《太赫兹雷达成像技术》阅读笔记 1：第一章概论_太赫兹雷达的优缺点-优快云博客

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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 $CO_2$ 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