2018年  7卷  第1期

综述
摘要:
太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势,是目标探测领域的重要发展方向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展,其次对太赫兹雷达目标特性从机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍,同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状况,简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用,最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了展望。 太赫兹雷达具有带宽大、分辨率高、多普勒敏感、抗干扰等独特优势,是目标探测领域的重要发展方向。该文首先回顾和介绍了电子学和光学太赫兹雷达系统历史、现状和最新进展,其次对太赫兹雷达目标特性从机理、计算、测量3个方面进行了梳理和概要介绍,同时阐述了太赫兹ISAR、SAR、阵列和孔径编码成像研究状况,简要介绍了太赫兹雷达在预警探测、安检反恐等领域的应用,最后对太赫兹雷达技术的发展方向进行了展望。
摘要:
微动特征是目标探测与识别的重要辅助特征。随着近年来太赫兹研究的兴起,太赫兹雷达目标微动特征提取正在逐渐凸显出其特殊优势。本文首先对近年来国内外太赫兹频段雷达目标微动特征提取方面的研究进行整理总结,从太赫兹频段微动特性分析、微动特征提取和微动目标成像等几个方面进行了深入的介绍和分析。然后针对太赫兹频段的优势和特殊性,介绍了本单位在太赫兹微动目标特性分析、特征提取和高分辨高帧频成像方面的工作。最后对太赫兹雷达目标微动特征提取的发展趋势进行了展望,并分析了本领域值得进一步深入研究的技术方向和有待解决的技术难题。 微动特征是目标探测与识别的重要辅助特征。随着近年来太赫兹研究的兴起,太赫兹雷达目标微动特征提取正在逐渐凸显出其特殊优势。本文首先对近年来国内外太赫兹频段雷达目标微动特征提取方面的研究进行整理总结,从太赫兹频段微动特性分析、微动特征提取和微动目标成像等几个方面进行了深入的介绍和分析。然后针对太赫兹频段的优势和特殊性,介绍了本单位在太赫兹微动目标特性分析、特征提取和高分辨高帧频成像方面的工作。最后对太赫兹雷达目标微动特征提取的发展趋势进行了展望,并分析了本领域值得进一步深入研究的技术方向和有待解决的技术难题。
摘要:
该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。 该文对信息超材料,包括数字超材料、编码超材料、以及可编程超材料的研究进展及其在太赫兹领域的应用进行了综述,从原理分析、数值仿真、样品制备、实际应用等多个角度介绍了信息超材料对电磁波全面而灵活的调控能力,着重探讨了编码超材料在太赫兹领域的发展以及应用,最后阐述了现场可编程超材料的原理及其在构建新型成像系统、新概念雷达中的应用。信息超材料与超表面对太赫兹波束的灵活调控可用于制作波束分离、低雷达散射截面等多种功能器件,为太赫兹频段电磁波的实时调控开辟了新的途径。
论文
摘要:
该文针对太赫兹波段材料的介电参数提取的需求,利用准光学技术设计了一套宽带介电参数测量系统并讨论了自由空间的介电参数提取方法。通过平面扫描的方法验证了系统电磁传输特性。结果表明,准光系统的近场参数与设计结果相吻合。利用石英硼化玻璃和水样品进行了测试,并利用数值方法对介电参数进行提取。测试结果表明,利用准光方法测试所得到的介电参数与典型值相吻合,进一步验证了该方法的有效性。 该文针对太赫兹波段材料的介电参数提取的需求,利用准光学技术设计了一套宽带介电参数测量系统并讨论了自由空间的介电参数提取方法。通过平面扫描的方法验证了系统电磁传输特性。结果表明,准光系统的近场参数与设计结果相吻合。利用石英硼化玻璃和水样品进行了测试,并利用数值方法对介电参数进行提取。测试结果表明,利用准光方法测试所得到的介电参数与典型值相吻合,进一步验证了该方法的有效性。
摘要:
该文采用密度泛函理论研究了闪锌矿型碲化镉的声子色散谱、特征向量及晶格振动频率,获得了碲化镉介电常数随频率变化的理论值。通过太赫兹时域光谱系统测量碲化镉单晶的介电常数,该实验结果与局域密度近似修正、广义梯度近似修正和广义梯度近似修正的计算结果吻合较好。最后,3种近似交换关联势的计算结果之间存在一定差异性,该差异性结果表明太赫兹波段碲化镉的介电常数由电子声子耦合所主导,但是横波和纵波声子频率敏感于电子密度分布。 该文采用密度泛函理论研究了闪锌矿型碲化镉的声子色散谱、特征向量及晶格振动频率,获得了碲化镉介电常数随频率变化的理论值。通过太赫兹时域光谱系统测量碲化镉单晶的介电常数,该实验结果与局域密度近似修正、广义梯度近似修正和广义梯度近似修正的计算结果吻合较好。最后,3种近似交换关联势的计算结果之间存在一定差异性,该差异性结果表明太赫兹波段碲化镉的介电常数由电子声子耦合所主导,但是横波和纵波声子频率敏感于电子密度分布。
摘要:
该文提出了一种高效混合近似算法计算太赫兹频段无限薄金属板的电磁散射特性。在太赫兹低频段,金属目标可以被视为具有微粗糙表面的理想导体,散射场可以分为相干场和非相干场。该文采用物理光学法结合截断劈增量长度绕射系数法和微扰法来计算金属板的电磁散射分布。基于蒙特卡洛方法,分别利用多层快速多极子和提出的混合算法计算太赫兹低频段金属板的雷达散射截面,仿真结果表明该文提出的混合算法能够高效快速地给出太赫兹低频段金属板的电磁散射特性。 该文提出了一种高效混合近似算法计算太赫兹频段无限薄金属板的电磁散射特性。在太赫兹低频段,金属目标可以被视为具有微粗糙表面的理想导体,散射场可以分为相干场和非相干场。该文采用物理光学法结合截断劈增量长度绕射系数法和微扰法来计算金属板的电磁散射分布。基于蒙特卡洛方法,分别利用多层快速多极子和提出的混合算法计算太赫兹低频段金属板的雷达散射截面,仿真结果表明该文提出的混合算法能够高效快速地给出太赫兹低频段金属板的电磁散射特性。
摘要:
太赫兹频段金属和介质粗糙目标的散射特性是研究太赫兹雷达目标特性的重要基础。当目标表面的主曲率半径远远大于入射波长,且粗糙表面高度起伏与斜率起伏远小于入射波长时,根据稳定相位法和标量近似法,可获得粗糙金属和介质目标的相干散射截面和非相干散射截面。基于稳定相位法,任意目标的相干散射截面可退化为粗糙导体、光滑介质和粗糙介质目标的相干散射。该文分析了电大尺寸光滑金属铝和介质白漆球的散射截面,与Mie理论计算的介质球的散射特性吻合,散射截面误差小于0.1 dBm2。采用朗伯定理,验证了粗糙介质球的太赫兹非相干散射精确解,当目标表面剖分精度越高,非相干散射的计算精度越高。该文数值计算了粗糙介质球的太赫兹相干和非相干散射特性,分析了表面粗糙度和表面材料对散射特性的影响,为电大尺寸空间目标太赫兹散射特性分析提供了理论基础。 太赫兹频段金属和介质粗糙目标的散射特性是研究太赫兹雷达目标特性的重要基础。当目标表面的主曲率半径远远大于入射波长,且粗糙表面高度起伏与斜率起伏远小于入射波长时,根据稳定相位法和标量近似法,可获得粗糙金属和介质目标的相干散射截面和非相干散射截面。基于稳定相位法,任意目标的相干散射截面可退化为粗糙导体、光滑介质和粗糙介质目标的相干散射。该文分析了电大尺寸光滑金属铝和介质白漆球的散射截面,与Mie理论计算的介质球的散射特性吻合,散射截面误差小于0.1 dBm2。采用朗伯定理,验证了粗糙介质球的太赫兹非相干散射精确解,当目标表面剖分精度越高,非相干散射的计算精度越高。该文数值计算了粗糙介质球的太赫兹相干和非相干散射特性,分析了表面粗糙度和表面材料对散射特性的影响,为电大尺寸空间目标太赫兹散射特性分析提供了理论基础。
摘要:
该文采用物理光学法方法研究了具有分形粗糙表面的涂覆目标太赫兹散射特性。基于分形粗糙面建立表面粗糙目标模型,根据菲涅尔反射系数得出表面电流分布进而得到涂覆粗糙目标的雷达散射截面。对比分析了具有粗糙表面和光滑目标的散射结果,详细讨论了不同频率、不同涂层厚度的表面粗糙钝锥目标模型的太赫兹散射特性,计算结果表明在太赫兹波段目标表面的粗糙度对散射有显著的影响。 该文采用物理光学法方法研究了具有分形粗糙表面的涂覆目标太赫兹散射特性。基于分形粗糙面建立表面粗糙目标模型,根据菲涅尔反射系数得出表面电流分布进而得到涂覆粗糙目标的雷达散射截面。对比分析了具有粗糙表面和光滑目标的散射结果,详细讨论了不同频率、不同涂层厚度的表面粗糙钝锥目标模型的太赫兹散射特性,计算结果表明在太赫兹波段目标表面的粗糙度对散射有显著的影响。
摘要:
回波仿真是研究雷达成像体制、算法及后续应用的前提条件,目标散射建模又是回波仿真的重要一环。在THz频段,目标常常具有超电大尺寸,这使得利用经典电磁计算方法面临现实困难。而波长的减小使得目标表面粗糙起伏成为不能忽略的因素,这使得传统基于点散射模型的回波生成手段难以适用。如何对目标进行THz散射建模及高效的雷达回波生成成为亟待解决的问题。该文提出了基于面片分级的半确定性建模方法,采用粗糙面全波法计算面片的散射场,再将各面片散射场转换至目标坐标系并相干叠加得到带有相位信息的雷达回波。利用小尺寸粗糙模型,通过与高频数值方法进行对比,验证了该文方法的有效性,并给出了全尺寸锥体的成像结果。初步解决了THz频段全尺寸凸体粗糙目标散射建模及回波生成问题,为后续成像体制和算法研发打下了基础。 回波仿真是研究雷达成像体制、算法及后续应用的前提条件,目标散射建模又是回波仿真的重要一环。在THz频段,目标常常具有超电大尺寸,这使得利用经典电磁计算方法面临现实困难。而波长的减小使得目标表面粗糙起伏成为不能忽略的因素,这使得传统基于点散射模型的回波生成手段难以适用。如何对目标进行THz散射建模及高效的雷达回波生成成为亟待解决的问题。该文提出了基于面片分级的半确定性建模方法,采用粗糙面全波法计算面片的散射场,再将各面片散射场转换至目标坐标系并相干叠加得到带有相位信息的雷达回波。利用小尺寸粗糙模型,通过与高频数值方法进行对比,验证了该文方法的有效性,并给出了全尺寸锥体的成像结果。初步解决了THz频段全尺寸凸体粗糙目标散射建模及回波生成问题,为后续成像体制和算法研发打下了基础。
摘要:
微波方法到太赫兹散射特性建模的延拓面临两个关键的科学问题研究,其一是材料响应特性延拓,包括金属属性向合金属性过渡导致Drude模型无法准确描述,以及介质材料在太赫兹频段的响应模型研究;其二是表面随机粗糙结构、以及复杂细微精细结构在太赫兹频段下的散射行为建模方法的延拓研究。微波频段下可视同为光滑的金属表面在太赫兹频段可能呈现出表面微粗糙特性。此外,针对含介质涂覆或全介质表面太赫兹散射特性的建模,需要结合随机边界散射理论,建立多层描述模型,以涵盖其中的面散射和体散射现象。该文首先采用积分方程方法描述和分析了金属粗糙表面的太赫兹散射规律,与实测数据吻合较好。其次,对于含涂覆或介质材料的目标表面,除表面粗糙的影响外,材料内部的微小粒子成分(如碳粉、石墨、金属粉等)的电尺寸与太赫兹波长相比拟,实验显示其体散射贡献不可忽视。该文尝试用矢量辐射传输理论与积分方程方法结合的多层模型来描述含介质材料表面的散射特性,很好地解释了实测规律。最后,该文提出基于“半确定性”描述的射线追踪高频算法,实现了复杂目标表面相干和非相干散射特性的一体化快速建模,为超电大复杂目标太赫兹散射特性的建模分析提供有效手段。 微波方法到太赫兹散射特性建模的延拓面临两个关键的科学问题研究,其一是材料响应特性延拓,包括金属属性向合金属性过渡导致Drude模型无法准确描述,以及介质材料在太赫兹频段的响应模型研究;其二是表面随机粗糙结构、以及复杂细微精细结构在太赫兹频段下的散射行为建模方法的延拓研究。微波频段下可视同为光滑的金属表面在太赫兹频段可能呈现出表面微粗糙特性。此外,针对含介质涂覆或全介质表面太赫兹散射特性的建模,需要结合随机边界散射理论,建立多层描述模型,以涵盖其中的面散射和体散射现象。该文首先采用积分方程方法描述和分析了金属粗糙表面的太赫兹散射规律,与实测数据吻合较好。其次,对于含涂覆或介质材料的目标表面,除表面粗糙的影响外,材料内部的微小粒子成分(如碳粉、石墨、金属粉等)的电尺寸与太赫兹波长相比拟,实验显示其体散射贡献不可忽视。该文尝试用矢量辐射传输理论与积分方程方法结合的多层模型来描述含介质材料表面的散射特性,很好地解释了实测规律。最后,该文提出基于“半确定性”描述的射线追踪高频算法,实现了复杂目标表面相干和非相干散射特性的一体化快速建模,为超电大复杂目标太赫兹散射特性的建模分析提供有效手段。
摘要:
为缩短太赫兹系统成像时间,该文提出将频率扫描天线应用于太赫兹成像系统中,并设计了一种基于波导缝隙阵列的太赫兹频率扫描天线。该文采用泰勒综合法降低副瓣电平,通过软件仿真结合功率传输法设计最优的缝隙分布。太赫兹波导缝隙阵列天线具有加工简单、成本低的优势,通过太赫兹准光测试系统对天线性能进行测试,实测天线扫描角度可达40°,增益约为15 dB,副瓣电平抑制优于–20 dB。测试结果表明太赫兹波导缝隙天线具有扫描角度大和副瓣低的优良特性,在太赫兹成像和目标探测等领域有巨大的应用价值。 为缩短太赫兹系统成像时间,该文提出将频率扫描天线应用于太赫兹成像系统中,并设计了一种基于波导缝隙阵列的太赫兹频率扫描天线。该文采用泰勒综合法降低副瓣电平,通过软件仿真结合功率传输法设计最优的缝隙分布。太赫兹波导缝隙阵列天线具有加工简单、成本低的优势,通过太赫兹准光测试系统对天线性能进行测试,实测天线扫描角度可达40°,增益约为15 dB,副瓣电平抑制优于–20 dB。测试结果表明太赫兹波导缝隙天线具有扫描角度大和副瓣低的优良特性,在太赫兹成像和目标探测等领域有巨大的应用价值。
摘要:
太赫兹孔径编码成像综合了光学孔径编码成像和微波关联成像的基本原理,通过孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅相分布来实现高分辨、高帧率、前视凝视成像。基于孔径编码天线,该文设计了雷达成像系统和准光扫描光路,可同时实现系统孔径编码和波束扫描功能,理论推导并仿真分析了其成像质量影响因素,并在此基础上比较了不同算法对孔径编码成像分辨性能的影响,证明了稀疏重构类算法对孔径编码成像的优势,最后对比了孔径编码成像和同尺寸阵列实孔径成像的结果,论证出孔径编码成像系统具有高分辨,易于小型化,成本较低等优点。该成像方式可广泛应用于战场侦查、安检反恐和末制导等领域。 太赫兹孔径编码成像综合了光学孔径编码成像和微波关联成像的基本原理,通过孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅相分布来实现高分辨、高帧率、前视凝视成像。基于孔径编码天线,该文设计了雷达成像系统和准光扫描光路,可同时实现系统孔径编码和波束扫描功能,理论推导并仿真分析了其成像质量影响因素,并在此基础上比较了不同算法对孔径编码成像分辨性能的影响,证明了稀疏重构类算法对孔径编码成像的优势,最后对比了孔径编码成像和同尺寸阵列实孔径成像的结果,论证出孔径编码成像系统具有高分辨,易于小型化,成本较低等优点。该成像方式可广泛应用于战场侦查、安检反恐和末制导等领域。
摘要:
为提高太赫兹InISAR成像精度,该文提出了一种基于双频联合处理的成像方法。将雷达回波信号在快时间域分为两部分,分别按传统InISAR方法进行成像,再对两部分的成像结果进行比较分析,去除冗余点和坏点,得到最终的InISAR成像结果。针对飞机的散射点模型,给出了双频联合处理方法的InISAR成像结果,并仿真分析成像结果的均方根误差,结果表明,相比于传统InISAR成像方法,基于双频联合处理的InISAR成像方法在不同信噪比条件下均能有效提升成像精度。 为提高太赫兹InISAR成像精度,该文提出了一种基于双频联合处理的成像方法。将雷达回波信号在快时间域分为两部分,分别按传统InISAR方法进行成像,再对两部分的成像结果进行比较分析,去除冗余点和坏点,得到最终的InISAR成像结果。针对飞机的散射点模型,给出了双频联合处理方法的InISAR成像结果,并仿真分析成像结果的均方根误差,结果表明,相比于传统InISAR成像方法,基于双频联合处理的InISAR成像方法在不同信噪比条件下均能有效提升成像精度。
研究简报
摘要:
在220~330 GHz频段,采取自由空间场形式,采用扫频连续波信号进行目标雷达散射截面(RCS)测量。系统由矢量网络分析仪,毫米波混频器,馈源及目标支撑系统组成。多种散射测量技术将通过实验验证并应用于目标测量中。最终保证系统对–23.6 dBsm目标的测量精度达到±3 dB。 在220~330 GHz频段,采取自由空间场形式,采用扫频连续波信号进行目标雷达散射截面(RCS)测量。系统由矢量网络分析仪,毫米波混频器,馈源及目标支撑系统组成。多种散射测量技术将通过实验验证并应用于目标测量中。最终保证系统对–23.6 dBsm目标的测量精度达到±3 dB。