《太赫兹雷达成像技术》阅读笔记 1：第一章 概论

本文为空间信息获取与处理前沿技术丛书《太赫兹雷达成像技术》第一章"概论"的学习笔记。

• 出版社：科学出版社
• 作者：邓彬、王宏强、杨琪、蒋彦雯、罗成高

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1. 引言

• 太赫兹的定义：

  • 泛指: 频率 0.1 ~ 10THz；波长 3mm ~ 30um
  • 狭义: 频率 0.3 ~ 3THz; 波长 1mm ~ 10um

• 太赫兹的优点 (相比于微波雷达)

  • 空时频分辨率高

    ✅ 空间上：成像分辨率更高、目标细节更丰富、特征更精细；

    ✅ 时间上：成像帧率高、有利于实时成像、精确打击

    ✅ 频谱上：多普勒敏感、有利于微动探测和高精度速度估计

  • 波长短： $\Rightarrow$ 波束窄 $\Rightarrow$ 天线增益和角跟踪精度高

  • 带宽高： $\Rightarrow$ 易于抗干扰、大气衰减大 (客观上形成保护)

  • 器件小： $\Rightarrow$ 可高度集成化、小型化、阵列化，适用于集群、卫星等平台

  • 传播、反射特性接近光学 $\Rightarrow$ 能够反隐身、使用准光器件对波束进行扩束、聚焦、准直等调控

• 太赫兹的优点 (相比于LiDAR)

  • 穿透烟雾、浮尘等能力更强
  • 对天气鲁棒性好
  • 对高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏感

• 太赫兹雷达的特殊性：

  • 相比于微波毫米波、激光，THz在存在特殊性，包括以下4个方面
  • 雷达系统
  • 目标特性
  • 目标成像
  • 应用技术

2 太赫兹雷达系统

• 现有THz雷达系统的分类

  • 1 电子学太赫兹雷达

    ▪ 固态电子学太赫兹雷达 (340GHz左右)：倍频、放大 + 振荡器 ✅ 工艺技术相对成熟 $\Rightarrow$ 目前THz雷达系统的主流

    ▪ 真空电子学太赫兹雷达 (340GHz左右): 放大 + 振荡器 ✅ 输出功率高

  • 2 光学太赫兹雷达

    ▪ 时域雷达 ：太赫兹时域光谱技术与雷达技术相结合的相干雷达系统。 $\Rightarrow$ ✅ 频段高 (>2THz), 带宽大、时间(距离)分辨率大、频谱信息丰富、集成小型化 $\Rightarrow$ ❌功率小、采集效率低、光斑(波束)窄、波形固定等

    ▪ 远红外激光器雷达 (2.52THz) ：光泵浦气体激光器，通过高功率$C{O}_2$激光器泵浦甲醇、甲酸等气体，通过气体的转动跃迁产生单频太赫兹波. $\Rightarrow$ ✅ 输出稳定的单频信号，太赫兹高频段主要的相干源 $\Rightarrow$ ❌ 缺少雷达集成与应用方面的研究

    ▪ QCL雷达 : (Quantum Cascade Laser, 量子级联激光器) 能够在1THz以上提供平均功率大于10mW的太赫兹辐射

  • 特点 ： 光学太赫兹雷达 频率高，但距离近，通常用于近距离室内实验； 电子学太赫兹雷达 反之，探测应用更大。

3 太赫兹雷达目标特性

• 目标散射特性建模与计算

  • 太赫兹频段介电响应已跨入微观领域
  • 需要把宏观电磁理论和微观电磁理论相结合，从量子力学水平进行解释

• 目标散射机理

  • 两种分析思路 :

    微波毫米波段向上扩展；

    光学频段向下扩展；

  • 特点：

    THz频段下目标表面粗糙起伏，正好处于由不可见到可见的过渡区域

    $\Rightarrow$ 目标表面的亚波长粗糙和细微结构对电磁散射行为有重要影响 $\Rightarrow$ ✅ 分析粗糙表面的散射特性

  • 粗糙表面散射理论方法：

    ✅ small perturbation method (SPM) 微扰法

    ✅ 基尔霍夫近似法

    ✅ 小斜率近似法 small slope approximation

    ✅ 双尺度法等

    ✅ 还需要考虑相位变化

• 目标散射特性的测量

  • 主要分为电子学方式、光学方式两类。具体地：

  • 基于电子学系统的测量

    主要在太赫兹低频段进行测量 (0.1-0.5THz)

    被测目标尺寸往往较大

  • 基于TDS / 远红外激光器系统的测量

    主要在太赫兹中低频段开展 (0.1-2.4THz)

    被测目标尺寸往往较小

4 太赫兹雷达目标成像

• 特点

  • 可同时借鉴LiDAR成像和微波成像的理论与方法

  • 本书仍关注经典相参雷达相关的成像方法，即：

    机理上： 层析原理 + 距离-多普勒原理

    模型上： 综合孔径 / 阵列实孔径

    方法上： 后向投影、距离多普勒、距离徙动等, ✅ 不同角度和频点间目标回波的相干性仍得以保持

  • THz特殊的优缺点

    ❌ 大带宽信号非线性影响

    ❌ 近场效应

    ✅ 准光扫描技术成熟

    ✅ 高帧率成像

    ✅ 对粗糙表面的成像能力等

• 现有方法：通常是以下三种思路的组合

  • SAR / ISAR
  • 阵列 (实孔径)
  • 准光扫描

• 具体分类：

  • ISAR成像

    ✅ 已对坦克模型、自行车、吸波材料等进行了0.14THz, 0.22THz, 0.33, 0.44, 0.67 THz的成像

    ✅ 上述频段相位相干性得以保留 $\Rightarrow$ 转台成像至少在 低频THz 上可行

    ✅ 相比于微波成像，对相对转角要求低、成像分辨率高

    ❌ 波长短 $\Rightarrow$ 目标或平台抖动对成像结果的影响显著增强

  • SAR成像

    ✅ 搭载于移动平台

    ✅ 集群小型化、高分辨、高帧率、多普勒敏感

    关键技术 (DAPRA确定) 1. 紧凑的发射机与接收机；2. 功率放大器；3. 场景仿真与数据测试系统；4. 实时成像先进方法

    频率在220GHz左右

  • 阵列成像

    ✅ 阵列化是雷达成像体制的发展趋势：主要挑战为加工和集成难度大

    ✅ 但THz天线体积小，适合阵列话

    ✅ 如2016年中国工程物理研究院 340GHz, 三维扫描成像系统, 4发16收阵列，发射带宽16GHz, 4m人体成像

    ❌ 太赫兹阵列雷达成像理论与系统均受到高度重视，但相控阵技术尚不成熟 $\Rightarrow$ 一般通过快速开关切换而非波形正交实现通道切换

    ❌ 仍"被迫"使用线阵、合成孔径、准光扫描、稀疏等技术减少阵元数量 $\Rightarrow$ 以降低成本

  • 孔径编码成像

    SAR/ISAR: 需要相对运动，依赖于时间积累；实阵列雷达：需要阵元数量多，结构复杂，成本高。

    孔径编码成像：借鉴融合太赫兹成像技术与微波关联成像技术，利用孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅度、相位分布 $\Rightarrow$ 构造具有显著时间-空间不相关性的辐射场分布形式 $\Rightarrow$ 结合计算成像思想进行成像

5 太赫兹雷达应用技术

• 预警探测应用
  • 天空或地面军事目标探测
  • 动能武器
  • 反导拦截
  • 搭载于卫星、飞艇上对高速目标进行探测等
• 安检反恐应用
  • 可实现无驻留、高分辨率安检反恐
• 车辆防撞应用
  • 分辨率、小型化上更具优势
  • 有望成为自动驾驶传感器
• 气象测云应用
  • 比毫米波可更加准确地提供云粒子的特性
  • 星载平台可有效避免太赫兹波近地面大气衰减严重的问题
• 生物医学应用
  • 具有微多普勒敏感优势
  • 太赫兹雷达在非接触式生命信号监测方面也有优势
  • 如战场士兵监测

本书后续内容

• 后续内容还是非常实用的：
  • 第二章 雷达成像基本原理与基础知识
  • 第三章 ISAR
  • 第四章 将二维成像拓展到三维 (方位-俯仰三维成像)
  • 第五章 干涉三维成像
  • 第六章 阵列技术
  • 第七章 MIMO线阵三维成像
  • 第八章 改变线阵运动方式 $\Rightarrow$ 基于旋转的线阵扫描成像技术
  • 第九章 SAR成像技术
  • 第十章 太赫兹孔径编码成像技术
  • 第十一章 引入稀疏贝叶斯和深度学习，进一步提高性能
  • 第十二章 发展和展望

但可惜有优先级更高的事情，有缘再更~