太赫兹雷达散射截面测量中定标体的确定

杨 洋，姚建铨，钟 凯

·太赫兹技术·

太赫兹雷达散射截面测量中定标体的确定

杨 洋1，姚建铨2，钟 凯2

（1.承德石油高等专科学校河北省仪器仪表工程技术研究中心，河北承德067000；2.天津大学精密仪器与光电子工程学院激光与光电子研究所，天津300072）

围绕赫兹雷达散射截面定标体选定的内容开展了一系列工作，确定了适合作为太赫兹雷达散射截面标准体的工艺要求和加工方式，并先后对6种通过不同工艺加工成的太赫兹雷达散射截面的标准体材料进行了测试，分别测出半球反射率随波长的变化关系，确定了适合作为太赫兹雷达散射截面标准体的工艺要求和加工方式，加工出符合条件的太赫兹雷达散射截面测量中用作定标金属铝球，并利用该定标体对其他目标体在低频太赫兹波段的雷达散射截面进行了初步测量。

太赫兹雷达散射截面；金属球；收发同置；半球反射率

1 引 言

进入21世纪，伴随着太赫兹技术的发展，有关太赫兹雷达目标特性及雷达散射截面的研究工作引起国内外专家的高度重视［1－9］，为了能有效开展太赫兹雷达散射截面的工作，首先需要完成太赫兹雷达散射截面定标工作，也就是雷达散射截面测量中定标体的确定，因为只有确定了定标体后雷达散射截面的测量数据才有依据。在过去报道中，国内外太赫兹雷达散射截面测量中被选定的定标体一般都沿用微波雷达散射截面测量中的金属球或圆柱体等［10－12］，而专门针对太赫兹雷达散射截面的定标体的有关内容未见报道。为此，作者提出应该象微波雷达、激光雷达等不同电磁波领域有各自的定标体一样，太赫兹雷达散射截面的测量也应有明确的定标体，并围绕该项内容做了一些实验研究。

2 太赫兹雷达散射截面测量中定标体的确立

球体是所有目标体中最简单的目标体，且在微波与红外领域球型目标雷达散射截面都具有解析解，因此在这两个领域的定标体都常采用球型目标［12－13］。但同时也注意到同一球型目标在两个领域的雷达散射截面的解析值是不同的。文献［14］中提出了当位于太赫兹两端的红外与微波对同一球型目标获得相同的雷达散射截面的解析解时，位于中间的部分的太赫兹的雷达散射截面也就会一致的推断。具体来说，如果能够寻找一种“表面粗糙、金属良导体、球型，且其半球反射率为ρ2π＝0.38（对应λ＝1.06μm）的标准体”时，微波雷达、激光雷达的散射截面的结果就一致了。满足这一标准的目标体就可以作为太赫兹雷达散射截面的标准体了。这样的结果相当于我们找到一种实现微波、激光、太赫兹三种雷达的散射截面三波一致的方法。

为达到这一目的，在中国科学院安徽光学精密机械研究所的有关人员帮助下做了大量实验的工作，因为一般金属材料的半球反射率大多在0.7以上，因此想要获得表面粗糙、金属良导体、球型，且其半球反射率为ρ2π＝0.38（对应λ＝1.06μm）的标准体并不是一件很容易的事情。

作为标准体目标的漫射体制作过程主要分为基底加工、漫射表面物理处理、漫射表面化学处理、灰度沉积、光学镀膜五个主要过程，每一步骤间穿插表面清洗、烘干、样品测试等工艺流程。基底制作选用锻铝为基本材料加工成板状或球形等漫射体外形；漫射表面的物理处理是根据漫射体的工作波段控制基底表面的粗糙度，初步形成漫射随机表面；漫射表面的化学处理是通过化学腐蚀的方法进一步消除金属晶格的镜像反射；灰度沉积采用表面氧化成分的沉积固化的方式形成不同反射率的均匀漫射表面；最后通过光学镀膜保持漫射表面的光谱特性。每一步骤间执行严格的除污、去油、脱水、超声振动等清洗过程，灰度沉积和光学镀膜前后进行光学测试，确认漫射体的光谱特性与漫射特性。

按照上述方式，先后对6种通过不同工艺加工成的太赫兹雷达散射截面的标准体材料进行了测试，分别测出半球反射率随波长的变化关系，图1为测试曲线，其中曲线从上至下分别被标以曲线1至曲线6，所对应的金属球分别为1号球至6号球。从图中可以确定适合作为太赫兹雷达散射截面标准体的工艺要求和加工方式。最终按照上述测试曲线，取得曲线6（最低的曲线）的散射体为太赫兹雷达散射截面测量中的标准体，这是因为6号球对应λ＝1.06μm，其半球反射率为ρ2π在0.38附近，满足前面所讨论的作为太赫兹雷达散射截面标准体的条件，被加工成的定标体的实物照片为如图2（b）所示的6号球。而其他不同半球反射率的实物照片为如图所示2（a）所示的1～5号球。

图2 按照不同工艺加工而成金属铝球型目标实物照片

3 实验测试过程

3.1 实验测试系统

本实验测试系统的结构示意图如图3所示。实验测试系统中的太赫兹源采用返波管振荡器源（BWO），其工作频率使用206.2 GHz，输出功率为40 mW；探测器使用焦热电探测器（Pyroelec tric Detector），最佳调制频率为10～30 Hz，工作的光谱范围为0.1～10 THz，像素大小为2 mm×3 mm；测试系统中的数据读取单元用来获得焦热电探测器的电压信号；小型自动旋转光学平台由“电动旋转台”和“运动控制器”组成，可实现不同入射角和散射角的测试工作，且整个测试工程可以实现程序控制。为了安放散射目标体，在旋转光学平台上安放一个目标支撑架，与此同时为了减少支撑架造成的背景信号的影响，要对包括支撑架及背景进行降噪声影响的处理。

图3 太赫兹目标雷达散射截面实验系统框图

3.2 太赫兹光斑大小的测量

雷达目标散射截面的测量中要求目标可以被视为点目标，也就是说要求光斑大小要大于目标的大小。因此在开展有关目标的雷达散射截面时通常要确定光斑的大小。在太赫兹测量中太赫兹的光斑大小使用的方法是很多人使用过的刀刃法［15－16］，测试中刀口移动的步长为1 mm，并以刀口位置的移动为横坐标，与探测器相连的数据读取单元的输出电压为纵坐标，绘制出如图4所示的曲线。

图4 利用刀刃法测量BWO波束大小测试曲线

如果按照当强度下降到峰值的10%时的位置作为太赫兹斑的大小的话，按照测量数据的分析与计算结果得知：本次测量结果为：D＝5.20 cm，因此，被选作目标的尺寸只有当其小于5.20 cm时，目标才能被看做点目标。

3.3 实验数据测试

利用所研发的标准体开展了标准体的实际测试工作，用来检验标准体的稳定性，并利用同一尺寸但不同半球反射率的目标体进行了测试，用以检验半球反射率对雷达散射截面的影响。

表1 2号粗糙金属铝球型目标散射截面测量数据

为了检验所确定的标准体的实验效果，第二次我们选取图2中6号球作为目标体进行了测试，之所以选取6号球有两个目的，一是检验当标准体的半球反射率发生变化时给实验结果带来的影响大小，二是可以将6号球作为待测的目标体，实际测试一下被测目标雷达散射截面的变化。6号球的半球反射率为ρ2π＝0.7左右，这与在微波领域被选定的一般金属目标体是类似的。实验数据由表2给出，其中2号球与6号球的直径均为（3.00±0.01）cm。

表2 6号粗糙金属铝球型目标散射截面测量数据

4 结 论

（1）选择理想导体、粗糙表面、金属球体作为位于微波与激光中间的太赫兹雷达散射截面的定标体具有易于测量、数据稳定且测试方法可靠的特点，定标体的确立为开展雷达散射截面奠定了理论与实验基础。

（2）当被选作太赫兹雷达目标散射截面测量中的定标体的半球反射率发生改变时对太赫兹雷达目标散射截面的数值是会有影响的，但这种影响是微小的，并不是按照半球反射率的增大倍数而等比例增大的，因此在选定太赫兹雷达散射截面的定标体时要明确作为目标定标体的半球反射率。

（3）实验还表明，如果利用微波雷达散射截面中所选用的标准体用来测量太赫兹雷达的散射截面时对实验结果影响是存在的，但影响不大，也就是说如果在低频太赫兹领域分别用微波的标准体与太赫兹波的标准体测量同一目标的雷达散射截面时，不会对实验结果带来大的差异，但在高频太赫兹领域情况如何还将有待于通过实验来加以检验。

（4）太赫兹雷达目标散射截面测量中定标体的确立是根据红外理论的频率下转移和微波理论频率上转移的原则，也就是按照逻辑推理的原则提出的，应该说这种推理也有一定科学性，但缺少严格太赫兹散射理论的支持，因此太赫兹雷达目标散射截面的理论分析将成为今后一项很重要的工作。

（5）从漫反射体随波长变化实验曲线中可以看出，伴随着入射光源波长的增加定标体的半球反射率不是恒定的，会逐渐偏离0.38，且表现出缓慢变大的趋势。因此本次实验的标准体应该再放在微波和远红外领域进行一下测试，通过实验考察一下这种标准体在微波、红外领域与太赫兹领域的差异。

致 谢：本次实验是在首师大完成的，感谢张存林教授提供的帮助，同时也感谢张镜水博士、刘婧硕士所给予的帮助。

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Determ ination of calibration body in the terahertz radar cross section measurement

YANG Yang1，YAO Jian-quan2，ZHONG Kai2
（1.Hebei instrument and Meter Engineering Technology Research Center of Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China；2.The Institute of Laser＆Optoelectronics，College of Precision Instruments and Opto-Electronic Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Studies are carried out for the selection of calibration body on hertz radar cross section.The appropriate process requirements and processingmethods as terahertz RCS standard body are determined，and six kinds of standard bodymaterials of terahertz radar standard by different processeswere tested，the relation of hemispheric reflectivity with the change ofwavelength is obtained，the appropriate aluminum balls for terahertz radar cross section calibration measurements are processed，and the radar cross section at the low-frequency terahertz is preliminarily measured for other target bodies by using the calibration body.

terahertz RCS；metal ball；monostatic；hemispherical reflectivity

TP212

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.10.017

1001-5078（2014）10-1149-05

国家重点基础研究发展计划项目（973计划项目）（No.2007CB310403）资助。

杨 洋（1958－），男，教授，博士，从事激光雷达和太赫兹雷达目标特性的研究工作。E-mail：yangy1958＠sohu.com

2014-03-03；

2014-03-29