太赫兹目标散射特性关键技术研究

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近年来,太赫兹科学与技术的不断发展促使太赫兹雷达在诸多领域产生广泛应用。做为共性基础问题,目标散射特性是太赫兹雷达系统论证、设计以及实际应用的基础,也是催生新的雷达系统形态的前提。掌握太赫兹频段目标散射特性已成为该研究领域一项迫切而重要的任务。但是,由于太赫兹频段恰好处于由宏观电子学向微观光子学过渡的频段,目前目标材料对太赫兹波的响应机理尚且不明,目标表面可与波长比拟的细微结构对太赫兹波散射的影响规律不清,同时有效的散射特性计算方法与实验测量手段缺乏,这些问题的存在给太赫兹频段目标散射特性理解与太赫兹雷达技术的实际应用带来了严峻挑战。结合微波频段和光学频段目标散射特性技术研究手段与方法,可为太赫兹频段目标散射特性研究提供一定的思路和启发。本文从太赫兹波与目标相互作用机理以及影响散射机理的因素出发,开展太赫兹频段目标散射特性的研究工作。首先,针对太赫兹频段目标材料对太赫兹波的响应机理与响应方式的不同,通过对微观作用机理进行分析和讨论,建立了典型金属材料在太赫兹频段的有效介电系数模型。针对所建立的太赫兹频段金属材料介电系数模型,基于阻抗边界条件的电磁计算方法分析了太赫兹频段金属材料的频率色散对散射特性的影响。同时,针对光滑金属球这一典型研究目标,提出了大介电系数条件下的精确散射解,并据此获得了光滑金属球从微波频段到光学频段的RCS变化曲线。计算分析结果表明太赫兹频段金属材料介电系数的色散对目标散射特性的影响较小,典型金属材料在太赫兹频段仍具有接近于1的反射率。球型目标的精确散射解同时可用于分析任意材料光滑球的散射特性。其次,针对太赫兹频段目标表面存在的可与波长比拟的粗糙结构特征以及这些粗糙结构对目标散射特性造成的特殊的响应规律,通过精确几何建模、精确电磁计算、粗糙散射特性建模等手段研究和分析太赫兹频段目标粗糙表面对散射特性的影响。研究从简单粗糙标准体目标出发,提出了粗糙标准体目标几何建模方法,并基于精确数值方法和蒙特卡洛仿真方法研究了不同表面粗糙度水平对标准体目标散射特性的影响。针对金属球这一典型目标,基于全波法研究了粗糙条件下的相干散射和非相干散射建模问题,在综合考虑金属球色散特性和粗糙表面结构后给出粗糙金属球从微波频段到光学频段的散射截面变化曲线,获得了随着频率增加金属球散射特性的直观和定量理解,解释了激光频段粗糙铝球的后向散射增强效应。再次,在分析和掌握了散射特性问题中目标材料和粗糙结构两方面的输入参数对散射特性的影响后,进一步提出了太赫兹频段实际粗糙凸体目标散射特性建模与计算方法。在粗糙目标的几何建模方面,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,针对这一问题提出了确定性建模与统计性建模相结合的电大尺寸粗糙目标几何建模方法,为实现粗糙目标散射特性的有效计算提供了基础条件。在计算方法方面,分别基于基尔霍夫近似理论和全波法理论提出了实际粗糙凸体目标散射特性建模与计算方法,所提方法可获得粗糙目标的散射场和散射截面计算结果,为太赫兹频段目标散射特性的理论研究提供了支撑,通过部分标准体目标的计算仿真验证了所提方法的准确性和有效性。最后,在太赫兹频段目标散射特性分析的技术与手段方面,开展了基于雷达成像方法的特性研究以及成像方法本身研究。太赫兹雷达成像的高分辨率优势对目标散射特性分析具有重要意义,为此针对太赫兹雷达成像的高方位向分辨率特点,首先提出了基于方位俯仰观测孔径的类光学图像成像方法,该方法可获得目标在二维多普勒平面的成像结果并可用于目标的散射点诊断与分析;针对太赫兹频段目标成像结果中散射点数目急剧增加和目标散射分布呈现出的块结构分布特性,将压缩感知理论引入太赫兹雷达图像重建中,提出了基于块稀疏恢复理论的目标图像重建方法。为了处理实际目标图像中块分布的不均匀特性,定义了基于块不均匀划分的块稀疏信号以及块互相关系数,仿真结果证明通过开发目标图像的块结构特征信息可改善图像重建性能;针对目前太赫兹实验雷达的收发分置实现方式,提出了一种双站太赫兹雷达方位俯仰成像方法,可用来获取目标的双站成像结果并分析目标的双站散射特性,同时通过引入压缩感知理论实现了基于少数测量的超分辨图像重建,基于电磁计算数据验证了获得坦克目标在不同双站角下的超分辨图像的能力;最后,针对太赫兹波的波长短优势,结合实孔径和合成孔径成像的概念提出了太赫兹雷达多视角实阵列成像方法,仿真结果证明实孔径与虚拟孔径的结合有效提高了太赫兹雷达成像的分辨率,对于太赫兹雷达的安检和站开式成像等应用具有重要借鉴意义。
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