一种太赫兹频段粗糙凸体目标散射计算方法

太赫兹频段下目标散射特性计算需考虑目标表面的粗糙特性和目标材料参数。在对粗糙目标几何建模时,通常的精细面元剖分建模方法使得散射计算问题难以求解。提出确定性建模与统计性建模相结合的粗糙目标几何建模方法,并且基于全波法提出了一种太赫兹频段可计算任意材料、任意粗糙凸体目标散射场的计算方法。通过与通用电磁计算软件计算结果的比较验证了该方法的准确性。     

太赫兹频段粗糙目标散射中心建模研究

太赫兹雷达可获取目标的精细散射特征信息,对于目标探测、成像和识别具有重要意义。针对太赫兹频段雷达目标散射中心建模问题进行讨论,分析了散射中心模型、目标回波和目标图像之间的内在物理关系,并基于粗糙面散射理论中的全波方法和信号处理中的滤波方法提出一种构建目标散射中心模型的方法,可同时描述粗糙目标的传统相干散射中心和非相干面散射行为,为太赫兹频段粗糙目标的散射回波仿真提供了一种有效的描述手段。     

太赫兹低频段随机粗糙金属板散射特性研究

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。      

超电大复杂目标太赫兹散射特性建模微波方法延拓研究

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。      

太赫兹频段金属粗糙表面散射特性

根据基尔霍夫近似理论分析了金属粗糙表面在太赫兹频段的散射规律及影响因素，通过加工不同粗糙度的金属铝板样品，基于远红外激光器搭建的单频点散射特性测量系统及远红外傅里叶光谱仪（FTIR）的宽带反射率测量系统，对粗糙铝板的散射规律进行了实验测量与验证，发现实验测量结果与基尔霍夫近似计算结果具有良好的一致性，证明了峰值散射系数与粗糙度和频率的负相关性，以及与入射角度的正相关性。分析了近似光滑和较大粗糙度两种极限情况下的散射特性，给出了基尔霍夫近似理论在太赫兹频段的适用条件。相关结论为复杂目标散射特性的理论计算奠定了基础，对太赫兹频段雷达相关理论和技术的发展具有重要意义。     

分形粗糙表面涂覆目标太赫兹散射特性

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。      

粗糙金属和介质目标的太赫兹散射特性分析

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。      

太赫兹雷达RCS测量中的分时定标技术

太赫兹频段的目标散射特性测量技术是当前太赫兹雷达的重要研究方向,其中系统定标技术决定了雷达散射截面积(RCS)测量结果的准确性。使用基于微波倍频源的太赫兹宽带雷达目标散射特性测量系统,该系统由微波源经倍频后,中心频率达到440 GHz,带宽达25.6 GHz。利用光滑表面金属球为标准体,采用分时定标技术对太赫兹雷达系统进行定标,再对金属材质的战斗机模型和吉普车模型进行近场RCS测量实验,获得以上2种典型人造目标的近场RCS测量结果。测试结果与理论趋势符合良好,证明了太赫兹雷达系统RCS测量中分时定标技术的有效性。     

沙尘暴对太赫兹波传播的影响

为研究太赫兹波在沙尘暴中的传播特性,应用Mie散射理论研究了太赫兹波段沙尘粒子的散射特性,得到沙尘粒子的散射效率因子、消光效率因子和吸收效率因子随粒径、太赫兹波长的变化关系。基于沙尘粒子尺寸的对数正态分布,数值计算了沙尘暴的太赫兹衰减。研究结果表明,沙尘的衰减随能见度的增大而减小,波长越小,沙尘暴引起的太赫兹波衰减越大;波长为40 μm时,沙尘暴对太赫兹波传播影响最大,浮尘对太赫兹波传播影响最小。低能见度沙尘暴对太赫兹波传播影响明显。     

THz频段粗糙导体圆锥的极化成像特性

太赫兹频段下粗糙导体表面会对电磁散射回波的幅度、相位、极化状态产生影响,为分析这一影响,以导体圆锥为例,研究了不同粗糙参数表面电磁散射在雷达图像中的表现规律。基于谱方法和坐标变换对粗糙圆锥面进行建模,利用高频电磁计算方法获得不同粗糙度导体圆锥样本多角度、多频点、全极化的单站散射场,基于转台模型,利用二重积分法获得目标二维像。从仿真结果可以看出,粗糙与理想光滑导体的圆锥图像存在明显差异,粗糙圆锥图像中能量分布偏离理想光滑情况下的强散射区域;随着粗糙度的增加,图像能量分布愈加均匀;相比于同极化图像,交叉极化图像更具反映目标轮廓信息的潜力。     

非均匀不稳定表面粗糙目标的太赫兹波段散射特性分析

研究了不同粗糙度的非均匀不稳定表面粗糙导体目标在太赫兹波段的散射特性,区别于采用经验公式的建模方法,提出把随机粗糙面的建模理念应用到太赫兹波段的非均匀不稳定表面粗糙目标的建模中,用描述随机粗糙面的均方根高度(h)和相关长度(l)两个物理量来调节目标表面的粗糙度变化.首先用高斯随机粗糙面模拟非均匀不稳定粗糙目标的表面,然后采用物理光学和等效电流相结合的方法进行仿真计算,分别对不同入射角、不同频率和不同粗糙度的不同非均匀不稳定表面粗糙导体目标,在太赫兹波段散射特性进行了分析,最后得出相关的结论.     

太赫兹波在沙尘中衰减特性

为了研究太赫兹波在沙尘大气中的衰减特性,根据Mie散射理论计算了单次散射情况下沙尘粒子不同尺寸参数下的散射效率因子和不同散射角下的散射相函数值。并得到了具有一定尺寸分布的沙尘粒子的单位距离衰减和能见度的关系曲线。还利用Monte Carlo方法对太赫兹波在沙尘中的多次散射特性进行了模拟计算,分析了不同能见度和不同沙尘类型对太赫兹波传输过程中能量损耗的影响。结果表明:单次散射条件下沙尘粒子的散射主要受尺寸参数影响;沙尘能见度较低时必须要考虑多次散射的影响。研究结果对太赫兹技术在大气环境监测和烟尘和风沙的探测等方面的应用具有参考价值。     

弱沙尘环境中太赫兹波的散射与传输特性研究

基于HITRAN2012数据库,采用三次样条插值算法给出了太赫兹波段沙尘颗粒的复折射率随电磁波频率的变化曲线。采用Mie散射理论,分析了不同粒径沙尘颗粒对太赫兹波的散射及消光特性。基于单次散射假定,研究了太赫兹波在浮尘、扬沙等弱沙尘环境中的散射与传输特性,考虑不同条件下沙尘粒子的谱分布,分析了入射频率、粒径分布等因素对散射及衰减特性的影响。结果表明:在1 THz～4 THz太赫兹波段,单个沙尘粒子的散射及消光特性分布主要由粒子的尺寸参数决定。对于尺寸较小的沙尘粒子,后向散射系数随着尺寸的增加而增大。当粒子尺寸较大处于Mie振荡区时,后向散射系数起伏变化较大。在浮沉和弱沙尘两种天气条件下,沙尘粒子群的统计消光系数随着入射频率的增大具有相似的增大趋势。本文研究结果对太赫兹波技术在应急通信、大气环境监测、风沙探测等相关领域中的应用具有参考价值。     

表面粗糙度对太赫兹反射测量的影响

材料表面粗糙度会影响太赫兹无损检测结果。当材料表面粗糙度在微波区可以忽略不计时,在波长更短的太赫兹频段则需要考虑在内。研究讨论了在太赫兹频率下粗糙表面散射对反射谱的影响。通过考虑单个样品的反射模型,利用基尔霍夫近似可以将粗糙表面的反射信号与光滑表面的反射信号进行关联。此外,采用太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统对不同粗糙度的葡萄糖片进行了测量,并对其反射光谱进行了分析。反射光谱结果表明,由于表面粗糙度引起的漫散射减弱了接收端反射光谱的强度。为了减小粗糙度对光谱的影响,提出了一种能恢复光谱功率的补偿方法。在0.5 THz和1 THz时,具有360目粗糙度规格样品的功率谱分别增加了约3 dB和9 dB。因此,可以认为所提出的粗糙表面光谱补偿方法在未来太赫兹无损检测技术的发展中具有一个特定的参考价值。     

太赫兹雷达目标HRRP特性分析

太赫兹由于其穿透性强、大带宽等优势,在雷达信号处理领域受到了广泛的关注。同时,高分辨率距离像（High Resolution Range Profiles, HRRP）在目标检测、识别以及成像等领域具有很高的应用价值,但是,针对太赫兹频段目标HRRP特性的研究却较少。本文首先从确定信号模型对太赫兹频段目标HRRP的方位角敏感性进行了研究,并利用协方差矩阵的主特征向量提取其平均HRRP,从而达到抑制目标HRRP方位角敏感性的目的。另外,根据距离单元中散射点的不同分布,对太赫兹雷达目标HRRP距离单元进行分类,并分别使用瑞利模型、赖斯模型以及混合分布模型进行统计建模。之后,使用对数积累量方法（Method of Log Cumulants, MoLC）和基于字典的随机最大期望（Dictionary based Stochastic Expectation Maximization, DSEM）算法对上述模型的参数进行估计。最后,利用研制的太赫兹高分辨率雷达系统开展了不同带宽下的复杂目标HRRP特性实验,实验结果表明,太赫兹频段下目标平均HRRP与HRRP帧内其他HRRP的相关系数高于单个HRRP,同时,对于高分辨率下的目标HRRP距离单元统计特性,可以使用混合分布模型对其进行建模。      

不同粗糙度抛物面的2.52 THz后向散射测量

太赫兹后向散射特性是表征目标对太赫兹波散射能力的一个重要参数。在实际应用中抛物面形状占据了重要位置,而在2.52 THz频率下的相关散射特性的研究至今处于空白。利用已搭建的测量系统对直径为50、60、70、80 mm,粗糙度为3.2、6.3、12.5 m等的抛物面进行了太赫兹后向散射的测量。利用MATLAB软件对数据进行处理并得出目标的太赫兹后向散射特性曲线。利用控制变量法分别研究尺寸和粗糙度对目标太赫兹后向散射的影响。随着尺寸的增大,目标的散射特性曲线下降变缓,在3附近出现的凸起越来越明显。用示波器在所测角度边缘观察信号波形表明信号处于可测状态。后向散射测量实验结果表明,测量动态范围最大可达22 dB,最大误差约为0.15 dB。     

介质目标的太赫兹波近场散射特性计算

该文基于广义的Kirchhoff阻抗边界条件和物理光学法,对太赫兹频段介质体近场散射特性进行了研究,给出了介质体近场散射计算公式。针对在太赫兹频段由于波长较短引起的计算量大幅提升的问题,采用以面元为计算单位、以像素为遮挡判断单位的太赫兹频段介质体近场散射的快速计算方法,该方法在保证计算精度的基础上,大大降低了计算复杂度和时间。计算了圆柱体和鸭嘴形介质体在不同距离下的雷达散射截面,并且分析了电磁场与物体相互作用后,相位项在不同距离、不同频率下对介质体雷达散射截面的影响。     

基于金属周期槽阵列的太赫兹带阻滤波器

提出了一种结构简单的新型太赫兹带阻滤波器。滤波器结构为内表面刻有方型槽阵列的平行平板波导。太赫兹波入射时,在周期结构表面激发出只与表面几何结构有关的表面等离子波。有限元法仿真结果表明:平行平板波导中波导模式的基模转换为表面等离子模式,该模式和高阶波导模式之间产生能带间隙,频率在该间隙频段内的太赫兹波将无法在波导内传播,从而实现带阻滤波功能。通过错位法,可以对该结构进行改进,使该阻带与较高频阻带间的通带增大,使结构更符合带阻滤波器的要求。通过改变两板间距,槽宽和槽深各参数可以得到不同带宽和中心频率的阻带。     

太赫兹高分辨率雷达杂波测量与分析

太赫兹高分辨率雷达杂波特性是太赫兹雷达检测技术的基础,该文分析了传统杂波概率统计模型及其相应的参数估计方法,在此基础上,利用研制的太赫兹高分辨率雷达进行了杂波测量实验,并对实测数据进行了分析与检验。实验结果表明,G0 分布模型对太赫兹频段杂波的统计特性拟合度最优。      

粗糙铜表面对低频太赫兹波的散射实验

搭建了以0.2 THz返波管振荡器源、热释电探测器、小型自动旋转光学平台等组成的太赫兹波目标散射特性实验测试系统,对两种不同粗糙度铜盘表面的散射特性进行了测试,表明:太赫兹金属粗糙目标散射中导体表面的感应电流产生电磁散射和粗糙导体表面引起的朗伯散射是同时存在的;在斜入射时这种近似于朗伯体的金属粗糙表面几乎可以被看成镜体,但随着目标表面的粗糙度变大,反射变弱,散射增强,主峰向小于反射角的方向偏移;在垂直入射的情况下,散射角小于40度时散射曲线下降较快,超过40度散射曲线变化变得很缓慢,但在50度附近很多材料都会出现一个小的散射峰.