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        太赫茲頻段復(fù)雜目標雷達散射截面測量與驗證

        2019-03-25 09:36:06李彥鵬王宏強
        關(guān)鍵詞:定標赫茲頻段

        逄 爽,曾 旸,楊 琪,李彥鵬,鄧 彬,王宏強

        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,太赫茲雷達實驗系統(tǒng)不斷涌現(xiàn).目標散射特性是太赫茲雷達論證、設(shè)計以及實際應(yīng)用的共性基礎(chǔ)問題,研究目標特性離不開太赫茲雷達散射截面(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散射特性時,全尺寸的外場測量難以實現(xiàn),需要對目標的縮比模型進行測量.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、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成像和RCS測量等方面也獲得大量研究成果,太赫茲目標RCS測量得到快速發(fā)展[6-8].

        然而,針對復(fù)雜目標的太赫茲RCS測量仍存在較大挑戰(zhàn).首先,由于太赫茲波對目標的表面粗糙度以及細微結(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的雜波抑制能力.其次,在對測量數(shù)據(jù)進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RCS數(shù)值并非易事,雖然現(xiàn)有電磁計算軟件功能強大,但對于復(fù)雜目標的仿真計算仍存在耗時過長以及復(fù)雜目標模型難以構(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),并進行相應(yīng)的測量實驗.

        本研究針對太赫茲低頻段復(fù)雜電大尺寸目標模型展開,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)雜目標的測量能力;根據(jù)模型特點,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.重點介紹太赫茲RCS測量原理、實驗采用的測量系統(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

        雷達散射截面是度量雷達目標對入射電磁波散射能力的一個物理量.根據(jù)文獻[9],RCS的定義通常有基于電磁散射理論及基于雷達測量兩種觀點,兩者的概念統(tǒng)一,均定義為單位立體角內(nèi)目標朝接收方向散射的功率,與從給定方向入射于該目標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為目標的雷達散射截面;Ei和Es分別表示入射電場強度和散射電場強度;R為雷達與目標之間的距離.

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

        (2)

        其中,Hi和Hs分別表示入射磁場強度和散射磁場強度.

        基于雷達測量觀點定義的RCS由雷達方程式推導(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)適用于相對定標法來測量目標RCS.本研究根據(jù)式(3)原理設(shè)計并實施測量實驗.

        2 多頻段復(fù)用太赫茲雷達系統(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)用太赫茲雷達系統(tǒng),分別對220 GHz和440 GHz頻段的目標RCS進行測量.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.雷達收發(fā)前端相互獨立,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-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RCS.雷達收發(fā)前端中心線與模型中心同高且在同一垂直平面內(nèi),目標距離天線中心位置4.3 m,遠大于收發(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所在區(qū)域,提取目標區(qū)的數(shù)據(jù)作為目標散射回波,從而可以較好抑制目標區(qū)外的雜波.

        2.2.2 相對定標與背景對消

        在測量過程中,由于目標環(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,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頻RCS測量為例說明背景對消技術(shù).假設(shè)測量定標體(如定標球或金屬板)的散射回波電場為E0, 沒有待測目標時測量暗室和支架的散射回波電場為E1, 放置目標后的散射波電場為Et, 則經(jīng)過背景對消處理的目標RCSσt(單位:dBsm)為

        (4)

        其中,σ0為定標體的RCS理論值.由測量過程可見,由于目標回波和定標體的回波中均包含背景回波,把背景回波的電場從目標回波和定標體回波中減去,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體以及被測目標的頻率響應(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,通過對比標準體的測量結(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

        實驗中設(shè)置矢網(wǎng)的工作模式為步進頻,掃頻點數(shù)為801,轉(zhuǎn)臺角度間隔為0.1°.首先,選取半徑為10 cm的金屬球作為定標球?qū)ο到y(tǒng)進行定標.然后對金屬圓柱(底面半徑4 cm,高20 cm)進行方位角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-25 dBsm;圓柱底面和側(cè)面對應(yīng)的4個RCS峰值與計算結(jié)果在方位上準確吻合,測量誤差均值為0.85 dBsm.

        3 復(fù)雜目標RCS測量與結(jié)果分析

        3.1 復(fù)雜目標模型的RCS測量與驗證

        為評估系統(tǒng)對復(fù)雜目標的測量能力,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,分別測試其在220 GHz和440 GHz頻段的RCS值.實驗中對目標模型進行方位角0°~360°的全角度測量,目標的旋轉(zhuǎn)由轉(zhuǎn)臺控制,角度間隔為0.2°.模型放置在轉(zhuǎn)盤中心,使用激光校準儀進行定位,以確保波束方向準確指向轉(zhuǎn)臺的垂直中軸,波束與目標中心高度一致.

        圖3 復(fù)雜目標模型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,均能捕捉到目標由于復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的強散射中心的貢獻.另一方面,這些強散射中心的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,在鏡面散射較強的觀測角度下,信噪比高,兩個頻段均能較好測得目標的散射回波,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)部又存在大量細微結(jié)構(gòu),需進行大量的網(wǎng)格剖分才能較準確計算出模型的RCS值,耗費時間長,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系統(tǒng),實現(xiàn)對復(fù)雜目標模型在220 GHz和440 GHz頻段的RCS測量實驗.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,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散射特性的測量、分析和研究具有實踐和借鑒意義.

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