太赫茲目標(biāo)特征研究進(jìn)展

韓建龍,趙 寰,邱桂花,潘士兵,張瑞蓉,劉玉鳳,王 雯

(1.山東非金屬材料研究所,山東 濟(jì)南 250031;2.陸裝南京軍代局濟(jì)南軍代室,山東 濟(jì)南 250031)

1 引 言

太赫茲波(THz)是頻率介于毫米波和紅外光之間的電磁波,兼有毫米波和紅外光兩個(gè)波段的特性。THz雷達(dá)是太赫茲波在軍事領(lǐng)域應(yīng)用研究中最重要的研究方向之一,美國、德國和中國等已籌建多個(gè)太赫茲雷達(dá)實(shí)驗(yàn)室,太赫茲雷達(dá)針對(duì)多體、微動(dòng)和低散射目標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)超寬帶分辨,在運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的跟蹤、識(shí)別等方面具有明顯優(yōu)勢[1]。太赫茲雷達(dá)可以裝載在高空無人偵察機(jī)、臨近空間飛行器、天基衛(wèi)星等平臺(tái)上,用于跟蹤與識(shí)別目標(biāo)。

伴隨著太赫茲雷達(dá)技術(shù)的快速發(fā)展,有關(guān)太赫茲目標(biāo)特性的研究工作得到國內(nèi)外學(xué)者的重視,并成為近幾年的一個(gè)重要研究領(lǐng)域。美國最早開展了太赫茲目標(biāo)特征的研究,最早報(bào)道見于1993年,從2006年開始,國內(nèi)政府機(jī)構(gòu)和科研院校對(duì)其給予了高度重視,并開展了大量研究工作。目標(biāo)在太赫茲雷達(dá)的探測下,體現(xiàn)的主要是其反射特征和散射特征,目前已報(bào)道的有光滑和粗糙表面簡單散射體的太赫茲特征、復(fù)雜形狀目標(biāo)縮比模型的太赫茲ISAR成像、縮比模型的太赫茲RCS測量等方面。

2 簡單散射體的太赫茲特征

對(duì)簡單散射體的太赫茲特征的研究集中在其雷達(dá)散射截面的研究上,通過對(duì)目標(biāo)雷達(dá)散射截面的分析可獲得目標(biāo)的形狀、體積、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和表面材料等特征信息。已研究的簡單散射體有平板、圓柱體和球體等。最初研究的是光滑表面的簡單散射體的散射特性,隨后有不同粗糙度表面的簡單散射體的散射特性的研究報(bào)道。

美國的Coulombe等[2]對(duì)金屬平板的在0.585 THz處的RCS進(jìn)行了測量,根據(jù)縮比定律將測量結(jié)果按照1∶16.7的比例換算到35 GHz,并將換算結(jié)果與35 GHz相應(yīng)尺寸的金屬平板的測試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)果表明,金屬平板在0度方向的RCS最大,縮比換算結(jié)果與35 GHz的測試結(jié)果非常吻合。

德國的C Jansen等[3-4]利用太赫茲時(shí)域RCS系統(tǒng)測量了正方形金屬板在0.3 THz、0.5 THz、0.8 THz和1.0 THz等頻點(diǎn)的RCS。結(jié)果表明,金屬板的RCS與其擺放角度和面積有關(guān),垂直與太赫茲波入射方向擺放時(shí)其RCS最大,金屬板的面積越大其RCS越大。另外,測試結(jié)果和模擬結(jié)果吻合較好,說明了太赫茲時(shí)域RCS系統(tǒng)測量平板目標(biāo)RCS的可靠性。

美國的Williams等[5]利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測試了兩面、三面和半球狀三種不同形狀的反射體的RCS,測試結(jié)果見圖1。結(jié)果表明,不同形狀的反射體的RCS與其形狀和太赫茲波的入射角度有關(guān)。隨后,又測試了尺寸為2～8 mm的金屬球體目標(biāo)在0.1 THz、0.16 THz和0.35 THz的RCS。結(jié)果表明,球形目標(biāo)尺寸越大,其雷達(dá)散射截面越大。

圖1 兩面、三面和半球狀反射體的RCS圖

國內(nèi)在簡單散射體的太赫茲特征方面的研究工作開展較晚,主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、國防科技大學(xué)、天津大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的Hui-Yu Li等[6-8]利用太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)測試了表面光滑的金屬圓柱體、半球體和球體目標(biāo)在2.52 THz處的太赫茲RCS,測量見圖2,不同形狀的散射體的RCS差別較大。

圖2 金屬圓柱體、半球體和球體RCS方位圖

國防科技大學(xué)的趙珊珊等[9]采用采用基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的微波倍頻源太赫茲目標(biāo)特性測量系統(tǒng)測量了0.44 THz頻點(diǎn)處表面粗糙度為0.3 μm、3 μm、30 μm、300 μm的圓柱體的太赫茲RCS。測量結(jié)果表明,垂直入射時(shí),粗糙度對(duì)RCS基本沒有影響,斜入射時(shí),表面越粗糙大目標(biāo)RCS的測量值越大；垂直入射時(shí),圓柱體2個(gè)底面的散射強(qiáng)度最大,達(dá)到了28.34 dBsm,圓柱體的側(cè)面的RCS為11.68 dBsm,圓柱體RCS測量值在4個(gè)峰值區(qū)間與其理論值擬合較好,4個(gè)峰值點(diǎn)的誤差值較小,目標(biāo)的RCS測量值與其理論值吻合程度較高,天津大學(xué)的王茂榕等[10]采用基于CO2激光抽運(yùn)太赫茲激光器的高頻段太赫茲RCS系統(tǒng)測量了3.11 THz頻點(diǎn)處不同材料或涂覆層的40 mm圓形金屬平板及不同底面直徑圓錐體的RCS。研究結(jié)果表明,不同材料或涂覆層的圓形金屬平板的RCS從大到小依次為:304不銹鋼材質(zhì)>航空鋁材質(zhì)>航空鋁材質(zhì)表面陽極氧化處理的>航空鋁材質(zhì)表面噴漆處理的。對(duì)于不同底面直徑的圓錐體,20 mm直徑的的圓錐體RCS錐頂兩側(cè)面的反射峰最為明顯,10 mm和30 mm圓錐體側(cè)面反射回波信號(hào)稍微弱于10 mm圓錐體。

西安電子科技大學(xué)的趙華等[11]采用基于基爾霍夫近似的物理光學(xué)方法,研究了具有高斯粗糙表面的球體、立方體和圓柱等不同形狀目標(biāo)的太赫茲散射特性,測試結(jié)果見圖3。

(a)球體

研究結(jié)果表明,在太赫茲波段,波長與粗糙度處于等量級(jí),必須考慮到粗糙度對(duì)于目標(biāo)散射結(jié)果的影響。目標(biāo)表面有涂覆介質(zhì)材料時(shí),目標(biāo)的雷達(dá)散射截面小于導(dǎo)體情況下的結(jié)果,且在一定的范圍內(nèi)涂覆層越厚,目標(biāo)雷達(dá)散射截面吸收越明顯。

綜上所述,對(duì)簡單散射體太赫茲特征的研究從金屬材質(zhì)到非金屬材質(zhì),從光滑平面到粗糙表面,研究越來越深入。研究發(fā)現(xiàn)散射體的材質(zhì)、形狀、尺寸和表面粗糙度等因素發(fā)生變化時(shí),其對(duì)太赫茲波的反射和散射特性會(huì)發(fā)生變化,從而引起了其雷達(dá)散射截面的變化。

3 縮比模型的太赫茲ISAR成像

太赫茲ISAR成像技術(shù)是通過太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射大寬帶的線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)照射運(yùn)動(dòng)目標(biāo),對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行解線頻調(diào)或者脈沖壓縮獲得距離方向的高分辨率圖像[12]。目前,由于太赫茲源的發(fā)射功率普遍較低,國內(nèi)外主要采用太赫茲ISAR雷達(dá)進(jìn)行近距離成像,在安檢和反恐方面已得到應(yīng)用。

2010年,美國馬薩諸塞大學(xué)亞毫米波實(shí)驗(yàn)室的Andriy等[13]用2.4 THz量子級(jí)聯(lián)激光器對(duì)T-80 BV坦克的模型進(jìn)行了太赫茲逆合成孔徑雷達(dá)成像,成像結(jié)果見圖4,圖4(a)為坦克模型照片,圖4(b)為ISAR成像結(jié)果,成像分辨率為0.4 mm×0.6 mm,通過成像圖像能清晰的對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,并分辨出炮管、機(jī)槍、車身、履帶等部件。

圖4 T-80BV坦克模型太赫茲逆合成孔徑雷達(dá)成像圖

德國應(yīng)用科學(xué)研究所的H Essen等[14]采用0.22 THz的太赫茲ISAR成像系統(tǒng)對(duì)轎車和拖拉機(jī)進(jìn)行了成像,并與94 GHz的ISAR成像結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明,在200 m的探測距離上該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1.8 cm的距離分辨率,比94 GHz微波雷達(dá)ISAR成像的分辨率高一倍。

由于太赫茲ISAR成像技術(shù)在安檢、反恐和國防具有重大意義,2010年以來,國內(nèi)政府機(jī)構(gòu)和科研院校對(duì)其給予了高度重視,中國工程物理研究院、電子科技大學(xué)、天津大學(xué)等開展了太赫茲ISAR成像技術(shù)的研究。中國工程物理研究院的成彬彬等采用0.14 THz太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng),對(duì)40 cm×60 cm的直升機(jī)模型和間距為5 cm的散射點(diǎn)陣進(jìn)行了成像[15],成像結(jié)果見圖5,成像分辨率可達(dá)3 cm×3 cm,可分辨出直升機(jī)模型的機(jī)頭、機(jī)尾和機(jī)翼等關(guān)鍵散射部件。隨后,又采用該系統(tǒng)在距離目標(biāo)2.7 m處對(duì)1∶720的艦船模型進(jìn)行了一維距離成像和二維ISAR成像[16],但由于分辨率不夠高,導(dǎo)致了成像的像素點(diǎn)位置模糊,不能實(shí)現(xiàn)通過成像圖像對(duì)目標(biāo)的分辨。

圖5 直升機(jī)模型的ISAR成像結(jié)果

電子科技大學(xué)的張彪等[17]采用0.3 THz雷達(dá)系統(tǒng),在2.5 m處對(duì)飛機(jī)模型的轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行了成像,成像結(jié)果見圖6,能分辨出飛機(jī)模型的機(jī)頭、機(jī)身、機(jī)翼等散射部件。

圖6 飛機(jī)模型的ISAR成像結(jié)果

天津大學(xué)的魏明貴等[18]采用(0.1～1.3) THz時(shí)域雷達(dá)系統(tǒng)在80 mm×80 mm×80 mm的成像范圍內(nèi)對(duì)1∶2000的遼寧號(hào)航空母艦?zāi)Ｐ秃?∶200的F-22戰(zhàn)斗機(jī)模型進(jìn)行了成像研究,成像結(jié)果見圖7。成像結(jié)果能分辨航母模型的艦橋、甲板等散射部件和飛機(jī)模型的進(jìn)氣道、尾翼、腹部等散射部件。

國防科技大學(xué)的張野等[19-20]采用基于復(fù)值修正的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法(MCV-CNN)的太赫茲雷達(dá)對(duì)A380客機(jī)模型進(jìn)行了逆合成孔徑雷達(dá)(ISAR)和干涉逆合成孔徑雷達(dá)(InISAR)成像研究,成像結(jié)果見圖8。ISAR成像結(jié)果能分辨客機(jī)模型的機(jī)身、機(jī)翼、尾翼等散射部件,InISAR成像在距離和方位具有厘米級(jí)的分辨率,采用MCV-CNN可獲得實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的太赫茲雷達(dá)成像。

綜上所述,美國在目標(biāo)的太赫茲ISAR成像方面處于領(lǐng)先地位,能夠在幾百米的距離通過目標(biāo)的ISAR成像對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,并分辨出炮管、車身、履帶等散射部件,國內(nèi)在目標(biāo)的太赫茲ISAR成像方面起步較晚。結(jié)合國內(nèi)外太赫茲ISAR成像技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀來看,由于太赫茲器件發(fā)展水平的限制,現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)中太赫茲信號(hào)源的輸出功率非常低,限制了太赫茲成像系統(tǒng)的作用距離和范圍,太赫茲ISAR成像還面臨著很多困難和挑戰(zhàn)。

圖8 A380客機(jī)模型的ISAR成像結(jié)果和InISAR成像結(jié)果

4 縮比模型的太赫茲RCS測量

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)是度量目標(biāo)對(duì)照射電磁波的散射能力的一個(gè)重要物理量,是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、目標(biāo)識(shí)別以及隱身目標(biāo)設(shè)計(jì)等研究工作的理論基礎(chǔ)[21]。由于太赫茲波的波長介于紅外與微波之間,目標(biāo)在太赫茲波段的電尺寸與其在微波和紅外波段的電尺寸不同,因此太赫茲目標(biāo)呈現(xiàn)出與微紅和紅外波段不同的電磁散射特性。

20世紀(jì)末,美國就開始了縮比金屬模型的太赫茲RCS測量,美國馬薩諸塞大學(xué)亞毫米波實(shí)驗(yàn)室的Coulombe等[2]采用緊縮場太赫茲測量系統(tǒng)對(duì)1/58.5的裝甲車輛金屬模型在0.585 THz處的RCS進(jìn)行了測量。測量結(jié)果表明,裝甲車輛模型的反射截面越大,其雷達(dá)散射截面越大,最大RCS為40 dBsm。

丹麥的Iwaszczuk等[22]利用太赫茲時(shí)域雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)10.2 cm長的1/150 F-16戰(zhàn)斗機(jī)縮比金屬模型進(jìn)行了0.3 THz、0.6 THz和0.9 THz頻點(diǎn)處的RCS測量,測量結(jié)果見圖9。測量結(jié)果表明,飛機(jī)模型的截面反射面積越大,其雷達(dá)散射截面越大,在正下方達(dá)到了500 cm2。

圖9 1/150 F-16縮比金屬模型在0.3 THz的RCS方位圖

國內(nèi)在縮比模型的太赫茲RCS測量方面起步較晚,2012年以來,上海航天技術(shù)研究院、天津大學(xué)等單位相繼報(bào)道了縮比模型的太赫茲RCS測量。上海航天技術(shù)研究院的武亞君等采用寬帶太赫茲低頻端RCS測量系統(tǒng)對(duì)1∶150的SH-60直升機(jī)模型進(jìn)行了RCS測量[23],測量頻率為0.15 THz和0.16 THz,極化方式為VV,直升機(jī)尺寸為12.4 cm×2.2 cm×2.5 cm。測量結(jié)果表明,直升機(jī)模型的整體RCS很小,均值在-35 dBm2左右,正前方的反射信號(hào)最大為-21.8 dBm2,兩個(gè)側(cè)面的RCS在-20 dBm2左右。

天津大學(xué)的梁達(dá)川等[24]采用(0.1～1.3) THz寬頻時(shí)域雷達(dá)系統(tǒng)測量了1/72的裝甲車模型和1/2000的航母模型在0.3 THz、0.6 THz和0.9 THz處的RCS,測量結(jié)果見圖10。測量結(jié)果表明,在截面反射面積大的角度上,其RCS比其他角度要大,裝甲車輛模型側(cè)面的RCS最大,航母模型0°測試時(shí),甲板的平面反射使得其RCS最大。

國防科技大學(xué)的逄爽等[25]搭建一個(gè)基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的微波倍頻太赫茲RCS測量系統(tǒng),測試了吉普車和衛(wèi)星在0.22 THz和0.44 THz頻段下的RCS,測試結(jié)果見圖11。衛(wèi)星模型在入射角度為0°、90°和270°時(shí),對(duì)太赫茲波有強(qiáng)散射作用,吉普車模型在入射角度為90°和270°時(shí),對(duì)太赫茲波有強(qiáng)散射作用；0.22 THz和0.44 THz兩個(gè)頻段在幾個(gè)強(qiáng)散射角度下的峰值分布及走勢與數(shù)值計(jì)算結(jié)果都能較好吻合。

圖11 衛(wèi)星模型和吉普車模型的RCS測量結(jié)果

綜上所述,目前對(duì)目標(biāo)太赫茲RCS測量只能近距離對(duì)縮比模型進(jìn)行測量,縮比模型的RCS與其尺寸和方位有關(guān),在截面反射面積大的角度上,其RCS就大。但是,使用縮比模型進(jìn)行對(duì)軍事目標(biāo)的RCS進(jìn)行測量時(shí),入射電磁波也要按照同比例減少,例如1/150的飛機(jī)模型在0.6 THz處的RCS,對(duì)應(yīng)于全尺寸的飛機(jī),相當(dāng)于4 GHz處的RCS。因此,縮比模型的RCS不能真實(shí)的反應(yīng)軍事目標(biāo)在太赫茲波段的散射特征。縮比模型的RCS測量結(jié)果可通過縮比計(jì)算用于微波段全尺寸目標(biāo)RCS的預(yù)估。

5 總結(jié)與展望

由于太赫茲器件發(fā)展水平的限制,雷達(dá)系統(tǒng)中太赫茲信號(hào)源的輸出功率較低,太赫茲成像系統(tǒng)的作用距離和范圍較小,對(duì)目標(biāo)的太赫茲特征研究主要集中在簡單散射體的太赫茲特征、縮比模型的ISAR成像和縮比模型的RCS測量等方面,目標(biāo)的太赫茲特征研究還面臨著很多困難和挑戰(zhàn)。但是,隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展,太赫茲技術(shù)在安檢、反恐和國防領(lǐng)域具有越來越重大的意義,目標(biāo)的太赫茲特征的研究必將越來越廣泛全面。