太赫兹雷达技术（三）

3.2 目标散射特性建模与计算

目标散射特性建模与计算是获取目标散射特性的有效方法。太赫兹频段实际目标一般应视为粗糙表面目标，表面细微结构散射较强不可忽略，且是超电大尺寸目标，这是太赫兹频段目标散射特性建模与计算的瓶颈问题。研究太赫兹频段目标特性可采用两种技术途径：一种是由微波/毫米波向上扩展，另一种是由光学频段向下扩展。

微波/毫米波频段目标散射建模计算方法向太赫兹频段扩展的基础仍然是计算电磁学。由美国电磁代码联合体(ElectroMagnetic Code Consortium, EMCC)组织开发了基于弹跳射线(Shooting and Bouncing Ray, SBR)技术的X-Patch电磁计算软件^[49]，该软件可以完成复杂目标雷达散射截面的计算、实现1维距离像、合成孔径雷达像、逆合成孔径雷达像、以及3维散射中心的信息提取等。美国马萨诸塞大学STL实验室利用X-Patch软件进行了太赫兹频段目标RCS计算，并与实测结果进行了比较，得到了较为一致的结果^[50]，如图8所示，但仅能计算小尺寸目标。

图 8 T5M3目标的RCS测量结果与X-Patch计算结果比较Fig.8 The RCS comparing results of T5M3 and X-Patch

太赫兹频段目标表面粗糙起伏正好处于由不可见到可见的过渡区域。相关测量研究表明太赫兹频段下目标表面的亚波长粗糙和细微结构对电磁散射行为具有重要影响。因此，为了更准确地对太赫兹频段(尤其高频段)目标散射特性进行建模，目标表面的粗糙起伏将成为建模是否准确的一个重要因素。典型的粗糙面散射理论计算方法主要包括微扰法(Small Perturbation Method, SPM)、吉尔霍夫近似(Kirchhoff Approximation, KA)、小斜率近似法(Small Slope Approximation, SSA)、双尺度法(Two Scale Method, TSM)等。这些方法是在太赫兹频段的适用性也有部分学者进行了研究，包括美国STL实验室^[51]、波特兰大学^[52]、德国的Jansen C^[53]等人针对不同类型的粗糙表面，基于SPM或KA模型进行太赫兹频段目标粗糙表面散射回波强度的理论计算，并与实验测量结果进行了对比验证。如图9所示为STL实验室对粗糙均方根值在5～20 μm的粗糙铝表面样品的测量值与KA模型值的比较结果，并通过比较，精确地求出了粗糙面的均方根值。

图 9 STL实验室对3份不同粗糙样品的散射系数测量结果Fig.9 The dissipation coefficient of three rough samples

粗糙面散射理论本身并不具备计算相位的能力。为了提供散射场的相位从而为后续雷达成像等应用提供支撑，德国研究人员在2014年提出了一种方法对太赫兹频段的表面粗糙人体散射特性进行理论建模与计算，基于散射计算数据获得了人体目标的成像结果，并将理论结果与测量结果进行了比较，图10为粗糙表面人体的仿真数据成像结果和实测数据成像结果的比较^[54]。

图 10 仿真数据与测量数据的重建图像比较Fig.10 The reconstructed image of the simulation and the experiment

国内以东南大学为代表开发实现了基于高频近似方法—弹跳射线法与增量长度绕射系数法(Incremental Length Diffraction Coefficients, ILDC)的太赫兹频段目标散射计算方法，并与数值方法(Multilevel Fast Multipole Algorithm, MFLMA)计算结果进行比较，验证了所实现高频方法计算的准确性^[55]。国防科技大学通过对太赫兹频段目标进行散射建模与计算^[56–58]，分析了太赫兹频段复杂目标的成像特性，揭示了太赫兹波散射成像的高分辨优势^[59,60]。如图11所示为基于电磁计算数据的T64坦克2维成像结果，可见太赫兹频段目标散射成像可直观地反映目标轮廓与详细的散射特征信息，非常有利于目标识别。图12所示为一个金属立方体模型考虑表面粗糙度前后的雷达成像结果，通过成像分析可以看出粗糙表面使得成像结果可以直观地反映目标的轮廓信息，相比之下，光滑立方体成像仅由少数几个散射点构成。另外，针对目标表面粗糙问题，国防科技大学还提出了一种半确定性面片分级散射建模方法^[61]，该方法降低了对超电大目标需进行极密网格剖分的障碍，使得在现有计算条件下计算太赫兹频段超电大目标的散射特性成为可能。

图 11 频率0.6 THz时T64坦克2维多普勒成像Fig.11 The two-dimensional Doppler imaging of T64 based on 0.6 THz

图 12 粗糙立方体模型及成像结果Fig.12 The model and imaging of rough cube

3.3 目标散射特性测量

太赫兹频段目标散射特性测量系统的实现方式通常分为电子学和光学两大类。电子学方式主要为基于固态倍频链路实现，光学方式主要包括基于飞秒激光器的太赫兹时域光谱测量系统和基于远红外激光器的散射测量系统^[3]。

3.3.1 基于电子学系统的测量

微波倍频源测量系统主要是在太赫兹低频段开展测量，其被测目标尺寸较其他两种方法大，且RCS数据包含相位信息^[62,63]。美国STL实验室1997年和2010年搭建了0.524 THz和0.24 THz太赫兹抛物面紧缩场测量系统，对坦克等目标的缩比模型进行了测量并成像^[63]。芬兰赫尔辛基科技大学2006年基于微波倍频源建立了0.31 THz全息图型太赫兹紧缩场系统，对导弹模型的测量结果与计算结果进行了对比验证。国防科技大学、航天科工集团207所和航天科技802所为代表，基于固态电子学源测量系统进行了散射测量实验，获得了目标的RCS曲线和2维散射分布结果。针对近场测量和测量背景杂波，国防科技大学开展了近远场变换技术和背景杂波抑制技术研究，在实测数据处理中有效改善了测试精度^[62,63]。中物院基于140 GHz成像雷达通过近-远场变换，利用目标的1维距离像、2维逆合成孔径雷达像数据估计得到了目标RCS^[62,63]。

3.3.2 基于TDS系统的测量

TDS系统主要是在太赫兹中低频段开展测量，其被测目标尺寸较小，且RCS数据不包含相位信息^[1]。德国布伦瑞克太赫兹通信实验室在2009年基于光纤耦合太赫兹收发器搭建了RCS时域测量系统，通过将金属球与平板的测量结果与理论数据进行对比验证了该系统测量的可行性，2012年基于新的光纤耦合天线与双圆测角器改进了该测量系统，使其能够灵活完成不同角度配置的双站RCS测量，获得了1:250缩比旋风200战机与F-117战机的RCS随频率与角度变化曲线，并且对比分析了旋风200在挂弹前后的RCS变化以及F-117垂直尾翼展开前后的RCS变化^[64–66]。2010年丹麦技术大学基于飞秒激光器建立了一套太赫兹时域脉冲系统，获得了远场条件下1:150缩比F-16飞机的不同姿态角RCS结果。2013年以来，国防科技大学利用自主搭建的TDS系统测得了金属球、金属圆形平板、光滑金属圆柱和粗糙金属圆柱目标的太赫兹RCS数据，并进行了RCS特性分析^[62,63]。2014年以来，航天科工207所利用TDS系统在0.1～2.4 THz测量了玻璃钢材料的反射率和金属铝的介电参数，同时测量了金属球的RCS，精度优于3 dB。由于TDS在如此宽的频段存在“光斑-功率”矛盾以及高斯波束非静区等问题，将其用于RCS测量至今仍存在一定的争议^[67]。

3.3.3 基于远红外激光器系统的测量

基于远红外激光器的测量系统主要是在太赫兹中高频段开展测量，其被测目标尺寸较小，且RCS数据不包含相位信息^[68,69]。美国STL实验室2001年以来，先后研制了0.35 THz、1.56 THz和2.4 THz太赫兹抛物面紧缩场测量系统，并于2010年利用2.4 THz系统对军用卡车、T-80BV坦克等目标的缩比模型进行了RCS测量^[68]。2015年以来，哈尔滨工业大学基于远红外激光实验测量系统研究了高斯波束对圆柱、球等标准体目标太赫兹雷达散射截面的影响。天津大学基于远红外激光实验测量系统开展基于远红外傅里叶光谱仪的透射式介质介电参数测量方法研究，完成透射式、反射式介电参数测量系统的搭建及典型介质材料的介电参数数据测量，并对标准体RCS及双站散射特性进行测量，完成粗糙样片双站散射特性测量系统搭建及数据测量。从当前测量结果来看，粗糙度为3 μm到30 μm的目标，其粗糙特性对RCS存在明显影响。

总体来看，太赫兹频段目标散射特性测量尚存在光学方法功率小、静区过小、电子学方法频段低、静区小等问题，测量精度均偏低(对简单形体目标在3 dB左右)，缩比测量技术与近远场变换方法研究也有待加强。

4 太赫兹雷达目标成像

成像旨在获得目标某种物理量的空间分布，例如散射系数、介电参数、辐射亮温、坐标位置等，高分辨成像能力是太赫兹雷达最重要的优势。由于能够同时借鉴光学和微波成像，太赫兹成像方式林林总总，包括主动式雷达成像、飞行时间成像、层析与衍射层析成像、逐点扫描成像、被动焦平面成像、倏逝波近场成像、时间反转成像、单像素压缩感知成像、全息成像、菲涅尔透镜成像、暗场成像、动态孔径成像、声学成像等。但对于本文关注的雷达成像，太赫兹频段雷达成像并未突破经典相参雷达成像的范畴，在机理上依然是利用层析原理和距离多普勒原理，在模型上依然是利用综合孔径或阵列实孔径，在方法上依然是利用后向投影、距离多普勒、距离徙动等算法，且不同角度和频点间目标回波的相干性依然得以保持。但是，太赫兹雷达客观上存在一定的频段特殊性问题，例如大带宽信号非线性影响、近场效应等，以及一定的频段特殊性优势，例如对准光扫描技术的普遍利用、高帧率成像、对粗糙面、细微结构甚至材料参数的成像能力等。

从成像方式的角度目前已有的太赫兹雷达成像分类如图13所示，不同方式可以融合，下面按照这一分类介绍太赫兹雷达成像方面国内外取得的一些成果，其中准光扫描方式不再单独介绍。

图 13 太赫兹雷达成像方式Fig.13 The imaging ways of terahertz radar

4.1 ISAR成像

在转台成像方面，国内外诸多研究单位基于电子学系统对标准体、人体、飞机坦克模型、自行车、吸波材料等目标进行了0.14 THz, 0.22 THz, 0.33 THz, 0.44 THz, 0.67 THz宽带转台成像实验，在0.67 THz开展了点频360°成像实验，表明不同脉冲和不同转角下相位相干性依然得以保留，转台成像至少在太赫兹低频段仍然适用；同时围绕非线性校正及其导致的等效转台中心偏移、远场成像条件、近场大转角成像方法等问题开展了理论研究。其中转台成像实验最典型的代表是2013—2015年德国利用米兰达(Miranda)300系统^[70]开展的人体和自行车成像实验，其自行车成像结果如图14所示。该系统载频300 GHz，带宽40 GHz，实现了最远700 m处的携带隐匿物品的人体成像，分辨率达到3.75 mm。2015年，对系统进行了优化升级，实现了更为清晰的自行车目标图像^[71]。国内比较有代表性的是电子科技大学研制的340 GHz雷达，利用2维FFT和BP等方法实现了目标高分辨成像^[72]。