高分辨率的太赫茲ISAR成像

蔣俊， 梁影， 韓永金， 陳奇平

（1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090；2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

高分辨率的太赫茲ISAR成像

蔣俊1， 梁影1， 韓永金1， 陳奇平2

（1.上海無(wú)線電設(shè)備研究所，上海 200090；2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200438）

實(shí)現(xiàn)了采用儀器儀表搭建的太赫茲雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)。該成像系統(tǒng)的中心頻率為0.15 THz，帶寬為10 GHz。在儀器內(nèi)部發(fā)射端，放大器輸出的微波信號(hào)經(jīng)多個(gè)倍頻器達(dá)到太赫茲波段。接收端采用諧波混頻器獲得中頻信號(hào)；同時(shí)，將發(fā)射信號(hào)耦合出一路與本振信號(hào)進(jìn)行混頻，為接收機(jī)提供參考信號(hào)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得了二維逆合成孔徑雷達(dá)（ISAR）成像圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該太赫茲雷達(dá)成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于3 cm的高分辨率，散射點(diǎn)明顯，能夠反映小目標(biāo)的輪廓特征。

太赫茲；逆合成孔徑雷達(dá)；高分辨率；成像

0 引言

太赫茲波介于微波毫米波與紅外光之間，太赫茲波所處的特殊位置使得其具有較多的優(yōu)越性。例如，相比于微波、毫米波，太赫茲波長(zhǎng)短，更易于大信號(hào)帶寬和極窄天線波束的實(shí)現(xiàn)，能夠獲得更高的成像分辨率，有利于目標(biāo)識(shí)別。相比于紅外光，太赫茲穿透性較強(qiáng)。在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域、工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域以及空間領(lǐng)域，太赫茲主動(dòng)成像有著非常重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用前景，世界各國(guó)都給予了極大的關(guān)注。

國(guó)外在太赫茲主動(dòng)成像雷達(dá)系統(tǒng)研究較早，發(fā)展迅速。2006年，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)了0.6 THz三維雷達(dá)成像系統(tǒng)。2008年，改進(jìn)后的系統(tǒng)成像分辨率為亞厘米級(jí)[1，2]。2010年，洛厄爾大學(xué)亞毫米波實(shí)驗(yàn)室在2.4 THz頻段實(shí)現(xiàn)了分辨率在毫米量級(jí)的太赫茲ISAR成像系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)太赫茲成像雷達(dá)系統(tǒng)的研究起步較晚，但投入巨大。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)太赫茲成像分辨率低，太赫茲頻段偏低。電子科技大學(xué)研究取得了較好的成果，實(shí)現(xiàn)了中心頻率0.34 THz、寬帶2.4 GHz雷達(dá)系統(tǒng)，其測(cè)距分辨力達(dá)到7 cm，但只進(jìn)行了太赫茲雷達(dá)成像的仿真與分析[3]。受?chē)?guó)內(nèi)太赫茲器件發(fā)展的限制，本文采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器儀表，完成了高分辨率的太赫茲雷達(dá)ISAR成像實(shí)驗(yàn)，獲得了太赫茲ISAR二維成像圖。

1 ISAR成像原理

1.1 基本原理

ISAR成像是基于點(diǎn)散射中心模型。在一定的角度和頻率范圍內(nèi)，散射中心位置和強(qiáng)度是不會(huì)隨入射波的方位角和頻率的變化而改變。圖1為ISAR成像轉(zhuǎn)臺(tái)模型，目標(biāo)繞自身軸轉(zhuǎn)動(dòng)θ，目標(biāo)上任意點(diǎn)（x，y）。通過(guò)發(fā)射寬帶信號(hào)，可以獲得目標(biāo)散射中心在徑向距離上的高分辨，同時(shí)將目標(biāo)旋轉(zhuǎn)一定角度可以獲得散射中心在橫向距離上的高分辨，從而完成ISAR雷達(dá)目標(biāo)散射成像。

圖1 ISAR成像轉(zhuǎn)臺(tái)模型

式中：k為電磁波數(shù)；θ為目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度。

根據(jù)上述原理，從圖1中極坐標(biāo)（r，?）獲得目標(biāo)二維中心散射點(diǎn)圖像，表示為

其中：

假定R0?r，則有

假定F′為回波F去除空間距離相位差，則有

小角度轉(zhuǎn)動(dòng)，則cosθ=1，sinθ=θ，則有

本文采用距離-多普勒成像算法，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行二維傅里葉變換（kθ的變化近似為角度θ的變化，可以通過(guò)二維傅里葉變換得到目標(biāo)的散射中心圖像），圖2所示為目標(biāo)散射點(diǎn)模型和成像結(jié)果。

圖2 散射點(diǎn)模型和成像仿真結(jié)果

1.2 成像分析

理想情況下，ISAR算法的運(yùn)算量少、存儲(chǔ)量少、效率高。但當(dāng)觀測(cè)角度過(guò)大，成像目標(biāo)不能近似成轉(zhuǎn)臺(tái)模型，對(duì)回波進(jìn)行距離-多普勒成像時(shí)圖像分辨率就會(huì)下降。因此，基本ISAR算法的圖像分辨率不高，只適用于小角度觀測(cè)。此外，離目標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心越遠(yuǎn)的散射點(diǎn)分辨率越差，導(dǎo)致圖像質(zhì)量下降。圖像分辨率與頻率、旋轉(zhuǎn)角度的范圍、角度間隔滿(mǎn)足如下關(guān)系。

（1）徑向分辨率與掃頻帶寬

目標(biāo)徑向分辨率δy與掃頻測(cè)量帶寬B的關(guān)系為

根據(jù)采樣定理要求，線性調(diào)頻頻率分辨步長(zhǎng)δf要足夠小，與目標(biāo)徑向長(zhǎng)度Dy之間關(guān)系為

式中：Dy為目標(biāo)徑向長(zhǎng)度。

由式（7）可以推導(dǎo)得

（2）橫向分辨率與旋轉(zhuǎn)角度范圍

目標(biāo)橫向分辨率δx與目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度范圍關(guān)系為

式中：λ為雷達(dá)波長(zhǎng)；θm為成像處理時(shí)間T內(nèi)目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度范圍。

根據(jù)采樣定理要求，目標(biāo)旋轉(zhuǎn)角度分辨δθ與目標(biāo)橫向長(zhǎng)度Dx關(guān)系為

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行大調(diào)制帶寬高分辨率的成像，發(fā)射信號(hào)形式采用線性調(diào)頻信號(hào)，載頻選擇為0.15 THz，調(diào)制帶寬10 GHz。ISAR成像徑向距離分辨率為δy=c/2B=1.5 cm。為了成像較清晰，保證成像橫向分辨率δx=δy。在成像積累時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)轉(zhuǎn)過(guò)的角度Δθ=λ/（2δx）≈0.0 667 rad。成像目標(biāo)的總轉(zhuǎn)角，滿(mǎn)足如下關(guān)系：

式中：M為回波個(gè)數(shù)；Tp為線性調(diào)頻信號(hào)的調(diào)制時(shí)寬；ω為目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)速度。當(dāng)ω=6.5 rad/s，Tp= 250μs，M=41時(shí)，成像橫向分辨率δx≈1.5 cm。

對(duì)單散射點(diǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)模型進(jìn)行ISAR成像，圖3所示為成像結(jié)果，3 d B分辨率約為2 cm。此外，對(duì)間距為3 cm的五散射點(diǎn)目標(biāo)模型進(jìn)行太赫茲ISAR成像仿真。圖4所示為仿真結(jié)果，各散射點(diǎn)輪廓清晰，散射點(diǎn)分布特征與模型實(shí)際分布一致性好。

圖3 對(duì)單散射點(diǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)模型進(jìn)行ISAR成像

圖4 散射點(diǎn)模型與ISAR仿真結(jié)果

2 基于儀器儀表的太赫茲成像系統(tǒng)

按照系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)要求，圖5所示為成像硬件系統(tǒng)，整個(gè)太赫茲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要有矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、控制臺(tái)、擴(kuò)展模塊及控制轉(zhuǎn)臺(tái)等四部分組成。利用矢網(wǎng)靈活的配置結(jié)構(gòu)，可將矢網(wǎng)內(nèi)部的射頻信號(hào)通過(guò)外置倍頻器實(shí)現(xiàn)測(cè)試頻率范圍的擴(kuò)展，同時(shí)利用外置的諧波混頻器來(lái)替代內(nèi)部接收機(jī)的混頻處理電路。外置的擴(kuò)頻電路及中頻信號(hào)處理電路都集成在擴(kuò)展模塊中。矢網(wǎng)通過(guò)擴(kuò)展模塊最高測(cè)量頻率可以擴(kuò)展到太赫茲波段。擴(kuò)展模塊的輸入信號(hào)來(lái)自于矢網(wǎng)的本振以及射頻輸出端口。對(duì)于200 GHz以上的測(cè)量，需要使用兩臺(tái)高性能模擬源來(lái)提供LO和RF信號(hào)。

此外，測(cè)量點(diǎn)數(shù)可達(dá)萬(wàn)個(gè)，這可保證RCS測(cè)試的無(wú)混疊測(cè)試范圍。同時(shí)，矢網(wǎng)具備多個(gè)獨(dú)立測(cè)試通道，利用多個(gè)通道測(cè)試，可以積累更多測(cè)試點(diǎn)數(shù)，提高測(cè)試分辨率。

系統(tǒng)將太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的大帶寬雷達(dá)信號(hào)變?yōu)槟芴幚淼恼瓗盘?hào)，太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)收發(fā)前端的架構(gòu)中，發(fā)射信號(hào)為大帶寬線性調(diào)頻信號(hào)，接收采用解線頻調(diào)接收（dechirp），將大帶寬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)檎瓗盘?hào)。

圖5 硬件平臺(tái)原理圖

3 成像結(jié)果

該成像實(shí)驗(yàn)的主要目標(biāo)是驗(yàn)證大帶寬下的太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)的高分辨能力，以及太赫茲ISAR雷達(dá)系統(tǒng)的成像效果。成像目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生目標(biāo)二維像。實(shí)驗(yàn)時(shí)把目標(biāo)放置于轉(zhuǎn)臺(tái)上，以理論計(jì)算的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)。太赫茲成像系統(tǒng)收發(fā)同時(shí)工作，系統(tǒng)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)：掃頻帶寬為10 GHz；掃頻點(diǎn)數(shù)為1601；掃頻頻率間隔為6.25 MHz；角度間隔為0.1°；回波個(gè)數(shù)為41；轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為4°。

后期算法處理采用距離-多普勒（RD）算法。太赫茲的大帶寬會(huì)導(dǎo)致成像結(jié)果非線性失真，后期信號(hào)處理時(shí)將對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行非線性失真校正。圖6為雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)間距約為3 cm的散射點(diǎn)陣的ISAR成像結(jié)果，雷達(dá)系統(tǒng)分辨率達(dá)到3 cm。圖7為太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)尺寸約為6 cm× 21 cm的艦艇模型進(jìn)行的ISAR成像結(jié)果圖。由圖可以看出，船體模型的二維散射點(diǎn)陣ISAR圖像的特征點(diǎn)明顯。受太赫茲發(fā)射功率的限制，只能采用21 cm的模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因此，散射點(diǎn)數(shù)較少，輪廓不夠清晰。若采用大模型，可以實(shí)現(xiàn)較為清晰的模型細(xì)節(jié)圖。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了中心頻率0.15 THz、帶寬10 GHz的太赫茲ISAR成像硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于儀器儀表設(shè)計(jì)的，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)二維ISAR成像，分辨率可達(dá)3 cm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：太赫茲雷達(dá)成像精度高，可以在雷達(dá)目標(biāo)細(xì)微特征的探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

圖6 距離為3 cm的釘子和ISAR成像圖

圖7 船體ISAR成像

[1] R.J.Dengler，F(xiàn).Maiwald，P.H.Siegel.A Compact 600 GHz Electronically Tunable Vector Measurement System For Submillimeter Wave Imaging[J].IEEE MTT-S Int，2006，（6）：1923-1926.

[2] K.B.Cooper，R.J.Dengler，G.Chattopadhyay，et al.A High-Resolution Imaging Radar at 580 GHz[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2008，18（1）：64-66.

[3] 李晉.太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)總體與信號(hào)處理方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.

[4] 保錚，邢孟道，王彤.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

High Resolution Imaging of Terahertz ISAR

JIANG Jun1， LIANG Ying1， HAN Yong-jin1， CHEN Qi-ping2
（1.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090；2.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory，Shanghai 200438，China）

A Terahertz radar imaging experiment has been completed by instrument. Centre frequency and bandwidth of the imaging system are 0.15 THz and 10 GHz.In the transmitter，microwave signal from the amplifier output passes through several frequency multipler and arrives at Terahertz band finally.A second harmonic mixer is employed to downconvert mid-frequency in the receiver.Power divided signal from the transmitter and received input signal are mixed in the receiver，and reference signal can be achieved.Terahertz ISAR planar images are implemented.The experiment results show that the imaging system resolution reaches high to 3cm and scatters are clear.Consequently，Terahertz imaging radar can capture obvisou profiles of small targets.

Terahertz；Inverse Synthetic Aperture Radar（ISAR）；high resolution；imaging

TN101

A

1671-0576（2014）03-0027-05

2013-12-21

蔣 ?。?986-），男，博士，工程師，主要從事太赫茲相關(guān)技術(shù)研究。