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.     

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。     

基于编码超表面的太赫兹宽频段雷达散射截面缩减的研究

本文设计了一种柔性, 非定向低散射的1bit编码超表面, 实现了太赫兹宽频带雷达散射截面的缩减. 这种设计基于对“0”和“1”两种基本单元进行编码, 其反射相位差在很宽的频段范围内接近180°, 为一种非周期的排列方式, 该电磁超表面使入射的电磁波发生漫反射, 从而实现雷达散射截面的缩减. 全波仿真结果表明, 在垂直入射条件下, 编码超表面的镜像反射率低于-10 dB的带宽频段范围为1.0-1.4 THz, 该带宽内超表面相对同尺寸金属板可将雷达散射截面所减量达到10 dB以上, 最大缩减量达到19 dB. 把柔性编码表面弯曲在直径为4 mm的金属圆柱面上, 雷达散射截面的所减量高于10 dB以上的带宽频段范围为0.9-1.2 THz, 仍然可实现宽频带缩减特性. 总之, 编码超表面为调控太赫兹波提供一种新的途径, 将在雷达隐身、成像、宽带通信等方面具有重要的意义.     

粗糙表面涂覆目标的太赫兹波散射特性研究

对具有涂覆层目标的太赫兹波段粗糙表面的散射特性进行了研究. 考虑到表面粗糙度的影响, 可先对反射系数进行修正, 再利用反射系数对等效电磁流进行修正, 得到粗糙涂覆表面的等效电磁流, 然后在物理光学方程的基础上得到粗糙表面涂覆目标的雷达散射截面; 最后进行图形电磁学可视化计算, 并采用Visual C++对模型进行OpenGL显示, 提取像素面元的有效信息对所得理论进行了仿真分析, 研究了不同入射角度、不同频率、不同介质、不同粗糙度和不同涂层厚度下的太赫兹波电磁散射特性, 得到了一些有参考价值的结论.     

太赫兹波段纳米颗粒表面增强拉曼散射的研究

研究了太赫兹波段纳米颗粒的表面增强拉曼散射,证明在太赫兹波段同样存在拉曼增强现象。通过研究表面增强拉曼散射的电磁增强原理,提出利用时域有限差分法仿真模拟纳米颗粒在太赫兹波照射下的表面增强拉曼散射,分析了太赫兹波的增强效果。仿真实验表明,时域有限差分法可以有效精确仿真太赫兹波段纳米颗粒的散射效果,结果使表面增强拉曼散射从可见光和红外波段扩展到太赫兹波段,为太赫兹波与表面增强拉曼散射的结合应用提供了依据。     

不稳定表面粗糙目标的太赫兹波段散射特性分析

研究了不同粗糙度下的非均匀和分区均匀不稳定表面粗糙导体目标在太赫兹波段的散射特性。区别于采用经验公式的建模方法,提出把随机粗糙面的建模理念应用到太赫兹波段的非均匀和分区均匀不稳定表面粗糙导体目标的建模中,用描述粗糙面的均方根高度和相关长度两个物理量来调节目标表面的粗糙度变化。提出表面粗糙目标的分类形式并给出具体模型,然后用随机高斯粗糙面来模拟非均匀和分区均匀不稳定粗糙目标的表面,再采用物理光学和等效电流相结合的方法来进行仿真计算,分别对不同入射角、不同频率和不同粗糙度的非均匀和分区均匀不稳定表面粗糙导体目标的太赫兹波散射特性进行分析,最后得出了相关的结论。     

太赫兹目标RCS缩比测量技术

论述了国外基于微波上倍频、激光下变频、THz时域光谱三种典型太赫兹波目标雷达散射截面(RCS)缩比测试系统的构成、技术特点和应用范围。采用固态器件、基于微波上倍频技术集成研制了宽带太赫兹低频端目标RCS测量系统,采用基于扫频的时域法RCS测量技术和小角度旋转目标雷达合成孔径（ISAR）成像方法对小目标进行了电磁散射特性测量,获取了目标RCS和二维散射成像信息。     

电磁超表面在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用研究进展

电磁超表面由于其独特的电磁特性为调控电磁波提供了有力工具,合适地设计成编码、随机、相位不连续、完美吸收器等超表面,就能够控制电磁波的散射以及反射特性,实现雷达散射截面的缩减。本文综述了不同的电磁超表面利用漫反射或者吸收等特性实现在微波和太赫兹波段雷达散射截面缩减中的应用。分析表明,编码超表面由不同的数字单元组成,其反射相位差在很宽的频段范围内满足恒定的关系,设计特殊的单元序列使入射的电磁波产生非定向散射,更高bit编码超表面更容易灵活调控电磁波;随机超表面通过调节阵元的尺寸实现宽带移相从而将金属目标特征性强的反射峰打散成一个无规律、杂乱的波,产生漫反射;不连续超表面由于相位不连续可使电磁波发生漫反射或者异常反射;吸收器通过合理设计结构尺寸实现吸收电磁波能量来减小反射。因此电磁超表面在雷达隐身、宽带通讯、成像等方面具有重要的应用前景。最后对电磁超表面在雷达散射截面缩减中应用的发展趋势进行了初步探讨,未来将向着宽带、柔性、大角度等方面发展。     

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.     

介质涂层对导体目标电磁散射影响研究

介质和导体组成的混合雷达目标散射体的散射特性与散射体本身的结构、形状、尺寸和涂敷介质的特性有关。论文主要采用矩量法来研究介质涂层对导体目标电磁散射的影响,并以导体局部涂敷单层和双层介质为例研究混合体的散射特性,研究表明导体局部涂敷有双层介质比局部涂敷单层介质更有利于电磁波的吸收。     

含泡沫面元模型的海面电磁散射研究

传统计算海面电磁散射的方法都是通过求集平均的方法来统计得到不同输入参数下海面总回波系数的均值曲线,并不需要具体的几何样本.随着合成孔径雷达以及雷达成像的发展,为了充分描述海面各点的分布特征,需要得到海面具体面元的散射结果,同时随着海面上方风速的增大,海面泡沫层的出现会对散射结果产生相当大的影响.本文采用海面模型面元化的思想,将海面散射的贡献面元化,同时考虑泡沫层对大入射角下散射结果的影响,计算了不同风速下海面的后向散射系数,并与实测数据做对比分析,验证了方法的准确性.     

Scattering of Circularly Polarized Terahertz Waves on a Graphene Nanoantenna

We present a surface current method to model the graphene rectangular nanoantenna scattering in the terahertz band with Comsol.Compared with the equivalent thin slab method,the results obtained by the surface current method are more accurate and efficient.Then the electromagnetic scattering of circularly polarized terahertz waves on graphene nanoantennas is numerically analyzed by utilizing the surface current method.The dependences of the antenna resonant frequency with the circularly polarized wave on width and length are consistent with those for the linear polarized waves.These results are proved to be useful to design efficient nanoantennas in terahertz wireless communications.     

应用改进的物理光学法和图形计算电磁学近似算法快速计算导体目标电磁散射特性

结合改进的物理光学法和图形计算电磁学法实现了考虑边缘绕射情况下复杂目标的高频电磁波散射的高效且精确求解.传统的考虑边缘绕射的物理光学算法不能直接计算出目标的雷达截面,它需要先计算绕射贡献,然后加上物理光学的散射贡献,最终才能得到目标的雷达截面.通过运用改进的物理光学法对图形计算电磁学法进行修正,直接修正表面法向量,从而修正了表面电流,这样就考虑了边缘处的绕射,提高了算法的效率.这不但充分利用了计算机硬件优势,借助于计算机显示技术,由图形加速卡完成最困难、最费时的消隐工作,而且利用图形计算电磁学的积分公式,将三维空间的积分转化为屏幕像素的二维空间积分,使得计算大幅简化.数值结果表明了所提出方法的精确性和高效性.     

复杂场景下基于压缩感知的目标电磁散射与成像

研究了处于复杂场景下目标的逆合成孔径雷达(ISAR)成像问题。首先,建立了目标与复杂环境的电磁散射模型,采用计算电磁学的方法仿真得到了目标的雷达回波数据,进而充分考虑了背景噪声对雷达成像质量的影响。研究发现,目标所处的复杂背景会降低ISAR对目标的成像质量。其次,为减小仿真雷达回波数据所需的计算量,提出采用基于压缩感知(CS)的方法来对该场景进行成像,从而极大降低电磁仿真的计算点数。通过实验发现,在CS成像中,采用数据点使用率为0.4时所得到的成像质量可达到采用转台成像质量的效果。因此,采用基于CS的成像方法,可极大降低目标与场景的电磁散射计算复杂度,使得处于真实复杂场景下的目标电磁仿真和ISAR成像研究切实可行。     

畸形波电磁散射特性分析及其特征识别标识的研究

针对弱非线性的Longuet-Higgins模型在模拟强非线性畸形波海面时所存在的问题,采用修正的相位调制法模拟一维畸形波时间、空间波面,该方法能够实现畸形波的定时定点生成,并且其波形既能保持目标谱的频谱结构,又能较大程度地满足波浪序列的统计特性.同时,基于改进的双尺度(TSM)法及时域有限差分法建立畸形波的电磁散射模型,经过相对平均偏差和均方根偏差误差分析后,基于TSM法研究分析了畸形波及其背景海面波的归一化雷达散射截面(NRCS)的计算结果.实验表明,合成孔径雷达成像中畸形波的NRCS比背景波要小,即畸形波的合成孔径雷达图像成像比背景波要灰暗,因此可以将NRCS作为畸形波的特征识别标识.通过分析研究不同极化方式、入射角、入射频率条件下畸形波与背景波面的电磁散射特性实验数据得出:当二者的NRCS差值大于-11.8 dB及以上时,即认为产生畸形波,这为实际的工程应用提供了参照标准.     

FDTD investigation on the electromagnetic scattering from a target above a randomly rough sea surface

A finite-difference time-domain approach for electromagnetic scattering characteristic from a two-dimensional (2-D) infinitely long target with arbitrary cross-section above the one-dimensional (1-D) randomly rough sea surface is presented. Taking the composite scattering of rough sea surface and infinitely long cylinder as an example, the angular distribution of the scattering cross-section with different incident angles is calculated and it shows good agreement with the numerical result by the conventional Method of Moments (MOM). Finally, the influence of the windspeed on the sea surface, the incident angle, as well as the size and location of the target on the composite radar cross-section (RCS) with different polarisations is investigated in detail.