CN107607944B - 基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，包括：透射式编码孔径、用于经过透射式编码孔径向成像扫描区域发射太赫兹波的发射链路和用于经过透射式编码孔径接收成像扫描区域辐射产生的太赫兹波的接收链路，太赫兹波经过透射式编码孔径时，透射式编码孔径上加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子。通过对透射式编码孔径加载透镜相位调制因子，快速调控太赫兹波束指向，电子聚束散射回波，可对目标进行稳定快速扫描成像。从而实现了雷达前视成像系统的小型化和低成本。

Description

基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置

技术领域

本发明涉及高分辨雷达凝视成像技术领域，具体的涉及一种基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置。

背景技术

随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。现有雷达成像系统包括微波雷达成像系统和光学雷达成像系统。其中，光学传感器可前视成像，波长短，分辨率高，成像速度快，但依赖于目标辐射，对烟、尘、雾和障碍物等的穿透能力差，易受环境因素影响。微波雷达传感器可主动探测，穿透能力强，但由于微波频率低，波长长导致角分辨率低，且由于成像原理的限制，需要成像积累时间，无法实现前视高帧频、高分辨成像。合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达(ISAR)成像虽然能够通过合成孔径获得横向上的高分辨率，但是二者都依赖于雷达与目标的相对运动，无法前视成像，而实孔径阵列雷达与相控阵雷达由于需要使用的阵元数量多，结构复杂，建设与维护成本高昂。

微波关联成像技术能够实现前视、凝视条件下的高分辨成像。通过构造时间不相关、空间相互正交的阵列信号作为发射信号，通过计算推演得到目标所在区域的探测信号，并通过探测信号与目标回波信号之间的关联处理获得目标信息。但是该方法需要在发射端构造较大规模的天线阵列，且难以实现有效实时的波束指向调控。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，该发明解决了现有雷达前视成像技术难以实现系统装置的小型化、低成本、实时性和高分辨的技术问题。

本发明提供一种基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，包括：透射式编码孔径、用于经过透射式编码孔径向成像扫描区域发射太赫兹波的发射链路和用于经过透射式编码孔径接收成像扫描区域辐射产生的太赫兹波的接收链路，太赫兹波经过透射式编码孔径时，透射式编码孔径上加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子。

进一步地，发射链路包括：太赫兹发射装置和用于发出太赫兹的太赫兹发射模块，太赫兹发射模块与太赫兹发射装置相连，太赫兹发射装置的中心与透射式编码孔径的中心处于同一轴上；

接收链路包括：太赫兹接收装置和用于接收太赫兹的太赫兹接收模块，太赫兹接收模块与太赫兹接收装置相连，太赫兹接收装置的中心与透射式编码孔径的中心处于同一轴上。

进一步地，太赫兹发射装置和太赫兹接收装置为用于向透射式编码孔径发出太赫兹并接收透射式编码孔径反射回来的太赫兹波束的收发复用天线。

进一步地，收发复用天线发射的波束完全覆盖透射式编码孔径的编码孔径。

进一步地，透射式编码孔径与成像扫描区域的水平间距为20.0m以内。

进一步地，还包括：用于发出初始信号和处理接收到的太赫兹信号的矢量网络分析仪和用于控制透射式编码孔径和向矢量网络分析仪的系统控制主机，系统控制主机分别与透射式编码孔径和矢量网络分析仪相连接；矢量网络分析仪分别与太赫兹接收模块和太赫兹发射模块相连接。

本发明的技术效果：

本发明提供的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，通过对透射式编码孔径加载透镜相位调制因子，快速调控太赫兹波束指向，电子聚束散射回波，可对目标进行稳定快速扫描成像。从而实现了雷达前视成像系统的小型化和低成本。

本发明提供的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，通过对透射式编码孔径加载孔径编码随机移相因子，在发射端和接收端对太赫兹波束分别进行随机调制，可有效提高目标成像分辨率。

具体请参考根据本发明的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置提出的各种实施例的如下描述，将使得本发明的上述和其他方面显而易见。

附图说明

图1是本发明提供的太赫兹雷达高分辨前视成像装置结构示意图；

图2是本发明提供的太赫兹雷达高分辨前视成像装置工作流程示意图；

图例说明：

1、系统控制主机；2、矢量网络分析仪；3、太赫兹发射模块；4、收发复用天线；5、透射式编码孔径；6、太赫兹接收模块。

具体实施方式

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

参见图1，本发明提供了一种太赫兹雷达高分辨前视成像装置，包括：透射式编码孔径5、用于经过透射式编码孔径5向成像扫描区域发射太赫兹波的发射链路和用于经过透射式编码孔径5接收成像扫描区域辐射产生的太赫兹波的接收链路，太赫兹波经过透射式编码孔径5 时，透射式编码孔径5上加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子。

为了实现成像成像扫描区域需设置于透射式编码孔径5的波束扫描范围内。

优选的，发射链路包括：太赫兹发射装置和用于发出太赫兹的太赫兹发射模块3，太赫兹发射模块3与太赫兹发射装置相连，太赫兹发射装置的中心与透射式编码孔径5的中心处于同一轴上。发射链路可以单独的正对透射式编码孔径5设置。在使用时，可以根据需要对发射链路和接收链路进行更换。按现有方法即可。例如通过自动控制装置切换太赫兹发射装置和太赫兹接收装置。

优选的，接收链路包括：太赫兹接收装置和用于接收太赫兹的太赫兹接收模块6，太赫兹接收模块6与太赫兹接收装置相连，太赫兹接收装置的中心与透射式编码孔径5的中心处于同一轴上。

优选的，太赫兹发射装置和太赫兹接收装置为用于向透射式编码孔径5发出太赫兹并接收透射式编码孔径5反射回来的太赫兹波束的收发复用天线4；还包括：用于发出初始信号和处理接收到的太赫兹信号的矢量网络分析仪2和用于控制透射式编码孔径5和向矢量网络分析仪2的系统控制主机1，系统控制主机1分别与透射式编码孔径5和矢量网络分析仪2相连接；矢量网络分析仪2分别与太赫兹接收模块6和太赫兹发射模块3相连接。按此设置能缩小装置体积，节约链路结构，减少其他不必要的控制装置，从而降低装置制造成本。矢量网络分析仪2发出发射/接收信号、透射式编码孔径5加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子，都由系统控制主机1统一控制。

在一实施例中，该装置包括用于控制透射式编码孔径5和向矢量网络分析仪2的系统控制主机1、用于发出初始信号和处理接收到的太赫兹信号的矢量网络分析仪2、用于向收发复用天线4发出太赫兹的太赫兹发射模块3、用于向透射式编码孔径5发出太赫兹并接收透射式编码孔径5反射回来波束的收发复用天线4、用于加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子的透射式编码孔径5和用于接收收发复用天线4返回太赫兹波并传输至矢量网络分析仪2的太赫兹接收模块6。系统控制主机1分别与矢量网络分析仪2和透射式编码孔径5控制连接。

矢量网络分析仪2与太赫兹接收模块6和太赫兹发射模块3信号连接。太赫兹接收模块6 和太赫兹发射模块3同时与收发复用天线4信号连接。收发复用天线4与透射式编码孔径5 辐射连接。

收发复用天线4和透射式编码孔径5的中心点在同一轴线z轴上，z轴与收发复用天线4 所发射波束的角平分线平行，且垂直于透射式编码孔径5。通过收发复用天线4进行信号的发射和接收。本装置采用透射式编码孔径5和收发链路部分复用的结构，降低了雷达前视成像系统的体积和成本。

参见图2，本装置在使用时，首先分析发射链路流程，矢量网络分析仪2负责产生初始信号，初始信号由太赫兹发射模块3倍频、放大得到太赫兹信号，此时收发复用天线4为发射模式，太赫兹信号经收发复用天线4辐射至透射式编码孔径5，透射式编码孔径5与系统控制主机1连接，透射式编码孔径5在系统控制主机1的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对收发复用天线4辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，并进一步将太赫兹波束透射至成像扫描区域所处空间对成像扫描区域进行波束扫描。扫描后，成像扫描区域表面的散射回波信号再次经过透射式编码孔径5，此时透射式编码孔径5在系统控制主机1的控制下也同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，调整透镜相位调制因子以将反射波聚束到收发复用天线4附近，并改变随机移相因子以再次对反射波束进行孔径编码与相位调制。最后收发复用天线4切换成接收模式，收发复用天线4接收经透射式编码孔径5辐射的回波信号并传输至太赫兹接收模块6，在太赫兹接收模块6经低噪声放大、混频和正交解调处理后返回至矢量网络分析仪2，再传输至系统控制主机1进行成像处理，最终得到成像扫描区域的图像。

其中，系统控制主机1进行成像处理是指结合现有的目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术进行成像处理，按此现有方法进行即可。

本发明利用透射式编码孔径5在发射链路和接收链路中分别对入射太赫兹波束和散射回波进行一次随机移相，可以有效提高太赫兹信号的时间-空间独立性，有效提高了前视成像分辨率。本发明接收链路中的透镜相位调制因子将散射回波聚束到收发复用天线附近，提高了装置的信噪比。

本发明提供的装置基于太赫兹孔径编码成像的基本原理，通过太赫兹发射模块、透射式编码天线、太赫兹接收模块以及系统控制主机，采用准光技术对太赫兹波束指向和光斑尺寸进行调控。实现系统装置的简约小型化，提高成像分辨率和成像速度。太赫兹频段透射式孔径编码仅能用于对电磁波空间调制。

本发明对近距离目标实现前视高分辨成像，可应用于安检与反恐、目标探测与识别、化学品鉴定、医学成像和质量控制等近距成像领域。该成像装置，具有高分辨、高帧频、实时性和小型化的优点。

优选的，透射式编码孔径5竖直方向上均匀排布N个阵元，单个阵元的节距为l：N，阵元间距根据所要透射太赫兹波长决定，一般是1-5个太赫兹波长。透射式编码孔径5竖直方向上高度为h，

在该节距上可在更小的单元尺度上对收发复用天线4辐射的太赫兹波进行孔径编码与相位调制，以获得最优编码效果与波束形成能力。其具体取值由透射式编码天线的加工工艺决定，以基于超材料的透射式阵列天线为例，阵元节距可达数百微米。

优选的，收发复用天线4发射的波束完全覆盖透射式编码孔径5的编码孔径。由透射式编码孔径5的尺寸和收发复用天线4的波束宽度决定，此时发射波束能完全覆盖编码孔径成像效果最佳。

优选的，透射式编码孔径5与成像扫描区域的水平间距为20.0m以内。按此间距设置能实现最优的近距成像的探测效果。

本发明提供的装置中，系统控制主机1根据式(1)中孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径5上完成相位加载；

P_C＝random(p_l,p_h,m)， (1)

其中，p_l和p_h分别代表随机移相区间的上限和下限，random表示对透射式编码孔径5竖直方向上的第m个阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位，m＝1,2…N。

系统控制主机1根据式(2)中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径5上进行相位加载；

其中，f为透镜的焦距，k＝2πf_c/c，f_c为太赫兹波的中心频率，c为光速，y_m为透射式编码孔径竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m＝1,2…N，y₀为透射式编码孔径5上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。

加载透镜相位调制因子的透射式编码孔径5具有数字透镜的作用，入射于透射式编码孔径 5上的太赫兹波束被透射并聚焦于聚焦面上。

聚焦面与成像扫描区域的水平间距d由式(3)确定：

其中，a为收发复用天线4与透射式编码孔径5的水平间距，f为透镜的焦距，b为透射式编码孔5与成像扫描区域的水平间距，聚焦面是指成像扫描区域所处空间中与收发复用天线4关于数字透镜的共轭平面。

透射太赫兹波束的指向与入射波束中入射至透射式编码孔径5上透镜相位调制因子的相位中心位置y₀处的光线方向一致。透镜相位调制因子的相位中心位置(相位中心位置即为公式 (2)中y₀的取值)从透射式编码孔径的下移至上端点的过程中，透射太赫兹波束可对成像扫描区域实现依次逐块扫描。透射太赫兹波束在成像扫描区域表面形成的光斑尺寸为s，本发明提供的成像装置最大可探测目标高度为l，s和l应满足式(4)和(5)：

一方面，发射链路中的孔径编码随机移相因子可在透射式编码孔径的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相，进而改变目标区域太赫兹波的空间幅相分布，使其辐射模式由球面波前变为随机波前，接收链路中的孔径编码随机移相因子对经目标散射的太赫兹回波再次进行随机移相，使其回波信号空间-时间独立性更强，再结合目标稀疏特性以及压缩感知等数据处理技术，最终使成像装置分辨率可以超过同口径传统雷达衍射极限以获得波束内高分辨能力，且模式切换速度快，无需成像积累时间。

另一方面，透镜相位调制因子可使透射式编码孔径起到数字透镜的作用，对发射链路中收发复用天线辐射的太赫兹波束进行透射并聚焦至聚焦面，其中，聚焦面是指目标空间中与收发复用天线4关于数字透镜共轭的平面。通过改变透镜相位调制因子的相位中心位置，即可控制太赫兹波束的指向，使得波束聚焦点在聚焦面上平移，以相同的光斑尺寸对特定目标进行探测，实现波束扫描，避免成像装置对目标的机械扫描，提高装置的成像帧率与稳定性，另外在接收链路中，散射回波反射到透射式编码孔径5，再次调整透镜相位调制因子，系统控制主机1根据(2)式生成透镜相位调制因子，为将散射回波聚束到收发复用天线附近，接收链路和发射链路中的透镜相位调制因子之间唯一的区别是数字透镜的焦距，接收链路中数字透镜的焦距f′为：

而该焦距取决于收发复用天线4与透射式编码孔径5、透射式编码孔径5与成像扫描区域之间的间距。因而可以通过简单的调整a和b从而实现较好的成像效果，避免了反复扫描的麻烦。

下面以基于超材料的透射式编码孔径为例，确定透射式编码孔径竖直方向上的高度l＝0.50 m，竖直方向上包含1000个阵元，透射式编码孔径与天线的水平间距a＝0.50m，编码孔径与目标的水平间距为b＝1.5m。

系统控制主机根据孔径编码随机移相因子P_C＝random(-0.5π,0.5π,m)生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径上完成相位加载，其中m＝1,2…1000。

同时，系统控制主机根据透镜相位调制因子

生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径上完成相位加载。其中，发射链路中透镜的焦距f＝5/12m，k＝2πf_c/c，接收链路中透镜的焦距为f′＝3/8m太赫兹波的中心频率f_c＝300.00GHz，光速c＝3×10⁸m/s。y_m为透射式编码孔径竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m＝1,2…1000。y₀为透射式编码孔径竖直方向上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标。加载了透镜相位调制因子的透射式编码孔径具有数字透镜的作用，入射太赫兹波束被透射并聚焦于聚焦面上，由式(3)计算得到聚焦面与目标的水平间距d＝1.00m。

透镜相位调制因子的相位中心位置从透射式编码孔径的下端点移至上端点的过程中，透射太赫兹波束可对目标实现依次逐块扫描。由式(4)和(5)计算得到透射太赫兹波束在目标表面形成的光斑尺寸s＝0.20m，以及装置最大可探测目标高度l＝2m。

对于一个高2.00m，宽1m的成像目标而言，例如人体安检成像，扫描面积Δ＝2.00m²，共需Δ/s^2＝50次扫描方可实现“光斑”对目标的完整覆盖，基于超材料的透射式编码孔径的单次切换耗时约t＝1.00ms。因此，本实施例中成像装置对人体安检成像进行一次完整扫描至少需耗时T＝Δ/s^2×t＝50.00ms，故系统帧率最高可达到20.00Hz。

现有安检扫描成像主要采用机械扫描方式，机械扫描1-2秒能扫描一次。扫描时间过长，成像效率较低。虽然采用现有的大阵列扫描速度可以提供，但现有大阵列式扫描成像装置价格昂贵。增加了使用成本。

本领域技术人员将清楚本发明的范围不限制于以上讨论的示例，有可能对其进行若干改变和修改，而不脱离所附权利要求书限定的本发明的范围。尽管己经在附图和说明书中详细图示和描述了本发明，但这样的说明和描述仅是说明或示意性的，而非限制性的。

Claims (5)

1.一种基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，其特征在于，包括：透射式编码孔径、用于经过所述透射式编码孔径向成像扫描区域发射太赫兹波的发射链路和用于经过所述透射式编码孔径接收所述成像扫描区域辐射产生的太赫兹波的接收链路，所述太赫兹波经过所述透射式编码孔径时，所述透射式编码孔径上加载编码随机移相因子和透镜相位调制因子。

2.根据权利要求1所述的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，其特征在于，所述发射链路包括：太赫兹发射装置和用于发出太赫兹的太赫兹发射模块，所述太赫兹发射模块与太赫兹发射装置相连，所述太赫兹发射装置的中心与所述透射式编码孔径的中心处于同一轴上；

所述接收链路包括：太赫兹接收装置和用于接收太赫兹的太赫兹接收模块，所述太赫兹接收模块与太赫兹接收装置相连，所述太赫兹接收装置的中心与所述透射式编码孔径的中心处于同一轴上。

3.根据权利要求2所述的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，其特征在于，所述太赫兹发射装置和所述太赫兹接收装置为用于向所述透射式编码孔径发出太赫兹并接收透射式编码孔径反射回来的太赫兹波束的收发复用天线。

4.根据权利要求3所述的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，其特征在于，所述收发复用天线发射的波束完全覆盖透射式编码孔径的编码孔径。

5.根据权利要求3所述的基于太赫兹频段透射式孔径编码的前视成像装置，其特征在于，所述透射式编码孔径与所述成像扫描区域的水平间距为20.0m以内。

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