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 濟南 250031;2.陸裝南京軍代局濟南軍代室,山東 濟南 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波段的特性。THz雷達是太赫茲波在軍事領域應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太赫茲雷達實驗室,太赫茲雷達針對多體、微動和低散射目標可以實現(xiàn)超寬帶分辨,在運動目標的跟蹤、識別等方面具有明顯優(yōu)勢[1]。太赫茲雷達可以裝載在高空無人偵察機、臨近空間飛行器、天基衛(wèi)星等平臺上,用于跟蹤與識別目標。

伴隨著太赫茲雷達技術的快速發(fā)展,有關太赫茲目標特性的研究工作得到國內(nèi)外學者的重視,并成為近幾年的一個重要研究領域。美國最早開展了太赫茲目標特征的研究,最早報道見于1993年,從2006年開始,國內(nèi)政府機構和科研院校對其給予了高度重視,并開展了大量研究工作。目標在太赫茲雷達的探測下,體現(xiàn)的主要是其反射特征和散射特征,目前已報道的有光滑和粗糙表面簡單散射體的太赫茲特征、復雜形狀目標縮比模型的太赫茲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

對簡單散射體的太赫茲特征的研究集中在其雷達散射截面的研究上,通過對目標雷達散射截面的分析可獲得目標的形狀、體積、運動狀態(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道。

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

德國的C Jansen等[3-4]利用太赫茲時域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等頻點的RCS。結果表明,金屬板的RCS與其擺放角度和面積有關,垂直與太赫茲波入射方向擺放時其RCS最大,金屬板的面積越大其RCS越大。另外,測試結果和模擬結果吻合較好,說明了太赫茲時域RCS系統(tǒng)測量平板目標RCS的可靠性。

美國的Williams等[5]利用太赫茲時域光譜系統(tǒng)測試了兩面、三面和半球狀三種不同形狀的反射體的RCS,測試結果見圖1。結果表明,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。隨后,又測試了尺寸為2～8 mm的金屬球體目標在0.1 THz、0.16 THz和0.35 THz的RCS。結果表明,球形目標尺寸越大,其雷達散射截面越大。

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、國防科技大學、天津大學、西安電子科技大學等。哈爾濱工業(yè)大學的Hui-Yu Li等[6-8]利用太赫茲時域光譜系統(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

國防科技大學的趙珊珊等[9]采用采用基于矢量網(wǎng)絡分析儀的微波倍頻源太赫茲目標特性測量系統(tǒng)測量了0.44 THz頻點處表面粗糙度為0.3 μm、3 μm、30 μm、300 μm的圓柱體的太赫茲RCS。測量結果表明,垂直入射時,粗糙度對RCS基本沒有影響,斜入射時,表面越粗糙大目標RCS的測量值越大；垂直入射時,圓柱體2個底面的散射強度最大,達到了28.34 dBsm,圓柱體的側面的RCS為11.68 dBsm,圓柱體RCS測量值在4個峰值區(qū)間與其理論值擬合較好,4個峰值點的誤差值較小,目標的RCS測量值與其理論值吻合程度較高,天津大學的王茂榕等[10]采用基于CO2激光抽運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錐頂兩側面的反射峰最為明顯,10 mm和30 mm圓錐體側面反射回波信號稍微弱于10 mm圓錐體。

西安電子科技大學的趙華等[11]采用基于基爾霍夫近似的物理光學方法,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的太赫茲散射特性,測試結果見圖3。

(a)球體

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

綜上所述,對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,其對太赫茲波的反射和散射特性會發(fā)生變化,從而引起了其雷達散射截面的變化。

3 縮比模型的太赫茲ISAR成像

太赫茲ISAR成像技術是通過太赫茲雷達系統(tǒng)發(fā)射大寬帶的線性調(diào)頻連續(xù)波信號照射運動目標,對回波信號進行解線頻調(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雷達進行近距離成像,在安檢和反恐方面已得到應用。

2010年,美國馬薩諸塞大學亞毫米波實驗室的Andriy等[13]用2.4 THz量子級聯(lián)激光器對T-80 BV坦克的模型進行了太赫茲逆合成孔徑雷達成像,成像結果見圖4,圖4(a)為坦克模型照片,圖4(b)為ISAR成像結果,成像分辨率為0.4 mm×0.6 mm,通過成像圖像能清晰的對目標進行識別,并分辨出炮管、機槍、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成像圖

德國應用科學研究所的H Essen等[14]采用0.22 THz的太赫茲ISAR成像系統(tǒng)對轎車和拖拉機進行了成像,并與94 GHz的ISAR成像結果進行了對比。結果表明,在200 m的探測距離上該系統(tǒng)實現(xiàn)了1.8 cm的距離分辨率,比94 GHz微波雷達ISAR成像的分辨率高一倍。

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

圖5 直升機模型的ISAR成像結果

電子科技大學的張彪等[17]采用0.3 THz雷達系統(tǒng),在2.5 m處對飛機模型的轉(zhuǎn)臺進行了成像,成像結果見圖6,能分辨出飛機模型的機頭、機身、機翼等散射部件。

圖6 飛機模型的ISAR成像結果

天津大學的魏明貴等[18]采用(0.1～1.3) THz時域雷達系統(tǒng)在80 mm×80 mm×80 mm的成像范圍內(nèi)對1∶2000的遼寧號航空母艦模型和1∶200的F-22戰(zhàn)斗機模型進行了成像研究,成像結果見圖7。成像結果能分辨航母模型的艦橋、甲板等散射部件和飛機模型的進氣道、尾翼、腹部等散射部件。

國防科技大學的張野等[19-20]采用基于復值修正的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法(MCV-CNN)的太赫茲雷達對A380客機模型進行了逆合成孔徑雷達(ISAR)和干涉逆合成孔徑雷達(InISAR)成像研究,成像結果見圖8。ISAR成像結果能分辨客機模型的機身、機翼、尾翼等散射部件,InISAR成像在距離和方位具有厘米級的分辨率,采用MCV-CNN可獲得實現(xiàn)高質(zhì)量的太赫茲雷達成像。

綜上所述,美國在目標的太赫茲ISAR成像方面處于領先地位,能夠在幾百米的距離通過目標的ISAR成像對目標進行識別,并分辨出炮管、車身、履帶等散射部件,國內(nèi)在目標的太赫茲ISAR成像方面起步較晚。結合國內(nèi)外太赫茲ISAR成像技術的發(fā)展現(xiàn)狀來看,由于太赫茲器件發(fā)展水平的限制,現(xiàn)在的雷達系統(tǒng)中太赫茲信號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客機模型的ISAR成像結果和InISAR成像結果

4 縮比模型的太赫茲RCS測量

目標的雷達散射截面(RCS)是度量目標對照射電磁波的散射能力的一個重要物理量,是雷達系統(tǒng)設計、目標識別以及隱身目標設計等研究工作的理論基礎[21]。由于太赫茲波的波長介于紅外與微波之間,目標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,因此太赫茲目標呈現(xiàn)出與微紅和紅外波段不同的電磁散射特性。

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

丹麥的Iwaszczuk等[22]利用太赫茲時域雷達系統(tǒng)對10.2 cm長的1/150 F-16戰(zhàn)斗機縮比金屬模型進行了0.3 THz、0.6 THz和0.9 THz頻點處的RCS測量,測量結果見圖9。測量結果表明,飛機模型的截面反射面積越大,其雷達散射截面越大,在正下方達到了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,上海航天技術研究院、天津大學等單位相繼報道了縮比模型的太赫茲RCS測量。上海航天技術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1∶150的SH-60直升機模型進行了RCS測量[23],測量頻率為0.15 THz和0.16 THz,極化方式為VV,直升機尺寸為12.4 cm×2.2 cm×2.5 cm。測量結果表明,直升機模型的整體RCS很小,均值在-35 dBm2左右,正前方的反射信號最大為-21.8 dBm2,兩個側面的RCS在-20 dBm2左右。

天津大學的梁達川等[24]采用(0.1～1.3) THz寬頻時域雷達系統(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,測量結果見圖10。測量結果表明,在截面反射面積大的角度上,其RCS比其他角度要大,裝甲車輛模型側面的RCS最大,航母模型0°測試時,甲板的平面反射使得其RCS最大。

國防科技大學的逄爽等[25]搭建一個基于矢量網(wǎng)絡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,測試結果見圖11。衛(wèi)星模型在入射角度為0°、90°和270°時,對太赫茲波有強散射作用,吉普車模型在入射角度為90°和270°時,對太赫茲波有強散射作用；0.22 THz和0.44 THz兩個頻段在幾個強散射角度下的峰值分布及走勢與數(shù)值計算結果都能較好吻合。

圖11 衛(wèi)星模型和吉普車模型的RCS測量結果

綜上所述,目前對目標太赫茲RCS測量只能近距離對縮比模型進行測量,縮比模型的RCS與其尺寸和方位有關,在截面反射面積大的角度上,其RCS就大。但是,使用縮比模型進行對軍事目標的RCS進行測量時,入射電磁波也要按照同比例減少,例如1/150的飛機模型在0.6 THz處的RCS,對應于全尺寸的飛機,相當于4 GHz處的RCS。因此,縮比模型的RCS不能真實的反應軍事目標在太赫茲波段的散射特征?？s比模型的RCS測量結果可通過縮比計算用于微波段全尺寸目標RCS的預估。

5 總結與展望

由于太赫茲器件發(fā)展水平的限制,雷達系統(tǒng)中太赫茲信號源的輸出功率較低,太赫茲成像系統(tǒng)的作用距離和范圍較小,對目標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,隨著太赫茲技術的快速發(fā)展,太赫茲技術在安檢、反恐和國防領域具有越來越重大的意義,目標的太赫茲特征的研究必將越來越廣泛全面。