专刊：《太赫兹科学与电子信息学报》创刊20周年纪念专刊
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2023, 21(4):393-436.
DOI: 10.11805/TKYDA2023045
摘要:
无线通信、探测感知、安全检测、人工智能等民用和国防电子信息技术的不断快速发展与演进，对太赫兹(0.1~1 THz)技术提出了越来越迫切的应用需求。太赫兹波段具有丰富的频谱带宽资源，其宽带特性可以支撑未来6G高速率通信、新一代高分辨雷达系统性能的实现。同时，太赫兹通信和探测必须克服高频率、短波长所带来的高传播路径衰减、激增的无源器件与互连损耗以及有源器件功率生成和效率难题。本文将回顾太赫兹射频器件与集成技术的发展现状，阐述上海交通大学团队通过新型无源、有源器件与天线及其先进封装等技术方法，整体提升太赫兹前端系统性能的相关研究进展。
无线通信、探测感知、安全检测、人工智能等民用和国防电子信息技术的不断快速发展与演进，对太赫兹(0.1~1 THz)技术提出了越来越迫切的应用需求。太赫兹波段具有丰富的频谱带宽资源，其宽带特性可以支撑未来6G高速率通信、新一代高分辨雷达系统性能的实现。同时，太赫兹通信和探测必须克服高频率、短波长所带来的高传播路径衰减、激增的无源器件与互连损耗以及有源器件功率生成和效率难题。本文将回顾太赫兹射频器件与集成技术的发展现状，阐述上海交通大学团队通过新型无源、有源器件与天线及其先进封装等技术方法，整体提升太赫兹前端系统性能的相关研究进展。
2023, 21(4):437-451.
DOI: 10.11805/TKYDA2023005
摘要:
汽车雷达基于电磁波信号感知路况，具有全天时、全天候、低成本等优点，是未来智能化交通和自动驾驶的重要传感器。其中，高精确度目标测距、测速，高分辨力角度估计和多扩展目标跟踪是汽车雷达领域的研究重点。本文针对汽车雷达波形、天线设计、测角算法以及目标跟踪算法等关键模块和主要设计思路进行梳理，结合雷达抗干扰、MIMO编码、扩展目标状态估计等技术难点，介绍并归纳了近几年代表性的文献，旨在为以后的研究提供参考和依据。
汽车雷达基于电磁波信号感知路况，具有全天时、全天候、低成本等优点，是未来智能化交通和自动驾驶的重要传感器。其中，高精确度目标测距、测速，高分辨力角度估计和多扩展目标跟踪是汽车雷达领域的研究重点。本文针对汽车雷达波形、天线设计、测角算法以及目标跟踪算法等关键模块和主要设计思路进行梳理，结合雷达抗干扰、MIMO编码、扩展目标状态估计等技术难点，介绍并归纳了近几年代表性的文献，旨在为以后的研究提供参考和依据。
2023, 21(4):452-471.
DOI: 10.11805/TKYDA2023083
摘要:
抗辐射电子学是一门交叉性、综合性的学科，其研究的辐射效应规律、损伤作用机制、加固设计方法、试验测试方法、建模仿真方法等对极端恶劣环境中的电子系统的可靠工作至关重要。对核爆炸中子、γ和X射线，空间和大气高能粒子产生的各种损伤效应(如瞬时剂量率效应、总剂量效应、单粒子效应、位移效应等)的研究现状进行了系统梳理。对辐射之间、辐射和环境应力之间的协同损伤效应(如长期原子迁移对瞬时剂量率感生光电流的影响，中子和γ射线同时辐照与序贯辐照、单因素辐照的损伤差异，质子和X射线、中子辐照的损伤差异，γ射线辐照与环境氢气的协同损伤效应等)的研究进展进行了详细介绍。阐述了国内外在核爆、空间和大气辐射加固研究方面的最新技术进展。总结了国内外在地面实验室对空间、大气或核爆辐射各种效应进行试验模拟和建模仿真的相关能力。最后对21世纪20年代以后抗辐射电子学研究领域潜在的挑战和关键技术进行了展望。
抗辐射电子学是一门交叉性、综合性的学科，其研究的辐射效应规律、损伤作用机制、加固设计方法、试验测试方法、建模仿真方法等对极端恶劣环境中的电子系统的可靠工作至关重要。对核爆炸中子、γ和X射线，空间和大气高能粒子产生的各种损伤效应(如瞬时剂量率效应、总剂量效应、单粒子效应、位移效应等)的研究现状进行了系统梳理。对辐射之间、辐射和环境应力之间的协同损伤效应(如长期原子迁移对瞬时剂量率感生光电流的影响，中子和γ射线同时辐照与序贯辐照、单因素辐照的损伤差异，质子和X射线、中子辐照的损伤差异，γ射线辐照与环境氢气的协同损伤效应等)的研究进展进行了详细介绍。阐述了国内外在核爆、空间和大气辐射加固研究方面的最新技术进展。总结了国内外在地面实验室对空间、大气或核爆辐射各种效应进行试验模拟和建模仿真的相关能力。最后对21世纪20年代以后抗辐射电子学研究领域潜在的挑战和关键技术进行了展望。
2023, 21(4):472-481.
DOI: 10.11805/TKYDA2023027
摘要:
现有自组网通信和导航技术缺乏深度融合的框架和方法，在未来场景下难以保障未来“智慧城市”、“智能出行”等场景对通信感知的综合性需求，因此研究面向物联网、车联网等自组织网络的通感融合(ISAC)技术成为亟待解决的问题。本文针对自组网通感需求，提出了通信感知信号融合方法和技术方案，可在保障通信性能的同时提高测距感知估计精确度。针对自组网设备间、通感任务间资源需求冲突等问题，依据自组网集群业务需求，构建了保障通信需求的定位感知网络时频资源优化框架，设计了联合资源分配方案及相应迭代优化算法，实现有限资源情况下的高可靠、强稳定自组网协同感知能力。针对当前自组网通信模组存在时延高、网络覆盖范围小、感知能力缺失等问题，设计并搭建了通感一体化模块原型样机I型，可在卫导数据缺失下提供全网高精确度时钟同步，保障集群协同感知能力，并在长距离下提供自组网通信协同传输支撑，从硬件设备上为通感融合提供支撑。最终形成了一套包含通感信号融合设计、时频资源联合优化方案的自组网通信感知系统框架，并研制搭建了一套通感融合软硬件平台(含通感一体化原型样机4台)。在外场测试中，2 km内通信速率≥320 kbps，丢包率≤0.05%，感知精确度优于10 m。
现有自组网通信和导航技术缺乏深度融合的框架和方法，在未来场景下难以保障未来“智慧城市”、“智能出行”等场景对通信感知的综合性需求，因此研究面向物联网、车联网等自组织网络的通感融合(ISAC)技术成为亟待解决的问题。本文针对自组网通感需求，提出了通信感知信号融合方法和技术方案，可在保障通信性能的同时提高测距感知估计精确度。针对自组网设备间、通感任务间资源需求冲突等问题，依据自组网集群业务需求，构建了保障通信需求的定位感知网络时频资源优化框架，设计了联合资源分配方案及相应迭代优化算法，实现有限资源情况下的高可靠、强稳定自组网协同感知能力。针对当前自组网通信模组存在时延高、网络覆盖范围小、感知能力缺失等问题，设计并搭建了通感一体化模块原型样机I型，可在卫导数据缺失下提供全网高精确度时钟同步，保障集群协同感知能力，并在长距离下提供自组网通信协同传输支撑，从硬件设备上为通感融合提供支撑。最终形成了一套包含通感信号融合设计、时频资源联合优化方案的自组网通信感知系统框架，并研制搭建了一套通感融合软硬件平台(含通感一体化原型样机4台)。在外场测试中，2 km内通信速率≥320 kbps，丢包率≤0.05%，感知精确度优于10 m。
2023, 21(4):482-497.
DOI: 10.11805/TKYDA2023022
摘要:
与广泛应用的以微波为代表的无线系统和以光纤为代表的有线系统相比，太赫兹除了其特殊的频谱特性外，人们期待太赫兹频段用于无线系统能突破微波系统的带宽限制，实现可与光纤系统相媲美的大带宽，并具有无线系统的灵活性和智能化。但如何实现宽带、智能以及具有较远作用距离的太赫兹系统，面临极大的挑战性。本文介绍了光电融合智能太赫兹的体系架构，重点讨论了基于光电融合的太赫兹源、接收检测、阵列天线以及太赫兹光电混频器等关键技术的国内外研究进展与进一步发展方向，以期解决单纯的电子学方式或光子学方式存在的难以克服的瓶颈限制。
与广泛应用的以微波为代表的无线系统和以光纤为代表的有线系统相比，太赫兹除了其特殊的频谱特性外，人们期待太赫兹频段用于无线系统能突破微波系统的带宽限制，实现可与光纤系统相媲美的大带宽，并具有无线系统的灵活性和智能化。但如何实现宽带、智能以及具有较远作用距离的太赫兹系统，面临极大的挑战性。本文介绍了光电融合智能太赫兹的体系架构，重点讨论了基于光电融合的太赫兹源、接收检测、阵列天线以及太赫兹光电混频器等关键技术的国内外研究进展与进一步发展方向，以期解决单纯的电子学方式或光子学方式存在的难以克服的瓶颈限制。
2023, 21(4):498-506.
DOI: 10.11805/TKYDA2023010
摘要:
概述了微波无线能量传输系统的研究现状及其基本原理，从可提高波束能量的一些特殊口径场以及先进的天线技术角度，分别按Whisper波束、超增益天线、平顶波束、聚焦天线技术、非衍射天线进行介绍。最后对微波能量传输系统中发射技术的未来发展趋势进行了展望。
概述了微波无线能量传输系统的研究现状及其基本原理，从可提高波束能量的一些特殊口径场以及先进的天线技术角度，分别按Whisper波束、超增益天线、平顶波束、聚焦天线技术、非衍射天线进行介绍。最后对微波能量传输系统中发射技术的未来发展趋势进行了展望。
2023, 21(4):507-516.
DOI: 10.11805/TKYDA2022233
摘要:
短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点，在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平，以及作者近年来研发的行波管，频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率，在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究，为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。
短毫米波及太赫兹行波管具有宽频宽、大功率、高效率等优点，在高分辨成像、高速通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。分析和评述了国内外研究单位的研制水平，以及作者近年来研发的行波管，频率覆盖E波段、W波段、G波段和Y波段等多个频段。为进一步提升毫米波及太赫兹行波管输出功率，在新型折叠波导慢波结构、相速再同步技术、周期聚焦磁场(PCM)聚焦带状电子注、多注集成等方向开展了分析与实验研究，为器件的性能提升和应用推进提供技术支持。
2023, 21(4):517-522.
DOI: 10.11805/TKYDA2023038
摘要:
提出一种基于电场驱动的GaAs基微带超晶格高阶谐波产生的太赫兹倍频器，利用平衡方程方法分析了倍频器在磁场下峰值功率输出和在参数空间(E dc,E ac)的分布情况。研究表明，在(E dc,E ac)的参数平面内，磁场对二次和三次谐波功率的峰值影响不大，但磁场会拓宽谐波输出功率的峰值区域，提高在(E dc,E ac)参数空间内输出峰值功率的概率。当E ac确定时，谐波发射功率峰值的位置会受到直流电场产生的布洛赫振荡频率fB、交流电场产生的调制布洛赫振荡频率fMB和磁场引起的回旋振荡频率fc的影响而发生变化。研究表明，基于半导体超晶格的太赫兹倍频器是很有应用潜力的太赫兹波发生器件。
提出一种基于电场驱动的GaAs基微带超晶格高阶谐波产生的太赫兹倍频器，利用平衡方程方法分析了倍频器在磁场下峰值功率输出和在参数空间(
2023, 21(4):523-529.
DOI: 10.11805/TKYDA2023039
摘要:
雷达目标检测常面临复杂的杂波特性，经典的检测方法通常适合于某些特定的场景，当检测背景发生变化时，其检测性能急剧下降。为有效提升不同杂波背景下的检测性能，提出一种基于流形等距映射(ISOMAP)的矩阵信息几何检测器。该方法首先将信号检测问题转化为矩阵流形上两点之间的区分性问题；然后基于样本数据和流形等距映射原理，自适应地学习出矩阵流形的投影变换矩阵，将矩阵流形变换为可区分的低维流形，最大程度地保持每一个矩阵与其邻域内矩阵之间几何距离大小，增强矩阵流形的可分性；最后利用仿真杂波和实测数据对算法进行验证。实验结果表明，相比于经典的检测方法，所提方法能有效提升目标检测性能。
雷达目标检测常面临复杂的杂波特性，经典的检测方法通常适合于某些特定的场景，当检测背景发生变化时，其检测性能急剧下降。为有效提升不同杂波背景下的检测性能，提出一种基于流形等距映射(ISOMAP)的矩阵信息几何检测器。该方法首先将信号检测问题转化为矩阵流形上两点之间的区分性问题；然后基于样本数据和流形等距映射原理，自适应地学习出矩阵流形的投影变换矩阵，将矩阵流形变换为可区分的低维流形，最大程度地保持每一个矩阵与其邻域内矩阵之间几何距离大小，增强矩阵流形的可分性；最后利用仿真杂波和实测数据对算法进行验证。实验结果表明，相比于经典的检测方法，所提方法能有效提升目标检测性能。
2023, 21(4):530-538.
DOI: 10.11805/TKYDA2023031
摘要:
随着移动通信技术的快速发展和更新换代，各行各业的信息化、智能化日益依赖于无线通信的强有力保障。因此，准确的信道信息、可靠的无线覆盖至关重要。射线跟踪技术面向不同行业的各类通信场景，通过建立有效的三维场景模型，以材料电磁参数、天线参数为基础，依托高性能计算引擎，将光学的射线技术引入电磁计算领域，能够准确地表征反射、散射、绕射、透射等多种电波传播机理及其对无线系统的影响。本文介绍了作者团队自主研发的高性能射线跟踪仿真平台，围绕高性能射线跟踪技术在智能交通领域的应用案例，阐述了射线跟踪技术在轨道交通、水路交通、公路交通等智能交通领域无线网络规划与优化、无线信道建模及信道特性分析等方面的技术优势，以期以自主可控的高性能射线跟踪仿真技术更好地助力我国交通强国战略的实施。
随着移动通信技术的快速发展和更新换代，各行各业的信息化、智能化日益依赖于无线通信的强有力保障。因此，准确的信道信息、可靠的无线覆盖至关重要。射线跟踪技术面向不同行业的各类通信场景，通过建立有效的三维场景模型，以材料电磁参数、天线参数为基础，依托高性能计算引擎，将光学的射线技术引入电磁计算领域，能够准确地表征反射、散射、绕射、透射等多种电波传播机理及其对无线系统的影响。本文介绍了作者团队自主研发的高性能射线跟踪仿真平台，围绕高性能射线跟踪技术在智能交通领域的应用案例，阐述了射线跟踪技术在轨道交通、水路交通、公路交通等智能交通领域无线网络规划与优化、无线信道建模及信道特性分析等方面的技术优势，以期以自主可控的高性能射线跟踪仿真技术更好地助力我国交通强国战略的实施。
2023, 21(4):539-554.
DOI: 10.11805/TKYDA2023030
摘要:
无人机(UAV)在军事、商业和民用领域的应用日益广泛，随着无人机群数量的增加，对于安全、隐私和公共利益的影响也日益受到重视。因此，研究面向无人机群目标的探测技术显得越来越重要。目前国内外已经开展了多项无人机群目标的探测相关研究工作。本文研究了无人机群目标探测的研究现状以及面临的挑战；然后针对这些挑战讨论了无人机群目标探测架构技术的类型。针对集中式、单一手段难以满足无人机群精细化感知、态势评估需求，提供了面向无人机群目标的空地联合多域探测架构，该架构具体包括：组网雷达、分布式频谱被动监测设备、移动多光谱感知设备、移动频谱监测设备；结合了不同感知方式在不同距离、不同方位、不同粒度等维度的优势，通过级联、协同、融合方式突破了单域探测的局限性。最后对其中关键技术进行了分析与总结。
无人机(UAV)在军事、商业和民用领域的应用日益广泛，随着无人机群数量的增加，对于安全、隐私和公共利益的影响也日益受到重视。因此，研究面向无人机群目标的探测技术显得越来越重要。目前国内外已经开展了多项无人机群目标的探测相关研究工作。本文研究了无人机群目标探测的研究现状以及面临的挑战；然后针对这些挑战讨论了无人机群目标探测架构技术的类型。针对集中式、单一手段难以满足无人机群精细化感知、态势评估需求，提供了面向无人机群目标的空地联合多域探测架构，该架构具体包括：组网雷达、分布式频谱被动监测设备、移动多光谱感知设备、移动频谱监测设备；结合了不同感知方式在不同距离、不同方位、不同粒度等维度的优势，通过级联、协同、融合方式突破了单域探测的局限性。最后对其中关键技术进行了分析与总结。
2023, 21(4):555-562.
DOI: 10.11805/TKYDA2022360
摘要:
3D打印通过流体材料或粉体材料的层片叠加，将CAD设计转化为三维实体零件，无需模具或机加工，凭借极大的设计自由度和生产效率，近年来逐渐用于工业产品的直接制造，在配件减重、模型验证、复杂结构一体化成型、零部件受损修复方面具有极大的优势。本文介绍了3D打印技术及其分类，举例分析该技术在航天器微波部件的应用情况，探讨其对射频器件制备的影响。最后，对3D打印在空间部件制造的关键问题和发展进行了展望。
3D打印通过流体材料或粉体材料的层片叠加，将CAD设计转化为三维实体零件，无需模具或机加工，凭借极大的设计自由度和生产效率，近年来逐渐用于工业产品的直接制造，在配件减重、模型验证、复杂结构一体化成型、零部件受损修复方面具有极大的优势。本文介绍了3D打印技术及其分类，举例分析该技术在航天器微波部件的应用情况，探讨其对射频器件制备的影响。最后，对3D打印在空间部件制造的关键问题和发展进行了展望。
2023, 21(4):563-571.
DOI: 10.11805/TKYDA2022225
摘要:
太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点，在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。然而由于微波及太赫兹器件限制，太赫兹信号带宽难以做大，从而制约了成像的距离向分辨力。虽然高载频可实现较大宽带，但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。因此，聚焦于太赫兹波无损检测领域，提出一种时分频分复用的114~500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式，基于多频段共孔径准光设计，实现超带宽信号的共孔径，频率可扩展至1.1 THz。提出一种频段融合算法，实现了超宽带信号的有效融合，距离分辨力提升至460 μm，通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性，并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。
太赫兹调频连续波成像技术具有高功率、小型化、低成本、三维成像等特点，在太赫兹无损检测领域受到了广泛关注。然而由于微波及太赫兹器件限制，太赫兹信号带宽难以做大，从而制约了成像的距离向分辨力。虽然高载频可实现较大宽带，但伴随的低穿透性和低功率会限制太赫兹调频连续波成像系统的应用场景。因此，聚焦于太赫兹波无损检测领域，提出一种时分频分复用的114~500 GHz超宽带太赫兹信号的产生方式，基于多频段共孔径准光设计，实现超带宽信号的共孔径，频率可扩展至1.1 THz。提出一种频段融合算法，实现了超宽带信号的有效融合，距离分辨力提升至460 μm，通过人工设计的多层复合材料验证了系统及算法的有效性，并得到封装集成电路(IC)芯片的高分辨三维成像结果。
2023, 21(4):572-577.
DOI: 10.11805/TKYDA2023040
摘要:
基于逆合成孔径雷达(ISAR)图像序列的卫星目标姿态估计是一项具有重大意义且富有挑战性的任务。现有的估计方法通常是基于图像中关键角点或线性部件的提取，较难满足实时需求，且都未能充分利用目标成像特性先验。本文提出一种基于成像特性与回归网络的卫星目标姿态估计方法：提前确定各种姿态下的卫星目标成像特性，并作为后续数据集标注的理论基础；区别于传统的分类问题，建立一种适用于姿态估计的回归网络与估计框架。采用毫米波频段的电测仿真计算数据对所提方法进行验证，结果表明，单张图像中估计的平均姿态误差可以控制在3.5°以内。
基于逆合成孔径雷达(ISAR)图像序列的卫星目标姿态估计是一项具有重大意义且富有挑战性的任务。现有的估计方法通常是基于图像中关键角点或线性部件的提取，较难满足实时需求，且都未能充分利用目标成像特性先验。本文提出一种基于成像特性与回归网络的卫星目标姿态估计方法：提前确定各种姿态下的卫星目标成像特性，并作为后续数据集标注的理论基础；区别于传统的分类问题，建立一种适用于姿态估计的回归网络与估计框架。采用毫米波频段的电测仿真计算数据对所提方法进行验证，结果表明，单张图像中估计的平均姿态误差可以控制在3.5°以内。
