CN108983234A - 太赫兹isar成像系统及基于后向投影的图像重建方法 - Google Patents

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Abstract

太赫兹ISAR成像系统及基于后向投影的图像重建方法，所述步进太赫兹ISAR系统，包括太赫兹频率步进逆合成孔径雷达成像系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；步进电机控制器控制二维高精度电控旋转台旋转；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括跳频模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集与处理模块；所述二维高精度电控旋转台包括超精密轴系、精密涡轮、蜗杆传动、光栅度盘、液晶屏以及标配计算机通讯接口；所述步进电机控制器包括控制单元、电机驱动器、稳压电路。

Description

太赫兹ISAR成像系统及基于后向投影的图像重建方法
技术领域
本发明属于太赫兹雷达成像技术领域，尤其涉及一种太赫兹频率步进ISAR成像系统及二维高分辨率图像重建的方法。
背景技术
太赫兹是指频率为0.1THz-10THz的电磁波，对应的波长为3mm-30μm，在电磁波谱上介于红外和微波之间，称为亚毫米波或远红外光，处于光子学向电子学的过渡区域。因此，兼具红外和微波的优点。与微波雷达相比，太赫兹雷达更易于实现大带宽和极窄的天线波束,从而获得高分辨率的图像。
Cooper K B,Dengler R J,Llombart N,et al.THz imaging radar forstandoff personnel screening[J].IEEE Transactions on Terahertz Science andTechnology,2011,1(1):169-182.
Cooper,Ken B.,et al."Fast high-resolution terahertz radar imaging at25meters."Terahertz Physics,Devices,and Systems IV:Advanced Applications inIndustry and Defense.Vol.7671.International Society for Optics and Photonics,2010.
与激光雷达相比，太赫兹雷达可以穿透沙尘、烟雾等环境，实现特殊环境下对非合作目标进行高分辨率成像。太赫兹雷达同时还具有全天时、全天候的特点，在军事目标探测和战场恶劣环境应用方面有巨大价值。
目前，国内外的成像雷达一般采用线性调频信号，虽然采用线性调频信号容易实现大功率，但是，当雷达工作在太赫兹波段时，如果依然采用线性调频体制，由于瞬时带宽较大，就会显著增加A/D的采样频率，这将大幅度提高研发成本。
太赫兹频率步进雷达弥补了上述缺点，由于频率步进信号是一种典型的高分辨雷达体制，它的优点是瞬时窄带、合成宽带，可以实现距离向高分力，并降低A/D的采样频率，从而在保证高分辨力的同时降低研发成本。另外，由于频率步进信号载频随时间变化，是一种典型的频率截变信号，因此，具有很强的抗干扰能力。因此，本发明所涉及的太赫兹频率步进ISAR成像系统具有带宽可调、分辨力高、抗干扰性强、反隐身等优点。
距离-多普勒算法是雷达成像中的经典算法，该算法将回波数据变换到距离-多普勒域对目标回波进行图像重建，在满足远场近似条件同时距离徙动量没有超过一个距离分辨单元时，可以对目标进行近似成像。
Liang M Y,Zhang C L,Zhao R,et al.Experimental 0.22THz steppedfrequency radar system for ISAR imaging[J].Journal of Infrared,Millimeter,andTerahertz Waves,2014,35(9):780-789.
由于采用了快速傅里叶变换，因此，该算法是一种快速有效的方法。但是，当雷达工作在太赫兹频段时，由于带宽大，分辨率高，距离分辨单元较小，距离徙动量很容易超过一个距离分辨单元，这种情况下，采用距离多普勒算法进行图像重建的方法受到限制，因此，本发明提出了一种后向投影的方法，对太赫兹频率步进雷达回波信号进行图像重建。基于后向投影的图像重建方法是一种基于时域处理的精确成像方法，用于二维图像重建时不受任何限制，可以实现大转角情况下，对转台目标实现高精度成像。
发明内容
为了解决雷达工作在太赫兹波段时，由于带宽较大，若采用线性调频连续波体制，将对A/D采样频率提出较高的要求，系统成本显著增加。
本发明可以在实现大带宽的同时，降低A/D的采样频率。
本发明针对太赫兹雷达采用距离-多普勒算法对目标进行图像重建时，成像分辨率和精度都不高的问题，提供了一种高分辨率ISAR图像重建的方法，该方法的基本思想是通过将回波信号后向投影到成像区域并相干累积，从而实现太赫兹ISAR图像的重建。
实现本发明目的技术方案：一种太赫兹ISAR成像系统，包括太赫兹频率步进雷达系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；
所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元；
一种基于后向投影的图像重建方法，其特征在于，其技术方案包括以下三个步骤：
步骤1，太赫兹雷达连续发射214GHz-226GHz的频率步进信号，同时，二维高精度转台进行旋转扫描；
步骤2，收到回波信号后，根据雷达信号体制和二维扫描方式，将采样得到的I/Q两路数据合成具有振幅和相位信息的二维回波矩阵，并对回波矩阵的距离向数据进行相位补偿；然后，沿距离向快速傅立叶逆变换，即将信号变换到时域；再根据成像区域大小和太赫兹雷达理论分辨率对目标区域进行网格划分，所选取的网格大小约为雷达系统理论分辨率的1/2-1/4；
步骤3，计算转台每个步进转角上，成像区域中的所有距离单元到天线的距离，根据该距离将回波矩阵依次后向投影到成像区域的网格上；再将投影得到的子矩阵相干叠加，对目标图像实现二维聚焦，即得到目标太赫兹ISAR成像结果。
当雷达工作在太赫兹波段时，信号带宽大大增加，将对A/D造成巨大压力，本发明所涉及的太赫兹ISAR成像系统将频率步进信号应用于太赫兹成像雷达领域，可以灵活地调整发送信号的起始频点和步进数目，自由的选择发射频率，自适应的改变信号的工作频段和带宽，相比线性调频连续波雷达减小了下行处理带宽、降低了A/D采样频率和研发成本。
由于太赫兹雷达分辨率高，距离分辨单元小，距离徙动对太赫兹雷达成像结果影响较大，因此，本发明将后向投影的图像重建方法用于太赫兹ISAR成像，可用于远近场条件下，转台任意转角的成像，即使在大距离徙动情况下，依然可以实现目标回波的二维图像重建，其成像结果分辨率高，成像误差小，有效抑制了旁瓣，提高了成像质量。基于后向投影的图像重建方法特别适合在实验室环境下，目标的精密的成像处理。
附图说明
图1为太赫兹ISAR成像方法流程图。
图2为太赫兹ISAR成像模型。
图3为图像重建过程示意图。
图4为采用后向投影方法对角反射器进行ISAR成像的结果图。
具体实施方式
一种太赫兹逆合成孔径雷达成像系统，包括太赫兹频率步进雷达成像系统和二维转台扫描系统。
所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元。其中，上位机控制单元与频综模块通过RS232通讯串口连接，频综模块与射频前端通过高频低损耗电缆连接，射频前端与喇叭天线模块通过表面镀金的矩形波导连接，射频前端与中频模块通过高频低损耗电缆连接，中频模块与信号采集处理模块通过同轴电缆连接，信号采集处理模块通过交叉网线与显示单元连接。
所述二维转台扫描系统包括高精度电控转台和步进电机控制器，高精度电控转台与步进电机控制器之间通过RS232通讯串口连接。
所述高精度电控转台为市场购买的现成产品。产品名称是(MRS200系列高精度电动旋转台)，型号是(MRS200)。
所述步进电机控制器为市场购买的现成产品。产品名称是(SC100系列步进电机控制器)，型号是(SC100)。
太赫兹雷达发射信号的体制为频率步进脉冲，每帧信号由一串频率按固定间隔递增的载波信号组成。
太赫兹雷达所发射的脉冲信号其脉宽可调。
太赫兹逆合成孔径雷达成像系统在FPGA的控制下，上位机通过RS232串口发送频率控制字，控制频率步进信号的脉宽、脉冲串个数，经发射天线辐射到自由空间，目标回波经天线接收后，通过以太网将信号回传至上位机，并存储为一个.mcl文件。
所发射的太赫兹信号每次频率步进量为12MHz。
所发射的太赫兹雷达信号每帧由1024个频点组成。
数据获取方式采用高精度转台旋转实现二维扫描。
所发射的太赫兹雷达信号极化方式为水平或者垂直极化，即H-H极化或者V-V极化。
整个太赫兹ISAR成像系统位于微波暗室中。
一种基于后向投影的图像重建方法，包括下述步骤：
步骤1，太赫兹雷达位于O'点，角反射器位于二维高精度电控旋转台上，二维高精度电控旋转台中心为O，二维高精度电控旋转台平面与雷达天线等高，并可以被雷达波束覆盖。以二维高精度电控旋转台中心O为坐标原点，在二维高精度电控旋转台上建立x-y坐标系，OO'之间的距离为R。
雷达系统工作时发射214GHz-226GHz频率步进信号，雷达发射信号s(t)的具体形式如公式(1)所示，
其中，rect(·)表示矩形包络，
τ为脉冲串中子脉冲的宽度，Tr是脉冲重复周期，f0为脉冲的起始频率，Δf为脉冲间频率步进量，每一帧信号中第n个子脉冲的频率fn＝f0+nΔf，其中，n＝0,1…N-1，N为一帧信号中子脉冲的个数。t表示快时间，表示虚数单位。
在雷达发送信号的同时，二维高精度电控旋转台在步进电机的驱动下二维步进旋转扫描，二维高精度电控旋转台的步进转角用i来表示，M为ISAR成像时，一幅图像所需信号的帧数，雷达发射信号帧数与转台的步进转角i一一对应，因此，i＝1…M。设在二维高精度电控旋转台旋转到步进转角i时，二维高精度电控旋转台上散射点p到雷达的距离用矢量表示，则该散射点产生的雷达回波时延为：
其中，c为光速。对于转台确定的转角i，散射点p产生的雷达回波时延为ti为常数。
步骤2，转台在步进转角i时，位于O'处的天线接收到p点反射的回波信号为：
其中，为回波的幅度因子，s(t-ti)为发射信号s(t)经历时延ti后的回波，t仍为快时间。
由公式(3)计算二维高精度电控旋转台在步进转角i上，雷达接收到的回波信号为：
转台扫描的同时，雷达将接收到的回波信号采样并I/Q解调，二维扫描完成后，得到一个N×M的回波矩阵，该矩阵为复矩阵，矩阵的实部为I路采样的回波幅值，矩阵的虚部为Q路采样的回波幅值。
将采样的数据根据公式计算回波矩阵距离方向上，每帧信号子脉冲频点的相位；
然后，计算帧内子脉冲采样点的相位差并将这些相位差求平均，得到帧内平均相位差
将多次采样计算出的帧内平均相位差求和再平均得到的值，为理想相位差θ；
求出每帧采样信号上各频点间的相位差对理想相位差的偏差作为相位补偿值，叠加在原始信号的相位上，得到相位补偿后的回波信号用表示；
调用Matlab中的IFFT命令，将距离向回波数据变换到时域得到一个N×M的二维时域矩阵；
在成像平面选取a×a的方形成像区域D，采用Matlab中的x＝[-a/2:Δε:a/2]；y＝[-a/2:Δε:a/2]'；来对二维成像区域D进行网格划分，其中，Δε为网格划分的精度；
步骤3，如图2，二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，成像区域D网格上的任意像素点q到雷达天线的距离为：
由公式(5)计算二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，网格上所有的点到雷达天线的距离；其中，rq是像素点q所处位置二维高精度电控旋转台的回转半径，R是雷达天线O'到二维高精度电控旋转台中心O的距离，这个距离为常量，θqi是二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，rq与R的夹角，rq、θqi与网格上像素点的位置和二维电控旋转台步进转角有关。
用上述方法，计算二维高精度电控旋转台对于不同的步进转角i(i＝1…M)，雷达天线到成像区域D上所有网格的距离，再根据这些计算出的距离，将步骤2中得到的N×M的时域矩阵后向投影到成像平面网格上，得到M个后向投影的子矩阵，M个投影矩阵相干叠加后，得到太赫兹二维ISAR图像位于处的信号强度：
是转台在步进转角i处，所接收到的回波信号沿距离向相位补偿并逆傅立叶变换到时域的数值，是将步进转角i处接收到的回波信号后向投影到成像区域D的网格上的值，网格上任意像素点q到天线位置O'的距离对应的时延 是将每个步进转角i处接收到的回波信号投影到网格D上并相干叠加，即有M个子矩阵相进行干叠加后的结果；
对成像平面上所有距离单元(即网格上的点)按照公式(6)进行迭代运算，即可对角反射器的回波进行二维ISAR图像重建。
图3为采用该方法对太赫兹雷达回波进行图像重建过程的示意图，首先，对采集到的回波信号I/Q解调，获取回波信号的相位，并沿着距离向相位补偿，再作逆傅立叶变换，即将信号距离向变换到时域；其次，计算二维高精度电控旋转台在不同步进转角处，天线到成像平面各网格的距离，将二维回波矩阵按照算出的距离，依次后向投影到成像区域D的网格上，再将所有投影矩阵相干叠加，最后，就得到角反射器的二维ISAR图像。
如图1所示，太赫兹雷达中心频率为220GHz，带宽为12GHz，每帧信号中子脉冲个数N＝1000，共发送信号帧数M＝312，即二维高精度电控旋转台步进转角个数也为312，角反射器位于图2中二维高精度电控旋转台上的p点，二维高精度电控旋转台绕中心点O旋转扫描，二维高精度电控旋转台转速为0.21°/s，将采样后的二维回波矩阵采用后向投影的方法进行图像重建。由于角反射器是一个强散射点，因此，可以近似为点目标进行成像处理，其实验结果图4所示。从图中可以看出，二维ISAR图像在距离向和方位向聚焦良好，成像结果表现为一个强散射点。在实验中，M的值可以任意设置，选择的点数目越多，成像效果越好，但是计算时间会随着点数目的增多而增加。
成像区域中处的强度采用公式(6)进行迭代计算，即得到整个成像区域的信号强度，也就是实现了图像的重建。
(1)本发明通过计算天线到成像距离单元的双程延时，将对应信号相干累积，从而获得高分辨率ISAR图像。由于太赫兹雷达距离分辨单元小，二维ISAR扫描时，距离徙动量更容易超过一个距离单元，因此，本发明特别适用于太赫兹雷达在大场景、大转角，特别是距离徙动量超过一个距离分辨单元时对目标的高精度成像。
(2)采用频域的方法对雷达回波信号处理时，涉及到多帧信号的合并处理，就需要将每帧回波数据置于缓存中。太赫兹雷达频率比微波雷达高，数据率要远远大于微波雷达，因此，对系统缓存的要求更高，这将显著提高研发成本。本发明采用后向投影的方法对目标进行图像重建时，可以将接收到的每一帧太赫兹脉冲实时处理，不需要对原始数据进行存储而浪费大量缓存，这将大幅度降低研发成本。
(3)本发明可以对成像区域的子集成像。后向投影方法通过计算转台每个步进转角上，雷达到天线的双程时延，将回波信号后向投影到待成像区域相干叠加，从而得到目标的二维ISAR图像，由于太赫兹雷达数据率高，计算量大；本发明可以直接提取待成像区域的数据，实现对场景子集的成像，有效的节省了图像处理时的计算量。

Claims (10)

1.一种太赫兹ISAR成像系统，其特征是包括太赫兹频率步进雷达成像系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；在步进电机控制器的控制下，二维高精度电控旋转台旋转，实现二维扫描；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元。
2.基于后向投影的图像重建方法，其特征是利用权利要求1所述的太赫兹ISAR成像系统，操作下述步骤：
(1)太赫兹雷达雷达系统工作时发射214GHz-226GHz频率步进信号s(t)，可以表示为其中，rect(·)表示矩形包络，τ为脉冲串中子脉冲的宽度，Tr是脉冲重复周期，f0为脉冲的起始频率，Δf为脉冲间频率步进量，每一帧信号中第n个子脉冲的频率fn＝f0+nΔf，其中，n＝0,1…N-1，N为一帧信号中子脉冲的个数。t表示快时间，表示虚数单位。
在雷达发送信号的同时，二维高精度电控旋转台在步进电机的驱动下二维步进旋转扫描，二维高精度电控旋转台的步进转角用i来表示，M为ISAR成像时，一幅图像所需信号的帧数，雷达发射信号帧数与转台的步进转角i一一对应，因此，i＝1…M。设在二维高精度电控旋转台旋转到步进转角i时，二维高精度电控旋转台上散射点p到雷达的距离用矢量表示，则该散射点产生的雷达回波时延为：其中，c为光速。对于转台确定的转角i，散射点p产生的雷达回波时延为ti为常数。
(2)转台在步进转角i时，位于O'处的天线接收到p点反射的回波信号为：
其中，为回波的幅度因子，s(t-ti)为发射信号s(t)经历时延ti后的回波，t仍为快时间。
计算二维高精度电控旋转台在步进转角i上，雷达接收到的回波信号为：
转台扫描的同时，雷达将接收到的回波信号采样并I/Q解调，二维扫描完成后，得到一个N×M的回波矩阵，该矩阵为复矩阵，矩阵的实部为I路采样的回波幅值，矩阵的虚部为Q路采样的回波幅值。
将采样的数据根据公式计算回波矩阵距离方向上，每帧信号子脉冲频点的相位；
然后，计算帧内子脉冲采样点的相位差并将这些相位差求平均，得到帧内平均相位差
将多次采样计算出的帧内平均相位差求和再平均得到的值，为理想相位差θ；
求出每帧采样信号上各频点间的相位差对理想相位差的偏差作为相位补偿值，叠加在原始信号的相位上，得到相位补偿后的回波信号用表示；
调用Matlab中的IFFT命令，将距离向回波数据变换到时域得到一个N×M的二维时域矩阵；
在成像平面选取a×a的方形成像区域D，采用Matlab中的x＝[-a/2:Δε:a/2]；y＝[-a/2:Δε:a/2]'；来对二维成像区域D进行网格划分，其中，Δε为网格划分的精度；
(3)二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，成像区域D网格上的任意像素点q到雷达天线的距离为：
计算二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，网格上所有的点到雷达天线的距离；其中，rq是像素点q所处位置二维高精度电控旋转台的回转半径，R是雷达天线O'到二维高精度电控旋转台中心O的距离，这个距离为常量，θqi是二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，rq与R的夹角；
计算对于不同的二维高精度电控旋转台步进转角i上，雷达天线到成像区域D上所有网格的距离，再将步骤2中得到的N×M的时域矩阵反向投影到成像平面网格上，得到M个后向投影的子矩阵，M个投影矩阵相干叠加后，得到太赫兹二维ISAR图像位于处的信号强度 是转台在步进转角i处，所接收到的回波信号沿距离向相位补偿并逆傅立叶变换到时域的数值，是将步进转角i处接收到的回波信号反向投影到成像区域D的网格上的值，网格上任意像素点q到天线位置O'的距离对应的时延 是将每个步进转角i处接收到的回波信号投影到网格D上并相干叠加，即有M个子矩阵相进行干叠加后的结果；
对成像平面上所有距离单元进行迭代运算，即可对角反射器的回波进行二维ISAR图像重建。
3.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，太赫兹雷达所发射信号的体制为频率步进脉冲，每帧信号由一串频率按固定间隔递增的载波信号组成。
4.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，太赫兹雷达所发射的脉冲信号其脉宽可调。
5.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，太赫兹雷达系统在FPGA的控制下，上位机通过RS232串口发送频率控制字，控制频率步进信号的脉宽、脉冲串个数，经喇叭天线辐射到自由空间，目标回波经天线接收后，通过以太网将信号回传至上位机，并存储为一个.mcl文件。
6.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，所发射的太赫兹雷达信号脉间频率步进量为12MHz；每一帧信号由1024个频点组成。
7.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，数据获取方式采用高精度转台旋转实现二维扫描。
8.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，所发射的太赫兹雷达信号极化方式为水平或者垂直极化，即H-H极化或者V-V极化。
9.根据权利要求1所述一种太赫兹ISAR成像系统，其特征在于，整个太赫兹ISAR系统位于微波暗室中。
10.基于后向投影的图像重建方法，其特征在于采用权利要求1所述的太赫兹ISAR成像系统，操作如下步骤：
(1)太赫兹雷达连续发射214GHz-226GHz的频率步进信号，同时，二维高精度转台旋转扫描；
(2)收到回波信号后，根据雷达信号体制和二维扫描方式，将采样得到的I/Q两路数据合成具有振幅和相位信息的二维回波矩阵，并对回波矩阵的距离向数据进行相位补偿；然后，沿距离向快速傅立叶逆变换，即将信号变换到时域；再根据成像区域大小和太赫兹雷达理论分辨率对目标区域进行网格划分，所选取的网格大小约为雷达系统理论分辨率的1/2-1/4；
(3)计算二维高精度转台每个步进转角上，成像区域中的所有距离单元到天线的距离，根据该距离将回波矩阵依次反向投影到成像区域的网格上；再将投影得到的子矩阵相干叠加，对目标图像实现二维聚焦，即得到目标太赫兹ISAR成像结果。
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