太赫茲雷達技術（三）

3.2 目標散射特性建模與計算

目標散射特性建模與計算是獲取目標散射特性的有效方法。太赫茲頻段實際目標一般應視為粗糙表面目標，表面細微結構散射較強不可忽略，且是超電大尺寸目標，這是太赫茲頻段目標散射特性建模與計算的瓶頸問題。研究太赫茲頻段目標特性可采用兩種技術途徑：一種是由微波/毫米波向上擴展，另一種是由光學頻段向下擴展。

微波/毫米波頻段目標散射建模計算方法向太赫茲頻段擴展的基礎仍然是計算電磁學。由美國電磁代碼聯合體(ElectroMagnetic Code Consortium, EMCC)組織開發了基于彈跳射線(Shooting and Bouncing Ray, SBR)技術的X-Patch電磁計算軟件^[49]，該軟件可以完成復雜目標雷達散射截面的計算、實現1維距離像、合成孔徑雷達像、逆合成孔徑雷達像、以及3維散射中心的信息提取等。美國馬薩諸塞大學STL實驗室利用X-Patch軟件進行了太赫茲頻段目標RCS計算，并與實測結果進行了比較，得到了較為一致的結果^[50]，如圖8所示，但僅能計算小尺寸目標。

圖 8 T5M3目標的RCS測量結果與X-Patch計算結果比較Fig.8 The RCS comparing results of T5M3 and X-Patch

太赫茲頻段目標表面粗糙起伏正好處于由不可見到可見的過渡區域。相關測量研究表明太赫茲頻段下目標表面的亞波長粗糙和細微結構對電磁散射行為具有重要影響。因此，為了更準確地對太赫茲頻段(尤其高頻段)目標散射特性進行建模，目標表面的粗糙起伏將成為建模是否準確的一個重要因素。典型的粗糙面散射理論計算方法主要包括微擾法(Small Perturbation Method, SPM)、吉爾霍夫近似(Kirchhoff Approximation, KA)、小斜率近似法(Small Slope Approximation, SSA)、雙尺度法(Two Scale Method, TSM)等。這些方法是在太赫茲頻段的適用性也有部分學者進行了研究，包括美國STL實驗室^[51]、波特蘭大學^[52]、德國的Jansen C^[53]等人針對不同類型的粗糙表面，基于SPM或KA模型進行太赫茲頻段目標粗糙表面散射回波強度的理論計算，并與實驗測量結果進行了對比驗證。如圖9所示為STL實驗室對粗糙均方根值在5～20 μm的粗糙鋁表面樣品的測量值與KA模型值的比較結果，并通過比較，精確地求出了粗糙面的均方根值。

圖 9 STL實驗室對3份不同粗糙樣品的散射系數測量結果Fig.9 The dissipation coefficient of three rough samples

粗糙面散射理論本身并不具備計算相位的能力。為了提供散射場的相位從而為后續雷達成像等應用提供支撐，德國研究人員在2014年提出了一種方法對太赫茲頻段的表面粗糙人體散射特性進行理論建模與計算，基于散射計算數據獲得了人體目標的成像結果，并將理論結果與測量結果進行了比較，圖10為粗糙表面人體的仿真數據成像結果和實測數據成像結果的比較^[54]。

圖 10 仿真數據與測量數據的重建圖像比較Fig.10 The reconstructed image of the simulation and the experiment

國內以東南大學為代表開發實現了基于高頻近似方法—彈跳射線法與增量長度繞射系數法(Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)的太赫茲頻段目標散射計算方法，并與數值方法(Multilevel Fast Multipole Algorithm, MFLMA)計算結果進行比較，驗證了所實現高頻方法計算的準確性^[55]。國防科技大學通過對太赫茲頻段目標進行散射建模與計算^[56–58]，分析了太赫茲頻段復雜目標的成像特性，揭示了太赫茲波散射成像的高分辨優勢^[59,60]。如圖11所示為基于電磁計算數據的T64坦克2維成像結果，可見太赫茲頻段目標散射成像可直觀地反映目標輪廓與詳細的散射特征信息，非常有利于目標識別。圖12所示為一個金屬立方體模型考慮表面粗糙度前后的雷達成像結果，通過成像分析可以看出粗糙表面使得成像結果可以直觀地反映目標的輪廓信息，相比之下，光滑立方體成像僅由少數幾個散射點構成。另外，針對目標表面粗糙問題，國防科技大學還提出了一種半確定性面片分級散射建模方法^[61]，該方法降低了對超電大目標需進行極密網格剖分的障礙，使得在現有計算條件下計算太赫茲頻段超電大目標的散射特性成為可能。

圖 11 頻率0.6 THz時T64坦克2維多普勒成像Fig.11 The two-dimensional Doppler imaging of T64 based on 0.6 THz

圖 12 粗糙立方體模型及成像結果Fig.12 The model and imaging of rough cube

3.3 目標散射特性測量

太赫茲頻段目標散射特性測量系統的實現方式通常分為電子學和光學兩大類。電子學方式主要為基于固態倍頻鏈路實現，光學方式主要包括基于飛秒激光器的太赫茲時域光譜測量系統和基于遠紅外激光器的散射測量系統^[3]。

3.3.1 基于電子學系統的測量

微波倍頻源測量系統主要是在太赫茲低頻段開展測量，其被測目標尺寸較其他兩種方法大，且RCS數據包含相位信息^[62,63]。美國STL實驗室1997年和2010年搭建了0.524 THz和0.24 THz太赫茲拋物面緊縮場測量系統，對坦克等目標的縮比模型進行了測量并成像^[63]。芬蘭赫爾辛基科技大學2006年基于微波倍頻源建立了0.31 THz全息圖型太赫茲緊縮場系統，對導彈模型的測量結果與計算結果進行了對比驗證。國防科技大學、航天科工集團207所和航天科技802所為代表，基于固態電子學源測量系統進行了散射測量實驗，獲得了目標的RCS曲線和2維散射分布結果。針對近場測量和測量背景雜波，國防科技大學開展了近遠場變換技術和背景雜波抑制技術研究，在實測數據處理中有效改善了測試精度^[62,63]。中物院基于140 GHz成像雷達通過近-遠場變換，利用目標的1維距離像、2維逆合成孔徑雷達像數據估計得到了目標RCS^[62,63]。

3.3.2 基于TDS系統的測量

TDS系統主要是在太赫茲中低頻段開展測量，其被測目標尺寸較小，且RCS數據不包含相位信息^[1]。德國布倫瑞克太赫茲通信實驗室在2009年基于光纖耦合太赫茲收發器搭建了RCS時域測量系統，通過將金屬球與平板的測量結果與理論數據進行對比驗證了該系統測量的可行性，2012年基于新的光纖耦合天線與雙圓測角器改進了該測量系統，使其能夠靈活完成不同角度配置的雙站RCS測量，獲得了1:250縮比旋風200戰機與F-117戰機的RCS隨頻率與角度變化曲線，并且對比分析了旋風200在掛彈前后的RCS變化以及F-117垂直尾翼展開前后的RCS變化^[64–66]。2010年丹麥技術大學基于飛秒激光器建立了一套太赫茲時域脈沖系統，獲得了遠場條件下1:150縮比F-16飛機的不同姿態角RCS結果。2013年以來，國防科技大學利用自主搭建的TDS系統測得了金屬球、金屬圓形平板、光滑金屬圓柱和粗糙金屬圓柱目標的太赫茲RCS數據，并進行了RCS特性分析^[62,63]。2014年以來，航天科工207所利用TDS系統在0.1～2.4 THz測量了玻璃鋼材料的反射率和金屬鋁的介電參數，同時測量了金屬球的RCS，精度優于3 dB。由于TDS在如此寬的頻段存在“光斑-功率”矛盾以及高斯波束非靜區等問題，將其用于RCS測量至今仍存在一定的爭議^[67]。

3.3.3 基于遠紅外激光器系統的測量

基于遠紅外激光器的測量系統主要是在太赫茲中高頻段開展測量，其被測目標尺寸較小，且RCS數據不包含相位信息^[68,69]。美國STL實驗室2001年以來，先后研制了0.35 THz、1.56 THz和2.4 THz太赫茲拋物面緊縮場測量系統，并于2010年利用2.4 THz系統對軍用卡車、T-80BV坦克等目標的縮比模型進行了RCS測量^[68]。2015年以來，哈爾濱工業大學基于遠紅外激光實驗測量系統研究了高斯波束對圓柱、球等標準體目標太赫茲雷達散射截面的影響。天津大學基于遠紅外激光實驗測量系統開展基于遠紅外傅里葉光譜儀的透射式介質介電參數測量方法研究，完成透射式、反射式介電參數測量系統的搭建及典型介質材料的介電參數數據測量，并對標準體RCS及雙站散射特性進行測量，完成粗糙樣片雙站散射特性測量系統搭建及數據測量。從當前測量結果來看，粗糙度為3 μm到30 μm的目標，其粗糙特性對RCS存在明顯影響。

總體來看，太赫茲頻段目標散射特性測量尚存在光學方法功率小、靜區過小、電子學方法頻段低、靜區小等問題，測量精度均偏低(對簡單形體目標在3 dB左右)，縮比測量技術與近遠場變換方法研究也有待加強。

4 太赫茲雷達目標成像

成像旨在獲得目標某種物理量的空間分布，例如散射系數、介電參數、輻射亮溫、坐標位置等，高分辨成像能力是太赫茲雷達最重要的優勢。由于能夠同時借鑒光學和微波成像，太赫茲成像方式林林總總，包括主動式雷達成像、飛行時間成像、層析與衍射層析成像、逐點掃描成像、被動焦平面成像、倏逝波近場成像、時間反轉成像、單像素壓縮感知成像、全息成像、菲涅爾透鏡成像、暗場成像、動態孔徑成像、聲學成像等。但對于本文關注的雷達成像，太赫茲頻段雷達成像并未突破經典相參雷達成像的范疇，在機理上依然是利用層析原理和距離多普勒原理，在模型上依然是利用綜合孔徑或陣列實孔徑，在方法上依然是利用后向投影、距離多普勒、距離徙動等算法，且不同角度和頻點間目標回波的相干性依然得以保持。但是，太赫茲雷達客觀上存在一定的頻段特殊性問題，例如大帶寬信號非線性影響、近場效應等，以及一定的頻段特殊性優勢，例如對準光掃描技術的普遍利用、高幀率成像、對粗糙面、細微結構甚至材料參數的成像能力等。

從成像方式的角度目前已有的太赫茲雷達成像分類如圖13所示，不同方式可以融合，下面按照這一分類介紹太赫茲雷達成像方面國內外取得的一些成果，其中準光掃描方式不再單獨介紹。

圖 13 太赫茲雷達成像方式Fig.13 The imaging ways of terahertz radar

4.1 ISAR成像

在轉臺成像方面，國內外諸多研究單位基于電子學系統對標準體、人體、飛機坦克模型、自行車、吸波材料等目標進行了0.14 THz, 0.22 THz, 0.33 THz, 0.44 THz, 0.67 THz寬帶轉臺成像實驗，在0.67 THz開展了點頻360°成像實驗，表明不同脈沖和不同轉角下相位相干性依然得以保留，轉臺成像至少在太赫茲低頻段仍然適用；同時圍繞非線性校正及其導致的等效轉臺中心偏移、遠場成像條件、近場大轉角成像方法等問題開展了理論研究。其中轉臺成像實驗最典型的代表是2013—2015年德國利用米蘭達(Miranda)300系統^[70]開展的人體和自行車成像實驗，其自行車成像結果如圖14所示。該系統載頻300 GHz，帶寬40 GHz，實現了最遠700 m處的攜帶隱匿物品的人體成像，分辨率達到3.75 mm。2015年，對系統進行了優化升級，實現了更為清晰的自行車目標圖像^[71]。國內比較有代表性的是電子科技大學研制的340 GHz雷達，利用2維FFT和BP等方法實現了目標高分辨成像^[72]。