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。      

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。      

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。     

基于高频电磁计算数据的太赫兹雷达高分辨成像研究

为揭示太赫兹频段雷达目标散射特性,基于高频电磁计算数据研究了太赫兹雷达高分辨成像方法.考虑到传统三维雷达成像面临的大数据量问题,提出了一种成像结果类光学图像的高分辨成像方法——方位/俯仰成像方法,通过推导其点扩展函数分析了该方法在高分辨率与散射点识别方面的优势.基于电磁计算数据的仿真与分析表,高频计算方法可以快速准确计算太赫兹频段理想导体目标RCS,高分辨成像结果可以分辨目标亚波长量级的细微结构特征.因此太赫兹雷达成像技术可获取目标更加丰富和精细的信息,为目标识别带来益处.     

基于高频电磁计算数据的太赫兹雷达高分辨成像研究（英文）

为揭示太赫兹频段雷达目标散射特性,基于高频电磁计算数据研究了太赫兹雷达高分辨成像方法.考虑到传统三维雷达成像面临的大数据量问题,提出了一种成像结果类光学图像的高分辨成像方法——方位/俯仰成像方法,通过推导其点扩展函数分析了该方法在高分辨率与散射点识别方面的优势.基于电磁计算数据的仿真与分析表,高频计算方法可以快速准确计算太赫兹频段理想导体目标RCS,高分辨成像结果可以分辨目标亚波长量级的细微结构特征.因此太赫兹雷达成像技术可获取目标更加丰富和精细的信息,为目标识别带来益处.     

太赫兹雷达细微结构成像仿真与特性分析

太赫兹频段下细微结构导体表面会对电磁散射回波的幅度、相位等产生影响。为分析这一影响,以理想导电体下尺寸可与波长比拟的周期网状结构、击芯铆钉阵列结构为例,研究了不同俯仰角电磁散射在雷达图像中的表现规律。利用卷积逆投影算法,对多角度、多频点的单站散射场回波数据进行成像。从仿真结果可以看出,不同细微结构散射特性存在明显差异。利用距离像分析方法,对不同细微结构成像结果的成因进行了分析,得出图像的不同特征可由相干相消、相干增强与虚影效应3种机理进行解释,表明太赫兹波对细微结构具有独特的刻画能力。     

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。     

典型目标的太赫兹散射算法研究北大核心CSCD

本文对太赫兹波段下典型目标的电磁散射算法问题进行研究。该算法采用射线弹跳法（SBR），主要分为建模，剖分，面散射计算，物理光学的积分求和，和计算雷达散射截面积（RCS）五个步骤，得出目标散射体在太赫兹波段下RCS随观察角的变化曲线，并利用CST仿真软件设置相同的条件来验证算法的正确性。最后，本文探究了太赫兹波段下和微波波段下散射体的特性，深入讨论在不同波段目标物体的散射场特点。     

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。     

THz全尺寸凸体粗糙目标雷达回波散射建模与成像仿真

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。      

A numerical study of scattering from an object above a rough surface

A numerical model is applied in a Monte Carlo study of scattering from a three-dimensional penetrable object above a lossy dielectric rough interface. The model is based on an iterative method of moments solution for equivalent electric and magnetic surface current densities on the rough interface and equivalent volumetric electric currents in the penetrable object. Both time-and frequency-domain results are investigated to illustrate the relative importance of coherent and incoherent scattering effects in the sample problem considered. Results show that a four-path model using a reduced-reflection coefficient can be reasonable for coherent scattering predictions and that incoherent object/surface interaction effects can make significant contributions to received cross sections.     

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。     

A study of scattering from an object below a rough surface

A numerical model is applied in a Monte Carlo study of scattering from a three dimensional penetrable object below a lossy dielectric rough interface. Both time and frequency domain results are investigated to illustrate the relative importance of coherent and incoherent scattering effects in the sample problem considered. Results show that introducing a reduced transmission coefficient is reasonable for object coherent scattering predictions in this example, and that incoherent object/surface interaction effects approximately follow a simple scaling behavior as surface roughness is increased.     

An approach to include stochastic rough surface scattering into deterministic ray-optical wave propagation modeling

A new method to include stochastic rough surface scattering into deterministic ray-optical wave propagation modeling is derived. It can be utilized in conjunction with the concept of ray launching. Similar to the Kirchoff formulations, the approach is based on a tangential plane approximation, i.e., it is applicable to surfaces with gentle undulations, whose horizontal dimensions are large compared to the incident wavelength. However, in contrast to the Kirchoff models, which are only valid for either slightly rough or very rough surfaces, the proposed stochastic scattering approach includes both the coherent and incoherent components at the same time. The purely deterministic ray-based modeling is expanded by a "stochastic" component, allowing, for the first time, to account for nondeterministic scattering in ray-optical wave propagation modeling.     

Bistatic scattering by arbitrarily shaped objects with rough surface at optical and infrared frequencies

The scattering cross sections for arbitrarily shaped dielectric objects with rough surface are determined for optical and infrared frequencies using the Kirchhoff approximation. The formula of the coherent scattering cross section is derived, and numerical method of incoherent scattering cross section is given. As a specific example, the infrared laser scattering cross sections of rough spheres are calculated at 1.06 μm.     

Bistatic specular scattering from rough dielectric surfaces

An experimental investigation was conducted to determine the nature of bistatic scattering from rough dielectric surfaces at 10 GHz. This paper focusses specifically on the dependence of coherent and incoherent scattered fields on surface roughness for the specular direction. The measurements, which were conducted for a smooth surface with ks<0.2 (where k=2π/λ and s is the RMS surface height) and for three rough surfaces with ks=0.5, 1.39, and 1.94, included observations over the range of incidence angles from 20° to 65° for both horizontal and vertical polarizations. For the coherent component, the reflectivity was found to behave in accordance with the prediction of the physical optics model, although it was observed that the Brewster angle exhibited a small negative shift with increasing roughness. The first-order solution of physical optics also provided good agreement with observations for hh-polarized incoherent scattering coefficient, but it failed to predict the behavior of the vv-polarized scattering coefficient in the angular range around the Brewster angle. A second-order solution is proposed which appears to partially address the deficiency of the physical optics model     

太赫兹波在粗糙金属球体目标上的散射特性

太赫兹波在粗糙金属球面散射中相干散射与非相干散射同时存在.在低频端散射主要为相干散射,而相干部分随球表面粗糙度增大迅速递减;在高频端散射主要为非相干散射,且散射结果与辐射的分布方式及分布规律有关,结果通常不是唯一的.高端与低端的散射结果通常相差很大,但当粗糙金属球表面的粗糙度服从高斯分布时,高频端雷达散射截面的结果与低频端雷达散射截面的结果近似一致.