太赫兹目标特征研究进展

韩建龙,赵 寰,邱桂花,潘士兵,张瑞蓉,刘玉凤,王 雯

(1.山东非金属材料研究所,山东 济南 250031;2.陆装南京军代局济南军代室,山东 济南 250031)

1 引 言

太赫兹波(THz)是频率介于毫米波和红外光之间的电磁波,兼有毫米波和红外光两个波段的特性。THz雷达是太赫兹波在军事领域应用研究中最重要的研究方向之一,美国、德国和中国等已筹建多个太赫兹雷达实验室,太赫兹雷达针对多体、微动和低散射目标可以实现超宽带分辨,在运动目标的跟踪、识别等方面具有明显优势[1]。太赫兹雷达可以装载在高空无人侦察机、临近空间飞行器、天基卫星等平台上,用于跟踪与识别目标。

伴随着太赫兹雷达技术的快速发展,有关太赫兹目标特性的研究工作得到国内外学者的重视,并成为近几年的一个重要研究领域。美国最早开展了太赫兹目标特征的研究,最早报道见于1993年,从2006年开始,国内政府机构和科研院校对其给予了高度重视,并开展了大量研究工作。目标在太赫兹雷达的探测下,体现的主要是其反射特征和散射特征,目前已报道的有光滑和粗糙表面简单散射体的太赫兹特征、复杂形状目标缩比模型的太赫兹ISAR成像、缩比模型的太赫兹RCS测量等方面。

2 简单散射体的太赫兹特征

对简单散射体的太赫兹特征的研究集中在其雷达散射截面的研究上,通过对目标雷达散射截面的分析可获得目标的形状、体积、运动状态和表面材料等特征信息。已研究的简单散射体有平板、圆柱体和球体等。最初研究的是光滑表面的简单散射体的散射特性,随后有不同粗糙度表面的简单散射体的散射特性的研究报道。

美国的Coulombe等[2]对金属平板的在0.585 THz处的RCS进行了测量,根据缩比定律将测量结果按照1∶16.7的比例换算到35 GHz,并将换算结果与35 GHz相应尺寸的金属平板的测试结果进行了对比,结果表明,金属平板在0度方向的RCS最大,缩比换算结果与35 GHz的测试结果非常吻合。

德国的C Jansen等[3-4]利用太赫兹时域RCS系统测量了正方形金属板在0.3 THz、0.5 THz、0.8 THz和1.0 THz等频点的RCS。结果表明,金属板的RCS与其摆放角度和面积有关,垂直与太赫兹波入射方向摆放时其RCS最大,金属板的面积越大其RCS越大。另外,测试结果和模拟结果吻合较好,说明了太赫兹时域RCS系统测量平板目标RCS的可靠性。

美国的Williams等[5]利用太赫兹时域光谱系统测试了两面、三面和半球状三种不同形状的反射体的RCS,测试结果见图1。结果表明,不同形状的反射体的RCS与其形状和太赫兹波的入射角度有关。随后,又测试了尺寸为2～8 mm的金属球体目标在0.1 THz、0.16 THz和0.35 THz的RCS。结果表明,球形目标尺寸越大,其雷达散射截面越大。

图1 两面、三面和半球状反射体的RCS图

国内在简单散射体的太赫兹特征方面的研究工作开展较晚,主要有哈尔滨工业大学、国防科技大学、天津大学、西安电子科技大学等。哈尔滨工业大学的Hui-Yu Li等[6-8]利用太赫兹时域光谱系统测试了表面光滑的金属圆柱体、半球体和球体目标在2.52 THz处的太赫兹RCS,测量见图2,不同形状的散射体的RCS差别较大。

图2 金属圆柱体、半球体和球体RCS方位图

国防科技大学的赵珊珊等[9]采用采用基于矢量网络分析仪的微波倍频源太赫兹目标特性测量系统测量了0.44 THz频点处表面粗糙度为0.3 μm、3 μm、30 μm、300 μm的圆柱体的太赫兹RCS。测量结果表明,垂直入射时,粗糙度对RCS基本没有影响,斜入射时,表面越粗糙大目标RCS的测量值越大；垂直入射时,圆柱体2个底面的散射强度最大,达到了28.34 dBsm,圆柱体的侧面的RCS为11.68 dBsm,圆柱体RCS测量值在4个峰值区间与其理论值拟合较好,4个峰值点的误差值较小,目标的RCS测量值与其理论值吻合程度较高,天津大学的王茂榕等[10]采用基于CO2激光抽运太赫兹激光器的高频段太赫兹RCS系统测量了3.11 THz频点处不同材料或涂覆层的40 mm圆形金属平板及不同底面直径圆锥体的RCS。研究结果表明,不同材料或涂覆层的圆形金属平板的RCS从大到小依次为:304不锈钢材质>航空铝材质>航空铝材质表面阳极氧化处理的>航空铝材质表面喷漆处理的。对于不同底面直径的圆锥体,20 mm直径的的圆锥体RCS锥顶两侧面的反射峰最为明显,10 mm和30 mm圆锥体侧面反射回波信号稍微弱于10 mm圆锥体。

西安电子科技大学的赵华等[11]采用基于基尔霍夫近似的物理光学方法,研究了具有高斯粗糙表面的球体、立方体和圆柱等不同形状目标的太赫兹散射特性,测试结果见图3。

(a)球体

研究结果表明,在太赫兹波段,波长与粗糙度处于等量级,必须考虑到粗糙度对于目标散射结果的影响。目标表面有涂覆介质材料时,目标的雷达散射截面小于导体情况下的结果,且在一定的范围内涂覆层越厚,目标雷达散射截面吸收越明显。

综上所述,对简单散射体太赫兹特征的研究从金属材质到非金属材质,从光滑平面到粗糙表面,研究越来越深入。研究发现散射体的材质、形状、尺寸和表面粗糙度等因素发生变化时,其对太赫兹波的反射和散射特性会发生变化,从而引起了其雷达散射截面的变化。

3 缩比模型的太赫兹ISAR成像

太赫兹ISAR成像技术是通过太赫兹雷达系统发射大宽带的线性调频连续波信号照射运动目标,对回波信号进行解线频调或者脉冲压缩获得距离方向的高分辨率图像[12]。目前,由于太赫兹源的发射功率普遍较低,国内外主要采用太赫兹ISAR雷达进行近距离成像,在安检和反恐方面已得到应用。

2010年,美国马萨诸塞大学亚毫米波实验室的Andriy等[13]用2.4 THz量子级联激光器对T-80 BV坦克的模型进行了太赫兹逆合成孔径雷达成像,成像结果见图4,图4(a)为坦克模型照片,图4(b)为ISAR成像结果,成像分辨率为0.4 mm×0.6 mm,通过成像图像能清晰的对目标进行识别,并分辨出炮管、机枪、车身、履带等部件。

图4 T-80BV坦克模型太赫兹逆合成孔径雷达成像图

德国应用科学研究所的H Essen等[14]采用0.22 THz的太赫兹ISAR成像系统对轿车和拖拉机进行了成像,并与94 GHz的ISAR成像结果进行了对比。结果表明,在200 m的探测距离上该系统实现了1.8 cm的距离分辨率,比94 GHz微波雷达ISAR成像的分辨率高一倍。

由于太赫兹ISAR成像技术在安检、反恐和国防具有重大意义,2010年以来,国内政府机构和科研院校对其给予了高度重视,中国工程物理研究院、电子科技大学、天津大学等开展了太赫兹ISAR成像技术的研究。中国工程物理研究院的成彬彬等采用0.14 THz太赫兹雷达成像系统,对40 cm×60 cm的直升机模型和间距为5 cm的散射点阵进行了成像[15],成像结果见图5,成像分辨率可达3 cm×3 cm,可分辨出直升机模型的机头、机尾和机翼等关键散射部件。随后,又采用该系统在距离目标2.7 m处对1∶720的舰船模型进行了一维距离成像和二维ISAR成像[16],但由于分辨率不够高,导致了成像的像素点位置模糊,不能实现通过成像图像对目标的分辨。

图5 直升机模型的ISAR成像结果

电子科技大学的张彪等[17]采用0.3 THz雷达系统,在2.5 m处对飞机模型的转台进行了成像,成像结果见图6,能分辨出飞机模型的机头、机身、机翼等散射部件。

图6 飞机模型的ISAR成像结果

天津大学的魏明贵等[18]采用(0.1～1.3) THz时域雷达系统在80 mm×80 mm×80 mm的成像范围内对1∶2000的辽宁号航空母舰模型和1∶200的F-22战斗机模型进行了成像研究,成像结果见图7。成像结果能分辨航母模型的舰桥、甲板等散射部件和飞机模型的进气道、尾翼、腹部等散射部件。

国防科技大学的张野等[19-20]采用基于复值修正的卷积神经网络算法(MCV-CNN)的太赫兹雷达对A380客机模型进行了逆合成孔径雷达(ISAR)和干涉逆合成孔径雷达(InISAR)成像研究,成像结果见图8。ISAR成像结果能分辨客机模型的机身、机翼、尾翼等散射部件,InISAR成像在距离和方位具有厘米级的分辨率,采用MCV-CNN可获得实现高质量的太赫兹雷达成像。

综上所述,美国在目标的太赫兹ISAR成像方面处于领先地位,能够在几百米的距离通过目标的ISAR成像对目标进行识别,并分辨出炮管、车身、履带等散射部件,国内在目标的太赫兹ISAR成像方面起步较晚。结合国内外太赫兹ISAR成像技术的发展现状来看,由于太赫兹器件发展水平的限制,现在的雷达系统中太赫兹信号源的输出功率非常低,限制了太赫兹成像系统的作用距离和范围,太赫兹ISAR成像还面临着很多困难和挑战。

图8 A380客机模型的ISAR成像结果和InISAR成像结果

4 缩比模型的太赫兹RCS测量

目标的雷达散射截面(RCS)是度量目标对照射电磁波的散射能力的一个重要物理量,是雷达系统设计、目标识别以及隐身目标设计等研究工作的理论基础[21]。由于太赫兹波的波长介于红外与微波之间,目标在太赫兹波段的电尺寸与其在微波和红外波段的电尺寸不同,因此太赫兹目标呈现出与微红和红外波段不同的电磁散射特性。

20世纪末,美国就开始了缩比金属模型的太赫兹RCS测量,美国马萨诸塞大学亚毫米波实验室的Coulombe等[2]采用紧缩场太赫兹测量系统对1/58.5的装甲车辆金属模型在0.585 THz处的RCS进行了测量。测量结果表明,装甲车辆模型的反射截面越大,其雷达散射截面越大,最大RCS为40 dBsm。

丹麦的Iwaszczuk等[22]利用太赫兹时域雷达系统对10.2 cm长的1/150 F-16战斗机缩比金属模型进行了0.3 THz、0.6 THz和0.9 THz频点处的RCS测量,测量结果见图9。测量结果表明,飞机模型的截面反射面积越大,其雷达散射截面越大,在正下方达到了500 cm2。

图9 1/150 F-16缩比金属模型在0.3 THz的RCS方位图

国内在缩比模型的太赫兹RCS测量方面起步较晚,2012年以来,上海航天技术研究院、天津大学等单位相继报道了缩比模型的太赫兹RCS测量。上海航天技术研究院的武亚君等采用宽带太赫兹低频端RCS测量系统对1∶150的SH-60直升机模型进行了RCS测量[23],测量频率为0.15 THz和0.16 THz,极化方式为VV,直升机尺寸为12.4 cm×2.2 cm×2.5 cm。测量结果表明,直升机模型的整体RCS很小,均值在-35 dBm2左右,正前方的反射信号最大为-21.8 dBm2,两个侧面的RCS在-20 dBm2左右。

天津大学的梁达川等[24]采用(0.1～1.3) THz宽频时域雷达系统测量了1/72的装甲车模型和1/2000的航母模型在0.3 THz、0.6 THz和0.9 THz处的RCS,测量结果见图10。测量结果表明,在截面反射面积大的角度上,其RCS比其他角度要大,装甲车辆模型侧面的RCS最大,航母模型0°测试时,甲板的平面反射使得其RCS最大。

国防科技大学的逄爽等[25]搭建一个基于矢量网络分析仪的微波倍频太赫兹RCS测量系统,测试了吉普车和卫星在0.22 THz和0.44 THz频段下的RCS,测试结果见图11。卫星模型在入射角度为0°、90°和270°时,对太赫兹波有强散射作用,吉普车模型在入射角度为90°和270°时,对太赫兹波有强散射作用；0.22 THz和0.44 THz两个频段在几个强散射角度下的峰值分布及走势与数值计算结果都能较好吻合。

图11 卫星模型和吉普车模型的RCS测量结果

综上所述,目前对目标太赫兹RCS测量只能近距离对缩比模型进行测量,缩比模型的RCS与其尺寸和方位有关,在截面反射面积大的角度上,其RCS就大。但是,使用缩比模型进行对军事目标的RCS进行测量时,入射电磁波也要按照同比例减少,例如1/150的飞机模型在0.6 THz处的RCS,对应于全尺寸的飞机,相当于4 GHz处的RCS。因此,缩比模型的RCS不能真实的反应军事目标在太赫兹波段的散射特征。缩比模型的RCS测量结果可通过缩比计算用于微波段全尺寸目标RCS的预估。

5 总结与展望

由于太赫兹器件发展水平的限制,雷达系统中太赫兹信号源的输出功率较低,太赫兹成像系统的作用距离和范围较小,对目标的太赫兹特征研究主要集中在简单散射体的太赫兹特征、缩比模型的ISAR成像和缩比模型的RCS测量等方面,目标的太赫兹特征研究还面临着很多困难和挑战。但是,随着太赫兹技术的快速发展,太赫兹技术在安检、反恐和国防领域具有越来越重大的意义,目标的太赫兹特征的研究必将越来越广泛全面。