太赫茲目標(biāo)散射特性關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、近年來，太赫茲科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展促使太赫茲雷達在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。做為共性基礎(chǔ)問題，目標(biāo)散射特性是太赫茲雷達系統(tǒng)論證、設(shè)計以及實際應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是催生新的雷達系統(tǒng)形態(tài)的前提。掌握太赫茲頻段目標(biāo)散射特性已成為該研究領(lǐng)域一項迫切而重要的任務(wù)。但是，由于太赫茲頻段恰好處于由宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，目前目標(biāo)材料對太赫茲波的響應(yīng)機理尚且不明，目標(biāo)表面可與波長比擬的細(xì)微結(jié)構(gòu)對太赫茲波散射的影響規(guī)律不清，同時有效的散射特性計算方法與實

2、驗測量手段缺乏，這些問題的存在給太赫茲頻段目標(biāo)散射特性理解與太赫茲雷達技術(shù)的實際應(yīng)用帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。結(jié)合微波頻段和光學(xué)頻段目標(biāo)散射特性技術(shù)研究手段與方法，可為太赫茲頻段目標(biāo)散射特性研究提供一定的思路和啟發(fā)。
　　本文從太赫茲波與目標(biāo)相互作用機理以及影響散射機理的因素出發(fā)，開展太赫茲頻段目標(biāo)散射特性的研究工作。
　　首先，針對太赫茲頻段目標(biāo)材料對太赫茲波的響應(yīng)機理與響應(yīng)方式的不同，通過對微觀作用機理進行分析和討論，建立了典型金

3、屬材料在太赫茲頻段的有效介電系數(shù)模型。針對所建立的太赫茲頻段金屬材料介電系數(shù)模型，基于阻抗邊界條件的電磁計算方法分析了太赫茲頻段金屬材料的頻率色散對散射特性的影響。同時，針對光滑金屬球這一典型研究目標(biāo)，提出了大介電系數(shù)條件下的精確散射解，并據(jù)此獲得了光滑金屬球從微波頻段到光學(xué)頻段的RCS變化曲線。計算分析結(jié)果表明太赫茲頻段金屬材料介電系數(shù)的色散對目標(biāo)散射特性的影響較小，典型金屬材料在太赫茲頻段仍具有接近于1的反射率。球型目標(biāo)的精確散射解

4、同時可用于分析任意材料光滑球的散射特性。
　　其次，針對太赫茲頻段目標(biāo)表面存在的可與波長比擬的粗糙結(jié)構(gòu)特征以及這些粗糙結(jié)構(gòu)對目標(biāo)散射特性造成的特殊的響應(yīng)規(guī)律，通過精確幾何建模、精確電磁計算、粗糙散射特性建模等手段研究和分析太赫茲頻段目標(biāo)粗糙表面對散射特性的影響。研究從簡單粗糙標(biāo)準(zhǔn)體目標(biāo)出發(fā)，提出了粗糙標(biāo)準(zhǔn)體目標(biāo)幾何建模方法，并基于精確數(shù)值方法和蒙特卡洛仿真方法研究了不同表面粗糙度水平對標(biāo)準(zhǔn)體目標(biāo)散射特性的影響。針對金屬球這一典型目

5、標(biāo)，基于全波法研究了粗糙條件下的相干散射和非相干散射建模問題，在綜合考慮金屬球色散特性和粗糙表面結(jié)構(gòu)后給出粗糙金屬球從微波頻段到光學(xué)頻段的散射截面變化曲線，獲得了隨著頻率增加金屬球散射特性的直觀和定量理解，解釋了激光頻段粗糙鋁球的后向散射增強效應(yīng)。
　　再次，在分析和掌握了散射特性問題中目標(biāo)材料和粗糙結(jié)構(gòu)兩方面的輸入?yún)?shù)對散射特性的影響后，進一步提出了太赫茲頻段實際粗糙凸體目標(biāo)散射特性建模與計算方法。在粗糙目標(biāo)的幾何建模方面，通常

6、的精細(xì)面元剖分建模方法使得散射計算問題難以求解，針對這一問題提出了確定性建模與統(tǒng)計性建模相結(jié)合的電大尺寸粗糙目標(biāo)幾何建模方法，為實現(xiàn)粗糙目標(biāo)散射特性的有效計算提供了基礎(chǔ)條件。在計算方法方面，分別基于基爾霍夫近似理論和全波法理論提出了實際粗糙凸體目標(biāo)散射特性建模與計算方法，所提方法可獲得粗糙目標(biāo)的散射場和散射截面計算結(jié)果，為太赫茲頻段目標(biāo)散射特性的理論研究提供了支撐，通過部分標(biāo)準(zhǔn)體目標(biāo)的計算仿真驗證了所提方法的準(zhǔn)確性和有效性。
　　

7、最后，在太赫茲頻段目標(biāo)散射特性分析的技術(shù)與手段方面，開展了基于雷達成像方法的特性研究以及成像方法本身研究。太赫茲雷達成像的高分辨率優(yōu)勢對目標(biāo)散射特性分析具有重要意義，為此針對太赫茲雷達成像的高方位向分辨率特點，首先提出了基于方位俯仰觀測孔徑的類光學(xué)圖像成像方法，該方法可獲得目標(biāo)在二維多普勒平面的成像結(jié)果并可用于目標(biāo)的散射點診斷與分析；針對太赫茲頻段目標(biāo)成像結(jié)果中散射點數(shù)目急劇增加和目標(biāo)散射分布呈現(xiàn)出的塊結(jié)構(gòu)分布特性，將壓縮感知理論引入太

8、赫茲雷達圖像重建中，提出了基于塊稀疏恢復(fù)理論的目標(biāo)圖像重建方法。為了處理實際目標(biāo)圖像中塊分布的不均勻特性，定義了基于塊不均勻劃分的塊稀疏信號以及塊互相關(guān)系數(shù)，仿真結(jié)果證明通過開發(fā)目標(biāo)圖像的塊結(jié)構(gòu)特征信息可改善圖像重建性能；針對目前太赫茲實驗雷達的收發(fā)分置實現(xiàn)方式，提出了一種雙站太赫茲雷達方位俯仰成像方法，可用來獲取目標(biāo)的雙站成像結(jié)果并分析目標(biāo)的雙站散射特性，同時通過引入壓縮感知理論實現(xiàn)了基于少數(shù)測量的超分辨圖像重建，基于電磁計算數(shù)據(jù)驗證