太赫兹技术在引信中应用的探讨

王海彬，黄 峥，文瑞虎

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

太赫兹技术在引信中应用的探讨

王海彬，黄 峥，文瑞虎

(机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065)

太赫兹波介于红外与毫米波之间，在近程探测领域有着良好的应用前景。探讨了太赫兹技术在无线电引信中的应用问题。首先结合太赫兹波的特点，对其在近程探测应用中，相对于传统微波及光学探测的优势进行了阐述，通过仿真重点分析了太赫兹近程探测在抗电磁干扰方面的优势，对可应用于引信的太赫兹探测器系统进行了描述，并对未来太赫兹技术在引信中的应用进行了展望。

太赫兹；近程探测；无线电引信；抗干扰

0 引言

无线电引信是利用无线电波获取目标信息而作用的引信，是出现最早、发展最活跃、装备数量最多的近炸引信，能大幅提升弹箭的杀伤威力。无线电引信工作于战场最前沿，所处环境为中度或重度复杂电磁环境。无线电引信在飞行弹道中遭遇引信干扰机、微波武器等有意干扰，或大功率雷达、通信设备等无意干扰时，可能出现早炸失效。在现代战场日益复杂的电磁环境背景下，无线电引信的抗电磁干扰能力已成为其能否正常发挥作用的关键。

无线电引信可采用的最直接有效的抗干扰方法之一，是使工作频率远远避开高功率微波武器、雷达、通信、电子干扰设备所能达到或常用的工作频段。太赫兹波频率远高于上述干扰源所用的频率，将太赫兹技术应用于无线电引信近程探测中，可以有效提升无线电引信的抗干扰能力。当前，随着毫米波、太赫兹波半导体器件的快速发展，采用半导体微电子学方法实现的低频段太赫兹波的产生和检测技术已经日益成熟，微小型化的太赫兹探测器应用于高价值弹药引信近程探测正在逐渐成为可能。

1 太赫兹波的特点

太赫兹波如图1所示[1]，是指频率从0.1～10 THz，波长大概在0.03～3 mm范围，介于毫米波与红外光之间的电磁波，涵盖了部分毫米波段、整个亚毫米波及部分远红外波段，是宏观电子学向微观光子学过渡的频段，是尚未完全认知和利用的频段。

图1 太赫兹频段Fig.1 The location of terahertz in electromagnetic spectrum

20世纪80年代中期以前，人们对这个频段的电磁波关注和利用较少，近三十年来随着半导体微电子技术、超快激光技术以及非线性光学频率变换技术的飞速发展，与太赫兹辐射[2]相关的太赫兹波技术逐渐成为国际研究的热点。从太赫兹波源的产生及太赫兹信号的检测手段实现上划分，大致可将太赫兹技术划分为两种，一是用半导体微电子学方法实现的低频段太赫兹技术，二是用光学方法实现的太赫兹技术。本文所讨论的内容，是采用半导体微电子学方法实现的太赫兹波段低频段探测器在引信近程探测中的应用。

太赫兹波兼有微波毫米波与红外两个区域的特性[3]，融合了微波和红外光的一些特点。从图2可知，太赫兹波在大气中的衰减总体远高于太赫兹波以外的频段，因此太赫兹波并不适合远距离传输和探测。而在无线电引信近程探测领域，太赫兹波在大气中的高衰减特性不仅无损于近距离探测性能，而且十分有利于抗电磁干扰，使其十分适用于引信近程探测。

图2 太赫兹波在大气中的衰减特性Fig.2 Attenuation through the atmosphere

应用太赫兹的探测系统相对于传统的微波探测系统具有以下优势：

1)距离分辨率高：太赫兹波频率高，易于在较低的相对带宽条件下实现大的绝对信号带宽，从而有利于实现高距离分辨，以获取更丰富的目标信息；

2)角度分辨率高：太赫兹波波长较短，易于在小尺寸条件下实现高增益的窄天线波束，角度分辨率高[4]；

3)速度分辨率高：太赫兹波的频率高，动目标回波多普勒频率较高，不同径向速度动目标之间的回波多普勒频率差别较大，有利于目标速度的分辨；

4)太赫兹探测系统具有突出的抗干扰能力：现有的电子战干扰手段主要集中在微波频段及红外段，对太赫兹频段难以进行有效的干扰；

5)太赫兹探测系统具有独特的反隐身能力：现有的材料隐身手段主要集中在微波频段，对太赫兹频段难以实现有效的隐身。

相对于光学探测系统，太赫兹探测系统主要存在以下技术优势：

1)太赫兹探测器的波束相对较宽，因而能实现更宽的探测视场范围；

2)太赫兹探测系统相对于红外激光探测系统具有更好的大气穿透能力和恶劣气象条件适应性；

3)基于电子学方法实现的太赫兹探测系统可实现相参，从而易于实现复杂信号调制和精确探测功能。

2 太赫兹波应用于引信近程探测的优势分析

近炸引信工作于弹道末端，面临着多种复杂的有源、无源、有意和无意电磁干扰，所处的电磁环境为中度或重度复杂电磁环境，此外光学近炸引信还可能面临遮蔽式烟幕干扰，以及云雾等恶劣气象条件。近炸引信探测器抗电磁干扰能力和适应复杂恶劣环境的能力，很大程度上决定着引信乃至武器系统的作用能否正常发挥。

太赫兹波用于引信近程探测的优势在于：相对于光学引信探测器，太赫兹引信对云、雨和战场遮蔽式烟幕不敏感，具有良好的环境适应性；与较低频段的微波毫米波探测器相比，太赫兹探测器对信息型干扰和能量型干扰均具有极强的抗干扰能力。以下重点讨论太赫兹技术应用于引信时，在抗电磁干扰方面的优势和特点。

2.1 抗信息型干扰的优势

针对对地定高无线电引信的干扰机，需要在引信未到达目标区域前即发射干扰信号诱使引信早炸，所以干扰机必须首先能够在远距离侦测到引信所发射的信号，以获得引信信号频率、带宽等参数信息，方可有针对性地发射频率一致、具有一定功率强度的干扰信号。当所发射干扰信号形式有效时，才能够有效地诱使引信早炸。在此过程中，干扰机对引信信号的成功侦测是不可缺少的关键环节，也是干扰机能够成功干扰引信的前提条件。

如果工作在不同频率的引信探测器均采用相同的信号形式，且探测器信号处理方法和起爆决策方法也相同，那么不同频率的无线电引信抗信息型干扰能力的差别主要在于：1)是否存在该频段的干扰设备；2)如果存在该频段的干扰设备，那么不同频段的探测器具有怎样的抗信号截获能力的差异性。

设有四种无线电引信探测器，工作频率分别为3 GHz、24 GHz、38 GHz、185 GHz，大气衰减δ分别为0.01 dB/km、0.14 dB/km、0.1 dB/km、40 dB/km，四种探测器具有相同的天线波束形状，天线增益Gt均为7 dB，最大增益方向对准干扰机，而干扰侦察机对准探测器方向的天线增益Gr为7 dB，四种引信探测器发射信号的功率Pt均为17 dBmW，引信探测器与干扰侦察机距离R从1 000 m变化到1 m，且极化方向完全对准，侦收机天线端所能接收到的探测器信号功率Pr可通过式(1)计算：

(1)

其中，λ为引信发射信号的波长。计算结果如图3所示，假设侦察机天线端功率为-90 dBmW时可以成功侦测到探测器信号并对其进行干扰，则根据计算可知，工作频率为3 GHz的引信探测器在距离干扰机1 000 m之外即被侦察到，而太赫兹探测器在距离干扰机直到54 m距离时，干扰机才有可能侦察到探测器信号并进行干扰。事实上在引信高速运动过程中，引信波束与侦察机天线波束方向完全对准，且极化方向也完全对准的可能性极小。所以可以认为，相对于微波毫米波段无线电探测器，太赫兹探测器所发射信号具有极强的隐蔽性，即使存在太赫兹波段的干扰机，也几乎无法完成对探测器发射信号的侦察截获，并从而对引信进行有效干扰。

图3 不同距离条件下干扰机侦收到的不同频率引信信号功率Fig.3 Fuze signals power level received by jammer VS.distance between fuzes and jammer

2.2 抗能量型干扰的优势

能量型干扰的形式主要为两种，一种是地面高功率微波武器采用高增益窄波束天线发射大功率窄带信号，或通过大量发射组件和天线在空间合成高功率窄波束；另一种形式是通过宽带天线发射超宽谱的高功率窄脉冲。弹道飞行中的引信探测器受到地面能量型干扰电磁波照射时，高功率干扰信号可能通过探测器前门耦合通道进入探测器内部电路，造成器件损伤、烧毁；或者经过调制的能量型干扰信号依靠大功率突破引信探测器信号通道的硬件保护，窜入直流供电、信号处理、起爆决策甚至起爆控制电路，引起各种意外的响应而造成早炸。引信自身的特点决定了现代无线电引信大多采用以发射小功率信号为特点的较高灵敏度探测方式，在与高功率电磁干扰的对抗中处于相对弱势的状态。针对能量型干扰，尽可能避开高功率微波所能覆盖的频率，避免大功率信号进入引信内部是比较切实可行的选择。

目前，尚未见到有关高功率微波覆盖的太赫兹波段的信息，并且根据高功率微波武器的发展水平可以预见，在未来相当长的时期内也比较难以发展出太赫兹波段的高功率微波武器。但从长远的角度考虑，我们不妨假设未来可能真的会出现太赫兹波段的高功率微波武器，为此进行太赫兹引信探测器抗能量型干扰性能的分析。

设有200个探测器工作频率分别从1～200 GHz，工作频率间隔为1 GHz，均采用相同波束形状的天线，且天线增益Gr均为7 dB，在对应频率1～200 GHz的高功率微波武器远距离作用下，探测器所在位置形成平面电磁波，且场强均E为400 V/m，探测器波束最大增益方向均对准干扰电磁波来波方向。当能量型干扰信号频率完全对准探测器工作频率，且极化方向与引信天线极化方向完全一致的条件下，引信天线端接收到的功率Pr为：

(2)

式(2)中，η为空气中的波阻抗。

由图4可以看出，进入太赫兹探测器天线端的干扰功率远小于进入低频段微波毫米波探测器天线端的功率。进入200 GHz探测器的干扰信号功率仅为进入1 GHz探测器干扰功率的1/40 000，低了46 dB。其根本原因在于探测器采用相同增益天线时，频率越高则天线的物理尺寸越小，接收电磁功率的能力越弱。

用于对地定高的引信探测器由于需要满足天线波束适应不同落角，必须采用较低的增益以使天线具有相对宽的天线波束，天线物理尺寸也较小，所能接收到的干扰信号功率也比较小。而若太赫兹引信探测器采用大物理尺寸的高增益窄波束天线，干扰信号能够对准引信天线的概率将会变小，总的抗干扰能力不会下降。根据上述分析，即使存在太赫兹波段的高功率微波武器，也难以对太赫兹探测器构成威胁。

针对非同频段能量型问题，因为微波段高功率微波武器、超宽谱电磁脉冲强电磁能量频谱远低于太赫兹频率，而太赫兹探测器射频部分通常采用波导传输和腔体结构，由于波导的低频截止特性，以及天线的频率选择性，干扰电磁波进入太赫兹探测器的前门耦合通道时将受到很大的衰减，难以进入探测器内部。所以根据以上分析可知，太赫兹引信探测器具有良好的抗能量型干扰能力。

2.3 大气衰减对太赫兹波段引信探测器的影响

2.3.1 对探测能力的影响

引信的近程探测通常仅需在几米到几十米的距离范围内进行，大气衰减对引信探测能力的影响极小。例如太赫兹波段频率为185 GHz的电磁波在大气中传播的衰减量约为40 dB/km，是典型的非大气窗口，而在对地定高引信距离地面20 m的近程探测中，由于大气衰减带来的信号损失仅为1.6 dB，几乎可以忽略不计，因此太赫兹探测器非常适用于近程探测。

2.3.2 对抗干扰性能的影响

太赫兹波用于引信近程探测，强烈的大气衰减一方面使引信探测器发射的小功率太赫兹波无法远距离传播，因而使其具有良好的隐蔽性和抗截获能力；另一方面，干扰设备向引信发射的干扰电磁波功率也因大气强烈衰减而很难以大功率作用于太赫兹探测器。因此可以认为，大气衰减对引信近程探测器构成了天然的保护，使太赫兹探测器具有良好的抗干扰能力。

3 太赫兹波应用于引信近程探测存在的问题及应对

3.1 太赫兹引信探测器存在的问题

传统对地无线电引信根据近距离探测的特点，并出于性价比等方面考虑，常采用连续波信号体制，探测器在发射射频信号的同时还要接收回波信号，在引信体积受限的情况下，收发通道间由于天线罩反射、收发分置天线的近距离耦合等问题，难以做到良好的收发隔离，一部分发射功率将会直接馈入接收通道，由于发射信号不可避免存在的相位噪声，含有相位噪声的直漏信号成为探测器接收通道的主要噪声源，相位噪声越大则接收通道噪声越大[5]，如图5所示。

现有的半导体振荡器在太赫兹频段难以生成信号质量良好的太赫兹波，目前通常采用的方法是选用适当频率的振荡器在较低频率产生高质量的基波微波信号，基波信号经过多级倍频放大，得到所需要频率的太赫兹波。倍频会带来信号相位噪声的恶化，一般来说N倍频将造成20 logN的相位噪声恶化，如果太赫兹引信采用X波段基波经过16倍频到太赫兹波，则会造成24 dB的相噪恶化。若采用连续波信号体制，在如此大的相位噪声条件下，直漏信号引起的噪声会大幅度提高探测器的噪声水平，从而降低探测能力。这一问题是太赫兹技术应用于引信近程探测存在的主要问题之一。

图5 连续波体制太赫兹探测器收发隔离不完善的影响Fig.5 Leakage from transmitter to receiver of CW terahertz radar fuzes sensor

在当前技术水平下，由于太赫兹器件、材料等价格较贵、对微组装工艺精度要求较高、对弹上电源的功率需求较大等原因，太赫兹探测器还只能够应用于高价值弹药近炸引信。如果应用于高速飞行弹箭，而引信探测器安装于弹体头部，则在高速飞行过程中，空气摩擦会造成太赫兹探测器天线罩的高温烧蚀。所以太赫兹引信天线罩材料透波性能与抗烧蚀问题，也是太赫兹技术应用于近炸引信所存在的主要问题，必须给予充分的考虑。

3.2 太赫兹探测器前端应用于引信的工程考虑

针对太赫兹波相位噪声较高的问题，对地太赫兹引信近程探测系统可采用脉冲探测体制，根据预定的定高高度，探测器发射时间宽度恰当的脉冲信号，当预定距离的目标回波信号返回探测器时，发射信号已结束，从而使收发信号在时间上做到良好的隔离，可以避免相位噪声直馈引起的接收信号噪声恶化。太赫兹探测器可采用如图6所示的构成，太赫兹探测器工作在G波段，微波波段信号源产生的信号通过倍频器进行8次倍频到W波段，经滤波放大后，通过功分器分为两路，其中一路送到接收模块作为接收链路谐波混频本振信号，另一路信号与中频本振通过由混频器和边带滤波器构成的单边带调制器后，通过开关进行脉冲调制，经调制后的W波段脉冲信号经过功率放大器后，2倍频至G波段，太赫兹波经滤波后送入发射天线发射；太赫兹波在空间传播过程中，遇到地面时产生散射，散射回波经探测器太赫兹天线接收后，与上变频前的W波段本振信号通过谐波混频器进行一次混频，混频后的信号由接收波门选通后，进行滤波放大，在送入检波器进行检波，检波后信号出现时，即为太赫兹探测器与目标间距离达到选通波门所预设的距离段，探测器以此判断引信达到预定高度，以输出起爆信号。

在引信应用中太赫兹探测器前端需要进行小型化设计，太赫兹波的波长较短，有利于实现小型化。在图6所示的构成中，占用尺寸较大的部分为放大倍频链，参考Millitech公司的X波段至W波段AMC标准产品，其宽带放大倍频链模块尺寸小于37 mm×33 mm×25 mm，功耗小于12 W，在基波功率为2 mW的情况下，可获得不小于100 mW的W波段功率输出。在引信应用中，通过专用模块高集成度设计，可以进一步减小尺寸。

图6 太赫兹近程探测系统原理图Fig.6 Block diagram of terahertz radar fuzes sensor

关于太赫兹天线罩烧蚀的问题，比较直接的解决方法是让天线罩的安装位置避开弹体前端驻点烧蚀严重的部分。不妨采用将天线罩安装于弹体头部侧壁，探测器波束从弹体头部侧壁指向弹体垂直落速方向的方法。采用这种方法可以减小空气摩擦高温对天线罩的影响，从而有利于降低天线罩设计难度。

4 总结

基于半导体技术的太赫兹器件出现仅有十多年的时间，太赫兹技术应用于引信近程探测属于比较新的研究领域。目前太赫兹探测器所需的半导体器件、电路板的价格相对较高，微组装工艺及天线加工工艺要求也相对较高。太赫兹近程探测在当前的适用范围应当是对抗干扰能力具有极高要求的高价值弹箭对地定高引信。与此应用中，需要同步研究的关键技术还包括太赫兹源和射频收发组件的小型化、透波性能良好且具备抗烧蚀能力的天线罩以及太赫兹波段的目标散射特性等。

太赫兹技术是当前受到重点关注的新兴技术领域，根据国内外科技报道，近年来太赫兹半导体器件频繁获得突破性进展，并有加速发展的趋势。有理由相信，随着太赫兹半导体器件、材料和相关技术的快速发展，必将极大地促进太赫兹技术在无线电引信等近程探测领域的应用。

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

[2]刘盛纲,太赫兹科学技术的新发展[J]. 中国基础科学，2006(1)：7-12.

[3]谢维信，裴继红. THz信号处理与分析的研究现状和发展展望 [J]. 电子学报，2007(10)：1973-1979.

[4]姚建铨，陆洋. THz辐射的研究和应用新进展[J]. 光电子激光，2005,16(4)：503-510.

[5]Merrill I Skolnik. 雷达手册[M]. 北京:电子工业出版社，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，陕西泾阳人，博士，研究员，研究方向：无线电引信及抗干扰技术，电磁场、微波技术。E-mail:wanghaibin@126.com。

TJ434.1

A

1008-1194(2016)06-0001-06