[发明专利]一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法

说明书

本发明涉及一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法，所述系统包括：发射模块、接收模块、信号处理模块、模型生成模块以及输出模块。本发明在发射端通过太赫兹QCL源重复产生并向目标发射太赫兹波脉冲信号，在接收端对太赫兹单光子回波信号的探测和接收，通过对回波信号进行单光子计数统计方式获取目标的距离和多普勒频率信息，通过建立基于太赫兹频段单光子的探测目标回波模型并分析时域分布特性最终得到目标的距离和多普勒频率信息获取方法，使目标探测灵敏度达到单光子量级；将太赫兹雷达技术与单光子探测技术进行有机结合，可以实现对远程非合作目标极弱回波信号的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题。

技术领域

本发明涉及太赫兹单光子探测成像技术领域，特别是涉及一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法。

背景技术

太赫兹(Terahertz，THz)波是指频率在0.1～10THz、波长在30～3000μm范围内的电磁波，对应的光子能量为0.414～41.4meV。太赫兹波介于微波和红外之间，处于电子学向光学的过渡频段。近年来，随着太赫兹波产生、探测、传输等技术的逐步发展，太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微波雷达，太赫兹雷达波长短、带宽大，具有极高的“空时频”分辨力：在空间上意味着成像分辨率高，同时目标粗糙和细微结构变得可见，能够对目标特征进行精细刻画；在时间上意味着成像帧率高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打击；在频谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探测和高精度速度估计。相比于激光雷达，太赫兹波穿透烟雾、浮尘的能力更强，且对空间高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏感，可用于复杂环境作战与非合作运动目标探测。因此，太赫兹技术和太赫兹雷达在目标探测与识别、生物医学、环境科学等领域具有广阔的应用前景。

单光子又称为光量子，是传递电磁相互作用的基本粒子。在光学频段，得益于工作在盖革模式下的雪崩光电二极管(Geiger Mode-Avalanche Photo Diode，GM-APD)探测器的出现，国内外相关科研机构相继开展了大量单光子激光雷达探测与成像方面的技术研究，并取得了诸多可喜的成果。单光子激光雷达探测技术中的信息载体为单个或数个光子，具有极低的噪声水平和极高的探测灵敏度，相比传统雷达的接收机，单光子雷达接收机灵敏度要高出若干个数量级，反过来，相当于使雷达作用距离大幅提升数倍甚至数十倍，使得单光子雷达可以探测到回波信号极小的微弱目标，在微弱光电信号探测、雷达增程以及反隐身方面极具应用价值。

在实际探测应用中，根据雷达作用方程，目标后向散射即照射在目标上的电磁波沿入射方向散射回去的回波功率与作用距离的四次方成反比，远距离处目标的回波信号功率极弱，再加上现阶段太赫兹雷达发射功率较低，太赫兹波大气衰减较为严重，使得回波中的目标信息被淹没在噪声信号中难以有效检测。因此，常规太赫兹雷达难以满足对远距离非合作目标及时准确的探测预警需求，限制了太赫兹体制目标探测技术、太赫兹器件的发展；然而单光子雷达刚好可以弥补这一方面的缺陷。

鉴于此，有必要对太赫兹雷达技术和单光子雷达技术进行有机结合设计一种太赫兹频段单光子雷达系统及其目标探测方法。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种太赫兹频段单光子雷达系统及目标探测方法，可以实现低信噪比下极弱目标回波的探测，解决现有太赫兹目标探测应用中作用距离受限等瓶颈问题。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种太赫兹频段单光子雷达系统，所述系统包括：

发射模块，用于通过太赫兹QCL源重复产生并向目标处发射太赫兹波脉冲信号；

接收模块，用于通过量子电容探测器探测并接收所述太赫兹波脉冲信号与目标相互作用后形成的回波信号光子；

信号处理模块，用于对所述回波信号进行基于单光子计数技术的统计并提取出目标的距离和多普勒频率信息；