太赫兹目标散射特性关键技术研究

目录

摘要 (i)

Abstract (iii)

第一章绪论 (1)

1.1 研究背景与意义 (1)

1.1.1 太赫兹波及其主要特点 (1)

1.2.1 太赫兹目标特性与散射成像研究的科学意义 (3)

1.2 太赫兹雷达技术的发展现状 (4)

1.2.1 太赫兹雷达系统及其应用发展现状 (4)

1.2.2 太赫兹雷达成像技术发展现状 (11)

1.3 太赫兹频段目标散射特性研究现状 (14)

1.3.1 太赫兹频段目标散射特性的实验研究 (14)

1.3.2 太赫兹频段目标散射特性的理论研究 (18)

1.4 论文主要工作及组织结构 (20)

第二章太赫兹频段目标介电参数对散射特性的影响 (23)

2.1 引言 (23)

2.2 太赫兹频段目标材料介电特性 (23)

2.2.1 太赫兹频段目标材料特性技术 (24)

2.2.2 太赫兹频段金属材料介电参数理论模型 (25)

2.3 太赫兹频段金属平板散射特性 (31)

2.3.1 太赫兹波在金属界面的传播特性 (31)

2.3.2 太赫兹频段金属平板的散射特性 (37)

2.4 太赫兹频段球型目标散射特性 (40)

2.4.1 光滑球的精确散射解 (40)

2.4.2 太赫兹频段光滑金属球的散射特性 (43)

2.4.3 太赫兹频段光滑介质球的散射特性 (51)

2.5 本章小结 (54)

第三章太赫兹频段目标粗糙表面对散射特性的影响 (57)

3.1 引言 (57)

3.2 粗糙标准体目标几何建模 (57)

3.2.1 典型标准体目标几何建模方法 (57)

3.2.2 典型标准体目标建模结果 (61)

3.3 基于数值方法与蒙特卡洛仿真的粗糙目标散射特性计算与分析 (62)

3.3.1 粗糙目标散射特性的精确数值计算方法 (62)

3.3.2 粗糙目标散射特性的蒙特卡洛仿真方法 (65)

3.3.3 数值仿真结果及分析 (66)

3.4 基于全波法的粗糙球散射特性计算与分析 (76)

3.4.1 粗糙面散射计算的全波法理论 (76)

3.4.2 太赫兹频段粗糙球型目标的散射计算 (81)

3.4.3 粗糙金属球的全频段散射特性分析 (91)

3.5 本章小结 (94)

第四章太赫兹频段粗糙凸体目标散射特性建模与计算 (97)

4.1 引言 (97)

4.2 太赫兹频段目标散射特性建模与计算的问题 (97)

4.2.1 粗糙目标的几何建模 (97)

4.2.2 散射特性计算方法 (98)

4.3 基于基尔霍夫近似方法的粗糙凸体目标建模与计算 (100)

4.3.1 基尔霍夫近似方法 (100)

4.3.2 粗糙凸体目标的散射建模与计算实现 (103)

4.3.3 数值仿真结果及分析 (106)

4.4 基于全波法的粗糙凸体目标建模与计算 (115)

4.4.1 基于全波法的粗糙面散射场计算 (115)

4.4.2 粗糙凸体目标建模与计算的全波法实现 (116)

4.4.3 数值仿真结果及分析 (118)

4.5 本章小结 (121)

第五章太赫兹频段目标散射成像 (123)

5.1 引言 (123)

5.2 太赫兹雷达高分辨成像原理 (123)

5.2.1 太赫兹雷达高分辨三维成像 (124)

5.2.2 太赫兹雷达方位-俯仰成像 (126)

5.2.3 数值仿真结果及分析 (128)

5.3 基于压缩感知的太赫兹雷达方位-俯仰成像 (132)

5.3.1 成像模型 (133)

5.3.2 基于块稀疏恢复算法的图像重建 (135)

5.3.3 数值仿真结果及分析 (138)

5.4 基于压缩感知的双站太赫兹雷达方位-俯仰成像 (144)

5.4.1 双站太赫兹雷达成像模型 (144)

5.4.2 基于压缩感知的图像重建 (147)

5.4.3 数值仿真结果及分析 (150)

5.5 太赫兹多视角实阵列成像 (156)

5.5.1 成像模型 (156)

5.5.2 数值仿真结果及分析 (158)

5.6 本章小结 (162)

第六章结论与展望 (163)

6.1 本文工作总结 (163)

6.2 研究展望 (164)

致谢 (165)

参考文献 (168)

作者在学期间取得的学术成果 (188)

附录A 双站雷达方位俯仰成像的点扩展函数推导 (190)

表目录

表1.1 国内外主要太赫兹雷达系统比较 (9)

表1.2 国外主要太赫兹散射测量系统比较 (17)

表2.1 铝在不同拟合频率点的Drude模型最佳拟合参数与平均相对误差 (30)

表3.1 平板复RCS仿真计算参数 (67)

表3.2 圆柱模型参数设置 (71)

表5.1 20次重建的图像RMSE和对比度值 (144)

表5.2 仿真参数设置 (159)

图目录

图1.1 电磁波谱图与电磁波谱的应用 (2)

图1.2 美国225GHz脉冲雷达与多普勒测量结果 (5)

图1.3 美国JPL实验室675GHz雷达框图与成像结果 (6)

图1.4 米兰达300实验雷达与成像结果 (7)

图1.5 美国STL实验室2.4THz成像雷达框图与成像结果 (7)

图1.6 对T恤内隐藏塑料玩具手枪的人体模特的成像结果 (8)

图1.7 电子科技大学220GHz雷达对A380飞机模型的成像结果 (8)

图1.8 线阵扫描合成孔径成像雷达 (10)

图1.9 美国STL实验室1.56THz远红外激光器紧缩场测量系统 (15)

图1.10 全息图型太赫兹紧缩场系统与导弹模型RCS测量结果 (15)

图1.11 丹麦DTU的太赫兹RCS测量系统 (16)

图1.12 仿真数据与测量数据的重建图像比较 (19)

图1.13 论文结构安排与各章节之间的关系 (21)

图2.1 不同频段下的材料特性技术手段 (24)

图2.2 透射式THz-TDS原理示意图 (24)

图2.3 铝在不同拟合频率点的最小拟合相对误差曲线 (30)

图2.4 拟合频率点为3.0THz时拟合介电系数与实测数据的比较 (31)

图2.5 不同频率依赖参数在100GHz附近连续性变化比较 (33)

图2.6 不同频率依赖参数拟合结果与实测数据的比较 (34)

图2.7 太赫兹波入射铝表面示意图 (35)

图2.8 铝中归一化电场强度随传播方向变化趋势 (35)

图2.9 垂直入射下拟合模型结果与实验数据比较 (37)

图2.10 反射系数随入射角变化 (37)

图2.11 电尺寸为55

λλ

?的铝板RCS (39)

图2.12 不同频点下铝板RCS比较 (39)

图2.14 不同频率下铝球与理想导体球的RCS幅度比较 (46)

图2.14 不同频率下铝球与理想导体球的RCS相位比较 (46)

图2.15 铝球与理想导体球不同频段RCS比较 (47)

图2.16 铝球归一化RCS与铝的法向反射系数比较 (48)

图2.17 不同光滑金属球与理想导体球的归一化RCS比较 (48)

图2.18 电大光滑球归一化RCS随材料复折射率变化的分布图 (49)

图2.19 发射不同中心频率宽带信号时获得的一维距离像 (50)

图2.20 半径0.1mm的铝球一维距离像 (51)

图2.21 不同转角条件下光滑铝球的二维转台成像结果 (51)

图2.22 氧化铝材料在微波到红外频段的介电系数测量数据曲线 (52)

图2.23 氧化铝球的时域反射信号测量结果与理论结果的比较 (53)

图2.24 直径6.35mm的氧化铝球部分散射分量的理论计算结果 (53)

图2.25 直径6.35mm的氧化铝球全部时域散射分量 (54)

图3.1 粗糙平板实现粗糙柱面建模示意图 (60)

图3.2 粗糙扇面实现粗糙锥面建模示意图 (60)

图3.3 不同粗糙度的粗糙平板几何建模结果 (61)

图3.4 粗糙三角板几何建模结果 (62)

图3.5 粗糙圆盘几何建模结果 (62)

图3.6 粗糙圆柱几何建模结果 (62)

图3.7 粗糙圆锥几何建模结果 (62)

图3.8 快速多极算法与普通MoM算法的处理复杂度示意图 (65)

图3.9 不同粗糙度平板的RCS幅度平均值比较 (67)

图3.10 不同粗糙度平板的RCS相位平均值比较 (67)

图3.11 后向观测角为0°时不同粗糙度平板的RCS幅度/相位直方图 (69)

图3.12 后向观测角为20°时不同粗糙度平板的RCS幅度/相位直方图 (69)

图3.13 后向观测角为75°时不同粗糙度平板的RCS幅度/相位直方图 (70)

图3.14 不同表面特征的圆柱CAD模型与几何观测坐标系 (71)

图3.15 频率670GHz时不同圆柱的RCS比较 (72)

图3.16 不同圆柱的一维距离像比较 (72)

图3.17 A模型的不同视角成像结果 (73)

图3.18 B1模型的不同视角成像结果 (73)

图3.19 B2模型的不同视角成像结果 (74)

图3.20 B3模型的不同视角成像结果 (74)

图3.21 C模型的不同视角成像结果 (75)

图3.22 美国STL实验室不同表面结构圆柱的成像结果 (75)

图3.23 粗糙面的入射与散射方向示意图 (78)

图3.24 粗糙球的电磁散射几何图 (81)

图3.25 一阶和二阶归一化非相干散射截面随粗糙均方根高度的变化曲线 (87)

图3.26 粗糙球的归一化非相干散射截面随粗糙均方根高度变化曲线 (87)

图3.27 粗糙球的归一化相干散射截面随粗糙均方根高度变化曲线 (87)

图3.28 粗糙球的归一化总散射截面随粗糙均方根高度变化曲线 (88)

图3.29 不同介电系数粗糙球的归一化非相干散射截面变化曲线比较 (88)

图3.30 不同介电系数粗糙球的归一化相干散射截面变化曲线比较 (89)

图3.31 不同介电系数粗糙球的归一化总散射截面变化曲线比较 (89)

图3.32 1

β=时粗糙铝球不同极化下的双站非相干散射截面分量 (90)

图3.33 1

β=时粗糙铝球不同极化下的双站相干散射截面分量 (90)

图3.34 1

β=时粗糙铝球不同极化下的双站散射截面 (90)

图3.35 2

β=时粗糙铝球不同极化下的双站相干散射截面分量 (91)

图3.36 2

β=时粗糙铝球不同极化下的双站散射截面 (91)

图3.37 粗糙均方根值为8μm时粗糙铝球归一化RCS随频率变化曲线 (92)

图3.38 粗糙均方根值为8μm时粗糙铝球归一化相干RCS随频率变化曲线 (93)

图3.39 粗糙均方根值为8μm时粗糙铝球归一化非相干RCS随频率变化曲线 (93)

图3.40 粗糙均方根值为1μm时粗糙铝球归一化RCS随频率变化曲线 (93)

图3.41 粗糙均方根值为1μm时粗糙铝球归一化相干RCS随频率变化曲线 (94)

图3.42 粗糙均方根值为1μm时粗糙铝球归一化非相干RCS随频率变化曲线 (94)

图4.1 二维粗糙面电磁散射的几何示意图 (101)

图4.2 基于面元法的粗糙目标几何建模流程图 (104)

图4.3 基于基尔霍夫近似方法的粗糙凸体目标散射计算流程图 (106)

图4.4 粗糙平板模型及其几何建模结果 (107)

图4.5 粗糙平板剖分三角面片VV极化下的成像结果 (108)

图4.6 粗糙平板剖分三角面片VH极化下的成像结果 (108)

图4.7 基于基尔霍夫近似方法的粗糙平板成像结果 (109)

图4.8 基于FEKO计算软件的粗糙平板成像结果 (109)

图4.9 本节方法与FEKO软件计算的粗糙平板RCS结果比较 (110)

图4.10 理想导体粗糙平板成像结果 (111)

图4.11 非驻留相位近似条件下的粗糙平板成像结果 (111)

图4.12 粗糙立方体模型及其首次剖分建模结果 (112)

图4.13 基于基尔霍夫近似方法的粗糙立方体成像结果 (112)

图4.14 基于FEKO计算软件的成像结果 (113)

图4.15 本节方法与FEKO软件计算的粗糙立方体RCS结果比较 (113)

图4.16 粗糙圆柱的第一次面元剖分建模结果 (114)

图4.17 粗糙圆柱不同极化方式下的二维成像结果 (114)

图4.18 基于全波法的粗糙凸体目标散射计算流程图 (118)

图4.19 基于全波法的粗糙平板成像结果 (119)

图4.20 全波法与FEKO软件计算的粗糙平板RCS结果比较 (119)

图4.21 基于全波法的粗糙介质平板成像结果 (120)

图4.22 基于全波法的粗糙金属立方体成像结果 (120)

图4.23 全波法与FEKO软件计算的粗糙立方体RCS结果比较 (121)

图4.24 基于全波法的粗糙介质立方体成像结果 (121)

图5.1 雷达三维成像几何示意图 (124)

图5.2 目标波束域坐标系中的三维数据采集孔径 (126)

图5.3 仿真计算模型图 (129)

图5.4 雷达坐标系下的立方体三维VV成像结果 (130)

图5.5 雷达坐标系下的T62坦克三维VV成像结果 (130)

图5.6 弹头目标的方位俯仰成像结果 (131)

图5.7 俯仰5°和方位75°时不同载频下的T62坦克成像结果 (131)

图5.8 坦克模型的方位俯仰成像 (132)

图5.9 坐标系变换示意图 (133)

图5.10 不同稀疏观测孔径下的数据获取方式 (136)

图5.11 粗糙立方体的计算几何示意图 (139)

图5.12 基于FFT的立方体方位俯仰成像结果 (139)

图5.13 重建结果的块互相关系数和RMSE对比 (141)

图5.14 不同算法的重建结果比较 (142)

图5.15 不同块划分策略的单次现实直方图 (142)

图5.16 不同块分割策略下的重建性能比较 (143)

图5.17 双站太赫兹雷达成像示意图 (145)

图5.18 目标坐标系与接收机坐标系之间的坐标变换示意图 (147)

图5.19 粗糙立方体的电磁计算几何示意图 (150)

图5.20 三种不同的稀疏观测孔径示意图 (150)

图5.21 不同大小观测孔径下后向投影成像结果 (151)

图5.22 对应于不同稀疏观测方式的重建结果 (151)

图5.23 随观测样本抽取比例变化的重建性能曲线 (152)

图5.24 不同观测样本数目下重建性能随分辨率改善能力的变化曲线 (153)

图5.25 坦克模型T64及计算几何示意图 (153)

图5.26 不同方位观测视角下的坦克模型视图 (153)

图5.27 不同双站角下基于后向投影算法的T64坦克成像结果 (155)

图5.28 不同双站角下基于CS重建方法的T64坦克成像结果 (156)

图5.29 一维收发实阵列对目标的成像几何示意图 (157)

图5.30 太赫兹多视角实阵列成像示意图 (158)

图5.31 不同观测视角下实阵列对点目标的成像结果 (159)

图5.32 不同视角下的图像叠加后的点目标成像结果 (159)

图5.33 两个相邻点目标的实阵列成像结果 (160)

图5.34 相邻点目标不同视角下的图像叠加后的成像结果 (160)

图5.35 粗糙圆锥的成像几何（插入图为圆锥侧视图） (161)

图5.36 收发实阵列在不同方位角观测时的成像结果 (161)

图5.37 不同方位角的实阵列成像叠加后的高分辨像 (161)