【特邀报告】精确制导前沿成像探测技术

   2024-01-10 1070
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#特邀报告

一、 概述

     本文回顾了精确制导技术的发展历程,分别梳理了太赫兹雷达、单光子雷达以及超材料雷达三种典型的精确制导前沿成像探测技术的技术背景、发展脉络、基本原理、技术优势。这三种成像探测技术有望为精确制导技术应对未来新型战争形态带来的挑战提供可行的技术途径。

二、研究背景和意义

在未来新型作战环境下,精确制导成像探测技术所面临的作战目标、环境、任务使命将会发生显著变化,例如,高速、高机动空中和空间隐身目标大量涌现,强地物杂波广泛分布和有源干扰、无源干扰等先进干扰手段大量应用,诸多因素将使精确制导武器的探测和作战环境日趋严峻,作战性能显著下降,精确制导成像探测技术面临着日益严峻的挑战。而近年来蓬勃发展的前沿热点技术可为精确制导成像探测技术应对上述挑战提供有力的技术支撑。


依托太赫兹、单光子和超材料等前沿颠覆性技术发展太赫兹雷达、单光子雷达以及超材料雷达等新概念前沿精确制导成像技术,对于推动未来精确制导技术的跨越式发展,提升精确制导武器的打击与拦截作战效力具有重大战略意义。

三、研究进展

3.1 太赫兹雷达精确成像制导技术

太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略制高点,太赫兹雷达系统具有带宽大、分辨率高、抗干扰、反隐身等独特优势,能够实现对目标的精确测速测角、高分辨率成像以及精细结构特征反演,是未来成像探测技术的重要发展方向。

以反导拦截作战应用为例,太赫兹雷达导引头对热环境不敏感,受气动光学效应影响小,保证信噪比达到一定水平即可对弹头目标实现稳定的毫米级超高分辨二维成像,对于选择关键部位进行有效打击具有重要的意义。

(a)弹头模型(b)X波段成像结果(c)太赫兹成像结果

图1 X波段雷达与太赫兹雷达成像结果对比

如图1(a)所示,对于一个由五个散射点组成的锥体弹头模型,其中坐标(0,0)位置既是参考点也是转轴,目标围绕转轴逆时针转动一个小的角度,参考距离设为20 km,转角0.02 rad, 分别给出了X波段(载频10 GHz,带宽300 MHz)和太赫兹频段(载频340 GHz,带宽10 GHz)的仿真成像结果,如图1(b)和(c)所示。从仿真结果可以看出,X频段由于分辨率不够,难以将弹头目标上相距较近的散射点分开;太赫兹雷达则可以达到很高的分辨率,能够对目标进行精细成像,识别出目标的细微结构。这说明太赫兹雷达在精确制导成像与探测方面极具技术优势。

分别针对空间目标探测、跟踪与拦截,以及低空作战条件下战场目标的精确识别与打击等应用场景,积极开展太赫兹雷达精确制导成像技术研究,可有效弥补传统微波和光学频段成像制导技术的不足,助推精确制导成像技术向高帧频、高分辨率方向的发展,增强“定点清除”式精确制导打击的威慑力。

3.2 单光子雷达超灵敏探测制导技术

单光子是传递电磁相互作用的基本粒子。单光子雷达可定义为在低回波强度时,光电转换器件中回波光子产生的平均初始电子数小于10,且噪声引起的虚警远小于信号光子触发的探测概率的探测成像雷达。对于单光子雷达,其接收系统接收的是单个或少量数目的光子,接收机灵敏度非常高,相比传统雷达接收机,单光子雷达接收机灵敏度会高出若干个数量级,有望使雷达作用距离大幅提升数倍甚至数十倍,可以探测到回波信号更加微弱的目标。

太赫兹单光子雷达探测技术将太赫兹雷达技术与单光子探测技术有机融合,发射端利用大功率太赫兹源发射经典太赫兹波照射目标,接收端采用单光子探测器接收单光子量级的极弱太赫兹回波信号,再利用时间相关单光子计数统计,结合相关增强检测技术,实现目标探测。太赫兹单光子探测技术具有极高的探测灵敏度,可以探测到回波信号极弱的微小目标,或雷达反射截面积极小的隐身目标,在精确制导领域对微弱光电信号探测以及隐身目标探测方面极具应用价值。

图2 时间相关单光子计数过程示意图


3.3 超材料雷达精确成像制导技术

3.3.1 超材料相控阵雷达

将可编程超材料技术与低剖面的微波介质板及二极管开关等相结合,研发出一系列新型的超材料相控阵天线,可实现对电磁波的灵活调控。超材料相控阵天线在天线单元设计时即嵌入了相位、幅度、极化、频率等调制功能,即在天线上集成了幅相控制功能,从而可以将传统收发组件、波束控制模块功能通过对超材料的控制来实现,极大降低了体积、功耗和成本,并实现了相控阵天线整体的“超低剖面”。同时,超材料相控阵天线还可将电磁模拟信号数字化,智能实时地调整材料的电磁信息特性,以适应或改变周围电磁环境。将超材料相控阵天线应用于雷达系统可显著提高雷达系统的数字化程度,通过与新型信息处理手段有机融合,有助于提升武器装备雷达载荷智能化水平。可见,新型超材料相控阵天线具有低剖面、波束扫描、多波束切换、波束灵活可控等诸多优点,并且重量较小、外形紧凑、易于集成、易于共形、制作成本较低,在显著降低系统复杂度和成本的前提下能够实现相控阵的所有功能,在目标探测与精确制导领域具有重大潜力。

图3 超材料相控阵雷达工作原理示意图


3.3.2 超材料孔径编码雷达

图4 超材料孔径编码雷达工作原理示意图

超材料孔径编码雷达成像技术工作原理如图4所示,利用可编程超材料孔径编码天线对孔径内电磁波波束进行时空二维随机编码改变目标区域电磁波空间幅相分布,形成具有显著空间起伏特性的辐射场,通过探测信号随机空间分布对目标进行空间采样,构造成像数学模型,再借助计算机强大的计算能力将图像重构问题转化为成像模型的数学求解问题。超材料孔径编码成雷达不依赖于雷达与目标的相对运动即可实现高分辨、高帧频、全天时全天候、前视凝视成像。同时,超材料孔径编码雷达的波束控制无需大规模的移相器阵列,体积、重量、功耗和成本大大降低,可为小型无人机和导弹等平台精确制导作战提供一条新的技术手段,在精确制导打击与反导拦截方面具有巨大的潜在应用价值。

2021年,国防科技大学的研究人员构建了电控Ka波段超材料孔径编码成像雷达系统,实现了对金属飞机目标模型前视超分辨成像,分辨率2.5 cm,超阵列实孔径约10.9倍,如图5所示。

图5 Ka波段超材料孔径编码雷达前视成像实验结果

综上,依托太赫兹、单光子和超材料等前沿颠覆性技术发展太赫兹雷达导引头、单光子雷达、超材料相控阵雷达以及超材料孔径编码雷达等新概念前沿精确制导成像探测技术,对于促进前沿颠覆性技术与精确制导技术的交叉融合创新具有重要意义。

作者简介

罗成高,博士,国防科技大学副教授,硕士生导师,美国康涅狄格大学访问学者,国家自然科学基金创新研究群体技术骨干。主要研究方向为太赫兹孔径编码雷达、太赫兹单光子雷达和光学三维成像与显示技术。先后主持973专题、863、H863、国家自然科学基金等多项重大科研任务,获中国电子学会科技进步二等奖1项,出版专著1部,译著1部,发表学术论文50余篇,授权国家发明专利18项。长期担任IEEE Signal Processing Magazine、Optics Express、Applied Optics、JOSA A、PhotoniX等国际知名期刊审稿人。

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文章转载自微信公众号:津航光电

 
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