CN109283525B - 太赫兹雷达散射截面测试系统及雷达散射截面提取方法 - Google Patents

Abstract

一种太赫兹雷达散射截面测试系统，包括，0.22THz频率步进雷达系统、二维高精度电控转台、步进电机控制器组成；所述0.22THz频率步进雷达系统，包括频率综合器、射频前端、数字中频模块、喇叭天线、信号采集处理板、上位机控制单元、图像显示单元。上位机控制单元与频率综合器通过RS232通讯串口连接，频率综合器与射频前端通过高频低损耗电缆连接，射频前端与喇叭天线通过表面镀金的矩形波导连接，射频前端与数字中频模块通过高频低损耗电缆连接，数字中频模块与信号采集处理板通过同轴电缆连接，信号采集处理板通过交叉网线与图像显示单元连接。本发明测试原理简单，测量精度高。

Description

太赫兹雷达散射截面测试系统及雷达散射截面提取方法

技术领域

本发明涉及太赫兹目标散射特性领域，尤其涉及一种太赫兹雷达散射截面测试系统以及目标雷达散射截面的提取方法。

背景技术

雷达的最终目的是获取目标的特征信息，而雷达散射截面是目标特性中最重要的内容，也是隐身研究的基础。太赫兹雷达是指工作在频率范围为0.1THz-10THz之间的雷达系统，该频段处于光子学向电子学的过渡区域，因此，兼具红外和微波的特点。相同材料的目标在太赫兹雷达照射下表现出与红外和微波完全不同的性质，这种电磁特性使得太赫兹雷达具有较强的反隐身能力，因此，可以通过提取目标在太赫兹波段的雷达散射截面来实现隐身目标的探测和识别。

目前，基于外形的隐身和基于材料涂层的隐身，都是通过减小目标的雷达散射截面来达到隐身的目的。但是，这些隐身手段都是针对激光雷达和微波雷达等成熟雷达频段的隐身，对太赫兹雷达隐身效果不好。因此，利用超宽带太赫兹雷达技术测试不同频率和不同入射角下目标的太赫兹雷达散射截面，获得其形状、体积、姿态、表面材料的电磁特性参数以及粗糙度等物理量，对于隐身目标的探测、识别、跟踪以及截获都有重要意义。

国内外相关高校和科研院所已经对导体球、飞机模型等典型目标在太赫兹波段的雷达散射截面进行了研究，并取得了一定的成果。

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发明内容

本发明旨在建立三角形三面角反射器在太赫兹波段的雷达散射截面特征数据库，该数据库的建立对于常见隐身目标的探测、识别、成像以及跟踪具有重要意义。

一种太赫兹雷达散射截面测试系统，包括，0.22THz频率步进雷达系统、二维高精度电控转台、步进电机控制器组成；

所述0.22THz频率步进雷达系统，包括频率综合器、射频前端、数字中频模块、喇叭天线、信号采集处理板、上位机控制单元、图像显示单元。上位机控制单元与频率综合器通过RS232通讯串口连接，频率综合器与射频前端通过高频低损耗电缆连接，射频前端与喇叭天线通过表面镀金的矩形波导连接，射频前端与数字中频模块通过高频低损耗电缆连接，数字中频模块与信号采集处理板通过同轴电缆连接，信号采集处理板通过交叉网线与图像显示单元连接。

所述0.22THz频率步进雷达系统，其特征在于，在上位机控制单元的控制下，选择性的发送点频模式或跳频模式的雷达信号；

所述0.22THz频率步进雷达系统，其特征在于，该系统在220±6GHz的频段内，主动选择信号的起始频点和脉冲数目，自适应的改变信号的工作频段和带宽；

所述上位机控制单元，包括太赫兹雷达信号发射单元和接收控制单元组成；

所述上位机控制单元，其特征在于，上位机通过串口发送频率控制字，并通过以太网将采集到的信号传到上位机；

所述二维高精度电控转台为市场购买的现成产品。产品名称是(MRS200系列高精度电动转台)，型号是(MRS200)。

所述步进电机控制器为市场购买的现成产品。产品名称是(SC100系列步进电机控制器)，型号是(SC100)。

所述二维高精度电控转台和步进电机控制器之间通过RS232通讯串口连接。

0.22THz频率步进雷达发射信号的体制为频率步进脉冲，每帧信号由一串频率按固定间隔递增的载波信号组成(图3所示)。

0.22THz频率步进雷达所发射的脉冲信号其脉宽可调。

0.22THz频率步进雷达的喇叭天线表面镀金。

0.22THz频率步进雷达的天线为收发分置。

数据获取方式采用二维高精度转台旋转实现二维扫描。

所发射的太赫兹雷达信号极化方式为水平或者垂直极化，即H-H极化或者V-V极化。

整个0.22THz频率步进雷达系统置于铺满吸波材料的微波暗室中。

太赫兹雷达散射截面的提取方法，其特征在于，包括以下四个步骤：

步骤1，将三角形三面角反射器置于二维高精度转台上，太赫兹雷达天线正对角反射器。在上位机单元的控制下，使转台匀速转动，太赫兹雷达连续发射M帧太赫兹频率步进信号，每帧信号由N个子脉冲组成，子脉冲起始频率为f₀，子脉冲宽度为τ，脉冲间的频率步进量为Δf，在信号开始发射的同时，二维高精度电控转台旋转扫描；

步骤2，上位机控制单元接收到回波信号后，根据太赫兹雷达信号发射体制和二维高精度转台扫描方式，通过matlab程序提取回波信号在每个转角上，所有频点的强度信息。

扫描时，方位向观测角从初始角θ₀变成θ₀+Δθ，其中，Δθ为扫描过程中，二维高精度电控转台的转角；距离向的每帧信号由N个子脉冲组成，模数转换器A/D对回波信号进行采样(每帧信号抽样N个频点)，扫描结束后，目标回波形成一个M×N的矩阵P_r；

该矩阵中的任意元素P_rm,n对应于转台转角

频率点f＝f₀+(n-1)Δf时的回波功率。

步骤3，为了提高测量准确度，需要选择定标体作为测量基准。由于球形目标在微波雷达和激光雷达中均具有严格的解析解而被用于雷达的定标，据此本发明选择铝球作为标准定标体。然后，用太赫兹雷达散射截面测试系统测得标准定标体-铝球的回波矩阵P₀：

该矩阵中的元素P_0m,n对应于转台转角

频率点f＝f₀+(n-1)Δf时，标准定标体的回波功率。

定标原理如下：

对于本发明中的准单站雷达系统，太赫兹雷达信号与目标作用后，接收天线测得的目标回波功率为：

其中，G为天线增益，R为目标到雷达的距离，P_i为雷达发射功率，σ为目标在太赫兹波段的雷达散射截面；

对标准定标体—铝球进行测试，太赫兹雷达天线接收到定标体的回波功率P₀为：

其中，R₀为标准定标体到雷达的距离，σ₀为标准定标体的雷达散射截面；

式(1)与式(2)相除得：

即目标在太赫兹波段的雷达散射截面可以表示为：

当R＝R₀，G＝G₀时，

式(4)式变为：

即通过探测目标和标准定标体的回波功率，就可以计算出目标在太赫兹波段的雷达散射截面σ。

步骤4，将步骤2中的目标回波矩阵P_r和步骤3中的标准定标体回波矩阵P₀代入式(5)计算，得到目标的散射截面矩阵σ_M×N为：

σ_M×N矩阵的行向量表示在特定频率点上，不同雷达入射角时三角形三面角反射器在太赫兹波段的雷达散射截面，列向量表示雷达入射角相同，不同频率点上该目标的太赫兹雷达散射截面。

(1)本发明利用太赫兹频率步进雷达在实现大带宽的同时，子脉冲分时发射的特点，更易于提取目标在发射频率点上的雷达散射截面。经标准定标体—铝球定标，得到了典型目标—三角形三面角反射器在不同频点和不同雷达入射角下的太赫兹雷达散射截面矩阵，该方法具有测试原理简单，测量精度高，能够精确的反映目标在太赫兹波段的散射特性。

(2)球形目标在微波雷达和激光雷达中均具有严格的解析解，而被用于雷达定标，据此本发明选择粗糙铝球为标准定标体，具有易于测量、数据稳定且测试方法可靠的特点，太赫兹波段标准定标体的确立为开展太赫兹波段的雷达散射截面的研究奠定了理论和实验基础。

附图说明

图1为太赫兹雷达目标散射截面测试系统示意图。

图2为太赫兹雷达目标散射截面测试系统内部组成框图。

图3为太赫兹频率步进信号波形图。

图4为定标后，单个角反射器的在太赫兹波段的雷达散射截面随雷达入射角的变化。

图1中，1、太赫兹雷达，2、上位机控制单元和图像显示单元，3、二维高精度电控转台，4、步进电机控制器。

具体实施方式

图1所示，一种太赫兹雷达散射截面测试系统，包括，0.22THz频率步进雷达系统、二维高精度电控转台、步进电机控制器组成；

图2所示，所述0.22THz频率步进雷达系统，包括频率综合器、射频前端、数字中频模块、喇叭天线、信号采集处理板、上位机控制单元、图像显示单元。其中，上位机控制单元与频率综合器通过RS232通讯串口连接，频率综合器与射频前端通过高频低损耗电缆连接，射频前端与喇叭天线通过表面镀金的矩形波导连接，射频前端与数字中频模块通过高频低损耗电缆连接，数字中频模块与信号采集处理板通过同轴电缆连接，信号采集处理板通过交叉网线与图像显示单元连接。

所述0.22THz频率步进雷达系统，其特征在于，在上位机单元的控制下选择性的发送点频模式和跳频模式中的任意一种；

所述二维高精度电控转台为市场购买的现成产品。产品名称是(MRS200系列高精度电动转台)，型号是(MRS200)。

所述步进电机控制器为市场购买的现成产品。产品名称是(SC100系列步进电机控制器)，型号是(SC100)。

所述二维高精度电控转台和步进电机控制器之间通过RS232通讯串口连接。

0.22THz频率步进雷达发射信号的体制为频率步进脉冲，每帧信号由一串频率按固定间隔递增的载波信号组成。

0.22THz频率步进雷达所发射的脉冲信号其脉宽可调。

0.22THz频率步进雷达的喇叭天线表面镀金。

0.22THz频率步进雷达的天线为收发分置。

0.22THz频率步进雷达系统发送信号的模式受上位机控制，工作时，上位机通过RS232串口发送频率控制字，控制频率步进信号的脉宽、脉冲串个数，经发射天线辐射到自由空间，目标回波由天线接收，并经信号采集和数据预处理模块后，通过以太网将信号回传至上位机，并存储为一个.mcl文件。

所发射的太赫兹雷达信号帧内频率步进量为12MHz。

所发射的太赫兹雷达信号每帧由1024个频点组成。

数据获取方式采用二维高精度转台旋转实现二维扫描。

所发射的太赫兹雷达信号极化方式为水平或者垂直极化，即H-H极化或者V-V极化。

整个0.22THz频率步进雷达系统置于铺满吸波材料的微波暗室中。

太赫兹雷达散射截面的提取方法，其特征在于，包括以下四个步骤：

步骤1，将三角形三面角反射器置于二维高精度转台上，太赫兹雷达天线正对角反射器。在上位机单元的控制下，使转台匀速转动，太赫兹雷达连续发射M帧太赫兹频率步进信号，每帧信号由N个子脉冲组成，子脉冲起始频率为f₀，子脉冲宽度为τ，脉冲间的频率步进量为Δf，在信号开始发射的同时，二维高精度转台旋转扫描；

步骤2，上位机控制单元接收到回波信号后，根据太赫兹雷达信号发射体制和二维高精度转台扫描方式，通过matlab程序提取回波信号在每个转角上，所有频点的强度信息。

扫描时，方位向观测角从θ₀变成θ₀+Δθ，距离向的每帧信号由N个子脉冲组成，模数转换器A/D对回波信号进行采样(每帧信号抽样N个频点)，扫描结束后，目标回波形成一个M×N的矩阵P_r；

该矩阵中的任意元素P_rm,n对应于转台转角

频率点f＝f₀+(n-1)Δf时的回波功率。

步骤3，为了提高测量准确度，本发明选择铝球作为标准定标体。然后，用太赫兹雷达散射截面测试系统测得标准定标体—铝球的回波矩阵P₀：

该矩阵中的元素P_0m,n对应于转台转角

频率点f＝f₀+(n-1)Δf时，标准定标体的回波功率。

定标原理推导过程如下：

对于本发明中的准单站雷达系统，太赫兹雷达信号与目标作用后，接收天线测得的目标回波功率为：

其中，G为天线增益，R为目标到雷达的距离，P_i为雷达发射功率，σ为目标在太赫兹波段的雷达散射截面；

对标准定标体—铝球进行测试，太赫兹雷达天线接收到定标体的回波功率P₀为：

其中，R₀为标准定标体到雷达的距离，σ₀为标准定标体的雷达散射截面；

式(1)与式(2)相除得：

即目标在太赫兹波段的雷达散射截面可以表示为：

当R＝R₀，G＝G₀时，

式(4)式变为：

即通过探测目标和标准定标体的回波功率，就可以计算出目标在太赫兹波段的雷达散射截面σ。

步骤4，将步骤2中的目标回波矩阵P_r和步骤3中的标准定标体回波矩阵P₀代入式(5)计算，得到目标的散射截面矩阵σ_M×N为：

σ_M×N矩阵的行向量表示在特定频率点上，不同雷达入射角时三角形三面角反射器的太赫兹雷达散射截面，列向量表示雷达入射角相同，不同频率点上该目标的太赫兹雷达散射截面。

太赫兹雷达发送频率范围为0.214THz-0.226THz的频率步进信号，每帧子脉冲个数N＝1000，共发送信号帧数M＝312，同时，二维高精度转台从-2°转到+2°。本发明选择半径r＝5cm的铝球作为标准定标体，被测目标为直角边长b＝12cm的三角形三面角反射器。对于中心频率为0.22THz的频率步进雷达系统，标准定标体和三角形三面角反射器的特征尺寸kr>>20(k＝2π/λ)，即定标体和三角形三面角反射器都处于光学区，因此，铝球的雷达散射截面可以用σ₀＝πr²来计算，三角形三面角反射器的太赫兹雷达散射截面由定标计算得出，结果如图4所示。

图4为雷达入射频率f＝0.22THz，入射角为-2～+2°时，三角形三面角反射器在太赫兹波段的雷达散射截面(Terahertz Radar Cross Section，TRCS)实验结果。

Claims (1)

1.一种太赫兹雷达散射截面提取方法，包括下述步骤：

(1)将三角形三面角反射器置于二维高精度转台上，太赫兹雷达天线正对角反射器，在上位机控制单元的控制下，使转台匀速转动，太赫兹雷达连续发射M帧太赫兹频率步进信号，M为正整数，每帧信号由N个子脉冲组成，N为1～1024的整数，子脉冲起始频率为f₀，子脉冲宽度为τ，脉冲间的频率步进量为Δf，在信号开始发射的同时，二维高精度电控转台旋转扫描；

(2)上位机控制单元接收到回波信号后，通过matlab程序提取回波信号在每个转角上所有频点的强度信息；

扫描时，方位向观测角从θ₀变成θ₀+Δθ，距离向的每帧信号由N个子脉冲组成，模数转换器A/D对回波信号进行采样，扫描结束后，目标回波形成一个M×N的矩阵P_r；

P_r1,1，P_r1,2…P_r1,N表示在特定频率点上，雷达入射角不同时三角形三面角反射器的太赫兹回波功率，列向量表示雷达入射角相同，不同频率点上目标的太赫兹回波功率；

(3)选择铝球作为标准定标体，用太赫兹雷达散射截面测试系统测得铝球的回波矩阵P₀：

P_01,1，……，P_0M,N表示在特定频率点上，雷达入射角不同时铝球的太赫兹回波功率，列向量表示雷达入射角相同，不同频率点上目标的太赫兹回波功率；

定标原理推导：

对于准单站雷达系统，太赫兹雷达天线接收到目标的回波功率为：

其中，G为天线增益，R为目标到雷达的距离，P_i为雷达发射功率，σ为目标在太赫兹波段的雷达散射截面；

对标准定标体—铝球进行测试，太赫兹雷达天线接收到定标体的回波功率P₀为：

其中，R₀为标准定标体到雷达的距离，σ₀为标准定标体的雷达散射截面；

式(1)与式(2)相除得：

即目标在太赫兹波段的雷达散射截面可以表示为：

当R＝R₀，G＝G₀时，

式(4)式变为：

(4)将目标回波矩阵P_r和标准定标体回波矩阵P₀代入式(5)计算，得到目标的散射截面矩阵σ_M×N为：

σ_M×N矩阵的行向量表示在特定频率点上，不同雷达入射角时三角形三面角反射器的太赫兹雷达散射截面，列向量表示雷达入射角相同，不同频率点上目标的太赫兹雷达散射截面。

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