太赫兹雷达散射截面的仿真与时域光谱测量

张旭涛; 阙肖峰; 蔡禾; 孙金海; 张景; 李粮生; 刘永强

doi:10.7498/aps.68.20190552

摘要

太赫兹时域光谱技术在安检、无损检测、生物医学等领域有广泛的应用, 而其在雷达目标特性领域的应用一直存在诸多争议. 针对目前太赫兹时域光谱雷达散射截面定量测量的难题, 本文基于太赫兹时域光谱技术搭建了太赫兹时域光谱目标散射测量系统, 利用该系统测量了金属球、金属圆盘、金属圆柱等典型定标体在0.2—1.6 THz频段内的极窄时域脉冲回波, 数据处理后得到了各定标体的雷达散射截面, 与理论数据对比验证了系统测量结果的精度. 在此基础上, 测量了太赫兹频段电大尺寸复杂目标的雷达散射截面, 并将表面积分方程法与多层快速多极子算法相结合对目标的雷达散射截面进行了数值计算, 测量值与理论值达到了较好的一致性. 研究结果为太赫兹时域光谱技术在太赫兹目标特性领域的应用奠定了基础.

关键词:

Abstract

Terahertz time-domain spectroscopy technology has a wide range of applications in security inspection, nondestructive testing, biomedical, etc. But its application to target characteristics has been under debates, because there exist so many differences between terahertz continuous wave and ultra short pulse wave (single pulse width about 1 ps). For investigating the problem of quantitatively measuring the terahertz radar cross section, in this paper, a terahertz time domain spectroscopy scattering measurement system is built based on the technology of terahertz time domain spectroscopy. After system optimization and error minimization of location and system, time domain echoes of targets, such as sphere, disk, cylinder and complex targets, are measured. After the process of fast Fourier transformation and calibration, radar cross sections of the above-mentioned targets in a frequency range of 0.2–1.6 THz are calculated. Furthermore, the surface integral equation method and multilevel fast multipole algorithm are used to simulate the radar-cross section (RCS) results. The measured radar cross section results are compared with the simulations, and their error is less than 3 dB. The error arises mainly from the location and uneven distribution of terahertz wave on quiet zone. Generally, it is acceptable though there is still much work to do. The accuracy of RCS measurement of terahertz time domain is varified. All those are progressing in terahertz time domain spectroscopy technology used in target characteristics. Moreover, the methods of improving dynamic range in high frequency and enlarging quiet zone are the focus of follow-up studies.

Keywords:

作者及机构信息

1.
电磁散射重点实验室, 北京　1000854

2.
电子科技大学电子工程学院, 成都　610054

通信作者: 张旭涛, mi_zhangxt@163.com

Authors and contacts

1.
Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Beijing 100854, China

2.
School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China

Corresponding author: Zhang Xu-Tao, mi_zhangxt@163.com

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参考文献

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施引文献

图 1 太赫兹时域光谱散射测量系统光路图

Fig. 1. Scattering measurement system of terahertz time domain.

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图 2 目标区太赫兹波场强分布图(单位: μV)

Fig. 2. Distribution of the field intensity (unit: µV).

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图 3 直径50 mm金属球RCS

Fig. 3. RCS of the sphere with the diameter of 50 mm.

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图 4 直径20.9 mm金属圆盘RCS

Fig. 4. RCS of the disk with thediameterof 20.9 mm.

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图 5 金属圆柱RCS定标结果

Fig. 5. RCS of the cylinder with the diameter of 20 mm and height of 20 mm.

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图 6 贯穿孔结构平板实物

Fig. 6. Photos of the plate with through-holes.

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图 7 螺钉结构平板实物

Fig. 7. RCS of the plate with screws.

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图 8 螺钉结构平板时域回波

Fig. 8. Time domain echo of the plate with screws.

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图 9 贯穿孔结构平板RCS测量值与理论值

Fig. 9. RCS of the plate with through-holes.

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图 10 螺钉结构平板RCS测量值与理论值

Fig. 10. RCS of the plate with screws.

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表 1 不同频点处复介电常数

Table 1. Complex permittivity in different frequency.

频率/GHz 300 500 700 1000 2000

介电常数实部 –138064.3 –133443.8 –128980.3 –122568.8 –103475.4
介电常数虚部 372225.1 354601.0 337760.7 313903.6 245394.5

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