑編碼雷達作用距離精確評估和分辨率定量表征技術也有待進一步研究。相信隨著超材料技術的高速發展與日趨成熟，其對電磁波的操控能力將更加智能、靈活和穩定，其成本也必將大幅降低。屆時，將為超材料相控陣雷達制導技術與孔徑編碼雷達制導技術的迅速發展提供強大推動作用，為精確制導雷達技術的小型化、低成本和智能化提供切實可行的技術解決方案，促進我國雷達精確制導技術的跨越式發展，產生巨大的軍事與經濟效益。

4 結論

在新型戰爭形態下，精確制導武器的作戰目標、使命任務以及戰場環境將發生顯著變化，這將給精確制導成像探測技術帶來前所未有的挑戰，并促使精確制導成像探測技術向高幀率、高分辨率、抗干擾、低成本、小型化和數字化等方向發展。依托THz、量子和超材料等前沿技術發展THz雷達導引頭、THz ViSAR、量子雷達、超材料相控陣雷達以及超材料孔徑編碼雷達等前沿精確制導成像探測技術，對于推動未來精確制導技術的跨越式發展，促進前沿技術與精確制導技術的交叉融合創新具有重要意義。