軍事需求是光電探測技術的發展牽引力。第二次世界大戰之后，由于新型光電探測器、紅外光學材料、信號處理技術，特別是紅外成像、激光技術的快速發展，為光電探測器件研發奠定了技術基礎。隨后，微電子和計算機技術的突飛猛進更使光電探測技術有了長足進步。在過去近60年的時間里，光電制導，特別是紅外制導技術在世界導彈武器研制國受到高度重視，美、俄等均投入了大量人力、物力和財力開展光電探測技術的開發、光電探測產品的研制、光電制導武器的生產與部署使用，加速了各種光電探測技術的發展進程。在歷次局部戰爭中，光電制導武器戰績卓著，顯示出強大的生命力。如今，光電探測技術早已發展到了成像探測階段，突破了可見光光譜限制，正不斷超遠紅外和紫外頻段發展，光電探測技術已成為精確制導技術領域的最重要研究方向之一。
國外戰術導彈光電探測領域前沿技術發展現狀
為了追求光束掃描器件的小型化，推動激光雷達等裝備體積縮小、重量降低，微小型光束掃描器件成為研究熱點，基于微反射鏡的微機械光束掃描技術與基于半導體材料微光學相控陣掃描技術發展迅速，成為激光雷達微小型化的主要技術途徑。
2012年，Doylend等使用硅光學相控陣實現了二維光束的轉向，該器件由一個16通道獨立調諧的硅光波導表面光柵光學相控陣列構成，實現了對二維光束的控制。2012年，Okamoto等提出二氧化硅和硅波導器件的進步和技術挑戰。2013年，DARPA驗證了二維光學相控陣技術，這種技術可用于先進激光雷達和其他國防應用。未來發展方向是利用新的微尺寸加工工藝，將電子和光學部件集成到單個芯片上，例如硅激光器單元及其他光學器件、硅基控制與處理電子設備等直接集成到芯片上。
圖1 復雜的二維光學相控陣技術
2013年，DeRose等設計出了電控光束轉向有源相控陣金屬納米天線。該納米天線光學相控陣制作在一個兼容硅光子的CMOS上，并且通過硅波導反饋與集成歐姆熱光相位轉向相結合實現2π相位轉向，控制電壓只有15mV。一個1×8集成移相器大小為6~9μm，通過控制功率可以實現光束在正常8°晶片的表面發生偏轉。
2014年，Kwong等設計了二維波束轉向的硅光學相控陣芯片。該設備用250nm的硅波導制造在硅絕緣體平臺上，每個器件上有16個相控陣單元，該系統由每個通道功率為20mW的電源開關來控制光束轉向系統。使用硅波導與多晶硅覆蓋的光柵使遠場波束寬度增加，同時降低常規淺蝕刻光柵的蝕刻精確度。轉向視場為20°×15°，旁瓣電平大于10dB，波束寬度為1.2°×0.5°。2013年，Jared等提出了一種新型的超低損耗氮化硅波導集成芯片，在1590nm波長下超低損耗波導最小傳播損耗為1.2dB/m。
圖3 裝置示意圖
2006年美國噴氣推進實驗室（JPL）研制成功了具有高分辨率測距能力的太赫茲雷達成像系統。該雷達對距離4米的目標，可實現2厘米的一維測距分辨率（該雷達測量4米源的目標，誤差小于2厘米）。2010年，該實驗室進一步研制了太赫茲快速高分辨雷達，實現了在5秒時間內對25米外隱藏武器的探測。2012年，JPL實驗室利用675GHz（0.675THz）掃描成像雷達（如圖所示）探測到了隱藏在厚衣服下面的聚氯乙烯管。同年，該實驗室通過等離子體腐蝕硅技術，制造了二維太赫茲雷達成像陣列，顯著加快了成像速度。
圖4 F-16縮比模型和T-80坦克縮比模型的太赫茲成像
圖5 人體及隱匿物體的三維成像
圖6 JPL實驗室0.675THz掃描成像雷達
美國馬薩諸塞大學在2010年用太赫茲量子級聯激光器制造了一部2.408THz的相干雷達，并對1:72的T-80BV坦克模型進行了逆合成孔徑雷達成像，下圖就是成像結果。從結果上看，坦克模型的履帶、炮塔基本可以辨析，整體輪廓清楚。
歐洲以德國為首也開展了太赫茲雷達技術的相關研究，瑞典、丹麥、英國、以色列、荷蘭等國的研究機構也紛紛加入該領域。2007年，德國高頻物理與雷達技術研究所研制了工作頻率220GHz（0.22THz）的太赫茲成像雷達COBRA-220，作用距離500米，成像分辨率達到1.8厘米，圖31為該系統的逆合成孔徑成像結果。
2010年，芬蘭毫米波實驗室與VTT技術研究中心共同研發了太赫茲無源的實時成像系統。該系統利用其對衣物具有良好透射性的優勢，實現了太赫茲波至亞太赫茲波段下對隱藏在衣物下的物體實時成像，其系統工作頻率為200GHz。
以色列撒瑪利亞大學2010年基于VDI公司的固態電子學器件搭建了一部330GHz（0.33THz）的太赫茲雷達實驗系統，用于隱藏目標探測與成像。通過采用高增益天線，該雷達成像距離可達40米。瑞典查爾姆斯科技大學在2010年基于倍頻鏈路與外差接收鏈路制造了一部340GHz（0.34THz）的太赫茲成像雷達。2011年，德國Keil等人研制了一部工作于234~306GHz（0.23~0.306THz）的雷達，并采用嵌入式圖形處理單元（GPU）實現合成像的實時重構。
圖8 COBRA-220雷達逆合成孔徑成像結果
國外前沿技術在戰術導彈光電探測制導領域的潛在應用分析
隨著技術的不斷發展，目前的彈載激光制導武器開始采用主動成像方式，獲得目標的三維圖像，并自動識別目標，主動尋的，提高制導性能。彈載激光主動成像的制導方式可以實現實時的智能化打擊，同時還可以避免載機或前方戰士靠近敵方目標后被敵方發現并反擊的巨大危險。此外，激光主動成像制導還可以與其他多種制導方式相結合，實現彈載復合制導，有利于提高制導精度和應付各種復雜的戰場環境，從而發揮全天候作戰的優勢，這也是導彈武器系統實現精確打擊的重要發展方向。
目前，國內外對于激光主動成像制導主要有兩方面的需求，一是用于近距離作戰的小型制導裝備，如精確制導炸彈、火箭彈、空空導彈、空地導彈等；另一種是用于遠距離作戰的大型導彈武器裝備，如巡航導彈。
與半主動尋的激光制導相比，激光主動成像制導的研制難度較大，國外研發相對成熟的多為機載系統，對于彈載系統，由于在體積、質量、功耗等指標上受到了極大的限制，同時對相關元器件及集成電路的設計和制造的工藝水平要求很高，故研究彈載激光主動成像制導系統的單位為國外（主要是美國）的個別軍事科研機構，但目前發展還不成熟，處于系統研制及測試階段，暫未裝配部隊。
下面以導彈制導為應用背景，分析太赫茲成像雷達的技術可行性。
太赫茲成像雷達應用于導彈制導的關鍵是要適應導彈平臺及使用要求，包括平臺裝填空間及載荷、飛行環境的適應性，多種類目標的適應性、天候天時環境及干擾環境的適應性等。
1)適應復雜自然環境的要求
由于對全天候、全天時使用的需求，精確制導面臨的自然環境多樣和復雜，包括不同的天候環境、不同的天時、不同的季節及地域場景發生的變化等。
2)適應多種類目標探測及識別的要求
a)由于不同目標及背景區域在材質、幾何結構形狀、電磁散射與輻射特性、光電反射與輻射特性、地理環境等方面具有較大的差異，要求太赫茲成像雷達對目標具有適應性，能夠準確可靠地獲取目標或其背景區域的相關特征信息。
b)在復雜背景環境下，目標信號易淹沒在背景雜波中，給目標的檢測和識別帶來困難，造成目標的漏檢和虛檢，要求太赫茲成像雷達制導技術能夠有效抑制背景干擾，提高目標檢測和識別的魯棒性，實現自主的探測、識別和跟蹤。
3)適應導彈平臺應用的要求
a)適應平臺裝填空間和有效載荷：適應裝填空間是指太赫茲成像雷達的體積大小能滿足平臺的使用空間要求；適應有效載荷是指雷達的重量能滿足平臺對重量的要求。
b)適應平臺的飛行環境：適應平臺的飛行環境是指太赫茲成像雷達能適應平臺飛行過程中的速度、過載、沖擊及溫度等環境要求。
c)適應平臺交班精確度和機動控制能力：交接班精確度、機動控制能力與采用的制導體制應當相互匹配，重點是太赫茲成像雷達的視場范圍、作用距離、成像速度等指標能滿足制導使用要求。
4)適應復雜電磁干擾環境的要求
由于打擊對象多為敵重點防護目標，敵方往往可能設置人為的干擾對抗措施，使制導精確度下降或工作失效，要求精確制導技術對干擾環境具有一定的適應性。
國外戰術導彈光電探測前沿技術發展趨勢分析
光學相空陣在實現激光掃描的情況下，具有諸多優點：掃描速度快，掃描的分辨率和對比率高，掃描精度高，性能穩定，制作成本低。
然而，光學相空陣作為一項新興的技術，當前的研究還很不成熟，正處在一種探索階段。同時，光學相控陣技術也存在一些問題，例如由于入射光波長較短，使得光學相控陣陣的調制單元尺寸很小，加大了制作工藝難度，在現階段它的制作成本很高；光學衍射效應和電場的邊緣效應使光學相控器件的光學衍射效率偏低；受到制作工藝的限制、入射光束及驅動電壓誤差等因素的影響，光波導相控陣出射光束存在明顯的旁瓣，引起能量分散、衍射效率低等問題。
為了解決這些問題，未來光學相控陣著重沿兩個方向發展：
1）在器件方面，進一步研究微機電技術，使得制作的調制陣單元的尺寸減小，并且提高光學衍射效率；
2）在材料研究方面，除了開發響應速度快的液晶材料外，重點開發工作在中波紅外、長波紅外、紫外波段的液晶材料，并且繼續尋找滿足響應速度快、熱穩定性高、有雙折射率、耐強激光的高性能電光材料，同時研發對紫外波段和中長波有較好透過率的電光材料，擴大光學相控陣器件的應用領域。
太赫茲技術是一門嶄新的科學，它曾被選為未來改變世界十大技術之一，它的發展潛力巨大，在通信、航空、醫學、安檢等方面都有很大的應用前景。
太赫茲雷達只是太赫茲技術在雷達領域的一個應用，未來這門科學將會在其他領域與其他學科交叉應用。作為太赫茲技術應用的熱門方向，太赫茲雷達具有高分辨率以及抗干擾性強的特點，因此在微小目標探測和高分辨成像方面有很好的應用前景，目前國內外都有很多研究者投入其中，但是在國內起步較晚，目前也僅僅停留在實驗室階段，距離實際應用還有很多難題有待攻克，主要有:
(1)在太赫茲頻率源技術上，要想獲得分辨率高的圖像，必須對信號進行調制，比如線性調頻或者步進頻等信號調制方式，但是以目前的技術很難保證帶寬范圍內的頻率調制線性度，因此目前的成像也僅僅限于靜止的目標，對于運動目標，無論是在雷達系統體制還是信號處理技術方面都無法達到。
(2)在太赫茲雷達系統方面，重點的元器件混頻器、倍頻器和低噪聲放大器在國內都很少有相關報告，特別是太赫茲波段在大氣中的四個窗口94GHz,140GHz,220GHz和380GHz處的元器件，因此應該加大研發投入，在技術上實現突破。
（來源：北京航天情報與信息研究所）
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