太赫茲雷達散射截面測量中定標體的確定

楊 洋，姚建銓，鐘 凱

·太赫茲技術·

太赫茲雷達散射截面測量中定標體的確定

楊 洋1，姚建銓2，鐘 凱2

（1.承德石油高等?？茖W校河北省儀器儀表工程技術研究中心，河北承德067000；2.天津大學精密儀器與光電子工程學院激光與光電子研究所，天津300072）

圍繞赫茲雷達散射截面定標體選定的內(nèi)容開展了一系列工作，確定了適合作為太赫茲雷達散射截面標準體的工藝要求和加工方式，并先后對6種通過不同工藝加工成的太赫茲雷達散射截面的標準體材料進行了測試，分別測出半球反射率隨波長的變化關系，確定了適合作為太赫茲雷達散射截面標準體的工藝要求和加工方式，加工出符合條件的太赫茲雷達散射截面測量中用作定標金屬鋁球，并利用該定標體對其他目標體在低頻太赫茲波段的雷達散射截面進行了初步測量。

太赫茲雷達散射截面；金屬球；收發(fā)同置；半球反射率

1 引 言

進入21世紀，伴隨著太赫茲技術的發(fā)展，有關太赫茲雷達目標特性及雷達散射截面的研究工作引起國內(nèi)外專家的高度重視［1－9］，為了能有效開展太赫茲雷達散射截面的工作，首先需要完成太赫茲雷達散射截面定標工作，也就是雷達散射截面測量中定標體的確定，因為只有確定了定標體后雷達散射截面的測量數(shù)據(jù)才有依據(jù)。在過去報道中，國內(nèi)外太赫茲雷達散射截面測量中被選定的定標體一般都沿用微波雷達散射截面測量中的金屬球或圓柱體等［10－12］，而專門針對太赫茲雷達散射截面的定標體的有關內(nèi)容未見報道。為此，作者提出應該象微波雷達、激光雷達等不同電磁波領域有各自的定標體一樣，太赫茲雷達散射截面的測量也應有明確的定標體，并圍繞該項內(nèi)容做了一些實驗研究。

2 太赫茲雷達散射截面測量中定標體的確立

球體是所有目標體中最簡單的目標體，且在微波與紅外領域球型目標雷達散射截面都具有解析解，因此在這兩個領域的定標體都常采用球型目標［12－13］。但同時也注意到同一球型目標在兩個領域的雷達散射截面的解析值是不同的。文獻［14］中提出了當位于太赫茲兩端的紅外與微波對同一球型目標獲得相同的雷達散射截面的解析解時，位于中間的部分的太赫茲的雷達散射截面也就會一致的推斷。具體來說，如果能夠?qū)ふ乙环N“表面粗糙、金屬良導體、球型，且其半球反射率為ρ2π＝0.38（對應λ＝1.06μm）的標準體”時，微波雷達、激光雷達的散射截面的結(jié)果就一致了。滿足這一標準的目標體就可以作為太赫茲雷達散射截面的標準體了。這樣的結(jié)果相當于我們找到一種實現(xiàn)微波、激光、太赫茲三種雷達的散射截面三波一致的方法。

為達到這一目的，在中國科學院安徽光學精密機械研究所的有關人員幫助下做了大量實驗的工作，因為一般金屬材料的半球反射率大多在0.7以上，因此想要獲得表面粗糙、金屬良導體、球型，且其半球反射率為ρ2π＝0.38（對應λ＝1.06μm）的標準體并不是一件很容易的事情。

作為標準體目標的漫射體制作過程主要分為基底加工、漫射表面物理處理、漫射表面化學處理、灰度沉積、光學鍍膜五個主要過程，每一步驟間穿插表面清洗、烘干、樣品測試等工藝流程。基底制作選用鍛鋁為基本材料加工成板狀或球形等漫射體外形；漫射表面的物理處理是根據(jù)漫射體的工作波段控制基底表面的粗糙度，初步形成漫射隨機表面；漫射表面的化學處理是通過化學腐蝕的方法進一步消除金屬晶格的鏡像反射；灰度沉積采用表面氧化成分的沉積固化的方式形成不同反射率的均勻漫射表面；最后通過光學鍍膜保持漫射表面的光譜特性。每一步驟間執(zhí)行嚴格的除污、去油、脫水、超聲振動等清洗過程，灰度沉積和光學鍍膜前后進行光學測試，確認漫射體的光譜特性與漫射特性。

按照上述方式，先后對6種通過不同工藝加工成的太赫茲雷達散射截面的標準體材料進行了測試，分別測出半球反射率隨波長的變化關系，圖1為測試曲線，其中曲線從上至下分別被標以曲線1至曲線6，所對應的金屬球分別為1號球至6號球。從圖中可以確定適合作為太赫茲雷達散射截面標準體的工藝要求和加工方式。最終按照上述測試曲線，取得曲線6（最低的曲線）的散射體為太赫茲雷達散射截面測量中的標準體，這是因為6號球?qū)耍?.06μm，其半球反射率為ρ2π在0.38附近，滿足前面所討論的作為太赫茲雷達散射截面標準體的條件，被加工成的定標體的實物照片為如圖2（b）所示的6號球。而其他不同半球反射率的實物照片為如圖所示2（a）所示的1～5號球。

圖2 按照不同工藝加工而成金屬鋁球型目標實物照片

3 實驗測試過程

3.1 實驗測試系統(tǒng)

本實驗測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。實驗測試系統(tǒng)中的太赫茲源采用返波管振蕩器源（BWO），其工作頻率使用206.2 GHz，輸出功率為40 mW；探測器使用焦熱電探測器（Pyroelec tric Detector），最佳調(diào)制頻率為10～30 Hz，工作的光譜范圍為0.1～10 THz，像素大小為2 mm×3 mm；測試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)讀取單元用來獲得焦熱電探測器的電壓信號；小型自動旋轉(zhuǎn)光學平臺由“電動旋轉(zhuǎn)臺”和“運動控制器”組成，可實現(xiàn)不同入射角和散射角的測試工作，且整個測試工程可以實現(xiàn)程序控制。為了安放散射目標體，在旋轉(zhuǎn)光學平臺上安放一個目標支撐架，與此同時為了減少支撐架造成的背景信號的影響，要對包括支撐架及背景進行降噪聲影響的處理。

圖3 太赫茲目標雷達散射截面實驗系統(tǒng)框圖

3.2 太赫茲光斑大小的測量

雷達目標散射截面的測量中要求目標可以被視為點目標，也就是說要求光斑大小要大于目標的大小。因此在開展有關目標的雷達散射截面時通常要確定光斑的大小。在太赫茲測量中太赫茲的光斑大小使用的方法是很多人使用過的刀刃法［15－16］，測試中刀口移動的步長為1 mm，并以刀口位置的移動為橫坐標，與探測器相連的數(shù)據(jù)讀取單元的輸出電壓為縱坐標，繪制出如圖4所示的曲線。

圖4 利用刀刃法測量BWO波束大小測試曲線

如果按照當強度下降到峰值的10%時的位置作為太赫茲斑的大小的話，按照測量數(shù)據(jù)的分析與計算結(jié)果得知：本次測量結(jié)果為：D＝5.20 cm，因此，被選作目標的尺寸只有當其小于5.20 cm時，目標才能被看做點目標。

3.3 實驗數(shù)據(jù)測試

利用所研發(fā)的標準體開展了標準體的實際測試工作，用來檢驗標準體的穩(wěn)定性，并利用同一尺寸但不同半球反射率的目標體進行了測試，用以檢驗半球反射率對雷達散射截面的影響。

表1 2號粗糙金屬鋁球型目標散射截面測量數(shù)據(jù)

為了檢驗所確定的標準體的實驗效果，第二次我們選取圖2中6號球作為目標體進行了測試，之所以選取6號球有兩個目的，一是檢驗當標準體的半球反射率發(fā)生變化時給實驗結(jié)果帶來的影響大小，二是可以將6號球作為待測的目標體，實際測試一下被測目標雷達散射截面的變化。6號球的半球反射率為ρ2π＝0.7左右，這與在微波領域被選定的一般金屬目標體是類似的。實驗數(shù)據(jù)由表2給出，其中2號球與6號球的直徑均為（3.00±0.01）cm。

表2 6號粗糙金屬鋁球型目標散射截面測量數(shù)據(jù)

4 結(jié) 論

（1）選擇理想導體、粗糙表面、金屬球體作為位于微波與激光中間的太赫茲雷達散射截面的定標體具有易于測量、數(shù)據(jù)穩(wěn)定且測試方法可靠的特點，定標體的確立為開展雷達散射截面奠定了理論與實驗基礎。

（2）當被選作太赫茲雷達目標散射截面測量中的定標體的半球反射率發(fā)生改變時對太赫茲雷達目標散射截面的數(shù)值是會有影響的，但這種影響是微小的，并不是按照半球反射率的增大倍數(shù)而等比例增大的，因此在選定太赫茲雷達散射截面的定標體時要明確作為目標定標體的半球反射率。

（3）實驗還表明，如果利用微波雷達散射截面中所選用的標準體用來測量太赫茲雷達的散射截面時對實驗結(jié)果影響是存在的，但影響不大，也就是說如果在低頻太赫茲領域分別用微波的標準體與太赫茲波的標準體測量同一目標的雷達散射截面時，不會對實驗結(jié)果帶來大的差異，但在高頻太赫茲領域情況如何還將有待于通過實驗來加以檢驗。

（4）太赫茲雷達目標散射截面測量中定標體的確立是根據(jù)紅外理論的頻率下轉(zhuǎn)移和微波理論頻率上轉(zhuǎn)移的原則，也就是按照邏輯推理的原則提出的，應該說這種推理也有一定科學性，但缺少嚴格太赫茲散射理論的支持，因此太赫茲雷達目標散射截面的理論分析將成為今后一項很重要的工作。

（5）從漫反射體隨波長變化實驗曲線中可以看出，伴隨著入射光源波長的增加定標體的半球反射率不是恒定的，會逐漸偏離0.38，且表現(xiàn)出緩慢變大的趨勢。因此本次實驗的標準體應該再放在微波和遠紅外領域進行一下測試，通過實驗考察一下這種標準體在微波、紅外領域與太赫茲領域的差異。

致 謝：本次實驗是在首師大完成的，感謝張存林教授提供的幫助，同時也感謝張鏡水博士、劉婧碩士所給予的幫助。

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Determ ination of calibration body in the terahertz radar cross section measurement

YANG Yang1，YAO Jian-quan2，ZHONG Kai2
（1.Hebei instrument and Meter Engineering Technology Research Center of Chengde Petroleum College，Chengde 067000，China；2.The Institute of Laser＆Optoelectronics，College of Precision Instruments and Opto-Electronic Engineering，Tianjin University，Tianjin 300072，China）

Studies are carried out for the selection of calibration body on hertz radar cross section.The appropriate process requirements and processingmethods as terahertz RCS standard body are determined，and six kinds of standard bodymaterials of terahertz radar standard by different processeswere tested，the relation of hemispheric reflectivity with the change ofwavelength is obtained，the appropriate aluminum balls for terahertz radar cross section calibration measurements are processed，and the radar cross section at the low-frequency terahertz is preliminarily measured for other target bodies by using the calibration body.

terahertz RCS；metal ball；monostatic；hemispherical reflectivity

TP212

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2014.10.017

1001-5078（2014）10-1149-05

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目（973計劃項目）（No.2007CB310403）資助。

楊 洋（1958－），男，教授，博士，從事激光雷達和太赫茲雷達目標特性的研究工作。E-mail：yangy1958＠sohu.com

2014-03-03；

2014-03-29