CN109307868B - 一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统及方法 - Google Patents

一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统及方法，系统包括：卡塞格伦反射面天馈、波形发生器、发射机、信号处理机、准光极化隔离器、准光和差网络、毫米波倍频放大驱动链路、本振倍频放大链路、三通道谐波混频接收机。准光和差网络通过内部介质板的折射、透射以及平面反射器的反射，在输出端口得到和信号与差信号。准光极化隔离器起到极化选择和信号隔离的作用。本发明采用准光和差网络代替传统的波导和差网络，实现了太赫兹波段和差波束的产生；采用准光极化隔离器代替波导环形器实现了和通道的低损耗收发隔离，解决了太赫兹波段单脉冲成像的关键硬件问题，结合太赫兹距离高分辨与单脉冲测角技术，实现适用于太赫兹波段的单脉冲成像。

Description

一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统及方法
技术领域
本发明涉及一种单脉冲成像系统及方法，特别是一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统及方法。
背景技术
单脉冲成像是将脉冲压缩与单脉冲测角技术相结合的一种成像体制，它通过发射大时宽-带宽信号，提高雷达的距离分辨率，将散射点进行分离，进而在每个距离单元内利用单脉冲测角技术获得散射点的角度信息，最后进行成像处理。目前微波单脉冲成像系统一般包括：卡塞格伦反射面天馈、和差比较器、波导环形器、发射机、波形发生器、频率源、三通道接收前端、三通道中频接收机、信号处理机。但是，目前在太赫兹波段，由于单脉冲和差波束的产生、和通道信号的收发隔离无法像微波段一样采用波导器件来实现低损耗传输，限制了太赫兹波单脉冲成像技术的应用。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统，解决目前在太赫兹波段，由于单脉冲和差波束的产生、和通道信号的收发隔离无法像微波段一样采用波导器件来实现低损耗传输，限制了太赫兹波单脉冲成像技术的应用问题。
一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统，包括：信号处理机、波形发生器、发射机、频率源、卡塞格伦反射面天馈，还包括毫米波倍频放大驱动链路、准光极化隔离器、准光和差网络、本振倍频放大链路、三通道谐波混频接收机。
卡塞格伦反射面天馈的四个馈源口分别与准光和差网络的端口1、端口2、端口3、端口4连接。
准光和差网络组成单元包括平面反射器和介质板，通过经过介质板的折射、透射以及平面反射器的反射，在输出端口得到和差信号。
准光极化隔离器，由法拉第旋转器和金属栅组成，法拉第旋转器起到极化旋转作用，金属栅起到极化选择和信号隔离的作用。
信号处理机的时序控制口与波形发生器的时基输入口连接；波形发生器的输出口与毫米波倍频放大驱动链路的中频输入口连接；频率源的泵源输出口与毫米波倍频放大驱动链路的输入口连接，毫米波倍频放大驱动链路的输出口与发射机的输入口连接，发射机的输出口与准光极化隔离器的端口II连接，准光极化隔离器的端口II到端口I的环路为发射支路。
准光和差网络的和端口与准光极化隔离器的端口I连接，准光极化隔离器的端口III与三通道谐波混频接收机的和输入口连接，准光极化隔离器端口I到端口III的环路为和接收支路；准光和差网络的方位差输出端口、俯仰差输出端口分别与三通道谐波混频接收机的方位差输入口、俯仰差输入口对应连接；频率源的本振输出口与本振倍频放大链路的输入口连接，本振倍频放大链路的输出口与三通道谐波混频接收机的本振输入口连接；三通道谐波混频接收机的方位差输出口、俯仰差输出口、和通道输出口分别与信号处理机的方位通道、俯仰通道、和通道三路AD接收通道输入口对应连接。
更优的，所述准光和差网络为二维和差比较器，通过两个一维和差比较器相互级联排列。
采用适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统的成像方法，其步骤如下：
第一步：产生太赫兹发射波形信号
在信号处理机的时序控制下，波形发生器输出中频信号，中频信号经毫米波倍频放大驱动链路放大倍频至毫米波段信号，再通过发射机的进一步倍频放大形成太赫兹波信号。
第二步：合成用于探测的太赫兹和波束信号
太赫兹波信号通过准光极化隔离器的II到I环路进入准光和差网络，准光和差网络输出四路等幅同相信号至卡塞格伦反射面天馈的四个馈源，四个馈源同相辐射共同形成发射和波束信号。
第三步：接收目标反射信号，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号
发射和波束信号经过目标调制与反射形成回波信号，被卡塞格伦反射面天馈的四个馈源同时接收，再经过准光和差网络进行二维和、差处理，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号。
第四步：和、差三通道信号下变频及数字解调
接收和信号、方位差信号以及俯仰差信号在三通道谐波混频接收机通过本振倍频放大链路提供的同一本振下变频到中频，形成具有稳定相位相对关系的中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号；中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号通过信号处理机中频采样、数字正交解调形成和数字信号、方位差数字信号、俯仰差数字信。
第五步：距离高分辨与单脉冲测角算法处理
和数字信号经过距离高分辨算法处理完成距离信息提取，方位差数字信号、俯仰差数字信号通过相位检波算法处理完成角误差信号的提取，最终实现系统测距与测角的功能。
第六步：获取距离像上强散射点的方位、俯仰信息，进行目标三维重构
通过距离高分辨率算法获得高分辨的距离像，同时通过单脉冲测角获取距离像上强散射点的方位、俯仰二维角域像，再通过目标距离-方位-俯仰三维重构算法最终实现太赫兹波单脉冲三维成像。
本发明采用准光和差网络代替传统的波导和差网络，实现了太赫兹波段和差波束的产生，同时采用准光极化隔离器代替波导环型器实现了和通道的低损耗收发隔离，解决了太赫兹波段单脉冲成像的关键硬件问题，太赫兹距离高分辨与单脉冲测角技术，可实现用于太赫兹波段的单脉冲成像。
附图说明
图1一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统示意图。
1.信号处理机 2.波形发生器 3.毫米波倍频放大驱动链路 4.发射机 5.准光极化隔离器 6.准光和差网络 7.卡塞格伦反射面天馈 8.三通道谐波混频接收机 9.本振倍频放大链路 10.频率源
具体实施方式
实施例1
一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统，包括：信号处理机1、波形发生器2、发射机4、频率源10、卡塞格伦反射面天馈7，还包括毫米波倍频放大驱动链路3、准光极化隔离器5、准光和差网络6、本振倍频放大链路9、三通道谐波混频接收机8。
卡塞格伦反射面天馈7的四个馈源口分别与准光和差网络6的端口1、端口2、端口3、端口4连接。
准光和差网络6为二维和差比较器，通过两个一维和差比较器相互级联排列，其基本组成单元为平面反射器和介质板，通过经过介质板的折射、透射以及平面反射器的反射，在输出端口得到和差信号。
准光极化隔离器5，由法拉第旋转器和金属栅组成，法拉第旋转器起到极化旋转作用，金属栅起到极化选择和信号隔离的作用。
信号处理机1的时序控制口与波形发生器2的时基输入口连接；波形发生器2的输出口与毫米波倍频放大驱动链路3的中频输入口连接；频率源10的泵源输出口与毫米波倍频放大驱动链路3的输入口连接，毫米波倍频放大驱动链路3的输出口与发射机4的输入口连接，发射机4的输出口与准光极化隔离器5的端口II连接，准光极化隔离器5的端口II到端口I的环路为发射环路。
准光和差网络6的和端口与准光极化隔离器5的端口I连接，准光极化隔离器5的端口III与三通道谐波混频接收机8的和输入口连接，准光极化隔离器5端口I到端口III的环路为和接收支路；准光和差网络6的方位差输出端口、俯仰差输出端口分别与三通道谐波混频接收机8的方位差输入口、俯仰差输入口对应连接；频率源10的本振输出口与本振倍频放大链路9的输入口连接，本振倍频放大链路9的输出口与三通道谐波混频接收机8的本振输入口连接；三通道谐波混频接收机8的方位差输出口、俯仰差输出口、和通道输出口分别与信号处理机1的方位通道、俯仰通道、和通道三路AD接收通道输入口对应连接。
实施例2
采用适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统的成像方法，其步骤如下：
第一步：产生太赫兹发射波形信号
在信号处理机1的时序控制下，波形发生器2输出中频信号，中频信号经毫米波倍频放大驱动链路3放大倍频至毫米波段信号，再通过发射机4的进一步倍频放大形成太赫兹波信号。
第二步：合成用于探测的太赫兹和波束信号
太赫兹波信号通过准光极化隔离器5的II到I环路进入准光和差网络6，准光和差网络6输出四路等幅同相信号至卡塞格伦反射面天馈7的四个馈源，四个馈源同相辐射共同形成发射和波束信号。
第三步：接收目标反射信号，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号
和波束信号经过目标调制与反射形成回波信号，被卡塞格伦反射面天馈7的四个馈源同时接收，再经过准光和差网络6进行二维和、差处理，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号；
第四步：和、差三通道信号下变频及数字解调
接收和信号、方位差信号以及俯仰差信号在三通道谐波混频接收机通过本振倍频放大链路9提供的同一本振下变频到中频，形成具有稳定相位相对关系的中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号；中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号通过信号处理机1中频采样、数字正交解调形成和数字信号、方位差数字信号、俯仰差数字信。
第五步：距离高分辨与单脉冲测角算法处理
和数字信号经过距离高分辨算法处理完成距离信息提取，方位差数字信号、俯仰差数字信通过相位检波算法处理完成角误差信号的提取，最终实现系统测距与测角的功能。
第六步：获取距离像上强散射点的方位、俯仰信息，进行目标三维重构
通过距离高分辨率算法获得高分辨的距离像，同时通过单脉冲测角可以获取距离像上强散射点的方位、俯仰二维角域像，再通过目标距离-方位-俯仰三维重构算法最终实现太赫兹波单脉冲三维成像。

Claims (3)

1.一种适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统，包括：信号处理机(1)、波形发生器(2)、发射机(4)、频率源(10)、卡塞格伦反射面天馈(7)，其特征在于还包括毫米波倍频放大驱动链路(3)、准光极化隔离器(5)、准光和差网络(6)、本振倍频放大链路(9)、三通道谐波混频接收机(8)；
卡塞格伦反射面天馈(7)的四个馈源口分别与准光和差网络(6)的端口1、端口2、端口3、端口4连接；
准光和差网络(6)组成单元包括平面反射器和介质板，通过经过介质板的折射、透射以及平面反射器的反射，在输出端口得到和差信号；
准光极化隔离器(5)由法拉第旋转器和金属栅组成，法拉第旋转器起到极化旋转作用，金属栅起到极化选择和信号隔离的作用；
信号处理机(1)的时序控制口与波形发生器(2)的时基输入口连接；波形发生器(2)的输出口与毫米波倍频放大驱动链路(3)的中频输入口连接；频率源(10)的泵源输出口与毫米波倍频放大驱动链路(3)的输入口连接，毫米波倍频放大驱动链路(3)的输出口与发射机(4)的输入口连接，发射机(4)的输出口与准光极化隔离器(5)的端口II连接，准光极化隔离器(5)的端口II到端口I的环路为发射支路；
准光和差网络(6)的和端口Σ与准光极化隔离器(5)的端口I连接，准光极化隔离器(5)的端口III与三通道谐波混频接收机(8)的和输入口连接，准光极化隔离器(5)端口I到端口III的环路为和接收支路；准光和差网络(6)的方位差输出端口△az、俯仰差输出端口△el分别与三通道谐波混频接收机(8)的方位差输入口、俯仰差输入口对应连接；频率源(10)的本振输出口与本振倍频放大链路(9)的输入口连接，本振倍频放大链路(9)的输出口与三通道谐波混频接收机(8)的本振输入口连接；三通道谐波混频接收机(8)的方位差输出口、俯仰差输出口、和通道输出口分别与信号处理机(1)的方位通道、俯仰通道、和通道三路AD接收通道输入口对应连接。
2.根据权利要求1所述的适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统，其特征在于，所述准光和差网络(6)为二维和差比较器，通过两个一维和差比较器相互级联排列。
3.采用权利要求1所述的适用于太赫兹波段的单脉冲成像系统的成像方法，其特征在于步骤如下：
第一步：产生太赫兹发射波形信号
在信号处理机(1)的时序控制下，波形发生器(2)输出中频信号，中频信号经毫米波倍频放大驱动链路(3)放大倍频至毫米波段信号，再通过发射机(4)的进一步倍频放大形成太赫兹波信号；
第二步：合成用于探测的太赫兹和波束信号
太赫兹波信号通过准光极化隔离器(5)的II到I环路进入准光和差网络(6)，准光和差网络(6)输出四路等幅同相信号至卡塞格伦反射面天馈(7)的四个馈源，四个馈源同相辐射共同形成发射和波束信号；
第三步：接收目标反射信号，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号
发射和波束信号经过目标调制与反射形成回波信号，被卡塞格伦反射面天馈(7)的四个馈源同时接收，再经过准光和差网络(6)进行二维和、差处理，产生接收和信号、方位差信号、俯仰差信号；
第四步：和、差三通道信号下变频及数字解调
接收和信号、方位差信号以及俯仰差信号在三通道谐波混频接收机(8)通过本振倍频放大链路(9)提供的同一本振下变频到中频，形成具有稳定相位相对关系的中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号；中频和信号、中频方位差信号、中频俯仰差信号通过信号处理机(1)中频采样、数字正交解调形成和数字信号、方位差数字信号、俯仰差数字信；
第五步：距离高分辨与单脉冲测角算法处理
和数字信号经过距离高分辨算法处理完成距离信息提取，方位差数字信号、俯仰差数字信号通过相位检波算法处理完成角误差信号的提取，最终实现系统测距与测角的功能；
第六步：获取距离像上强散射点的方位、俯仰信息，进行目标三维重构
通过距离高分辨率算法获得高分辨的距离像，同时通过单脉冲测角获取距离像上强散射点的方位、俯仰二维角域像，再通过目标距离-方位-俯仰三维重构算法最终实现太赫兹波单脉冲三维成像。
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