太赫茲技術在引信中應用的探討

王海彬，黃 崢，文瑞虎

(機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

太赫茲技術在引信中應用的探討

王海彬，黃 崢，文瑞虎

(機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065)

太赫茲波介于紅外與毫米波之間，在近程探測領域有著良好的應用前景。探討了太赫茲技術在無線電引信中的應用問題。首先結合太赫茲波的特點，對其在近程探測應用中，相對于傳統微波及光學探測的優勢進行了闡述，通過仿真重點分析了太赫茲近程探測在抗電磁干擾方面的優勢，對可應用于引信的太赫茲探測器系統進行了描述，并對未來太赫茲技術在引信中的應用進行了展望。

太赫茲；近程探測；無線電引信；抗干擾

0 引言

無線電引信是利用無線電波獲取目標信息而作用的引信，是出現最早、發展最活躍、裝備數量最多的近炸引信，能大幅提升彈箭的殺傷威力。無線電引信工作于戰場最前沿，所處環境為中度或重度復雜電磁環境。無線電引信在飛行彈道中遭遇引信干擾機、微波武器等有意干擾，或大功率雷達、通信設備等無意干擾時，可能出現早炸失效。在現代戰場日益復雜的電磁環境背景下，無線電引信的抗電磁干擾能力已成為其能否正常發揮作用的關鍵。

無線電引信可采用的最直接有效的抗干擾方法之一，是使工作頻率遠遠避開高功率微波武器、雷達、通信、電子干擾設備所能達到或常用的工作頻段。太赫茲波頻率遠高于上述干擾源所用的頻率，將太赫茲技術應用于無線電引信近程探測中，可以有效提升無線電引信的抗干擾能力。當前，隨著毫米波、太赫茲波半導體器件的快速發展，采用半導體微電子學方法實現的低頻段太赫茲波的產生和檢測技術已經日益成熟，微小型化的太赫茲探測器應用于高價值彈藥引信近程探測正在逐漸成為可能。

1 太赫茲波的特點

太赫茲波如圖1所示[1]，是指頻率從0.1～10 THz，波長大概在0.03～3 mm范圍，介于毫米波與紅外光之間的電磁波，涵蓋了部分毫米波段、整個亞毫米波及部分遠紅外波段，是宏觀電子學向微觀光子學過渡的頻段，是尚未完全認知和利用的頻段。

圖1 太赫茲頻段Fig.1 The location of terahertz in electromagnetic spectrum

20世紀80年代中期以前，人們對這個頻段的電磁波關注和利用較少，近三十年來隨著半導體微電子技術、超快激光技術以及非線性光學頻率變換技術的飛速發展，與太赫茲輻射[2]相關的太赫茲波技術逐漸成為國際研究的熱點。從太赫茲波源的產生及太赫茲信號的檢測手段實現上劃分，大致可將太赫茲技術劃分為兩種，一是用半導體微電子學方法實現的低頻段太赫茲技術，二是用光學方法實現的太赫茲技術。本文所討論的內容，是采用半導體微電子學方法實現的太赫茲波段低頻段探測器在引信近程探測中的應用。

太赫茲波兼有微波毫米波與紅外兩個區域的特性[3]，融合了微波和紅外光的一些特點。從圖2可知，太赫茲波在大氣中的衰減總體遠高于太赫茲波以外的頻段，因此太赫茲波并不適合遠距離傳輸和探測。而在無線電引信近程探測領域，太赫茲波在大氣中的高衰減特性不僅無損于近距離探測性能，而且十分有利于抗電磁干擾，使其十分適用于引信近程探測。

圖2 太赫茲波在大氣中的衰減特性Fig.2 Attenuation through the atmosphere

應用太赫茲的探測系統相對于傳統的微波探測系統具有以下優勢：

1)距離分辨率高：太赫茲波頻率高，易于在較低的相對帶寬條件下實現大的絕對信號帶寬，從而有利于實現高距離分辨，以獲取更豐富的目標信息；

2)角度分辨率高：太赫茲波波長較短，易于在小尺寸條件下實現高增益的窄天線波束，角度分辨率高[4]；

3)速度分辨率高：太赫茲波的頻率高，動目標回波多普勒頻率較高，不同徑向速度動目標之間的回波多普勒頻率差別較大，有利于目標速度的分辨；

4)太赫茲探測系統具有突出的抗干擾能力：現有的電子戰干擾手段主要集中在微波頻段及紅外段，對太赫茲頻段難以進行有效的干擾；

5)太赫茲探測系統具有獨特的反隱身能力：現有的材料隱身手段主要集中在微波頻段，對太赫茲頻段難以實現有效的隱身。

相對于光學探測系統，太赫茲探測系統主要存在以下技術優勢：

1)太赫茲探測器的波束相對較寬，因而能實現更寬的探測視場范圍；

2)太赫茲探測系統相對于紅外激光探測系統具有更好的大氣穿透能力和惡劣氣象條件適應性；

3)基于電子學方法實現的太赫茲探測系統可實現相參，從而易于實現復雜信號調制和精確探測功能。

2 太赫茲波應用于引信近程探測的優勢分析

近炸引信工作于彈道末端，面臨著多種復雜的有源、無源、有意和無意電磁干擾，所處的電磁環境為中度或重度復雜電磁環境，此外光學近炸引信還可能面臨遮蔽式煙幕干擾，以及云霧等惡劣氣象條件。近炸引信探測器抗電磁干擾能力和適應復雜惡劣環境的能力，很大程度上決定著引信乃至武器系統的作用能否正常發揮。

太赫茲波用于引信近程探測的優勢在于：相對于光學引信探測器，太赫茲引信對云、雨和戰場遮蔽式煙幕不敏感，具有良好的環境適應性；與較低頻段的微波毫米波探測器相比，太赫茲探測器對信息型干擾和能量型干擾均具有極強的抗干擾能力。以下重點討論太赫茲技術應用于引信時，在抗電磁干擾方面的優勢和特點。

2.1 抗信息型干擾的優勢

針對對地定高無線電引信的干擾機，需要在引信未到達目標區域前即發射干擾信號誘使引信早炸，所以干擾機必須首先能夠在遠距離偵測到引信所發射的信號，以獲得引信信號頻率、帶寬等參數信息，方可有針對性地發射頻率一致、具有一定功率強度的干擾信號。當所發射干擾信號形式有效時，才能夠有效地誘使引信早炸。在此過程中，干擾機對引信信號的成功偵測是不可缺少的關鍵環節，也是干擾機能夠成功干擾引信的前提條件。

如果工作在不同頻率的引信探測器均采用相同的信號形式，且探測器信號處理方法和起爆決策方法也相同，那么不同頻率的無線電引信抗信息型干擾能力的差別主要在于：1)是否存在該頻段的干擾設備；2)如果存在該頻段的干擾設備，那么不同頻段的探測器具有怎樣的抗信號截獲能力的差異性。

設有四種無線電引信探測器，工作頻率分別為3 GHz、24 GHz、38 GHz、185 GHz，大氣衰減δ分別為0.01 dB/km、0.14 dB/km、0.1 dB/km、40 dB/km，四種探測器具有相同的天線波束形狀，天線增益Gt均為7 dB，最大增益方向對準干擾機，而干擾偵察機對準探測器方向的天線增益Gr為7 dB，四種引信探測器發射信號的功率Pt均為17 dBmW，引信探測器與干擾偵察機距離R從1 000 m變化到1 m，且極化方向完全對準，偵收機天線端所能接收到的探測器信號功率Pr可通過式(1)計算：

(1)

其中，λ為引信發射信號的波長。計算結果如圖3所示，假設偵察機天線端功率為-90 dBmW時可以成功偵測到探測器信號并對其進行干擾，則根據計算可知，工作頻率為3 GHz的引信探測器在距離干擾機1 000 m之外即被偵察到，而太赫茲探測器在距離干擾機直到54 m距離時，干擾機才有可能偵察到探測器信號并進行干擾。事實上在引信高速運動過程中，引信波束與偵察機天線波束方向完全對準，且極化方向也完全對準的可能性極小。所以可以認為，相對于微波毫米波段無線電探測器，太赫茲探測器所發射信號具有極強的隱蔽性，即使存在太赫茲波段的干擾機，也幾乎無法完成對探測器發射信號的偵察截獲，并從而對引信進行有效干擾。

圖3 不同距離條件下干擾機偵收到的不同頻率引信信號功率Fig.3 Fuze signals power level received by jammer VS.distance between fuzes and jammer

2.2 抗能量型干擾的優勢

能量型干擾的形式主要為兩種，一種是地面高功率微波武器采用高增益窄波束天線發射大功率窄帶信號，或通過大量發射組件和天線在空間合成高功率窄波束；另一種形式是通過寬帶天線發射超寬譜的高功率窄脈沖。彈道飛行中的引信探測器受到地面能量型干擾電磁波照射時，高功率干擾信號可能通過探測器前門耦合通道進入探測器內部電路，造成器件損傷、燒毀；或者經過調制的能量型干擾信號依靠大功率突破引信探測器信號通道的硬件保護，竄入直流供電、信號處理、起爆決策甚至起爆控制電路，引起各種意外的響應而造成早炸。引信自身的特點決定了現代無線電引信大多采用以發射小功率信號為特點的較高靈敏度探測方式，在與高功率電磁干擾的對抗中處于相對弱勢的狀態。針對能量型干擾，盡可能避開高功率微波所能覆蓋的頻率，避免大功率信號進入引信內部是比較切實可行的選擇。

目前，尚未見到有關高功率微波覆蓋的太赫茲波段的信息，并且根據高功率微波武器的發展水平可以預見，在未來相當長的時期內也比較難以發展出太赫茲波段的高功率微波武器。但從長遠的角度考慮，我們不妨假設未來可能真的會出現太赫茲波段的高功率微波武器，為此進行太赫茲引信探測器抗能量型干擾性能的分析。

設有200個探測器工作頻率分別從1～200 GHz，工作頻率間隔為1 GHz，均采用相同波束形狀的天線，且天線增益Gr均為7 dB，在對應頻率1～200 GHz的高功率微波武器遠距離作用下，探測器所在位置形成平面電磁波，且場強均E為400 V/m，探測器波束最大增益方向均對準干擾電磁波來波方向。當能量型干擾信號頻率完全對準探測器工作頻率，且極化方向與引信天線極化方向完全一致的條件下，引信天線端接收到的功率Pr為：

(2)

式(2)中，η為空氣中的波阻抗。

由圖4可以看出，進入太赫茲探測器天線端的干擾功率遠小于進入低頻段微波毫米波探測器天線端的功率。進入200 GHz探測器的干擾信號功率僅為進入1 GHz探測器干擾功率的1/40 000，低了46 dB。其根本原因在于探測器采用相同增益天線時，頻率越高則天線的物理尺寸越小，接收電磁功率的能力越弱。

用于對地定高的引信探測器由于需要滿足天線波束適應不同落角，必須采用較低的增益以使天線具有相對寬的天線波束，天線物理尺寸也較小，所能接收到的干擾信號功率也比較小。而若太赫茲引信探測器采用大物理尺寸的高增益窄波束天線，干擾信號能夠對準引信天線的概率將會變小，總的抗干擾能力不會下降。根據上述分析，即使存在太赫茲波段的高功率微波武器，也難以對太赫茲探測器構成威脅。

針對非同頻段能量型問題，因為微波段高功率微波武器、超寬譜電磁脈沖強電磁能量頻譜遠低于太赫茲頻率，而太赫茲探測器射頻部分通常采用波導傳輸和腔體結構，由于波導的低頻截止特性，以及天線的頻率選擇性，干擾電磁波進入太赫茲探測器的前門耦合通道時將受到很大的衰減，難以進入探測器內部。所以根據以上分析可知，太赫茲引信探測器具有良好的抗能量型干擾能力。

2.3 大氣衰減對太赫茲波段引信探測器的影響

2.3.1 對探測能力的影響

引信的近程探測通常僅需在幾米到幾十米的距離范圍內進行，大氣衰減對引信探測能力的影響極小。例如太赫茲波段頻率為185 GHz的電磁波在大氣中傳播的衰減量約為40 dB/km，是典型的非大氣窗口，而在對地定高引信距離地面20 m的近程探測中，由于大氣衰減帶來的信號損失僅為1.6 dB，幾乎可以忽略不計，因此太赫茲探測器非常適用于近程探測。

2.3.2 對抗干擾性能的影響

太赫茲波用于引信近程探測，強烈的大氣衰減一方面使引信探測器發射的小功率太赫茲波無法遠距離傳播，因而使其具有良好的隱蔽性和抗截獲能力；另一方面，干擾設備向引信發射的干擾電磁波功率也因大氣強烈衰減而很難以大功率作用于太赫茲探測器。因此可以認為，大氣衰減對引信近程探測器構成了天然的保護，使太赫茲探測器具有良好的抗干擾能力。

3 太赫茲波應用于引信近程探測存在的問題及應對

3.1 太赫茲引信探測器存在的問題

傳統對地無線電引信根據近距離探測的特點，并出于性價比等方面考慮，常采用連續波信號體制，探測器在發射射頻信號的同時還要接收回波信號，在引信體積受限的情況下，收發通道間由于天線罩反射、收發分置天線的近距離耦合等問題，難以做到良好的收發隔離，一部分發射功率將會直接饋入接收通道，由于發射信號不可避免存在的相位噪聲，含有相位噪聲的直漏信號成為探測器接收通道的主要噪聲源，相位噪聲越大則接收通道噪聲越大[5]，如圖5所示。

現有的半導體振蕩器在太赫茲頻段難以生成信號質量良好的太赫茲波，目前通常采用的方法是選用適當頻率的振蕩器在較低頻率產生高質量的基波微波信號，基波信號經過多級倍頻放大，得到所需要頻率的太赫茲波。倍頻會帶來信號相位噪聲的惡化，一般來說N倍頻將造成20 logN的相位噪聲惡化，如果太赫茲引信采用X波段基波經過16倍頻到太赫茲波，則會造成24 dB的相噪惡化。若采用連續波信號體制，在如此大的相位噪聲條件下，直漏信號引起的噪聲會大幅度提高探測器的噪聲水平，從而降低探測能力。這一問題是太赫茲技術應用于引信近程探測存在的主要問題之一。

圖5 連續波體制太赫茲探測器收發隔離不完善的影響Fig.5 Leakage from transmitter to receiver of CW terahertz radar fuzes sensor

在當前技術水平下，由于太赫茲器件、材料等價格較貴、對微組裝工藝精度要求較高、對彈上電源的功率需求較大等原因，太赫茲探測器還只能夠應用于高價值彈藥近炸引信。如果應用于高速飛行彈箭，而引信探測器安裝于彈體頭部，則在高速飛行過程中，空氣摩擦會造成太赫茲探測器天線罩的高溫燒蝕。所以太赫茲引信天線罩材料透波性能與抗燒蝕問題，也是太赫茲技術應用于近炸引信所存在的主要問題，必須給予充分的考慮。

3.2 太赫茲探測器前端應用于引信的工程考慮

針對太赫茲波相位噪聲較高的問題，對地太赫茲引信近程探測系統可采用脈沖探測體制，根據預定的定高高度，探測器發射時間寬度恰當的脈沖信號，當預定距離的目標回波信號返回探測器時，發射信號已結束，從而使收發信號在時間上做到良好的隔離，可以避免相位噪聲直饋引起的接收信號噪聲惡化。太赫茲探測器可采用如圖6所示的構成，太赫茲探測器工作在G波段，微波波段信號源產生的信號通過倍頻器進行8次倍頻到W波段，經濾波放大后，通過功分器分為兩路，其中一路送到接收模塊作為接收鏈路諧波混頻本振信號，另一路信號與中頻本振通過由混頻器和邊帶濾波器構成的單邊帶調制器后，通過開關進行脈沖調制，經調制后的W波段脈沖信號經過功率放大器后，2倍頻至G波段，太赫茲波經濾波后送入發射天線發射；太赫茲波在空間傳播過程中，遇到地面時產生散射，散射回波經探測器太赫茲天線接收后，與上變頻前的W波段本振信號通過諧波混頻器進行一次混頻，混頻后的信號由接收波門選通后，進行濾波放大，在送入檢波器進行檢波，檢波后信號出現時，即為太赫茲探測器與目標間距離達到選通波門所預設的距離段，探測器以此判斷引信達到預定高度，以輸出起爆信號。

在引信應用中太赫茲探測器前端需要進行小型化設計，太赫茲波的波長較短，有利于實現小型化。在圖6所示的構成中，占用尺寸較大的部分為放大倍頻鏈，參考Millitech公司的X波段至W波段AMC標準產品，其寬帶放大倍頻鏈模塊尺寸小于37 mm×33 mm×25 mm，功耗小于12 W，在基波功率為2 mW的情況下，可獲得不小于100 mW的W波段功率輸出。在引信應用中，通過專用模塊高集成度設計，可以進一步減小尺寸。

圖6 太赫茲近程探測系統原理圖Fig.6 Block diagram of terahertz radar fuzes sensor

關于太赫茲天線罩燒蝕的問題，比較直接的解決方法是讓天線罩的安裝位置避開彈體前端駐點燒蝕嚴重的部分。不妨采用將天線罩安裝于彈體頭部側壁，探測器波束從彈體頭部側壁指向彈體垂直落速方向的方法。采用這種方法可以減小空氣摩擦高溫對天線罩的影響，從而有利于降低天線罩設計難度。

4 總結

基于半導體技術的太赫茲器件出現僅有十多年的時間，太赫茲技術應用于引信近程探測屬于比較新的研究領域。目前太赫茲探測器所需的半導體器件、電路板的價格相對較高，微組裝工藝及天線加工工藝要求也相對較高。太赫茲近程探測在當前的適用范圍應當是對抗干擾能力具有極高要求的高價值彈箭對地定高引信。與此應用中，需要同步研究的關鍵技術還包括太赫茲源和射頻收發組件的小型化、透波性能良好且具備抗燒蝕能力的天線罩以及太赫茲波段的目標散射特性等。

太赫茲技術是當前受到重點關注的新興技術領域，根據國內外科技報道，近年來太赫茲半導體器件頻繁獲得突破性進展，并有加速發展的趨勢。有理由相信，隨著太赫茲半導體器件、材料和相關技術的快速發展，必將極大地促進太赫茲技術在無線電引信等近程探測領域的應用。

[1]Catherine Zandonella. T-ray specs[J]. Nature,2003,424(8):721-722.

[2]劉盛綱,太赫茲科學技術的新發展[J]. 中國基礎科學，2006(1)：7-12.

[3]謝維信，裴繼紅. THz信號處理與分析的研究現狀和發展展望 [J]. 電子學報，2007(10)：1973-1979.

[4]姚建銓，陸洋. THz輻射的研究和應用新進展[J]. 光電子激光，2005,16(4)：503-510.

[5]Merrill I Skolnik. 雷達手冊[M]. 北京:電子工業出版社，2003.

Discussion on Terahertz Techniques Application in Radar Fuze

WANG Haibin, HUANG Zheng, WEN Ruihu

(National Key Laboratory of Electromechanical Engineering and Control, Xi’an 710065, China)

Terahertz band is located between infrared and millimeter wave in the electromagnetic spectrum, which shows a good application prospect in short range detection. Aiming at the application of terahertz techniques in radar fuze, the advantages of terahertz wave compare with traditional microwave and optical in short range detection was expounded in this paper. The anti-interference performance of terahertz wave in detection was also analyzed with simulation of interaction between jammer and THz detector. A systematic description of the terahertz short range detection system was presented. Finally, development of terahertz short-range detecting technology in future was prospected.

terahertz; short-range detection; radar fuze；anti-interference

2016-08-03

王海彬(1972—)，男，陜西涇陽人，博士，研究員，研究方向：無線電引信及抗干擾技術，電磁場、微波技術。E-mail:wanghaibin@126.com。

TJ434.1

A

1008-1194(2016)06-0001-06