太赫茲FMCW雷達(dá)近感探測(cè)技術(shù)

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(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，也是最后一個(gè)人類尚未完全認(rèn)知和利用的頻段。在近感探測(cè)應(yīng)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(dá)在測(cè)距精度、探測(cè)分辨力等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)［1］。

近年來，國外太赫茲雷達(dá)的研究已廣泛開展，美國JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）著眼于倍頻的太赫茲源產(chǎn)生機(jī)理，開展了大量基礎(chǔ)理論和系統(tǒng)研究，先后研制出580 GHz、600 GHz和675 GHz等不同載頻的雷達(dá)系統(tǒng)，并用于近感成像，分辨力分別達(dá)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(dá)，分辨力已達(dá)到亞厘米級(jí)，作用距離25 m［2］；德國FGAN（應(yīng)用科學(xué)研究所）也是采用倍頻技術(shù)，于2007年研制出工作頻率220 GHz的太赫茲成像雷達(dá)COBRA－220，作用距離200 m，成像分辨力達(dá)到1．8 cm［3］；美國陸軍國家地面情報(bào)中心與馬薩諸塞州大學(xué)則另辟蹊徑，將高頻率穩(wěn)定度的太赫茲量子級(jí)聯(lián)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(shí)現(xiàn)了對(duì)飛機(jī)坦克等戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)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(shí)現(xiàn)了亞毫米級(jí)的成像分辨力［4］。國內(nèi)目前只有電子科技大學(xué)和中國工程物理研究院在太赫茲雷達(dá)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(dá)的發(fā)射信號(hào)帶寬5 GHz，距離分辨力達(dá)到3 cm，并具備二維成像功能［6］，可通過適當(dāng)改進(jìn)，將其應(yīng)用于近感探測(cè)，本文將對(duì)其中存在的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行探討。

1 太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)技術(shù)

1．1 太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)原理

太赫茲近感探測(cè)采用線性調(diào)頻連續(xù)波（LFMCW）的工作模式，其發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬遠(yuǎn)大于回波信號(hào)的時(shí)延，而且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作，可滿足近距離無盲區(qū)探測(cè)的需求。同時(shí)LFMCW的信號(hào)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(shù)實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，降低信號(hào)處理帶寬，從而降低數(shù)字信號(hào)處理的壓力。

太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)的原理框圖，如圖1所示，主由天饋、發(fā)射鏈路、接收鏈路、基帶單元等部分組成，數(shù)字信號(hào)處理部分兼顧雷達(dá)控制功能，通過三角波發(fā)生器和一個(gè)線性調(diào)頻源產(chǎn)生3 GHz～8 GHz的對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)（ST－LFMCW），帶寬5 GHz，該信號(hào)功分兩路，一路饋入發(fā)射鏈路，通過諧波混頻實(shí)現(xiàn)上變頻到太赫茲波段，放大后經(jīng)天線發(fā)射出去，太赫茲波與目標(biāo)作用后的散射回波經(jīng)接收天線收集進(jìn)入接收鏈路，通過低噪放放大，諧波混頻到達(dá)基帶，與3 GHz～8 GHz源的另一路功分信號(hào)混頻完成去斜，成為窄帶信號(hào)，經(jīng)高速采樣后進(jìn)入信號(hào)處理單元，完成目標(biāo)信息的提取，并將處理結(jié)果通過總線上報(bào)中控單元以供決策。

圖1 太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)原理框圖

在太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)的發(fā)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(shè)計(jì)中，0．14 THz諧波混頻器采用肖特基二極管來實(shí)現(xiàn)，利用二極管的非線性實(shí)現(xiàn)諧波混頻，其V波段的本振是通過將毫米波的點(diǎn)頻源經(jīng)2倍頻獲得。

太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)單元的發(fā)射信號(hào)形式為對(duì)稱三角線性調(diào)頻連續(xù)波，其發(fā)射及目標(biāo)回波的時(shí)頻示意圖如圖2所示。在本設(shè)計(jì)中，其發(fā)射波形參數(shù)為中心頻率f0＝136．9 GHz，調(diào)制周期Tm＝100 μs，調(diào)制頻偏ΔFm＝5 GHz，接收回波與發(fā)射信號(hào)混頻后，由于時(shí)延及多普勒的存在，形成差拍信號(hào)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(qū)，存在一個(gè)頻率快速降為0然后再上升的過程，但該過程持續(xù)時(shí)間為τ＝2R／c（R為目標(biāo)距離），對(duì)于近感探測(cè)應(yīng)用，有τ?Tm，故可忽略不計(jì)，通過譜分析的方法獲得f＋b和f－b，而當(dāng)目標(biāo)距離為R，徑向速度為v時(shí)，f＋b和f－b與目標(biāo)距離R，多普勒頻移fd≈（2v／c）f0之間存在如下關(guān)系［7］：

圖2 發(fā)射信號(hào)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)頻關(guān)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(hào)和發(fā)射信號(hào)進(jìn)行混頻得到差拍信號(hào)，經(jīng)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(biāo)的距離和徑向速度信息。

1．2 太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)技術(shù)指標(biāo)討論

太赫茲近感探測(cè)應(yīng)用要求最大探測(cè)距離不小于25 m，探測(cè)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(jī)輸出信號(hào)的信噪比要求為14 dB。

在140 GHz的大氣窗口頻率上，相對(duì)濕度50%時(shí)，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(duì)于近感探測(cè)25 m的作用距離來說，該衰減可以忽略不計(jì)，因此其雷達(dá)方程可寫為

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

發(fā)射鏈路實(shí)現(xiàn)基帶CHIRP信號(hào)的諧波混頻、放大和濾波，產(chǎn)生0．14 THz的發(fā)射信號(hào)，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(tài)器件組成。二次諧波混頻器采用肖特基二極管實(shí)現(xiàn)方式，與SIS和HEB混頻器相比，它可在室溫工作，變頻損耗相對(duì)較小，設(shè)計(jì)參見［8］。基帶信號(hào)輸出至發(fā)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(fā)射鏈總增益2 dB，因此輸出信號(hào)電平能達(dá)到2 dBm。留一定余量，Pt按照0 dBm計(jì)算。

發(fā)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(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)接口，在0．135 THz～0．145 THz頻率范圍增益能達(dá)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(jì)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(gè)接收機(jī)的噪聲溫度約為Te≈4000 K，換算為噪聲系數(shù)大約FN＝11．4 dB，接收機(jī)采用stretch方式，最終處理帶寬B＝10 k Hz。

其余參數(shù)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(biāo)在不同距離上的檢測(cè)信噪比，由圖中可以看出，對(duì)于RCS為0．05 m2以上的目標(biāo)，在25 m處的檢測(cè)信噪比大于14 dB，滿足近感探測(cè)檢測(cè)性能的要求。而對(duì)于RCS為0．01 m2的目標(biāo)，在相同的檢測(cè)信噪比要求下，作用距離只能達(dá)到17 m左右。

圖3 檢測(cè)信噪比隨目標(biāo)距離的變化關(guān)系

對(duì)于太赫茲波來說，目標(biāo)的RCS一般會(huì)比微波毫米波段要大，因此，對(duì)于大多說目標(biāo)來說，其在太赫茲波段的RCS都會(huì)大于0．05 m2，該太赫茲近感探測(cè)雷達(dá)可滿足要求。

2 太赫茲雷達(dá)性能測(cè)試

太赫茲雷達(dá)是太赫茲近感探測(cè)的重要組成部分，本部分給出對(duì)其0．14 THz收發(fā)前端及整機(jī)集成測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)果。

2．1 太赫茲雷達(dá)0．14 THz收發(fā)前端

圖4所示為0．14 THz發(fā)射前端輸出功率測(cè)量曲線和單音信號(hào)輸出頻譜，在－10 dBm IF信號(hào)輸入下，發(fā)射前端的小信號(hào)增益約為6 dB。在0 dBm IF信號(hào)激勵(lì)下，發(fā)射前端的飽和輸出功率約為2 dBm。

圖4 收發(fā)前端性能隨頻率變化測(cè)試曲線

2．2 太赫茲雷達(dá)測(cè)試

為了驗(yàn)證太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)的測(cè)距能力和距離分辨力，分別采用點(diǎn)目標(biāo)和直升機(jī)模型進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)目標(biāo)距離為5 m，在點(diǎn)目標(biāo)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(shè)計(jì)時(shí)的檢測(cè)信噪比需求，并且由點(diǎn)目標(biāo)譜峰的半高寬可以測(cè)出，探測(cè)的距離分辨力大約為3 cm，達(dá)到設(shè)計(jì)的理論分辨力。雷達(dá)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果，如圖5所示。

該太赫茲雷達(dá)還具備對(duì)復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行二維ISAR成像的能力，如圖6所示為一直升機(jī)模型及其在太赫茲雷達(dá)近感探測(cè)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(duì)目標(biāo)的識(shí)別。但對(duì)信號(hào)處理器的速度要求過高，目前難以達(dá)到近感探測(cè)所需要的處理時(shí)間。

4 結(jié)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(cè)技術(shù)方案，對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了論證，完成了其中探測(cè)部分太赫茲雷達(dá)的設(shè)計(jì)和測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工作頻帶內(nèi)雷達(dá)發(fā)射功率可達(dá)到1 mW，對(duì)RCS在0．05 m2以上目標(biāo)的作用距離大于25 m，距離分辨力3 cm，滿足近感探測(cè)的需求。該太赫茲雷達(dá)還可獲得目標(biāo)一維距離像和二維ISAR圖像，可用于目標(biāo)識(shí)別，但其在近感探測(cè)技術(shù)上的應(yīng)用還依賴于信號(hào)處理速度的提升。

圖5 0．14THZ雷達(dá)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的成像結(jié)果

圖6 直升機(jī)模型的太赫茲二維ISAR

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