缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究

本文首次以钛宝石飞秒激光振荡级为抽运源,搭建了国内首套宽频时域太赫兹雷达(带宽0.1—1.3 THz)并进行了基于标准球的系统校正验证.利用该雷达测量了太赫兹波段三种缩比模型的散射时域信号.通过改进后的后向投影算法对模型的轮廓外形进行了成像研究,验证了新型时域散射信号成像机理.太赫兹雷达更高的频率,宽谱的特征和高分辨率成像的能力有望用于隐形外形设计过程,成为新兴的太赫兹散射特征研究平台.     

雷达信号处理技术在太赫兹成像中的应用

太赫兹成像采用的成像算法多来自于其他频段已经成熟的成像算法,而针对太赫兹波特性的成像算法还不多见,因此在太赫兹频段形成了成像机理及算法研究的空白。按照经典电磁理论、光学原理对太赫兹成像进行分类,指出了雷达成像与太赫兹成像之间的关系。并通过研究太赫兹雷达目标散射特征,分析了不同太赫兹源的衍射极限成像分辨力。最后,从信号处理的角度介绍了太赫兹雷达信号处理及成像算法的研究现状。     

不同表面结构特征圆柱导体的太赫兹散射特性

太赫兹频段下导体表面的细微结构、粗糙度等细节将对目标电磁散射行为产生影响。为衡量这一影响程度,以圆柱导体为例研究了太赫兹频段下目标表面不同结构特征的电磁散射现象及其在图像域的表现规律。利用高频电磁计算方法获得了表面分别为理想光滑、带刻痕和周期粗糙的三种圆柱多姿态角、多频点单站散射场;基于转台成像算法重建了小转角下目标的二维图像。从仿真结果可以看出:m量级的细节特征在太赫兹雷达图像上有着显著的表现,表明太赫兹雷达能够获取更加丰富和精细的目标信息,从而为目标探测识别提供新的特征和技术手段。     

太赫兹成像技术的进展

近年来随着光子技术和微电子技术的快速发展,太赫兹成像的应用领域越来越广泛,并在药品食品监测、生物医学成像、器件非接触无损检测、文物艺术品研究等领域取得了不错的成果。从太赫兹波的独特性质开始,总结了相比微波和X射线,太赫兹波在成像方面的优越性能。接着从光源方面,对太赫兹连续波成像和太赫兹脉冲波成像进行了比较,包括系统原理、成像特性以及各自优缺点等方面。之后,针对太赫兹成像技术二十年间的发展,本文重点回顾了太赫兹时域光谱成像技术、焦平面阵列探测成像技术、近场成像技术以及亚采样压缩感知成像技术四种方式,并对其基本原理和发展趋势进行了分析。其中,太赫兹时域光谱技术部分以经典的反射式光谱成像系统为例,重点介绍了光谱成像的基本原理、技术发展趋势及其在制药领域的实用案例,并在此基础上介绍了太赫兹源和太赫兹探测器两种成像关键器件的工作原理。焦平面阵列探测成像技术共介绍了CCD型、 Microbolometer型以及CMOS型三种目前较为成熟的面阵相机。近场成像技术分为孔径成像和尖端散射两大成像类型进行介绍,总结了包括近场照明模式、近场收集模式孔径成像技术以及激光太赫兹发射显微镜和扫描隧道显微镜两种典型的尖端散射近场成像技术,内容涉及系统工作的基本原理、当前研究的进展以及该技术在目前的发展中仍然存在的问题。最后一部分对比太赫兹光谱成像技术使用的光栅扫描采样方式,介绍了能够降低系统采样率的压缩感知成像方法。文中主要分析了光调制器作为亚采样关键器件的改进优化过程,以及研究人员对相关算法的改进。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm,提高0.502 mm,约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象,分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式,并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像,对比两种方式得到的样品的太赫兹像,结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析,指出小孔尺寸越小,系统的空间相干长度越大,空间分辨率越高,但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率,从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

一种有效提高太赫兹时域光谱装置成像空间分辨率的方法

太赫兹波成像技术一个最显著的制约因素是其有限的空间分辨率。提出通过在样品前加小孔的方法来提高传统太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率。采用在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm小孔的方法使成像的空间分辨率从1.276 mm提高到0.774 mm, 提高0.502 mm, 约39％。通过这个简单的方法在传统的太赫兹时域光谱成像装置上实现了空间分辨率从毫米量级到亚毫米量级的提高。聚乙烯板上直径为1 mm的小孔被作为成像的研究对象, 分别采用传统的太赫兹时域光谱装置对样品进行直接成像和在样品前约2 mm处加直径为0.5 mm的小孔后对样品成像两种方式, 并采用损失成像中信噪比较好的能量损失成像, 对比两种方式得到的样品的太赫兹像, 结果显示聚乙烯板上小孔的边界加小孔后成像比不加小孔直接成像明显清晰。证实了在样品前加小孔可以有效的提高太赫兹成像系统的空间分辨率。从理论上对通过在样品前加小孔提高系统空间分辨率的方法进行了分析, 指出小孔尺寸越小, 系统的空间相干长度越大, 空间分辨率越高, 但同时太赫兹信号的强度会相应减小。该方法可以简单有效的提高太赫兹时域光谱装置成像的空间分辨率, 从而进一步拓展太赫兹谱成像技术的应用领域。     

角反射体RCS微波暗室测量及分析

角反射体雷达散射截面(RCS)的测量是雷达目标识别、成像等研究领域的一个关键环节;在对目标RCS测量原理分析的基础上,介绍了一个在微波暗室中基于紧缩场和矢量网络分析仪测量目标RCS的测量系统;利用该系统对角反射体垂直姿态和45°姿态的RCS进行了360度转角扫频的测量,结果与FEKO软件仿真计算的结果对比表明,两种方法得到的数据走势基本一致。     

太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究

给出了一种载频0.14 THz、带宽5 GHz的极高分辨力太赫兹雷达成像系统样机。系统采用Ka波段毫米波信号二倍频后作为样机收发链路的谐波混频本振,以线性调频连续波信号作为发射信号,接收时采用去斜接收。利用该太赫兹雷达进行了成像试验并得到了1维距离像与逆合成孔径雷达（ISAR）成像结果。结果表明,THz雷达样机实现了3 cm的高分辨力,其ISAR像清晰,反映了目标的细微特征。     

基于快速物理光学法的太赫兹目标RCS计算

研究了一种基于快速物理光学法(FPO)计算太赫兹(THz)波段目标雷达散射截面(RCS)的方法。将目标散射体分解成若干个子区域,经相位补偿后计算出每个子区域的散射特性,经过插值、相位恢复和聚合得到整个散射体的散射特性,并对FPO在THz波段的应用进行了讨论。仿真结果表明:利用FPO法计算THz目标的RCS,能够在保证准确性的前提下,大大提高计算效率,节省计算时间。该研究对于THz波段的快速目标识别和成像有着重要的意义。     

太赫兹与远红外频段下铝质目标电磁特性与计算

在太赫兹与远红外频段,铝处于由导体到介质的过渡,研究该频段铝质目标与电磁波的相互作用机理对于实现太赫兹频段目标精确电磁散射计算具有重要意义.基于实验测量数据,设计有效误差准则模型拟合得到了太赫兹与远红外频段铝的介电系数模型;基于拟合模型通过推导过渡阶段不同损耗机理下铝中传播电磁波的空间相位系数与铝的波阻抗等参数,分析了太赫兹与远红外频段电磁波在铝中的透射与反射特性,给出了铝的反射率关于频率的变化曲线.结果表明铝中电磁波传播参数从微波向太赫兹频段过渡时具有很好的连续性与一致性;基于阻抗边界条件的雷达散射截面计算结果表明太赫兹频段光滑铝质目标可视做理想导体进行计算,太赫兹雷达散射截面测量中可利用光滑铝板或铝球做为定标体.     

Cross section measurements of scale-model tactical targets by using 0.1 THz compact radar system

We present a new compact radar system to measure a terahertz radar cross section(RCS) of metal plates,trihedral corner reflectors,and an aircraft scaled model with a 0.1 THz continuous wave.We both numerically and experimentally investigate the terahertz RCS of the metal plates and trihedral corner reflectors.The numerical simulations are obtained by using commercial software,i.e.,computer simulation technology,which agree well with the experimental results.Then,the RCS of an aircraft scaled model is measured,and the experimental results are in good agreement with the physical characteristics of the scaled model.The effectiveness of our compact radar system is verified to get the RCS of complex targets,such as the scaled models of the tactical targets.     

Scaled radar cross section measurement method for lossy targets via dynamically matching reflection coefficients in THz band

In the terahertz band, the dispersive characteristic of dielectric material is one of the major problems in the scaled radar cross section (RCS) measurement, which is inconsistent with the electrodynamics similitude deducted according to the Maxwell's equations. Based on the high-frequency estimation method of physical optics (PO), a scaled RCS measurement method for lossy objects is proposed through dynamically matching the reflection coefficients according to the distribution of the object facets. Simulations of the model of SLICY are conducted, and the inversed RCS of the lossy prototype is obtained using the proposed method. Comparing the inversed RCS with the calculated results, the validity of the proposed method is demonstrated. The proposed method provides an effective solution to the scaled RCS measurement for lossy objects in the THz band.     

Study of terahertz interferometric imaging using optical techniques

<正>Principles of terahertz(THz) interferometric synthetic aperture imaging with heterodyne and optical techniques are presented.A THz interferometric experiment based on optical up-conversion is set up.The received THz signal is modulated into an optical carrier and transmitted in a fiber.To simulate phase differences between two THz receivers,the output of receiver is divided and a phase shifter is placed before electro-optical modulation(EOM).Interferometric spectra of these modulated optical signals are examined at different phase shifts.Otherwise,carrier suppression and phase error calibration are discussed for THz interferometric synthetic aperture imaging.     

频率步进太赫兹脉冲成像技术研究

针对太赫兹频段具有大带宽的特点,阐述了太赫兹波段进行高分辨力成像的原理,按照微波上变频的方法,将微波源通过混频和倍频方式得到太赫兹频率源;采用频率步进脉冲体制,设计和实现了220 GHz太赫兹主动成像系统;并在暗室和外场进行了分辨力测试和拉距实验,获得的纵向分辨力达4 cm,测试距离达10 m。     

High-sensitive terahertz detection by parametric up-conversion using nanosecond pulsed laser

A high-sensitive terahertz detector operating at room temperature was demonstrated based on parametric upconversion.A nanosecond 1064-nm Nd:YAG laser was used to pump the parametric up-conversion detector and the upconversion from terahertz wave to NIR laser was realized in a lithium niobate crystal.The minimum detectable terahertz energy of 9 p J was realized with the detection dynamic range of 54 d B,which was three orders of magnitude higher than that of commercial Golay cell.The detectable terahertz frequency range of the detection system was 0.90 Thz–1.83 THz.Besides,the effects of pump energy and effective gain length on the detection sensitivity were studied in experiment.The results showed that higher pump energy and longer effective gain length are helpful for improving the detection sensitivity of parametric up-conversion detector.     

Analysis of backscattering RCS of targets coated with parabolic distribution and time-varying plasma media

The backscattering radar cross section (RCS) of targets coated with parabolic distribution and time-varying unmagnetized plasma is analyzed by the finite-difference time-domain (FDTD) method based on the Runge–Kutta exponential time differencing (RKETD) technique. The two-dimensional RKETD-FDTD formulations are derived. The effects of the plasma parameters on the RCS are investigated. The numerical results illustrate that plasma cloaking system can successfully reduce the backscattering RCS, the plasma stealth is effective, and reasonable selection of different parameters of plasma can enhance its effectiveness.     

Development of a rapid-scan fiber-integrated terahertz spectrometer

Scientists in terahertz (THz) wave technologies have benefited from the recent developments in ultrafast laser technologies and RF technologies and applied these new gained techniques into characterizing a wide variety of phenomena. Undoubtedly, the most successful of these applications has been in the development of time-domain terahertz spectroscopic and imaging systems which has been utilized in the characterization of dielectrics and semiconductors. This pulsed technique has allowed users to characterize dynamical behavior inside materials under illumination with picosecond resolution. Typically pump/probe or similar dynamical measurements require the use of amplified pulses derived from free-space solid state lasers in the $\upmu $ J–mJ range and since interferometric techniques are typically used in pulsed measurements the measurement time of a THz spectrum can last at least tens of minutes. Better systems can be realized based on fiber laser technologies. Here we discuss the advantages of a THz spectrometer driven by an ultrafast Ytterbium doped fiber laser whose repetition rate can be tuned rapidly allowing for rapid dynamical measurements. The efficient gain medium, robust operation and compact design of the system opens up the possibility of exploring rapid detection of various materials as well as studying dynamical behavior using the high brightness source.     

生物基底材料的超宽频带太赫兹光谱研究

作为一种新兴的方式,太赫兹时域光谱和成像已经被广泛应用到研究不同生物组织的光学特性。在空气等离子体处施加偏置电场对太赫兹波脉冲进行外差式相干检测(air-biased-coherent-detection,ABCD)的太赫兹系统具有超宽频带和可以在较远距离进行成像的优点,十分适用于对生物组织进行超宽谱研究,而对生物组织进行光谱测量通常需要基底材料。利用太赫兹ABCD系统对四种典型的基底材料(石英,高密度聚乙烯,聚四氟乙烯和石蜡)的光学参数进行测定,并计算其在1~15THz频率范围内的吸收系数和折射率。结果表明,高密度聚乙烯和石蜡可以很好的被用作生物组织超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。同时,虽然石英和聚四氟乙烯都是窄带(0.1~3THz)太赫兹系统中常用的基底材料,但是由于它们在高于5THz的频率范围内对太赫兹波具有较强的吸收,所以不能用作超宽频带太赫兹光谱测量的基底材料。