太赫茲頻段復(fù)雜目標(biāo)雷達(dá)散射截面測量與驗證

逄 爽，曾 旸，楊 琪，李彥鵬，鄧 彬，王宏強(qiáng)

國防科技大學(xué)電子科學(xué)學(xué)院，湖南長沙 410073

近年來，隨著太赫茲(terahertz, THz)波產(chǎn)生、探測及傳輸?shù)燃夹g(shù)的逐步發(fā)展，太赫茲頻段已成為軍事高科技競爭新的戰(zhàn)略制高點(diǎn)，太赫茲雷達(dá)實(shí)驗系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)．目標(biāo)散射特性是太赫茲雷達(dá)論證、設(shè)計以及實(shí)際應(yīng)用的共性基礎(chǔ)問題，研究目標(biāo)特性離不開太赫茲雷達(dá)散射截面(radar cross section, RCS)測量技術(shù)的支撐．因此，太赫茲RCS測量對太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的研究發(fā)展尤為重要．此外，在研究如艦船等超大尺寸目標(biāo)散射特性時，全尺寸的外場測量難以實(shí)現(xiàn)，需要對目標(biāo)的縮比模型進(jìn)行測量．根據(jù)縮比規(guī)律，模型所需的測量頻率將上升到太赫茲頻段，這將對太赫茲RCS測量技術(shù)提出新的挑戰(zhàn)．太赫茲頻段的RCS測量具有廣闊應(yīng)用前景，太赫茲RCS高精度測量技術(shù)的研究具有重要意義[1]．

太赫茲RCS測量系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式通常分為電子學(xué)和光學(xué)兩類．由電子學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要指基于固態(tài)微波倍頻方式產(chǎn)生太赫茲波的測量系統(tǒng)；由光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)主要包括基于飛秒激光器的太赫茲時域光譜測量系統(tǒng)(time domain spectroscopy, TDS)和基于遠(yuǎn)紅外激光器的散射測量系統(tǒng)[1-2]．

近年來，國內(nèi)外相關(guān)研究單位積極推進(jìn)研究、建設(shè)和發(fā)展太赫茲RCS測量系統(tǒng)，較具代表性的有美國馬薩諸塞大學(xué)的亞毫米波技術(shù)實(shí)驗室(Submillimeter-Wave Technology Laboratory, STL)搭建的160 GHz微波倍頻太赫茲RCS測量系統(tǒng)[3]、芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)建立的0.31 THz全息太赫茲緊縮場系統(tǒng)[4]，以及丹麥技術(shù)大學(xué)利用飛秒激光器搭建的0.1～2.0 THz時域光譜系統(tǒng)[5]．中國航天科技集團(tuán)、中國工程物理研究院、中科院電子所及多所院校在太赫茲雷達(dá)成像和RCS測量等方面也獲得大量研究成果，太赫茲目標(biāo)RCS測量得到快速發(fā)展[6-8]．

然而，針對復(fù)雜目標(biāo)的太赫茲RCS測量仍存在較大挑戰(zhàn)．首先，由于太赫茲波對目標(biāo)的表面粗糙度以及細(xì)微結(jié)構(gòu)敏感，由其引起的散射回波數(shù)量級較低，容易被系統(tǒng)噪聲和干擾雜波淹沒，因此，要想捕捉到由粗糙表面及細(xì)微結(jié)構(gòu)引起的散射回波，測量系統(tǒng)應(yīng)具備穩(wěn)定的信號源、較高的信噪比和較強(qiáng)的雜波抑制能力．其次，在對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析驗證時缺乏理論數(shù)據(jù)支撐．在太赫茲頻段計算求解復(fù)雜目標(biāo)RCS數(shù)值并非易事，雖然現(xiàn)有電磁計算軟件功能強(qiáng)大，但對于復(fù)雜目標(biāo)的仿真計算仍存在耗時過長以及復(fù)雜目標(biāo)模型難以構(gòu)建等難題，因此在分析測量結(jié)果時需要根據(jù)情況采用合適的方法．針對以上兩方面問題，本研究搭建了太赫茲RCS測量系統(tǒng)，并進(jìn)行相應(yīng)的測量實(shí)驗．

本研究針對太赫茲低頻段復(fù)雜電大尺寸目標(biāo)模型展開，所搭建的系統(tǒng)采用微波倍頻方式，系統(tǒng)信號由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(以下簡稱矢網(wǎng))提供，以此來提高系統(tǒng)對復(fù)雜目標(biāo)的測量能力；根據(jù)模型特點(diǎn)，提出一種利用模型對稱性分析測量結(jié)果的驗證評估方法．重點(diǎn)介紹太赫茲RCS測量原理、實(shí)驗采用的測量系統(tǒng)、測量技術(shù)以及驗證方法，并給出不同模型在不同頻段的測量結(jié)果及結(jié)果分析．

1 太赫茲RCS測量原理

雷達(dá)散射截面是度量雷達(dá)目標(biāo)對入射電磁波散射能力的一個物理量．根據(jù)文獻(xiàn)[9]，RCS的定義通常有基于電磁散射理論及基于雷達(dá)測量兩種觀點(diǎn)，兩者的概念統(tǒng)一，均定義為單位立體角內(nèi)目標(biāo)朝接收方向散射的功率，與從給定方向入射于該目標(biāo)的平面波功率密度之比的4π倍．

基于電磁散射理論，RCS定義為

(1)

其中，σ為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面；Ei和Es分別表示入射電場強(qiáng)度和散射電場強(qiáng)度；R為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離．

當(dāng)R足夠遠(yuǎn)時，照射目標(biāo)的入射波可近似為平面波，此時σ與R無關(guān)，因而定義遠(yuǎn)場RCS時，R應(yīng)趨向于無窮大，即要滿足遠(yuǎn)場條件．根據(jù)電場與磁場儲能可相互轉(zhuǎn)換的原理，遠(yuǎn)場條件下的RCS為

(2)

其中，Hi和Hs分別表示入射磁場強(qiáng)度和散射磁場強(qiáng)度．

基于雷達(dá)測量觀點(diǎn)定義的RCS由雷達(dá)方程式推導(dǎo)得出，當(dāng)忽略各種損耗時，

(3)

其中，Pα為接收天線所張立體角內(nèi)的散射功率(單位：W)；Ps為目標(biāo)處照射功率密度(單位：W/m2)．式(3)與從電磁散射理論得出的RCS定義式一致．式(2)適用于理論計算，式(3)適用于相對定標(biāo)法來測量目標(biāo)RCS．本研究根據(jù)式(3)原理設(shè)計并實(shí)施測量實(shí)驗．

2 多頻段復(fù)用太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及參數(shù)設(shè)置

本研究基于多頻段復(fù)用太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)，分別對220 GHz和440 GHz頻段的目標(biāo)RCS進(jìn)行測量．測量系統(tǒng)組成如圖1，主要由矢網(wǎng)、太赫茲倍頻收發(fā)鏈路及雙軸精密轉(zhuǎn)臺等構(gòu)成，在太赫茲暗室中進(jìn)行測量．

圖1 測量系統(tǒng)Fig.1 Measurement system

測量系統(tǒng)由矢網(wǎng)(PNA, Keysight N5224A)提供13.45～14.25 GHz波段的基頻信號，通過級聯(lián)16倍和32倍的固態(tài)倍頻鏈路分別實(shí)現(xiàn)215.2～228.0 GHz和430.4～456.0 GHz兩個頻段太赫茲波的發(fā)射和接收，帶寬分別為12.8 GHz和25.6 GHz．雷達(dá)收發(fā)前端相互獨(dú)立，并排擺放，之間有約5 cm間隙，前后有約1 cm的錯位，可有效降低發(fā)射天線直漏信號的影響．太赫茲測量暗室鋪設(shè)吸波材料，其幾何形狀針對太赫茲頻段電磁波專門設(shè)計，在200～500 GHz頻段的吸收系數(shù)達(dá)-36 dB，可以有效降低墻壁及地面對電磁波的反射等多徑干擾的影響，抑制背景噪聲．測量中，待測目標(biāo)連同低散射泡沫支架放置于精密轉(zhuǎn)臺上，通過控制轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)角度和角度間隔獲取不同觀測角下的目標(biāo)RCS．雷達(dá)收發(fā)前端中心線與模型中心同高且在同一垂直平面內(nèi)，目標(biāo)距離天線中心位置4.3 m，遠(yuǎn)大于收發(fā)天線之間的距離，因此RCS測量值可視為單站RCS的測量結(jié)果．

2.2 實(shí)驗數(shù)據(jù)處理

2.2.1 軟件距離門技術(shù)

軟件距離門技術(shù)是RCS測量中常用的數(shù)據(jù)處理方法，通過對接收到的頻域數(shù)據(jù)進(jìn)行逆傅里葉變換，得到時域一維距離像，根據(jù)時域散射中心的分布確定目標(biāo)所在區(qū)域，提取目標(biāo)區(qū)的數(shù)據(jù)作為目標(biāo)散射回波，從而可以較好抑制目標(biāo)區(qū)外的雜波．

2.2.2 相對定標(biāo)與背景對消

在測量過程中，由于目標(biāo)環(huán)境基本不變，絕大部分回波穩(wěn)定重復(fù)出現(xiàn)，即測量結(jié)果中含有穩(wěn)定的背景回波貢獻(xiàn)，可通過矢量場相減的方法減小或消除[10]．以某固定觀測角度下的點(diǎn)頻RCS測量為例說明背景對消技術(shù)．假設(shè)測量定標(biāo)體(如定標(biāo)球或金屬板)的散射回波電場為E0， 沒有待測目標(biāo)時測量暗室和支架的散射回波電場為E1， 放置目標(biāo)后的散射波電場為Et， 則經(jīng)過背景對消處理的目標(biāo)RCSσt(單位：dBsm)為

(4)

其中，σ0為定標(biāo)體的RCS理論值．由測量過程可見，由于目標(biāo)回波和定標(biāo)體的回波中均包含背景回波，把背景回波的電場從目標(biāo)回波和定標(biāo)體回波中減去，能在一定程度上有效抑制背景回波的干擾．

對于全角域的RCS測試，也可采用上述對消方法．具體操作中，需分別記錄暗室每個觀測角度下的頻率響應(yīng)，然后，在不改變暗室背景的條件下，測量相同起始角度定標(biāo)體以及被測目標(biāo)的頻率響應(yīng)，將得到的測量數(shù)據(jù)代入式(4)，即可完成全角度測量的背景對消．

2.3 系統(tǒng)測量性能

基于上述RCS測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法，以440 GHz頻段為例，通過對比標(biāo)準(zhǔn)體的測量結(jié)果和理論計算結(jié)果，分析系統(tǒng)的測量性能，結(jié)果如圖2．

圖2 440 GHz金屬圓柱RCS測量值Fig.2 RCS of metallic cylinder at 440 GHz

實(shí)驗中設(shè)置矢網(wǎng)的工作模式為步進(jìn)頻，掃頻點(diǎn)數(shù)為801，轉(zhuǎn)臺角度間隔為0.1°．首先，選取半徑為10 cm的金屬球作為定標(biāo)球?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)．然后對金屬圓柱(底面半徑4 cm，高20 cm)進(jìn)行方位角0°～360°的RCS測量．同時，利用電磁仿真軟件計算金屬圓柱在該頻段下的RCS，給出仿真結(jié)果．電磁仿真軟件采用高頻漸進(jìn)算法彈跳射線法．分析對比結(jié)果可見，系統(tǒng)測量能力可達(dá)-25 dBsm；圓柱底面和側(cè)面對應(yīng)的4個RCS峰值與計算結(jié)果在方位上準(zhǔn)確吻合，測量誤差均值為0.85 dBsm．

3 復(fù)雜目標(biāo)RCS測量與結(jié)果分析

3.1 復(fù)雜目標(biāo)模型的RCS測量與驗證

為評估系統(tǒng)對復(fù)雜目標(biāo)的測量能力，選取具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的衛(wèi)星模型和吉普車模型(圖3)作為待測目標(biāo)，分別測試其在220 GHz和440 GHz頻段的RCS值．實(shí)驗中對目標(biāo)模型進(jìn)行方位角0°～360°的全角度測量，目標(biāo)的旋轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)臺控制，角度間隔為0.2°．模型放置在轉(zhuǎn)盤中心，使用激光校準(zhǔn)儀進(jìn)行定位，以確保波束方向準(zhǔn)確指向轉(zhuǎn)臺的垂直中軸，波束與目標(biāo)中心高度一致．

圖3 復(fù)雜目標(biāo)模型Fig.3 Complex target models

3.2 測量結(jié)果及分析

3.2.1 衛(wèi)星模型

圖4為衛(wèi)星模型在220 GHz和440 GHz頻段下的測量值對比圖，同時給出衛(wèi)星模型在220 GHz下的RCS計算值加以比對．

圖4 衛(wèi)星模型RCS測量結(jié)果Fig.4 RCS measurement results of satellite model

從整個觀測角度范圍內(nèi)看，盡管倍頻造成一定的功率衰減，440 GHz頻段的動態(tài)范圍略小于220 GHz，但兩個頻段在幾個強(qiáng)散射角度下的峰值分布及走勢與數(shù)值計算結(jié)果都能較好吻合．這說明測量系統(tǒng)在兩個頻段下，均能捕捉到目標(biāo)由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)散射中心的貢獻(xiàn)．另一方面，這些強(qiáng)散射中心的RCS測量值均小于數(shù)值計算結(jié)果．這主要是由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強(qiáng)散射中心(多面角和拋物面等)對觀測角度高度敏感，而RCS測量中的俯仰角與數(shù)值計算模型可能存在微小差異，從而引起測量誤差．

3.2.2 吉普車模型

圖5為吉普車模型在兩個頻段下的RCS測量結(jié)果．90°和270°附近的兩個峰值對應(yīng)吉普車側(cè)面形成的鏡面反射，而0°和180°附近的兩個較弱凸起分別對應(yīng)吉普車車尾向和車頭向的散射．

圖5 吉普車測量結(jié)果Fig.5 Measurement results of jeep model

兩個頻段測量結(jié)果的趨勢基本一致．其中，在鏡面散射較強(qiáng)的觀測角度下，信噪比高，兩個頻段均能較好測得目標(biāo)的散射回波，且兩個頻段所測峰值相差不大；在散射較弱的觀測角度下，220 GHz的測量精度高于440 GHz，這與前述的系統(tǒng)動態(tài)范圍有關(guān)．

實(shí)驗測量所用的吉普車模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并由部分介質(zhì)材料構(gòu)成，因此難以對其建立準(zhǔn)確的仿真模型；同時，對于太赫茲頻段，模型的幾何尺寸較大，內(nèi)部又存在大量細(xì)微結(jié)構(gòu)，需進(jìn)行大量的網(wǎng)格剖分才能較準(zhǔn)確計算出模型的RCS值，耗費(fèi)時間長，因此難以根據(jù)模型的RCS數(shù)值計算結(jié)果對測量進(jìn)行評估．注意到吉普車模型具有對稱性，本研究提出一種在沒有計算值情況下，基于對稱性的復(fù)雜模型RCS測量驗證方法，如圖6．

圖6 吉普車數(shù)據(jù)分析方法和結(jié)果Fig.6 Evaluation method and result for jeep model

圖6(a)為該方法的具體思路．在測量過程中，設(shè)置入射波正對車尾時所獲RCS值為0°觀測角下的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺逆時針旋轉(zhuǎn)．由圖6(a)可見，σα和σ360-α來自模型的兩個對稱部位，理論上應(yīng)該相等，因此，可根據(jù)吉普車模型對稱部位所測數(shù)據(jù)的比對分析RCS測量結(jié)果．圖6(b)為吉普車模型在兩個頻段下對稱部位的差值結(jié)果．縱坐標(biāo)為對稱部位在觀測角α下的RCS差值Δσα， 且Δσα=σα-σ360-α． 由圖6(b)可見，對稱部位差值在一定范圍內(nèi)波動，220 GHz的差值均值為0.314 8 dBsm，440 GHz的差值均值為0.003 9 dBsm，證明系統(tǒng)整體較為穩(wěn)定．

結(jié) 語

本研究介紹了太赫茲RCS測量的發(fā)展現(xiàn)狀及微波倍頻太赫茲RCS測量系統(tǒng)的主要問題，針對存在問題，研究搭建了基于矢網(wǎng)的微波倍頻太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜目標(biāo)模型在220 GHz和440 GHz頻段的RCS測量實(shí)驗．通過與數(shù)值計算比對，驗證系統(tǒng)捕捉復(fù)雜結(jié)構(gòu)散射特征的能力．并在此基礎(chǔ)上，針對太赫茲頻段復(fù)雜模型數(shù)值計算困難的特點(diǎn)，提出利用模型對稱性驗證測量精度的方法，并通過對比分析不同頻段的測量結(jié)果，說明該驗證方法可行．該研究結(jié)果對太赫茲頻段目標(biāo)散射特性的測量、分析和研究具有實(shí)踐和借鑒意義．