合成孔径雷达卫星

前面一篇文章谈到，我国前几天发射的陆地探测四号合成孔径雷达卫星具备一定地下目标的探测能力。因为其采用的是波长比较长的L波段合成孔径雷达，能穿透地面植被探测到树林中隐藏的军事目标。并且可以探测地下一定深度的目标。但是其探测深度可能并不深，估计最多在几米深的样子。那么是不是可以进一步提高探测深度呢？办法当然是有的，那就是采用波长更长的雷达波。按照无线电传播的基本规律，波长越长穿透地表深度越深。

民用探地雷达其实在地质和建筑行业已经广泛应用

那么采用这种工作方式的雷达被称为探地雷达，或者叫做地质雷达。其实这种类型的雷达早已经进入实用化阶段了。通常用在楼房建筑、隧道工程、高铁公路、水利工程等各种各样的建筑工程领域。这种类型的雷达可以探测钢筋水泥建筑物的结构，也可以探测岩石沙土的内部构造，通常可以达到十几米甚至三四十米的深度。我国探月的玉兔号月球车上也装备有探地雷达，可以探测到月球地下160米的地质结构。

玉兔号月球车上的探地雷达天线

那么是不是采用更长波长的雷达波就能进一步提高探测能力呢？答案是肯定的，如果使用20Mhz的雷达波可以探测到地下1公里深处的地质结构。如果进一步降低雷达频率，提高雷达波波长，比如使用0.1-5.5Mhz的雷达波可以探测到地下5公里左右的地质结构。不过对于不同的地质结构雷达波的穿透能力是不一样的。比如土壤的含水量比较高的地方，雷达波的穿透能力就比较差，而沙漠等干燥地区，雷达波的穿透能力就比较强。

使用单光子作为工作介质的光量子雷达

但是提高雷达波穿透能力的同时也带来了另一个问题，那就是雷达分辨率会大幅下降。而且和波长的提高是成线性反比的。那么有没有办法在提高穿透能力的同时，又能保证足够的分辨率呢？答案是有，那就是采用新的工作原理，这种新型的雷达叫做量子雷达。今年年初国际期刊《自然·通讯》上刊登了我国量子雷达技术的一项科研成果。中国科技大学郭光灿院士团队利用量子技术将传统雷达的位置测量精度提高了上万倍。

我们知道现有雷达技术的探测精度普遍都没有超过其使用的无线电波的波长。比如精度比较高的我国高分三号星载SAR雷达，即使使用波长比较短的C波段，其分辨率最多也只有1米。而C波段无线电波的波长是3.75-7.5厘米左右，也就是说其分辨率远远没有达到其工作波长的水平。此次成果中，研究组采用了高灵敏度微波探测和高精度微波定位技术。设计了金刚石自旋量子传感器与金属纳米结构组成的复合微波天线，将自由空间弱信号的探测转换为对纳米尺度下电磁场与固态自旋相互作用的探测，将固态量子传感器的微波信号测量灵敏度提高了3至4个量级。

郭光灿团队研制的新型量子雷达的工作原理

为进一步利用高灵敏度的微波探测实现高精度微波定位，研究组搭建了基于金刚石量子传感器的微波干涉测量装置，同时利用固态自旋量子探针与微波光子多次相干相互作用，实现了量子增强的位置测量精度，达到10微米水平（约波长的万分之一）。换句话说，如果使用20Mhz的雷达波，其波长是15米，分辨率能达15米的万分之一，也就是1.5毫米。

夏延山北美防空司令部的地下坑道

这样的分辨率显然具备非常强大的军用潜力。如果使用5Mhz的雷达波，探地深度能达到三、四公里，分辨率能达到6毫米。这样的探地深度和分辨率，对于探测像台湾省佳山军事基地、美弟北美防空司令部、内华达沙漠里的核导弹发射井等目标，那是易如反掌并且秋毫必现。

地下导弹发射井其实很浅 只有几十米的深度

因为合成孔径雷达是成像雷达，也就是说我们可以直接看到这些地下目标的图像。那么这些目标对我们来说，几乎就相当于鱼缸里的金鱼，看起来一目了然。甚至这样工作频率的雷达波，对于水下目标都有相当强的探测能力。具备一定程度上探测浅层水下潜艇的能力。

雷达天线做出来可能类似这样的结构 不过尺寸要更大

不过要实现这样的探测能力，还是有很大技术挑战的。虽然因为工作频率比较低，雷达信号发射和处理的技术难度不大。但是随着雷达波长的增加，雷达天线的尺寸也会大幅增加，像20Mhz的雷达波，其波长是15米，那么其天线振子的尺寸要达到波长的一半，也就是7.5米。用这样的天线做出来的雷达，其体积是相当庞大的，可能比我国天宫空间站的太阳能电池板的尺寸还要大。不过好在这些天线振子都是细杆状的，发射的时候可以先折叠，到轨道上以后再展开。

台湾省佳山军事基地在山体内挖掘有大型地下工事群

即使这样，做出来的合成孔径雷达卫星的尺寸和体积也是相当大的，重量有可能接近天宫空间站的核心舱，体积有可能接近于整个空间站的体积。建造这样巨大的合成孔径雷达对于火箭的运载能力是一个巨大的考验，不过鉴于其诱人的性能，付出这样的代价仍然是非常值得的。可以让我们的天基雷达探测能力上升到一个革命性的水平，而且真的是革命。革那些深藏在地下工事和导弹发射井里，以及深海潜艇里的害人虫的命。