近年來(lái)，太赫茲科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展促使太赫茲雷達(dá)在諸多領(lǐng)域產(chǎn)生廣泛應(yīng)用。作為共性基礎(chǔ)問題，螺絲陣列結(jié)構(gòu)特性分析是太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)論證、設(shè)計(jì)以及實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)，也是催生新的雷達(dá)系統(tǒng)形態(tài)的前提。掌握太赫茲頻段螺絲陣列結(jié)構(gòu)特性分析已成為該研究領(lǐng)域一項(xiàng)迫切而重要的任務(wù)。但是，由于太赫茲頻段恰好處于由宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段，目前螺絲陣列結(jié)構(gòu)材料對(duì)太赫茲波的響應(yīng)機(jī)理尚且不明，同時(shí)有效的特性分析計(jì)算方法與實(shí)驗(yàn)測(cè)量手段缺乏，這些問題的存在給太赫茲頻段螺絲陣列結(jié)構(gòu)特性分析理解與太赫茲雷達(dá)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。結(jié)合微波頻段和光學(xué)頻段螺絲陣列結(jié)構(gòu)特性分析技術(shù)研究手段與方法，可為太赫茲頻段螺絲陣列結(jié)構(gòu)特性分析研究提供一定的思路和啟發(fā)。

 

本文首先在 CST(COMPUTER SIMULATION TECHNOLOGY)微波工作室軟件平臺(tái)進(jìn)行CAD 建模，從簡(jiǎn)單的單一幾何螺絲陣列結(jié)構(gòu)出發(fā)，再到復(fù)雜的陣列幾何結(jié)構(gòu)，分別建立了典型理想導(dǎo)電體 PEC(PERFECT ELECTRICAL CONDUCTOR)材料下十一種的模型。再利用CST 軟件平臺(tái)中的 A（ASYMPTOTC）求解器獲得了螺絲陣列結(jié)構(gòu)在太赫茲頻段關(guān)于頻率、方位角、俯仰角的 RCS(RADAR CROSS SECTION)值。接著編寫程序?qū)?RCS 導(dǎo)入MATLAB生成對(duì)應(yīng)的三維矩陣。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，又建立了基于轉(zhuǎn)臺(tái)成像方法的CBP(CONVOLUTION BACK PROJECTION)成像算法，（設(shè)定動(dòng)態(tài)顯示范圍等。）該方法可獲得螺絲陣列結(jié)構(gòu)在二維或者三維多普勒平面的成像結(jié)果,并可用于螺絲陣列結(jié)構(gòu)的散射點(diǎn)診斷與分析。而在后續(xù)工作中，通過實(shí)驗(yàn)得到實(shí)物模型的 RCS，通過格式轉(zhuǎn)換程序?qū)⑵鋵?dǎo)入MATLAB 利用算法成像。

 

1. 陣列擊芯鉚釘陣列圓板結(jié)構(gòu)目標(biāo)建模與散射回波計(jì)算

1.1 圓板結(jié)構(gòu)

a) 方位角變化

如圖 1，其他條件不變，改變方位角范圍，上下成像對(duì)比，方位角范圍大時(shí)(a)(b)(c) (d),由于逆傅里葉變化疊加的緣故，方位向圖像明顯比方位角范圍小時(shí)(e)(f)(g)(h),更清晰。由于頻率不變，在距離向圖像清晰度一致。

 

 

圖 1. 方位角范圍改變成像對(duì)比 1

 

其他條件一定，其中俯仰角 67°。改變方位角，所得圖像如圖 2。在圖 2 (a)中，視角為5°附近，由于陣列結(jié)構(gòu)間相互遮擋的緣故，2 列鉚釘中只有上下邊緣的 2 行鉚釘回波明顯，且其中下邊的鉚釘回波和圓板側(cè)壁回波疊加。當(dāng)視角變?yōu)?45°附近，可以觀測(cè)到 2 列鉚釘結(jié)構(gòu)的回波疊加所成的 2 條豎線，其寬度與鉚釘寬度相當(dāng)。如圖 2(c)(e)(f) 俯仰角67°、觀測(cè)平面z = 0，當(dāng)方位角分別為 60°、120°和 240°附近，由于視角相對(duì)其他圖較小，只有 3.82°，成像結(jié)果較為稀疏，且由于此時(shí)鉚釘間距與其單個(gè)寬度所構(gòu)成的夾角與視角近似相同或互補(bǔ)，故其多次反射不強(qiáng)烈，成像不明顯。而視角 90°左右時(shí)(d)，每行鉚釘較明顯。

 

 

圖 2. 方位角改變成像對(duì)比 2

 

圖 3 所示，同上面類似，俯仰角 67°、觀測(cè)平面為z = 0.00125，在不同方位角下成像規(guī)律類似。

 

 

圖 3 方位角改變成像對(duì)比 3

 

同上面類似，俯仰角分別為 60°和 50°，方位角改變，圖 4 以及圖 5 大致能反映陣列鉚釘結(jié)構(gòu)與視線角的關(guān)系。其中圖 4 為 Kaiser(β=6)窗函數(shù)。

 

 

圖 5. 方位角改變成像對(duì)比 5

 

觀測(cè)平面由z = 0逐漸變化到z = 0.002，鉚釘陣列結(jié)構(gòu)基本不變，說(shuō)明其回波垂直傳播且強(qiáng)度不變。

 

b) 俯仰角變化

由于鉚釘結(jié)構(gòu)原因，由幾何關(guān)系界定臨界俯仰角分別是 46°、79°，如圖 6 所示。

 

 

圖 6. 擊芯鉚釘結(jié)構(gòu)俯仰臨界角

 

如圖 7 所示，取頻率為 600GHz、方向角取 120°，由于擊芯鉚釘?shù)膸缀谓Y(jié)構(gòu)，回波產(chǎn)生的 RCS 隨俯仰角發(fā)生了類周期變化，且?guī)缀侮P(guān)系界定的臨界俯仰角 46°和 79°確實(shí)會(huì)成為 RCS 變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

 

 

圖 7. 擊芯鉚釘回波 RCS 與俯仰角關(guān)系

 

c) 類周期性變化

如圖 8 所示，觀測(cè)平面、方位角一定，俯仰角在不同位置產(chǎn)生的散射疊加強(qiáng)度會(huì)不同，隨著俯仰角變化，當(dāng)俯仰角為 50°時(shí)，如圖 8 (a)所示，其成像結(jié)構(gòu)比圖 8(b)(c)，俯仰角分別為 68°、78°時(shí)，要更發(fā)散。且從三個(gè)圖大致可以分辨鉚釘平頭細(xì)微結(jié)構(gòu)，其成像由圓形平頭的邊緣散射點(diǎn)組成。且平頭細(xì)微結(jié)構(gòu)周圍有一圈弧形散射結(jié)構(gòu)，其為鉚釘斜面?？梢姄粜俱T釘細(xì)微結(jié)構(gòu)的成像散射中心主要由平頭結(jié)構(gòu)與鉚釘斜面的鏡面反射組成。

 

 

圖 8. 擊芯鉚釘陣列結(jié)構(gòu)之俯仰角改變

 

圖 9 中，方位角為 90°附近，在此角度下會(huì)明顯觀測(cè)到擊芯鉚釘?shù)闹芷谂帕幸鸬莫?dú)特散射行為。在俯仰角分別為 76°、63°、50°和 30°下，成像為一條條陣列塊，而其形狀與陣列排列方式有關(guān)。在陣列鉚釘?shù)溺R面反射方向，俯仰角變化使得成像直線發(fā)生展寬。

 

 

圖 9. 小方位角擊芯鉚釘陣列結(jié)構(gòu)

 

如圖 10 (a)~(h)，其他條件不變，改變俯仰角，依次為 76°、69°、67°、66°、65°、63°、60°和 50°。由于擊芯鉚釘陣列結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系，其成像結(jié)果出現(xiàn)了一種類似周期性的變化，隨著俯仰角的減小，強(qiáng)度先減小又增加，俯仰角 69°左右為其強(qiáng)度臨界角。且69°位于幾何關(guān)系界定的臨界俯仰角 46°和 79°之間。

 

 

圖 10. 俯仰角改變成像對(duì)比 1

 

為了驗(yàn)證以上結(jié)論，如圖 11，在頻率范圍 580GHz 到 620GHz，方位角 0°到359.82°，成像平面為z = 0，方位向范圍從-0.03 到 0.03 米，距離向在 0.001 米處。改變俯仰角 30°到 90°，回波強(qiáng)度確實(shí)會(huì)呈現(xiàn)類似周期性的變化。且在幾何關(guān)系界定的臨界俯仰角 46°和 79°，以及從錯(cuò)誤!未找到引用源。(b)所在的 69°上觀察到，該方位向范圍內(nèi)的回波強(qiáng)度確實(shí)近似為 0。

 

 

圖 11. 擊芯鉚釘陣列結(jié)構(gòu)回波強(qiáng)度變化

 

為了驗(yàn)證上述結(jié)論，改變俯仰角，從圖 12(a)~(f)大致可以呈現(xiàn)該規(guī)律：90° (f)、75°(e)、69°(d) 時(shí)，回波強(qiáng)度弱，65°時(shí)(c)回波強(qiáng)度強(qiáng)。

 

 

圖 12. 俯仰角改變成像對(duì)比 2

 

圖 13、圖 14 也能驗(yàn)證類周期變化結(jié)論，俯仰角 76°時(shí)圖 13 (a)，回波強(qiáng)度較弱，67°時(shí)圖13 (b)回波強(qiáng)度更弱，50°時(shí)圖 13 (c) 回波強(qiáng)度更強(qiáng)。

 

 

圖 13. 俯仰角改變成像對(duì)比 3

 

圖 14. 俯仰角改變成像對(duì)比 4

 

1.2 方板結(jié)構(gòu)

圖 15 為頻率范圍 215.18GHz~228GHz，方位角 0°~19.36°，俯仰角 80°，成像平面為z = 0.0015的回波圖像?？梢暂^清晰地觀察到陣列鉚釘?shù)膱D像，且圖像下部分為平板下棱鏡面反射。

 

 

圖 15. 方板結(jié)構(gòu)陣列鉚釘圖像

 

結(jié)論：由于幾何結(jié)構(gòu)的緣故，隨著俯仰角的變化，擊芯鉚釘陣列成像的強(qiáng)度出現(xiàn)了一種類似周期性的強(qiáng)弱變化。