CN106199543A - 一种雷达散射截面的测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷达散射截面的测量装置。所述测量装置包括电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜、目标支撑底座、第二太赫兹透镜、太赫兹探测器以及数据收集装置；所述电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜以及目标支撑底座依次设置于第一方向上；所述分束镜、第二太赫兹透镜以及太赫兹探测器依次设置于第二方向上，所述太赫兹探测器的输出端连接所述数据收集装置的第一输入端。本发明利用一个分束镜即可实现目标体表面散射的太赫兹波的方向与太赫兹探测器接收方向的完全一致，简化了现有的测量装置的结构，减少了测量误差。

Description

一种雷达散射截面的测量装置

技术领域

本发明属于雷达散射截面领域，更具体地，涉及一种雷达散射截面的测量装置。

背景技术

雷达散射截面(RCS)是表征目标体散射强弱的物理量，雷达散射截面的测量对于军事及其相关的领域极其重要，其对目标分类和识别、跟踪点选择和隐身技术等都具有重要的指导意义，因此备受关注。传统的RCS测量集中于微波频段，而将RCS由微波频段延伸到太赫兹频率，不仅可以测得目标体太赫兹波段的雷达散射截面，还可以通过对目标体的缩比模型的雷达散射截面测量，获得微波波段全尺寸目标的雷达散射截面，从而获取大量的目标体特征数据，建立目标特性数据库，使得太赫兹在雷达散射截面的领域具有更加广泛的应用前景。

非专利文献《太赫兹目标雷达散射截面测量技术》(《空间电子技术》，2013，4：104-109)中公开了太赫兹时域光谱测量雷达散射截面***，利用飞秒激光器产生泵浦光和探测光，并利用泵浦光激发太赫兹波源产生脉冲式的太兹波，然后照射到目标体上进行散射再进入探测装置；而另一部分探测光经时间延迟***进入探测装置，经过时间延迟***的探测光与散射的探测光进行了相干，从而获得目标体雷达散射截面的测量数据。该方法需要激光激发太赫兹波源，且需要相干的方法进行测量，该装置需要引入时间延迟***和飞秒激光器，且该装置中利用了两个分束镜，使得该装置结构较为复杂，而且时间延迟***由于需要进行扫频，使得测量时间较长，测量效率低；另外，由于该装置产生的太赫兹波功率很低，其高频部分测试结果相对误差较大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种雷达散射截面的测量装置，其目的在于采用周期性的太赫兹波进行检测，由此解决现有的测量装置结构复杂，测量误差大的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种雷达散射截面的测量装置，包括电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜、目标支撑底座、第二太赫兹透镜、太赫兹探测器以及数据收集装置；

所述电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜以及目标支撑底座依次设置于第一方向上；所述分束镜、第二太赫兹透镜以及太赫兹探测器依次设置于第二方向上，所述太赫兹探测器的输出端连接所述数据收集装置的第一输入端；所述第一方向与第二方向不同；

所述目标支撑底座用于放置目标体，所述电学太赫兹源用于向目标体发出第一太赫兹波，所述第一太赫兹透镜用于准直所述第一太赫兹波，所述分束镜用于将准直后的第一太赫兹波部分透射至目标体的表面，同时，将所述目标体表面散射的第二太赫兹波部分反射至第二方向；

所述第二太赫兹透镜用于聚焦反射后的第二太赫兹波，所述太赫兹探测器用于将聚焦后的第二太赫兹波转换为电信号，所述数据收集装置用于根据电信号，获得目标体的雷达散射截面的测量信号。

优选地，所述测量装置还包括斩波器以及控制器，所述斩波器设置于所述电学太赫兹源前方，所述控制器的第一输出端连接斩波器的输入端，所述控制器的第二输出端连接所述数据收集装置的第二输入端；

所述控制器用于发出频率信号，所述斩波器用于将第一太赫兹波转换为周期性的第一太赫兹波，所述数据收集装置还用于滤除所述电信号中的噪声信号。

优选地，所述数据收集装置为示波器或锁相放大器。

优选地，所述太赫兹探测器为无偏置肖特基二极管或热释电探测器。

优选地，所述电学太赫兹源为行波管、返波管振荡器或耿氏振荡器。

优选地，所述太赫兹探测器为无偏置肖特基二极管或热释电探测器。

优选地，所述测量装置还包括旋转台，所述目标支撑底座设置于旋转台上，所述旋转台用于调节所述目标体在水平方向的旋转角。

优选地，所述测量装置还包括俯仰台，所述俯仰台设置于所述目标支撑底座下方，用于调节目标体的俯仰角。

优选地，所述目标支撑底座的材料为合成树脂、高密度聚乙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

优选地，所述分束镜的反射率以及透射率大于等于40％。

作为进一步优选地，所述分束镜为高阻硅片或者镀有导电纳米薄膜的硅片。

优选地，所述测量装置还包括吸收体，所述吸收体设置于第一方向的两侧、第二方向的两侧以及所述目标支撑底座的第二方向上，所述吸收体用于吸收太赫兹频段的背景噪声。

作为进一步优选地，所述吸收体的材料为高密度聚氨酯泡沫。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明仅仅只利用了一个分束镜，就实现了第一太赫兹波向目标体的透射的方向，以及太赫兹探测器获取第二太赫兹波的方向同时保持直线，从而避免了太赫兹波的传播方向与测量装置中的部件的设置方向不一致而造成的测量误差；

2、本发明利用电学太赫兹源直接产生太赫兹波，不需要激光激发，从而简化了装置，降低了生产成本；同时电学太赫兹源产生的太赫兹波功率比激光直接激发更高，从而减少了测量误差；

3、本发明利用直接检测取代了现有技术中的相干检测，因此不需要时间延迟装置，从而对测量装置进行了进一步简化，同时由于无需经过时间延迟***，加快了检测效率；

4、本发明利用控制器和斩波器将第一太赫兹波转换为周期性的第一太赫兹波，更利于滤除第二太赫兹波转换的电信号中的背景噪声，从而增加了检测精度；

5、本发明利用旋转台和俯仰台分别对目标体的旋转角以及俯仰角进行调整，使得雷达散射截面的测量更加全面；

6、本发明将吸收体设置于光路的两侧，用于吸收背景噪声，进一步增加了检测精度。

附图说明

图1是本发明实施例1的雷达散射截面的测量装置结构示意图；

图2为实施例1测量结果曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的测量原理是相对定标法：该方法以一已知散射体(定标体)的雷达散射截面为标准，对待测散射体(目标体)的雷达散射截面进行标定；该方法的基础是雷达方程，雷达方程可以表示为目标体雷达散射截面与定标体的雷达散射截面比值，雷达散射截面(RCS)具有面积的量纲，通常用符号σ表示，常用单位为m²，当目标RCS动态范围很大时也常用其相对于1m²的分贝数表示，即

$\mathrm{\σ}(dB\·m^2)=10lg\[\frac{\mathrm{\σ}\left(m^2\right)}{1\left(m^2\right)}\]---\left(1\right)$

雷达方程的公式如下：

$\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\σ}}_s}={\left(\frac{R}{R_s}\right)}^4\left(\frac{G_s}{G}\right){\left(\frac{f}{f_s}\right)}^2\frac{P_{st}}{P_t}\frac{P_r}{P_{sr}}---\left(2\right)$

其中，σ为目标体雷达散射截面(dBm²)；σ_s为定标体雷达散射截面(dBm²)；R为目标体距离雷达的距离(m)；R_s为定标体距离雷达的距离(m)；G_s为雷达对定标体的天性增益；G为雷达对目标体的天线增益；f为雷达对目标体的频率(Hz)；fs为雷达对目标体的频率(Hz)；P_t为雷达对目标体的发射功率(W)；P_st为雷达对定标体的发射功率(W)；P_r为雷达对目标体的接收功率(W)；P_srf为雷达对定标体的接收功率(W)。

但在实际测量中，通常将待测目标与已知精确雷达散射截面值的定标体轮换置于同一距离上(R＝R_s)，当测量雷达的威力系数相同时(G＝G_s，P_t＝P_st)，并且保证雷达对定标体和目标体的发射功率一致，即

$\mathrm{\σ}=\frac{P_r}{P_{sr}}{\mathrm{\σ}}_s---\left(3\right)$

本发明公开了一种雷达散射截面的测量装置，包括电学太赫兹源1、第一太赫兹透镜4、分束镜5、目标支撑底座、第二太赫兹透镜8、太赫兹探测器9、数据收集装置10，如图1所示；

所述电学太赫兹源1、第一太赫兹透镜4、分束镜5以及目标支撑底座依次设置于第一方向上，所述第一方向为电学太赫兹源1发出第一太赫兹波的方向；所述分束镜5、第二太赫兹透镜8以及太赫兹探测器9依次设置于第二方向上；所述第一方向与第二方向不同，两者夹角与分束镜5与第一太赫兹波的夹角有关，通常为了装置的精简，将第一方向与第二方向呈直角设置，此时分束镜5与第一太赫兹波的夹角为45°；所述太赫兹探测器9的输出端连接所述数据收集装置10的第一输入端；

所述目标支撑底座用于放置目标体，可采用合成树脂、高密度聚乙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、聚丙烯或聚四氟乙烯作为目标支撑底座的材料，以减少太赫兹波段的背景噪声；

所述电学太赫兹源1为行波管、返波管振荡器或耿氏振荡器等，用于向第一方向上的目标体6发出第一太赫兹波；由于耿氏振荡器具有体积小、质量轻、结构紧凑、容易操作和维护等特点，能减小该测量装置的体积，因此优选作为电学太赫兹源；

所述第一太赫兹透镜4为长焦距透镜，用于准直所述第一太赫兹波，将太赫兹波的发散角θ₀’限制在0.2rad以内，因此第一太赫兹透镜的位置与电学太赫兹源的相对距离l需要进行调整；由于发散角

其中，ω₀为太赫兹波的发射半径，F为第一太赫兹透镜的焦距，λ为太赫兹波的波长；从该式可以看出，当第一太赫兹透镜的焦距F较大，太赫兹波的发射半径ω₀较小，且l＝F时，发散角θ₀’达到极小值，即θ₀’＝ω₀/F；

所述分束镜5用于将准直后的第一太赫兹波部分透射至目标体6的表面，同时，将所述目标体6表面散射的第二太赫兹波部分反射至第二方向；由于分束镜5需同时具有反射和透射功能，如果分束镜的反射率或透射率太低，都会造成太赫兹波的损失，一般其反射率以及透射率都需大于等于40％，高阻硅片以及镀有导电纳米薄膜(如ITO薄膜)的硅片均满足该要求；

所述第二太赫兹透镜8用于聚焦反射后的第二太赫兹波，所述太赫兹探测器9用于将聚焦后的第二太赫兹波转换为电信号，所述数据收集装置10用于根据电信号，获得目标体的雷达散射截面的测量数据；

太赫兹探测器9可选用无偏置肖特基二极管或热释电探测器，其中，热释电探测器是基于晶体内部自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成，属于热探测器；而无偏置肖特基二极管属于光电探测器，与热电探测器相比具有响应速度快，不易受环境温度影响等优势；

数据收集装置10可选用示波器或锁相放大器，其中，示波器能直接显示雷达散射截面对应的电信号，但无法将电信号滤波，也无法将其输出进行后处理，而锁相放大器不仅可以直接显示该电信号，还能配合斩波器和控制器将电信号中的噪声滤除获得测量信号，并该测量信号输出至计算***以便进行后处理；例如，可在电学太赫兹源发射太赫兹波的方向设置斩波器2，令控制器3的第一输出端连接斩波器2的输入端，控制器3的第二输出端连接所述锁相放大器10的第二输入端；所述控制器3用于向斩波器2以及锁相放大器10发出频率信号，所述信号优选为方波信号，更便于锁相放大器10对后续的电信号滤波；斩波器2根据该频率信号将第一太赫兹波转换为周期性的第一太赫兹波，锁相放大器10根据该频率信号将电信号中的噪声信号滤除。

此外，在第一方向的两侧、第二方向的两侧以及所述目标支撑底座的第二方向上，即太赫兹波传播的光路上，还可以设置有吸波体12，该吸收体12可用高密度聚氨酯泡沫等吸波材料制备，用于吸收太赫兹频段的背景噪声。

在目标支撑底座下方，还可放置旋转台7和/或俯仰台，以分别对目标体的旋转角以及俯仰角进行调整，使得雷达散射截面的测量更加全面。

实施例1

图1为实施例1的测量装置的俯视图，该测量装置位于xz平面内，包括斩波器控制器3、耿氏振荡器1、斩波器2、准直透镜4、高阻硅片5、旋转台7、吸波体12、聚焦透镜8、无偏置肖特基二极管9、锁相放大器10以及计算机11；其中，耿氏振荡器1发出的0.1THz的第一太赫兹波依次经过斩波器2、准直透镜4、高阻硅片5，沿z轴的正方向传播，并投射于旋转台7的目标体6上；

斩波器控制器3的第一输出端连接斩波器2，第二输出端连接锁相放大器，用于向两者同时输出频率信号，斩波器2根据该频率信号，将耿氏振荡器1发出的辐值稳定的第一太赫兹波调制为300Hz的周期性方波的第一太赫兹波；耿氏振荡器1中的喇叭天线耦合传输第一太赫兹波，将第一太赫兹波聚集于z轴正方向，以免第一太赫兹波四向发散；

而后第一太赫兹波经过准直透镜4进行准直，根据公式(4)，准直透镜4需要选用较大的焦距，在本实施例中，我们选用准直透镜4的焦距F₁＝150mm。同样根据公式(4)，当准直透镜4与耿氏振荡器1的距离l与F₁相等时，发散角最小，然而由于耿氏振荡器1发出的第一太赫兹波的束腰位置可能有所偏差，因此，我们可以将准直透镜4与耿氏振荡器1的距离设置于140mm～160mm之间，并以2mm的间隔进行光强扫描，在本实施例中，我们发现l＝153mm时，发散角θ₀’最小，此时发散角θ₀’＝0.02rad。

准直后的第一太赫兹波经高阻硅片5进行分束处理，该高阻硅片的透射率约为53％，反射率约为47％，与第一太赫兹波的传播方向呈45度角；因此47％的第一太赫兹波被反射至x轴的正方向，53％的第一太赫兹波被透射至目标体6的表面上，并经目标体的散射成为第二太赫兹波，返回高阻硅片5；此时，47％的第二太赫兹波被反射至x轴的负方向；

聚焦透镜8放置于第二太赫兹波散射后的传播方向，聚焦透镜8选用短焦距透镜，其焦距F₂＝50mm，聚集后的第二太赫兹波输出至无偏置肖特基二极管9并转换为电信号，该电信号再输出至锁相放大器10；

锁相放大器以斩波器控制器3输出的频率信号作为参考，从电信号中获得雷达散射截面的测量数据，最后输入计算机11进行数据处理以及后续的曲线绘制。

旋转台7用于放置目标体，以及对目标体进行xz平面内的旋转，获得随法向入射角变化的目标体的雷达散射截面；旋转台7上还设置有俯仰台，可以调节目标体的俯仰角，俯仰台上放置有目标支撑底座，用于放置目标体以及减少背景噪声。

计算机11的输入端连接锁相放大器10，输出端连接旋转台；一方面计算机用于对锁相放大器10输出的测量数据进行处理，另一方面又通过Labview程序对旋转台7以及旋转台7上的俯仰台进行机械控制，实现了自动化，更加方便与精准。

同时，本实施例在测量装置中采用两种方式减少背景噪声的影响。第一，使用合成树脂制备目标支撑底座，以降低支撑结构带来的背景噪声。第二，在实验台四周放置海绵状角锥吸收体12，该吸收体材料为MAX泡沫斜角锥吸波材料，可有效降低太赫兹频段的背景噪声。

利用该测量装置进行实际测量的步骤如下：

(1)将一个已知雷达散射截面σ_s的定标体置于旋转台7上，并且记录下锁相放大器此时的定标体探测器的输出电压V_sr。

(2)将需要测量雷达散射截面σ的目标体放置于旋转台7的同一位置，并记录此时锁相放大器的数值目标探测器的输出电压V_r。

根据公式(3)可得

$\mathrm{\σ}=\frac{V_r}{V_{sr}}{\mathrm{\σ}}_s---\left(6\right)$

其中，P_r＝R_vV_r(7)，P_sr＝R_vV_sr(8)，R_v为探测器的响应度。

则目标体雷达散射截面σ＝(dBm²)可由公式(1)计算得到。

(3)通过调整旋转台7以及俯仰台，可以获取目标体不同的雷达散射截面的测量数据。

实验结果分析

图2为本实施例测量获得的目标体不同角度的雷达散射截面的测量数据，可见其实验值与理论值高度吻合，证明该装置有较好的测量效果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种雷达散射截面的测量装置，其特征在于，包括电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜、目标支撑底座、第二太赫兹透镜、太赫兹探测器以及数据收集装置；

所述电学太赫兹源、第一太赫兹透镜、分束镜以及目标支撑底座依次设置于第一方向上；所述分束镜、第二太赫兹透镜以及太赫兹探测器依次设置于第二方向上，所述太赫兹探测器的输出端连接所述数据收集装置的第一输入端；所述第一方向与第二方向不同；

所述目标支撑底座用于放置目标体，所述电学太赫兹源用于向目标体发出第一太赫兹波，所述第一太赫兹透镜用于准直所述第一太赫兹波，所述分束镜用于将准直后的第一太赫兹波部分透射至目标体的表面，同时，将所述目标体表面散射的第二太赫兹波部分反射至第二方向；

所述第二太赫兹透镜用于聚焦反射后的第二太赫兹波，所述太赫兹探测器用于将聚焦后的第二太赫兹波转换为电信号，所述数据收集装置用于根据电信号，获得目标体的雷达散射截面的测量信号。

2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括斩波器以及控制器，所述斩波器设置于所述电学太赫兹源前方，所述控制器的第一输出端连接斩波器的输入端，所述控制器的第二输出端连接所述数据收集装置的第二输入端；

所述控制器用于发出频率信号，所述斩波器用于将第一太赫兹波转换为周期性的第一太赫兹波，所述数据收集装置还用于滤除所述电信号中的噪声信号。

3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述数据收集装置为示波器或锁相放大器。

4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述太赫兹探测器为无偏置肖特基二极管或热释电探测器。

5.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述电学太赫兹源为行波管、返波管振荡器或耿氏振荡器。

6.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括旋转台，所述目标支撑底座设置于旋转台上，所述旋转台用于调节所述目标体在水平方向的旋转角。

7.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述目标支撑底座的材料为合成树脂、高密度聚乙烯、聚乙烯、聚甲基戊烯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

8.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述分束镜的反射率以及透射率大于等于40％。

9.如权利要求7所述的测量装置，其特征在于，所述分束镜为高阻硅片或者镀有导电纳米薄膜的硅片。