太赫茲合成孔徑雷達(dá)成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法

張群英 江兆鳳② 李 超 吳世有 方廣有

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太赫茲合成孔徑雷達(dá)成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法

張群英*①江兆鳳①②李 超①吳世有①方廣有①

①(中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所電磁輻射與探測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100190);②(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

合成孔徑雷達(dá)(SAR)成像理論分析和工程經(jīng)驗(yàn)表明當(dāng)雷達(dá)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差幅度達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)，會(huì)影響圖像的聚焦質(zhì)量。相對(duì)傳統(tǒng)微波SAR，太赫茲合成孔徑雷達(dá)(THz-SAR)工作在波長(zhǎng)更短的太赫茲頻段，對(duì)搭載雷達(dá)平臺(tái)的穩(wěn)定性要求更苛刻，需要達(dá)到微米級(jí)的控制和測(cè)量精度，目前的平臺(tái)控制和測(cè)量技術(shù)還不能滿足要求。該文提出一種基于回波數(shù)據(jù)的THz-SAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，通過慣性測(cè)量單元輸出的姿態(tài)信息完成由運(yùn)動(dòng)誤差引起的距離徙動(dòng)的校正，結(jié)合天線方向圖和粗聚焦圖像中特顯點(diǎn)的最大幅值估計(jì)最優(yōu)位置并構(gòu)建理想回波。利用實(shí)際回波和理想回波數(shù)據(jù)提取由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差引起回波的相位誤差并進(jìn)行補(bǔ)償，有效地實(shí)現(xiàn)了THz-SAR高分辨率成像。采用中心頻率0.2 THz的SAR系統(tǒng)進(jìn)行室外車載實(shí)驗(yàn)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行2維高分辨成像，得到角反射器和金屬條的SAR圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的正確性和有效性。

太赫茲合成孔徑雷達(dá)；太赫茲成像；運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法；平動(dòng)誤差

1 引言

太赫茲(TeraHertz, THz)波是指頻率范圍為0.1~10.0 THz，波長(zhǎng)范圍為0.03~3.00 mm的電磁波，介于毫米波和遠(yuǎn)紅外之間。與微波、毫米波相比，THz波有更短的波長(zhǎng)和更強(qiáng)的方向性，易于實(shí)現(xiàn)極窄的天線波束，可以獲得更高的天線增益和角跟蹤精度，提高多目標(biāo)識(shí)別和分辨的能力。相比于紅外、可見光成像，THz波對(duì)非金屬材質(zhì)、煙霧、沙塵具有良好的穿透能力，有效克服紅外、可見光成像系統(tǒng)易受天氣條件和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響的缺點(diǎn)，可以在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下工作。THz波的上述特點(diǎn)決定THz技術(shù)在物體成像、反恐探測(cè)、軍用雷達(dá)等領(lǐng)域具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于遠(yuǎn)距離THz波2維成像，為了保持較高的空間分辨率，須使用大口徑成像元件。大口徑成像元件不但價(jià)格昂貴，而且由于體積和重量較大，攜帶、使用均不方便。此外，2維成像需要使用2維的探測(cè)器陣列，而多像素的探測(cè)陣列技術(shù)目前仍不成熟。合成孔徑成像利用探測(cè)器的移動(dòng)合成一幅圖像，圖像的分辨率不再受到單個(gè)探測(cè)器光學(xué)孔徑的限制，達(dá)到利用相對(duì)較小的成像元件獲得波長(zhǎng)量級(jí)成像分辨率的目的。

太赫茲合成孔徑雷達(dá)(TeraHertz SAR THz- SAR)成像結(jié)合THz波和合成孔徑雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)，使得THz-SAR成像具有極高分辨力、全天時(shí)和全天候的特點(diǎn)，在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別方面，微多普勒特征在THz頻段比微波頻段更明顯，更利于低速及微動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與識(shí)別。這些優(yōu)勢(shì)為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的探測(cè)、跟蹤、監(jiān)視、成像、識(shí)別等軍事用途提供了理論依據(jù)。近年來，隨著THz源和探測(cè)器性能的不斷提高，THz雷達(dá)的研究成為國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)報(bào)道的THz雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了THz雷達(dá)的高分率成像能力，及在THz頻段的ISAR成像及仿真研究的相關(guān)報(bào)道[16,17]。美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)利用THz-SAR成像時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，正在開展視頻速率的視頻合成孔徑雷達(dá)(Video SAR Vi-SAR)成像方面的研究論證工作。

運(yùn)動(dòng)是SAR的依據(jù)，也是產(chǎn)生問題的根源。理論分析和工程實(shí)踐表明，當(dāng)雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)誤差達(dá)到亞波長(zhǎng)量級(jí)時(shí)，就會(huì)影響圖像的聚焦質(zhì)量。為獲得高質(zhì)量THz-SAR圖像，運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償是必不可少的。對(duì)于實(shí)際工作的SAR系統(tǒng)，受氣流、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)等因素影響，平臺(tái)存在高頻振動(dòng)，振動(dòng)幅度與微波波長(zhǎng)比很小，對(duì)高分辨率微波SAR相位影響可以忽略不計(jì)，對(duì)工作波長(zhǎng)更短，合成孔徑時(shí)間短的THz-SAR相位影響不可忽略，給THz-SAR圖像重建帶來困難，通常會(huì)造成成像結(jié)果完全散焦，無法分辨目標(biāo)，因此高頻振動(dòng)補(bǔ)償是THz-SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹攸c(diǎn)。關(guān)于消除運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)THz-SAR圖像重建的影響，其最大難點(diǎn)在于提取并補(bǔ)償精度達(dá)到微米級(jí)運(yùn)動(dòng)誤差，目前尚無有效的方法可以實(shí)現(xiàn)。

本文提出了一種高分辨THz-SAR成像運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償算法，在利用慣性測(cè)量單元測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)補(bǔ)償由運(yùn)動(dòng)誤差引起的目標(biāo)殘余距離徙動(dòng)的基礎(chǔ)上，從粗聚焦的圖像中提取相對(duì)孤立的點(diǎn)目標(biāo)，利用圖像對(duì)比度估計(jì)該點(diǎn)目標(biāo)的位置，并構(gòu)建目標(biāo)的理想回波，通過處理實(shí)際回波信號(hào)和理想回波信號(hào)，提取由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差引起的回波相位誤差，利用估計(jì)的相位誤差對(duì)回波的相位進(jìn)行補(bǔ)償。該方法可以直接完成運(yùn)動(dòng)誤差的估計(jì)和補(bǔ)償，不需進(jìn)行迭代，從而減少了運(yùn)算量，同時(shí)提高圖像質(zhì)量，為THz- SAR系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理提供了理論基礎(chǔ)和技術(shù)方案，適合用于THz-SAR成像中。

圖1 正側(cè)視條帶SAR幾何成像圖

2 THz-SAR回波信號(hào)模型及運(yùn)動(dòng)誤差影響分析

2.1平臺(tái)非理想運(yùn)動(dòng)情況下的幾何模型

SAR成像系統(tǒng)要求平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡為勻速直線運(yùn)動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中，受氣流和載機(jī)自身的影響，SAR成像平臺(tái)存在高頻振動(dòng)，為滿足圖像的聚焦質(zhì)量，要求平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)誤差范圍限制到亞波長(zhǎng)量級(jí)。對(duì)于波長(zhǎng)為毫米級(jí)的THz-SAR，運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的控制和測(cè)量要達(dá)到亞波長(zhǎng)的精度目前還無法實(shí)現(xiàn)，基于此問題，研究平臺(tái)非理想運(yùn)動(dòng)情況下的幾何模型。以為原點(diǎn)，地平面為面，沿載機(jī)飛行方向軸建立3維直角坐標(biāo)系-，假設(shè)THz-SAR系統(tǒng)以正側(cè)視條帶模式工作，雷達(dá)位置與成像區(qū)域的幾何模型如圖1所示，平行軸的實(shí)直線代表載機(jī)的理想航跡，虛曲線表示載機(jī)的實(shí)際航跡。一般情況下，SAR按“一步一?！惫ぷ鞣绞教幚?，同樣適用以光速傳播的THz波，忽略平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差隨快時(shí)間的變化，只考慮運(yùn)動(dòng)誤差隨慢時(shí)間的變化。點(diǎn)表示雷達(dá)在時(shí)刻的天線相位中心(Antenna Phase Center, APC)實(shí)際位置，其在平行于面同時(shí)垂直于軸的投影為,表示APC的理想位置，點(diǎn)目標(biāo)的坐標(biāo)為,表示理想APC離最近的坐標(biāo)。為方位慢時(shí)間，為載機(jī)理想飛行速度，表示在時(shí)刻雷達(dá)APC理想的方位位置，為雷達(dá)的下視角，為在3維直角坐標(biāo)系-下平臺(tái)的3個(gè)方向運(yùn)動(dòng)誤差。

(1)

式(1)第2項(xiàng)表示沿航向的運(yùn)動(dòng)誤差，第3項(xiàng)表示沿視線方向的平動(dòng)誤差，該誤差與理想斜距有關(guān)。

2.2 THz-SAR含有運(yùn)動(dòng)誤差的回波模型

基于2.1節(jié)平臺(tái)非理想情況下的幾何模型，本節(jié)建立含有運(yùn)動(dòng)誤差的THz-SAR回波模型。設(shè)雷達(dá)發(fā)射的太赫茲信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，照射理想點(diǎn)目標(biāo)，其后向散射系數(shù)為，接收理想回波信號(hào)為

(4)

對(duì)式(3)在快時(shí)間域通過匹配濾波實(shí)現(xiàn)距離壓縮，輸出信號(hào)：

目前對(duì)SAR運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償方案大部分是利用運(yùn)動(dòng)傳感器滿足距離向精度的要求，通過從回波中提取方位向的相位誤差進(jìn)行回波校正，基于此，在該文的分析中，綜合考慮成像質(zhì)量和算法的效率，越距離單元徙動(dòng)校正通過運(yùn)動(dòng)傳感器已完成。含有運(yùn)動(dòng)誤差的距離壓縮后回波信號(hào)：

由式(6)可以看出，運(yùn)動(dòng)誤差直接反映在回波中，對(duì)于平臺(tái)的振動(dòng)，其振幅與微波波長(zhǎng)相比很小，對(duì)回波相位的影響可以忽略；與THz波長(zhǎng)相比擬，影響回波相位，使得成像質(zhì)量下降，不同方向和振動(dòng)頻率的運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)成像結(jié)果的影響在文獻(xiàn)[18]已有詳細(xì)描述。忽略天線方向圖的加權(quán)因子和距離壓縮的幅度，慢時(shí)間域轉(zhuǎn)化為方位位置，式(6)含有運(yùn)動(dòng)誤差的距離壓縮后回波信號(hào)為

(7)

2.3 運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)回波頻譜的影響分析

為了更好地理解運(yùn)動(dòng)誤差與成像質(zhì)量關(guān)系，有必要說明運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)回波信號(hào)頻譜影響。根據(jù)駐定相位原理，在式(5)對(duì)慢時(shí)間域作傅里葉變換，忽略天線方向圖的加權(quán)因子和幅度，得到理想回波信號(hào)經(jīng)過距離壓縮后理想頻譜的表達(dá)式為

經(jīng)理論推導(dǎo)，存在正弦平動(dòng)誤差的回波頻譜[19]：

(10)

SAR是利用回波多普勒相位實(shí)現(xiàn)相干處理的成像系統(tǒng)，回波相位對(duì)合成孔徑雷達(dá)是至關(guān)重要的。雷達(dá)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)誤差之所以對(duì)成像關(guān)系如此密切，根本原因是它將直接影響回波多普勒信號(hào)的幅度和相位，使其壓縮波形產(chǎn)生畸變。特別地，從式(7)的回波信號(hào)可以看出，對(duì)于THz-SAR，由于THz波長(zhǎng)短，雷達(dá)天線微小的運(yùn)動(dòng)偏差將會(huì)引起較大的接收回波相位誤差，從而導(dǎo)致圖像聚焦質(zhì)量的明顯下降。對(duì)式(10)的頻譜分析可知，決定不可忽略的重疊次譜個(gè)數(shù)，越大，不可忽略重疊次譜個(gè)數(shù)越多[19]。與微波SAR相比，相同的誤差幅度對(duì)THz-SAR圖像聚焦質(zhì)量影響更大。為了得到高質(zhì)量THz-SAR圖像，對(duì)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相位補(bǔ)償，消除相位誤差是必要的。

3 運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償成像算法

在SAR技術(shù)中，為了消除平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)成像的影響，需要對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和自聚焦操作。時(shí)域相位補(bǔ)償方法能夠靈活地結(jié)合基于距離壓縮數(shù)據(jù)的回波進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。目前，SAR成像算法種類繁多，最常規(guī)的有從波方程嚴(yán)格推導(dǎo)出的算法和存在一定近似CS和RD算法。由于算法未經(jīng)過任何近似，成像精度高，但受插值的影響，運(yùn)算量大。CS算法利用線性調(diào)頻信號(hào)的性質(zhì)，通過相位函數(shù)相乘實(shí)現(xiàn)距離徙動(dòng)校正，避免了插值操作，提高成像效率，但若發(fā)射信號(hào)不是線性調(diào)頻信號(hào)，則會(huì)使算法變得復(fù)雜，使其效率受到損失。RD算法是忽略距離向和方位向的2維耦合，將其分解為兩個(gè)1維信號(hào)進(jìn)行處理，同時(shí)兼顧精度、通用性及處理效率的高精度算法。THz-SAR的工作波長(zhǎng)短，距離徙動(dòng)小與時(shí)域相位補(bǔ)償方法結(jié)合方便等優(yōu)點(diǎn)，選用RD算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

基本的RD算法步驟是通過匹配濾波進(jìn)行距離向壓縮，在距離多普勒域?qū)崿F(xiàn)距離徙動(dòng)校正，之后進(jìn)行方位向壓縮，實(shí)現(xiàn)圖像高分辨成像。經(jīng)距離壓縮和距離徙動(dòng)校正后的信號(hào)由式(7)給出。對(duì)方位向壓縮的實(shí)現(xiàn)，考慮算法效率，一般在頻域處理，將理想頻譜與參考函數(shù)相乘，作方位向IFFT，實(shí)現(xiàn)方位向聚焦，式(8)為信號(hào)的理想頻譜。理想匹配濾波函數(shù)表達(dá)式：

本文提出一種針對(duì)具有特顯點(diǎn)的目標(biāo)場(chǎng)景用于回波相位誤差估計(jì)和補(bǔ)償方法。通過慣性測(cè)量單元輸出的姿態(tài)信息完成由運(yùn)動(dòng)誤差引起的距離徙動(dòng)的校正，結(jié)合天線方向圖和粗聚焦圖像中特顯點(diǎn)的最大幅值估計(jì)最優(yōu)位置并構(gòu)建理想回波，利用實(shí)際回波和理想回波數(shù)據(jù)提取由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差引起回波的相位誤差并進(jìn)行補(bǔ)償。該方法可以直接完成運(yùn)動(dòng)誤差的估計(jì)和補(bǔ)償，不需要進(jìn)行迭代，從而減少了運(yùn)算量，對(duì)于寬測(cè)繪帶場(chǎng)景，運(yùn)動(dòng)誤差在距離向的空變性不能忽略，可以通過在距離向進(jìn)行分塊處理即可?；诰嚯x壓縮數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法流程如圖2所示。

圖2 算法流程圖

本文提出的基于回波數(shù)據(jù)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，具體步驟如下：

步驟1 根據(jù)寬頻帶的發(fā)射信號(hào)形式，對(duì)接收的回波信號(hào)進(jìn)行距離壓縮，實(shí)現(xiàn)距離向高分辨。

若發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻連續(xù)波，通過匹配濾波方式實(shí)現(xiàn)距離向壓縮，得到距離壓縮后的信號(hào)；其中定義為雷達(dá)的方位位置，數(shù)據(jù)截獲起始位置,定義為雷達(dá)與目標(biāo)的最短斜距，定義為瞬時(shí)斜距。忽略距離壓縮后的幅度，的信號(hào)可以表示為

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

基于本文提出的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法，設(shè)計(jì)并搭建系統(tǒng)10 GHz，中心頻率0.2 THz車載THz-SAR進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。

4.1實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)

受限于太赫茲發(fā)射器件功率水平(mw量級(jí))，為提高接收信號(hào)的功率，實(shí)驗(yàn)中采用正視條帶成像模式。為驗(yàn)證雷達(dá)的2維高分辨成像能力，設(shè)置了圖3分別為,的兩個(gè)目標(biāo)場(chǎng)景進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。圖3(a)金屬條自身寬度為6 cm，從左至右的間隔依次為 5 cm, 4 cm, 3 cm, 2 cm和1 cm。為了獲得距離向的高分辨率，圖3(b)中上面的角反射器與墻的距離為2 cm，下面的3個(gè)反射器與墻面的距離為8 cm。

0.2 THz雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖4所示，條帶合成孔徑雷達(dá)的工作模式要求其相對(duì)目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)并以一定的重復(fù)頻率發(fā)射脈沖，使得采集信號(hào)在空間上實(shí)現(xiàn)等間隔采樣，為后續(xù)的成像處理提供方便?？紤]到非等間隔采樣將影響回波相位，導(dǎo)致回波多普勒信號(hào)畸變，在SAR系統(tǒng)中常利用地速跟蹤方式實(shí)時(shí)調(diào)整脈沖重復(fù)頻率達(dá)到等間隔采樣目的，在實(shí)驗(yàn)中，通過實(shí)時(shí)采集車速并生成發(fā)射觸發(fā)信號(hào)，以控制THz-SAR的脈沖重復(fù)頻率。從而保證了空間采樣的等間隔。

圖3 目標(biāo)場(chǎng)景圖 圖4 0.2 THz雷達(dá)成像實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

4.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

THz-SAR距離向高分辨率的實(shí)現(xiàn)，要求寬頻帶的發(fā)射信號(hào)，傳統(tǒng)信號(hào)很難實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)后續(xù)設(shè)備(特別是中放和A/D變換)要求很高。為了簡(jiǎn)化設(shè)備，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用了倍頻方式，在提高發(fā)射信號(hào)頻率的同時(shí)對(duì)信號(hào)帶寬進(jìn)行拓展。系統(tǒng)采用發(fā)射和接收步進(jìn)頻調(diào)制連續(xù)波信號(hào)和一對(duì)雙模喇叭傳輸高斯波束的天線，信號(hào)中心頻率為0.2 THz，步進(jìn)階數(shù)是800個(gè)，帶寬為10 GHz，喇叭天線口徑為1.3 cm。雷達(dá)系統(tǒng)的具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 0.2 THz雷達(dá)實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

THz雷達(dá)收發(fā)電路的系統(tǒng)框圖如圖5所示?；鶐幃a(chǎn)生2路SFCW信號(hào)分別用來發(fā)射THz信號(hào)的射頻信號(hào)(RF)和作為本振(LO)的信號(hào)，每路信號(hào)通過功分器功分成2路，一路信號(hào)在M1處經(jīng)過下混頻得到固定頻率為50 MHz的信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過12倍頻后，產(chǎn)生用來作參考中頻(IF)的信號(hào)。另一路RF信號(hào)進(jìn)入頻率展寬模塊進(jìn)行12倍頻帶展寬，作為發(fā)射信號(hào)。LO信號(hào)經(jīng)過12倍倍頻，產(chǎn)生作為接收信號(hào)的LO信號(hào)。目標(biāo)反射波在M2處經(jīng)過下混頻得到待測(cè)IF信號(hào)，再通過與相干的參考IF信號(hào)進(jìn)行IQ相干解調(diào)的得到基帶回波信號(hào)，最后被采樣并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

圖5 0.2 THz成像雷達(dá)系統(tǒng)框圖

4.3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

對(duì)所設(shè)目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)分別利用基本RD和本文所提的算法進(jìn)行成像。圖6給出場(chǎng)景未進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果。圖6(a)代表回波原始數(shù)據(jù)，橫坐標(biāo)表示信號(hào)的頻點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示方位位置，圖6(b)是利用基本RD算法的成像結(jié)果，橫坐標(biāo)為距離位置，縱坐標(biāo)表示方位位置，圖6(c)為目標(biāo)的方位向剖面圖，從圖中可以看出受運(yùn)動(dòng)誤差的影響，造成T1中的目標(biāo)旁瓣過高，圖像質(zhì)量下降，6個(gè)金屬條無法分辨。圖7采用本文提出相位補(bǔ)償算法對(duì)中的目標(biāo)成像結(jié)果，與圖6相比較，成像效果有明顯的改善。圖7(b)是金屬條的方位剖面圖，金屬條之間實(shí)際測(cè)量的間隔與圖中位置很接近，結(jié)果表明，對(duì)于辨別方位向不同的目標(biāo)，其有效分辨率優(yōu)于1 cm。為獲得2維高分辨圖像，對(duì)場(chǎng)景的成像結(jié)果如圖8所示，3個(gè)角反射器能夠很好分辨。進(jìn)一步定量分析經(jīng)過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后的成像質(zhì)量，分別對(duì)1,2和3在方位剖面圖和距離剖面圖進(jìn)行插值處理，并計(jì)算出衡量圖像質(zhì)量參數(shù)值如表2所示。表2中，距離向分辨率比理想分辨率(1.5 cm)略差，這是由于為了綜合考慮旁瓣的性能，在距離向進(jìn)行加窗處理的結(jié)果，方位分辨率約7.5 mm，接近理論分辨率6.5 mm。

為了分析本文運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的補(bǔ)償精度，提取圖3的T2場(chǎng)景中目標(biāo)4在一個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度內(nèi)未補(bǔ)償?shù)南辔徽`差，如圖9(a)所示，可得雷達(dá)相位中心在斜距方向的運(yùn)動(dòng)誤差如圖9(b)所示，從圖9(b) 中可以看出，運(yùn)動(dòng)誤差已達(dá)到2.3個(gè)波長(zhǎng)。目標(biāo)2方位向成像結(jié)果如圖9(c)所示，可見運(yùn)動(dòng)誤差嚴(yán)重影響聚焦效果。利用本文所提的補(bǔ)償成像算法成像，目標(biāo)2方位向成像結(jié)果如圖10(a)，可實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的良好聚焦。目標(biāo)2在一個(gè)合成孔徑長(zhǎng)度內(nèi)的剩余相位誤差曲線如圖10(b)，所對(duì)應(yīng)的殘余的運(yùn)動(dòng)誤差如圖10(c)所示，從圖10(c)中可以看出，運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償精度達(dá)到0.06個(gè)波長(zhǎng)。

圖6 未進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)某上窠Y(jié)果

圖7 本文提出運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的金屬條成像結(jié)果

圖8角反射器成像結(jié)果

表2點(diǎn)目標(biāo)性能分析

方位向距離向 點(diǎn)目標(biāo)(cm)PSLR(dB)(cm)PSLR(dB) P10.72-12.24621.87-18.8376 P20.71-16.33561.78-23.6804 P3P40.780.73-14.0291-31.99251.871.59-24.9798-23.6312

5 結(jié)論

本文詳細(xì)分析了運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)THz-SAR成像的影響，提出一種基于回波數(shù)據(jù)的THz-SAR成像運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法。在利用慣性測(cè)量單元測(cè)量的運(yùn)動(dòng)參數(shù)補(bǔ)償由運(yùn)動(dòng)誤差引起的目標(biāo)殘余距離徙動(dòng)的基礎(chǔ)上，從粗聚焦的圖像中提取相對(duì)孤立的點(diǎn)目標(biāo)，利用圖像對(duì)比度估計(jì)該點(diǎn)目標(biāo)的位置并構(gòu)建理想回波，通過處理實(shí)際回波信號(hào)和理想回波信號(hào)，提取由平臺(tái)運(yùn)動(dòng)誤差引起的回波相位誤差并對(duì)回波相位進(jìn)行補(bǔ)償。為驗(yàn)證算法可行性，采用中心頻率為0.2 THz的SAR系統(tǒng)進(jìn)行了室外車載實(shí)驗(yàn)，獲得典型性目標(biāo)的方位向有效分辨率約為8 mm，與理論分辨率6.5 mm十分接近。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文所提運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償算法的正確性和有效性。

圖10 合成孔徑長(zhǎng)度內(nèi)剩余運(yùn)動(dòng)誤差

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張群英： 女，1972 年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槲⒉ㄌ綔y(cè)技術(shù)領(lǐng)域的新方法、新技術(shù)及新應(yīng)用、微波成像信號(hào)處理與成像方法研究.

江兆鳳： 女，1992 年生，碩士生，研究方向?yàn)樘掌澓铣煽讖嚼走_(dá)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償及成像算法.

李 超： 男，1978 年生，副研究員，研究方向?yàn)樘掌澇上窦夹g(shù)、電磁場(chǎng)理論與應(yīng)用、人工電磁材料.

吳世有： 男，1985 年生，助理研究員，研究方向?yàn)槌瑢拵Ю走_(dá)目標(biāo)檢測(cè)、成像技術(shù)及軟件開發(fā)等.

方廣有： 男，1963 年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)槌瑢拵щ姶艑W(xué)理論及其應(yīng)用、超寬帶成像雷達(dá)技術(shù)、太赫茲成像新方法、新技術(shù).

Motion Compensation Imaging Algorithm of TeraHertz Synthetic Aperture Radar

ZHANG Qunying①JIANG Zhaofeng①②LI Chao①WU Shiyou①FANG Guangyou①

①(,,,100190,);②(,100049,a)

Theoretical analysis and engineering experience of SAR imaging shows that radar platform’s motion error will affect the quality of the image if its amplitude is greater than sub wavelength. Compared with traditional SAR working in microwave frequency band, TeraHertz SAR (THz-SAR) works in a shorter wavelength as the TeraHertz band, the control and measure accuracy of radar platform’s motion should be micron dimension, but the current technology can not meet the requirements. A novel motion compensation algorithm for THz-SAR imaging based on echo data is proposed in this paper. The attitude information from the inertial measurement unit is used to calibrate the migration error caused by the motion. Firstly, an obvious point like object is found in the coarse focusing image and the optimal position of this point is estimated by combining the antenna pattern and the maximum echo’s amplitude. Then the ideal echo of this point object is generated using the above estimated position and the phase error caused by the motion error of the platform is extracted by comparing the actual echo and the ideal echo. The extracted phase error is used to compensate the motion error of platform. The SAR system with center frequency 0.2 THz is used to carry out the outdoor vehicle experiment. Two dimensional high resolutions of SAR images of the corner reflectors and the metal strips are achieved. The validity of the proposed motion compensation algorithm is proved by experimental results.

TeraHertz Synthetic Aperture Radar (THz-SAR); TeraHertz imaging; Motion compensation; Translational error

TN958

A

1009-5896(2017)01-0129-09

10.11999/JEIT160201

2016-03-03；改回日期：2016-07-01；

2016-09-30

張群英 qyzhang@mail.ie.ac.cn

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2015AA8125021)

The National High Technology Research and Development Program of China (2015AA8125021)