CN110764107B - 基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置及方法。本发明旨在利用阵列非相干探测器来替代传统太赫兹孔径编码成像雷达中的多个相干探测器，在接收过程中只接收回波信号的强度信息而不接收相位信息，从而简化系统接收链路，降低系统复杂度，减少制造成本，同时使其易于集成化、小型化，阵列非相干探测器采用多通道输出技术来完成回波数据的高速采集，能有效减少编码和采样的次数，实现太赫兹孔径编码的高速成像或实时成像。

Description

基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置及 方法

技术领域

本发明涉及太赫兹频段高分辨凝视成像技术领域，尤其涉及一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置及方法。

背景技术

随着科技的进步与市场需求的增加，太赫兹高分辨凝视成像雷达正得到人们越来越多的重视，其将在国防建设与社会发展中扮演重要的角色。传统的太赫兹高分辨成像雷达主要包括实孔径阵列雷达、合成孔径雷达(SAR)、逆合成孔径雷达(ISAR)和相控阵雷达。其中，合成孔径雷达和逆合成孔径雷达都依赖于雷达与目标的相对运动，通过合成虚拟孔径来实现方位和俯仰向的高分辨成像，但无法实现前视凝视成像。而对于实孔径阵列雷达和相控阵雷达，两者都可以实现凝视成像，但是其分辨率都严重受限于雷达发射天线的阵元数，并且阵元越多，实孔径阵列雷达的孔径越大，相控阵雷达的波束扫描性能越好，两者的成像分辨率也就越高，然而它们的系统复杂度、制造成本和维护难度等也将大幅增加。

近年来提出的微波关联成像雷达，其是一种不依赖于目标相对运动的新型雷达成像技术，其通过发射端的天线阵列来构造时间不相关和空间相互正交的发射信号，进而在成像区域内产生多种照射模式，然后依靠严格推演出的成像区域所对应的探测信号来与接收到的回波信号相关联，建立计算成像方程，通过求解成像方程来获取目标散射信息，完成成像。然而，微波关联成像雷达仍然依赖于天线阵列，并且阵元越多，在成像区域产生的照射模式越丰富，从而越有利于目标的精确重构。

基于光学孔径编码成像原理和微波关联成像原理而提出的太赫兹孔径编码成像雷达，则是一种利用数控动态编码孔径来实现凝视高分辨成像的新型雷达成像技术。与微波关联成像雷达不同的是，太赫兹孔径编码成像雷达通过单个发射天线来发射随机跳频信号(HF)或者线性调频信号(LFM)，同时利用控制终端将随机相位(幅度)调制因子加载至编码孔径天线来对发射信号进行调制，从而在成像区域形成丰富的照射模式。太赫兹孔径编码成像雷达相比于上述其他雷达，其不依赖于目标相对运动也不依赖于发射天线阵列便能实现凝视高分辨成像，并且系统结构简单，易实现小型化，成本相对更低。然而，太赫兹孔径编码成像雷达若想利用多通道阵列接收技术来实现实时成像，其必将面对相干接收天线阵列所带来的昂贵成本和复杂链路。

现有的太赫兹孔径编码成像雷达采用的都是相干接收技术，其能够探测回波信号的相位和幅度信息。但是，相干接收的链路复杂，相干接收机通常包括低噪声放大器、中频振荡器、混频器等装置，其需要对回波信号进行下变频和降带宽处理。此外，目前的相干接收器件对高频率、大带宽的信号接收还存在一定的难度，尤其是在太赫兹高频段对相位的精确测量还难以实现。当需要利用多通道输出技术来实现高速成像或者实时成像时，将使用大量的相干接收机，而目前单个相干接收机的成本较高，若大量使用必将导致系统复杂度和制造成本的增加，难以实用化。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置及方法。本发明旨在利用阵列非相干探测器来替代传统太赫兹孔径编码成像雷达中的多个相干探测器，在接收过程中只接收回波信号的强度信息而不接收相位信息，从而简化系统接收链路，降低系统复杂度，减少制造成本，同时使其易于集成化、小型化，阵列非相干探测器采用多通道输出技术来完成回波数据的高速采集，能有效减少编码和采样的次数，实现太赫兹孔径编码的高速成像或实时成像。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：

基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，包括

太赫兹雷达信号源，与控制与处理终端连接，在控制与处理终端的控制下用于产生设定形式的太赫兹随机跳频发射信号；

发射天线，用于将太赫兹雷达信号源产生的太赫兹随机跳频发射信号发射到透射式编码孔径天线；

编码驱动器，与控制与处理终端连接，控制与处理终端将设定的随机相位编码方案传输至编码驱动器，编码驱动器将设定的随机相位编码方案加载至透射式编码孔径天线；

透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置，包括透射式编码孔径天线、阵列非相干探测器以及金属集成框架，所述金属集成框架为框架结构，所述透射式编码孔径天线设置在金属集成框架的内框中，所述阵列非相干探测器设置在金属集成框架的框架上，其中透射式编码孔径天线用于对入射的太赫兹随机跳频发射信号进行随机相位调制；阵列非相干探测器用于探测成像区域内目标表面散射回的太赫兹回波信号的强度；

多通道高速采样与输出模块，用于对太赫兹回波信号的强度进行探测后，对阵列非相干探测器各个阵元对应探测的强度信息进行采样并多通道高速传输至控制与处理终端；

同步时钟模块，与控制与处理终端连接，接收控制与处理终端的指令后，用于对太赫兹雷达信号源、编码驱动器和多通道高速采样与输出模块进行同步控制；

控制与处理终端，对采样的太赫兹回波信号的强度信息进行处理，通过计算成像的方法来精确重构出目标，从而完成高分辨凝视成像。

作为本发明的优选方案，所述太赫兹雷达信号源用于产生太赫兹随机跳频发射信号

其中,S_tr(t_n)表示太赫兹雷达信号源在t_n时刻产生的太赫兹随机跳频发射信号，A表示太赫兹随机跳频发射信号的幅度大小，j表示虚数单位，f_c表示太赫兹随机跳频发射信号的中心频率，

是在t_n时刻的随机跳频控制码，Δf表示系统允许的最小随机跳频间隔。实际应用中，最小随机跳频间隔Δf主要是由透射式编码孔径天线的相位编码切换时间来确定的，因为太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲之间应该存在一定的时间间隔用于透射式编码孔径天线的编码切换，目的是让不同频率的单频子脉冲对应不同的编码模式，同时也能让不同频率和不同编码状态下的太赫兹回波信号之间不发生重叠。随机跳频控制码

用于控制太赫兹随机跳频发射信号在t_n时刻的单频子脉冲频率，主要是通过产生随机整数的方式在信号带宽范围内选择t_n时刻的随机频点作为单频子脉冲频率。随机跳频控制码

必须选择随机且不重复的整数，并且要保证太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲能随机且不重复的跳完带宽内等间距的所有频点，充分利用随机跳频信号的大带宽优势，有利于高分辨成像。

作为本发明的优选方案，同步时钟模块使太赫兹雷达信号源在切换下一个频点的太赫兹随机跳频发射信号时，编码驱动器能同步加载设定的随机相位编码方案至透射式编码孔径天线，而多通道高速采样与输出模块也能同步开始下一频点的太赫兹回波信号强度的采样与传输工作。

本发明中，金属集成框架由上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条、右金属边框条首尾相接而成。金属集成框架的内框尺寸由透射式编码孔径天线的尺寸大小决定，透射式编码孔径天线的尺寸大小为l_c×l_c，透射式编码孔径天线包含的编码天线阵元数为M，金属集成框架的内框尺寸大小设为l_c×l_c。优选地，本发明中阵列非相干探测器包括多个非相干探测器阵元，在上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条和右金属边框条中的至少一条金属边框条上呈阵列分布有多个非相干探测器阵元，相邻非相干探测器阵元间的间距应该大于1个太赫兹回波信号波长，保证各个阵元在探测回波信号强度时存在差异性。金属集成框架的作用一方面是用于集成透射式编码孔径天线和阵列非相干探测器，使两者相对位置固定，有利于系统的成像建模，同时实现一体化，使系统结构更加紧凑、简洁；另一方面，金属集成框架能够屏蔽掉发射天线发射至透射式编码孔径天线以外的太赫兹波，避免发射天线发射的太赫兹波未经过透射式编码孔径天线的随机相位调制就传播至成像区域，从而使成像模型失配，影响成像效果。

优选地，本发明中，发射天线与透射式编码孔径天线正对设置，且发射天线的中心与透射式编码孔径天线的中心处在同一轴线上。发射天线与透射式编码孔径天线之间的距离l₁由发射天线的主瓣宽度决定，必须保证发射天线的主波束将透射式编码孔径天线全部覆盖。具体地，发射天线与透射式编码孔径天线之间的距离l₁由下式决定：

其中，l_c表示透射式编码孔径天线的长度，θ表示发射天线的主瓣波束宽度。

本发明首先通过控制与处理终端来控制太赫兹雷达信号源产生设定形式的太赫兹随机跳频发射信号，然后利用发射天线来将太赫兹随机跳频发射信号通过自由空间发射至透射式编码孔径天线，与此同时，控制与处理终端随机相位编码方案传输至编码驱动器，利用编码驱动器将随机相位编码方案加载至透射式编码孔径天线，之后透射式编码孔径天线对入射的太赫兹随机跳频发射信号进行随机相位调制，从而在成像区域形成时间不相关、空间相互正交的二维随机辐射场。由于成像区域内的目标对太赫兹随机跳频发射信号具有一定的散射特性，目标表面将散射回部分太赫兹信号。而后阵列非相干探测器对从目标表面散射回的太赫兹回波信号的强度进行探测，并利用多通道高速采样与输出模块对太赫兹回波信号的强度信息进行采样并多通道高速传输至控制与处理终端。最后，控制与处理终端将采样的太赫兹回波信号的强度信息进行处理，通过计算成像的方法来精确重构出目标，从而完成高分辨凝视成像。同步时钟模块主要是接收控制与处理终端的指令后，用于实现太赫兹雷达信号源、编码驱动器和多通道高速采样与输出模块的同步控制。具体地，同步时钟模块使太赫兹雷达信号源在切换下一个频点的太赫兹信号时，编码驱动器能同步加载相位调制方案至透射式编码孔径天线，而多通道高速采样与输出模块也能同步开始下一频点的回波信号采样与输出工作。阵列非相干探测器的各个非相干探测器阵元间存在最小间距，最小间距可根据所使用的太赫兹随机跳频发射信号的波长来确定，其目的是必须保证各个阵元接收的回波信号强度存在差异性，以便用空间采样来代替时间采样，从而减少成像过程中所需的编码次数和采样次数。

利用上述提供的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，本发明提供一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像方法，包括：

本发明所述太赫兹雷达信号源用于产生太赫兹随机跳频发射信号S_tr(t_n)；

其中,S_tr(t_n)表示太赫兹雷达信号源在t_n时刻产生的太赫兹随机跳频发射信号，A表示太赫兹随机跳频发射信号的幅度大小，j表示虚数单位，f_c表示太赫兹随机跳频发射信号的中心频率，

是在t_n时刻的随机跳频控制码，Δf表示系统允许的最小随机跳频间隔。实际应用中，最小随机跳频间隔Δf主要是由透射式编码孔径天线的相位编码切换时间来确定的，因为太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲之间应该存在一定的时间间隔用于透射式编码孔径天线的编码切换，目的是让不同频率的单频子脉冲对应不同的编码模式，同时也能让不同频率和不同编码状态下的太赫兹回波信号之间不发生重叠。随机跳频控制码n_tn用于控制太赫兹随机跳频发射信号在t_n时刻的单频子脉冲频率，主要是通过产生随机整数的方式在信号带宽范围内选择t_n时刻的随机频点作为单频子脉冲频率。随机跳频控制码

必须选择随机且不重复的整数，并且要保证太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲能随机且不重复的跳完带宽内等间距的所有频点，充分利用随机跳频信号的大带宽优势，有利于高分辨成像。

设阵列非相干探测器共有Q个非相干探测器阵元，各个非相干探测器阵元相互独立，其中，第q个非相干探测器阵元位置矢量为r_q；设透射式编码孔径天线共有M个编码天线阵元，第m个编码天线阵元的位置矢量是r_m；设成像区域被划分为W个成像网格，第w个成像网格的中心位置矢量为r_w；

阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收太赫兹回波信号时，推演的参考信号S^(q)(t_n,r_q)写为：

其中，R₀是发射天线的位置矢量，c是电磁波的传播速度，而

则表示t_n时刻被编码驱动器加载到透射式编码孔径天线的第m个编码天线阵元上的随机相位调制因子；

得到阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收到的太赫兹回波信号强度Sr^(q)(t_n)，如下式所示:

其中，β_w是第w个成像网格内的目标散射系数；

将t_n时刻的孔径编码无相位成像方程写为：

Sr(t_n)＝|S(t_n)·β|²

其中Sr(t_n)＝[Sr⁽¹⁾(t_n),Sr⁽²⁾(t_n),...,Sr^(Q)(t_n)]^T是t_n时刻整个阵列非相干探测器接收的太赫兹回波信号强度矢量，β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T是所有成像网格内目标的散射系数矢量，而t_n时刻整个阵列非相干探测器对应的参考信号矩阵S(t_n)则被表示为：

最终，经过N个时刻，能够建立出基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置所对应的无相位成像方程，写为：

Sr＝|S·β+ω|²

其中Sr＝[Sr(t₁)^T,Sr(t₂)^T,...,Sr(t_N)^T]^T是阵列非相干探测器在经过N个时刻得到的回波信号的强度矢量；S＝[S(t₁)^T,S(t₂)^T,...,S(t_N)^T]^T是经过N个时刻得到的对应的参考信号矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,...,ω_L]^T是阵列非相干探测器在探测太赫兹回波信号过程中产生的高斯白噪声，其中L＝N×Q是阵列非相干探测器在N个时刻总共采样得到的强度信息的数量，即矢量Sr的维度。

求解无相位成像方程，计算出目标的散射系数矢量β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T，最终实现对目标的精确重构，完成雷达高分辨凝视成像。

本发明的有益技术效果：

(1)本发明利用阵列非相干探测器只采集太赫兹回波信号的强度信息，无需对相位信息进行采集，接收链路中去除了低噪声放大器、本振信号源、混频器等相干接收所需的下变频装置，同时接收过程省去了降带宽采样的操作，这些使接收链路更加简单，降低了系统复杂度。此外，由于相同规格的阵列非相干探测器的价格低于阵列相干探测器，结构也比阵列相干探测器简单，本发明使得孔径编码成像装置的成本更低、体积更小，便于小型化。

(2)本发明利用太赫兹回波信号的强度信息，结合多通道输出技术和计算成像思想，建立基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像方程，通过求解这个随机二次方程系统，实现了高分辨凝视成像。此外，通过阵列非相干探测器及多通道输出技术，实现空间采样代替时间采样，从而减少成像过程中所需的编码次数和采样次数，缩短成像时间，实现快速成像或实时成像。

(3)本发明通过金属集成框架，整合并集成了透射式编码天线和阵列非相干探测器，不仅使系统更加紧凑、简洁、美观，还通过固定透射式编码天线和阵列非相干探测器的相对位置，使成像系统工作更加稳定。此外，金属集成框架还能遮挡透射式编码孔径天线边缘未经调制的太赫兹信号进入成像区域，避免成像模型失配从而影响成像结果。

附图说明

图1是一实施例中基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置的结构示意图；

图2是一实施例中基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像方法的流程图。

具体实施方式

为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。

参照图1，本发明实施例1提供一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，包括：控制与处理终端1、太赫兹雷达信号源2、发射天线3、透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置、编码驱动器7、多通道高速采样与输出模块8、同步时钟模块6。

太赫兹雷达信号源2，与控制与处理终端1连接，在控制与处理终端1的控制下用于产生设定形式的太赫兹随机跳频发射信号。

发射天线3，用于将太赫兹雷达信号源2产生的太赫兹随机跳频发射信号发射到透射式编码孔径天线5。

编码驱动器7，与控制与处理终端1连接，控制与处理终端1将设定的随机相位编码方案传输至编码驱动器7，编码驱动器7将设定的随机相位编码方案加载至透射式编码孔径天线5。

透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置，包括透射式编码孔径天线5、阵列非相干探测器9以及金属集成框架4，所述金属集成框架4为框架结构，所述透射式编码孔径天线5设置在金属集成框架4的内框中，所述阵列非相干探测器设置在金属集成框架的框架上，其中透射式编码孔径天线5用于对入射的太赫兹随机跳频发射信号进行随机相位调制；阵列非相干探测器9用于探测成像区域内目标表面散射回的太赫兹回波信号的强度。

多通道高速采样与输出模块8，用于对太赫兹回波信号的强度进行探测后，对阵列非相干探测器各个阵元对应探测的强度信息进行采样并多通道高速传输至控制与处理终端1。

控制与处理终端1，对采样的太赫兹回波信号的强度信息进行处理，通过计算成像的方法来精确重构出目标，从而完成高分辨凝视成像。

同步时钟模块6，与控制与处理终端1连接，接收控制与处理终端1的指令后，用于对太赫兹雷达信号源2、编码驱动器7和多通道高速采样与输出模块8进行同步控制。同步时钟模块6使太赫兹雷达信号源2在切换下一个频点的太赫兹随机跳频发射信号时，编码驱动器7能同步加载设定的随机相位编码方案至透射式编码孔径天线5，而多通道高速采样与输出模块8也能同步开始下一频点的太赫兹回波信号强度的采样与传输工作。

参照图1，透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置，包括透射式编码孔径天线5、阵列非相干探测器9以及金属集成框架4，所述金属集成框架4为框架结构。金属集成框架4由上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条、右金属边框条首尾相接而成。金属集成框架4的内框尺寸由透射式编码孔径天线5的尺寸大小决定，透射式编码孔径天线5的尺寸大小为l_c×l_c，透射式编码孔径天线5包含的编码天线阵元数为M，金属集成框架4的内框尺寸大小设为l_c×l_c。阵列非相干探测器9包括多个非相干探测器阵元，在上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条和右金属边框条中的至少一条金属边框条上呈阵列分布有多个非相干探测器阵元，相邻非相干探测器阵元间的间距应该大于1个太赫兹回波信号波长，保证各个阵元在探测回波信号强度时存在差异性。金属集成框架的作用一方面是用于集成透射式编码孔径天线和阵列非相干探测器，使两者相对位置固定，有利于系统的成像建模，同时实现一体化，使系统结构更加紧凑、简洁；另一方面，金属集成框架能够屏蔽掉发射天线发射至透射式编码孔径天线以外的太赫兹波，避免发射天线发射的太赫兹波未经过透射式编码孔径天线的随机相位调制就传播至成像区域，从而使成像模型失配，影响成像效果。

控制与处理终端1能够控制同步时钟模块6、太赫兹雷达信号源2和编码驱动器7，还负责推演参考信号以及处理数据，完成计算成像。控制与处理终端1分别向同步时钟模块6、太赫兹雷达信号源2和编码驱动器7发送指令以后，同步时钟模块6输出指令信号，太赫兹雷达信号源2在接收到控制与处理终端1和同步时钟模块6的指令后，产生设定形式的太赫兹随机跳频发射信号。

太赫兹雷达信号源2产生太赫兹随机跳频发射信号以后，将通过太赫兹发射天线3以指定的功率和方向把太赫兹随机跳频发射信号通过自由空间发射至透射式编码孔径天线。参照图1，发射天线3与透射式编码孔径天线5正对设置，且发射天线3的中心与透射式编码孔径天线5的中心处在同一轴线上。发射天线3与透射式编码孔径天线5之间的距离l₁由发射天线3的主瓣宽度决定，必须保证发射天线的主波束将透射式编码孔径天线全部覆盖。具体地，发射天线3与透射式编码孔径天线5之间的距离l₁由下式决定：

其中，l_c表示透射式编码孔径天线的长度，θ表示发射天线的主瓣波束宽度。此外，发射天线3和透射式编码孔径天线5间的距离l₁不应该过大，否则到达透射式编码孔径天线5的太赫兹随机跳频发射信号能量将衰减过多，影响编码效果从而缩短雷达的成像距离l₂。而金属集成框架4除了用于集成透射式编码孔径天线5和阵列非相干探测器9，还能用于遮挡发射天线3照射在透射式编码孔径天线5以外的多余信号，避免未经透射式编码孔径天线5调制的太赫兹随机跳频发射信号直接进入成像区域，从而导致后续推演的参考信号和无相位成像方程失配，影响成像效果。在实施例中，假设发射天线3的主瓣波束宽度为θ＝40°，透射式编码孔径天线5的尺寸大小为l_c×l_c＝10cm×10cm，包含的编码天线阵元数为10×10，那么便可以求得发射天线3和透射式编码孔径天线5的距离为l₁＝44.9cm。此外，根据透射式编码孔径天线5和非相干探测器9这两者的尺寸来选择金属集成框架4。假设非相干探测器9包含了2×4个非相干探测器阵元，每个非相干探测器阵元尺寸为1cm×1cm，为保证各个非相干探测器阵元在探测太赫兹回波信号强度时存在差异性，相邻非相干探测器阵元间距应该大于一个波长。这里假设发射信号的中心频率f_c＝300GHz，非相干探测器阵元间距则设置为1cm×1cm，如图1所示上下对称均匀排布。那么，综合考虑，将金属集成框架4的整体尺寸设置为16cm×16cm，内框尺寸设置为10cm×10cm，以保证能集成相关器件，并且能遮挡发射天线3照射在透射式编码孔径天线5以外的多余信号。本发明阵列非相干探测器中各非相干探测器阵元的排布方式不限于图1中的排布形式，还可以以任意形式排布，但需保证阵列非相干探测器的各个阵元的间距应该大于太赫兹随机跳频发射信号的1个波长。透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置其形状不限于图1中所示形状，还可以是任意形状。

太赫兹随机跳频发射信号以指定的方向在自由空间中传播，到达透射式编码孔径天线5。与此同时，由于编码驱动器7也同步接收到了控制与处理终端1和同步时钟模块6的指令，将设定的随机相位编码方案加载至透射式编码孔径天线5。透射式编码孔径天线5按照设定的随机相位编码方案对太赫兹随机跳频发射信号进行调制，从而在成像区域内形成时间不相关、空间相互正交的二维随机辐射场。由于位于成像区域内的目标对太赫兹随机跳频发射信号具有一定的散射特性，目标表面将散射回部分太赫兹信号，而排布在金属集成框架4上的阵列非相干探测器9能够对太赫兹回波信号的强度信息进行探测。阵列非相干探测器9在探测太赫兹回波信号强度的同时，多通道高速采样与输出模块8在同步时钟模块6的指令下对太赫兹回波信号的强度信息进行采样，并利用多通道技术将信息高速传输回控制与处理终端1。控制与处理终端1对采样的太赫兹回波信号强度进行处理，通过计算成像的方法来精确重构出目标，从而完成高分辨凝视成像。

参照图2，本发明实施例2基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像方法的流程图。

本实施例中太赫兹雷达信号源产生太赫兹随机跳频信号，太赫兹雷达信号源产生太赫兹随机跳频发射信号为：

其中,S_tr(t_n)表示太赫兹雷达信号源在t_n时刻产生的太赫兹随机跳频发射信号，A表示太赫兹随机跳频发射信号的幅度大小，j表示虚数单位，f_c表示太赫兹随机跳频发射信号的中心频率，

是在t_n时刻的随机跳频控制码，Δf表示系统允许的最小随机跳频间隔。此外，Δf的设置应该考虑最小的跳频间隔，同时还需要选择适当的随机跳频控制码

来保证发射信号能随机跳完带宽内所有固定间隔的频点，并且不重复。在实施例中，假设太赫兹雷达信号源2产生的太赫兹随机跳频发射信号的中心频率f_c＝300GHz，带宽为10GHz，则发射信号能随机跳频的范围为325GHz～335GHz。假设将最小随机跳频间隔设置为Δf＝2MHz，那么在10GHz的带宽内将有5001个不重复的跳频点。此时随机跳频控制码

设置为[-2500,2500]内的随机且不重复的整数，用于控制随机信号跳完10GHz带宽内5001个不重复的频点，充分利用出随机跳频信号的大带宽优势。

设阵列非相干探测器共有Q个非相干探测器阵元，各个非相干探测器阵元相互独立，其中，第q个非相干探测器阵元位置矢量为r_q；设透射式编码孔径天线共有M个编码天线阵元，第m个编码天线阵元的位置矢量是r_m；设成像区域被划分为W个成像网格，第w个成像网格的中心位置矢量为r_w。因此，可以得到阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收太赫兹回波信号时，推演的参考信号S^(q)(t_n,r_q)写为：

其中，R₀是发射天线的位置矢量，c是电磁波的传播速度，而

则表示t_n时刻被编码驱动器加载到透射式编码孔径天线的第m个编码天线阵元上的随机相位调制因子。

得到阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收到的太赫兹回波信号强度Sr^(q)(t_n)，如下式所示:

其中，β_w是第w个成像网格内的目标散射系数；

将t_n时刻的孔径编码无相位成像方程写为：

Sr(t_n)＝|S(t_n)·β|²

其中Sr(t_n)＝[Sr⁽¹⁾(t_n),Sr⁽²⁾(t_n),...,Sr^(Q)(t_n)]^T是t_n时刻整个阵列非相干探测器接收的太赫兹回波信号强度矢量，β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T是所有成像网格内目标的散射系数矢量，而t_n时刻整个阵列非相干探测器对应的参考信号矩阵S(t_n)则被表示为：

最终，经过N个时刻，能够建立出基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置所对应的无相位成像方程，写为：

Sr＝|S·β+ω|²

其中Sr＝[Sr(t₁)^T,Sr(t₂)^T,...,Sr(t_N)^T]^T是阵列非相干探测器在经过N个时刻得到的回波信号的强度矢量；S＝[S(t₁)^T,S(t₂)^T,...,S(t_N)^T]^T是经过N个时刻得到的对应的参考信号矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,...,ω_L]^T是阵列非相干探测器在探测太赫兹回波信号过程中产生的高斯白噪声，其中L＝N×Q是阵列非相干探测器在N个时刻总共采样得到的强度信息的数量，即矢量Sr的维度。

求解无相位成像方程，计算出目标的散射系数矢量β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T，最终实现对目标的精确重构，完成雷达高分辨凝视成像。

本发明控制与处理终端1利用太赫兹回波信号的强度信息和基于阵列多通道接收建模推演出的参考信号，建立基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置所对应的无相位成像方程，最后通过计算求解无相位成像方程，计算出目标的散射系数矢量β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T，最终实现对目标的精确重构，完成雷达高分辨凝视成像。

本发明使用阵列非相干探测器来对孔径编码成像系统中散射回来的太赫兹回波信号的强度信息进行探测，探测到的太赫兹回波信号的强度信息不是用来直接进行CCD面阵成像，而是用来进行计算成像。

阵列非相干探测器中所有相邻非相干探测器阵元间的间距应该大于太赫兹随机跳频发射信号的1个波长，以保证阵列非相干探测器的各个阵元探测到的回波信号强度的差异性足够大，能利用空间采样来代替时间采样，从而减少成像过程中所需的编码次数和采样次数，并提高无相位成像方程中参考信号矩阵的有效秩，提高方程的求解性能。

本发明采用透射式编码孔径天线来对太赫兹波进行随机相位调制，并搭配阵列非相干探测器来对回波信号的强度进行探测，结合多通道输出技术和计算成像思想，利用严格推演的参考信号和接收的回波信号强度来建立无相位成像方程，无需依赖雷达与目标间的相对运动便能实现高分辨凝视成像，同时能有效地减少编码次数和采样次数，缩短成像时间，实现快速成像或实时成像，还能简化系统结构，降低系统复杂度及制造成本。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，包括：

太赫兹雷达信号源，与控制与处理终端连接，在控制与处理终端的控制下用于产生设定形式的太赫兹随机跳频发射信号；所述太赫兹雷达信号源用于产生太赫兹随机跳频发射信号

其中,S_tr(t_n)表示太赫兹雷达信号源在t_n时刻产生的太赫兹随机跳频发射信号，A表示太赫兹随机跳频发射信号的幅度大小，j表示虚数单位，f_c表示太赫兹随机跳频发射信号的中心频率，

是在t_n时刻的随机跳频控制码，Δf表示系统允许的最小随机跳频间隔；最小随机跳频间隔Δf由透射式编码孔径天线的相位编码切换时间来确定的，使得太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲之间存在一定的时间间隔用于透射式编码孔径天线的编码切换，让不同频率的单频子脉冲对应不同的编码模式，同时也能让不同频率和不同编码状态下的太赫兹回波信号之间不发生重叠；随机跳频控制码

用于控制太赫兹随机跳频发射信号在t_n时刻的单频子脉冲频率，通过产生随机整数的方式在信号带宽范围内选择t_n时刻的随机频点作为单频子脉冲频率；随机跳频控制码

必须选择随机且不重复的整数，并且要保证太赫兹随机跳频发射信号中的单频子脉冲能随机且不重复的跳完带宽内等间距的所有频点；

发射天线，用于将太赫兹雷达信号源产生的太赫兹随机跳频发射信号发射到透射式编码孔径天线；

编码驱动器，与控制与处理终端连接，控制与处理终端将设定的随机相位编码方案传输至编码驱动器，编码驱动器将设定的随机相位编码方案加载至透射式编码孔径天线；

透射式编码孔径天线及阵列非相干探测器集成装置，包括透射式编码孔径天线、阵列非相干探测器以及金属集成框架，所述金属集成框架为框架结构，所述透射式编码孔径天线设置在金属集成框架的内框中，所述阵列非相干探测器设置在金属集成框架的框架上，其中透射式编码孔径天线用于对入射的太赫兹随机跳频发射信号进行随机相位调制；阵列非相干探测器用于探测成像区域内目标表面散射回的太赫兹回波信号的强度；

多通道高速采样与输出模块，用于对太赫兹回波信号的强度进行探测后，对阵列非相干探测器各个阵元对应探测的强度信息进行采样并多通道高速传输至控制与处理终端；

同步时钟模块，与控制与处理终端连接，接收控制与处理终端的指令后，用于对太赫兹雷达信号源、编码驱动器和多通道高速采样与输出模块进行同步控制；

控制与处理终端，对采样的太赫兹回波信号的强度信息进行处理，通过计算成像的方法来精确重构出目标，从而完成高分辨凝视成像。

2.根据权利要求1所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，同步时钟模块使太赫兹雷达信号源在切换下一个频点的太赫兹随机跳频发射信号时，编码驱动器能同步加载设定的随机相位编码方案至透射式编码孔径天线，而多通道高速采样与输出模块也能同步开始下一频点的太赫兹回波信号强度的采样与传输工作。

3.根据权利要求1所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，金属集成框架由上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条、右金属边框条首尾相接而成；阵列非相干探测器包括多个非相干探测器阵元，在上金属边框条、下金属边框条、左金属边框条和右金属边框条中的至少一条金属边框条上呈阵列分布有多个非相干探测器阵元。

4.根据权利要求3所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，金属集成框架的内框尺寸由透射式编码孔径天线的尺寸大小决定，透射式编码孔径天线的尺寸大小为l_c×l_c，透射式编码孔径天线包含的编码天线阵元数为M，金属集成框架的内框尺寸大小设为l_c×l_c。

5.根据权利要求3所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，相邻非相干探测器阵元间的间距应该大于1个太赫兹回波信号波长。

6.根据权利要求1所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，发射天线与透射式编码孔径天线正对设置，且发射天线的中心与透射式编码孔径天线的中心处在同一轴线上。

7.根据权利要求1所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置，其特征在于，发射天线与透射式编码孔径天线之间的距离l₁由发射天线的主瓣宽度决定，必须保证发射天线的主波束将透射式编码孔径天线全部覆盖，发射天线与透射式编码孔径天线之间的距离l₁由下式决定：

其中，l_c表示透射式编码孔径天线的长度，θ表示发射天线的主瓣波束宽度。

8.一种基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像方法，其特征在于，利用上述权利要求1至7中任一权利要求所述的基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置实现；太赫兹雷达信号源产生太赫兹随机跳频发射信号为太赫兹随机跳频发射信号S_tr(t_n)：

其中,S_tr(t_n)表示太赫兹雷达信号源在t_n时刻产生的太赫兹随机跳频发射信号，A表示太赫兹随机跳频发射信号的幅度大小，j表示虚数单位，f_c表示太赫兹随机跳频发射信号的中心频率，

是在t_n时刻的随机跳频控制码，Δf表示系统允许的最小随机跳频间隔；

设阵列非相干探测器共有Q个非相干探测器阵元，各个非相干探测器阵元相互独立，其中，第q个非相干探测器阵元位置矢量为r_q；设透射式编码孔径天线共有M个编码天线阵元，第m个编码天线阵元的位置矢量是r_m；设成像区域被划分为W个成像网格，第w个成像网格的中心位置矢量为r_w；

阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收太赫兹回波信号时，推演的参考信号S^(q)(t_n,r_q)写为：

其中，R₀是发射天线的位置矢量，c是电磁波的传播速度，而

则表示t_n时刻被编码驱动器加载到透射式编码孔径天线的第m个编码天线阵元上的随机相位调制因子；

得到阵列非相干探测器的第q个非相干探测器阵元在t_n时刻接收到的太赫兹回波信号强度Sr^(q)(t_n)，如下式所示:

其中，β_w是第w个成像网格内的目标散射系数；

将t_n时刻的孔径编码无相位成像方程写为：

Sr(t_n)＝|S(t_n)·β|²

其中Sr(t_n)＝[Sr⁽¹⁾(t_n),Sr⁽²⁾(t_n),...,Sr^(Q)(t_n)]^T是t_n时刻整个阵列非相干探测器接收的太赫兹回波信号强度矢量，β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T是所有成像网格内目标的散射系数矢量，而t_n时刻整个阵列非相干探测器对应的参考信号矩阵S(t_n)则被表示为：

最终，经过N个时刻，能够建立出基于阵列非相干探测器的太赫兹孔径编码无相位成像装置所对应的无相位成像方程，写为：

Sr＝|S·β+ω|²

其中Sr＝[Sr(t₁)^T,Sr(t₂)^T,...,Sr(t_N)^T]^T是阵列非相干探测器在经过N个时刻得到的回波信号的强度矢量；S＝[S(t₁)^T,S(t₂)^T,...,S(t_N)^T]^T是经过N个时刻得到的对应的参考信号矩阵，ω＝[ω₁,ω₂,...,ω_L]^T是阵列非相干探测器在探测太赫兹回波信号过程中产生的高斯白噪声，其中L＝N×Q是阵列非相干探测器在N个时刻总共采样得到的强度信息的数量，即矢量Sr的维度；

求解无相位成像方程，计算出目标的散射系数矢量β＝[β₁,β₂,...,β_W]^T，最终实现对目标的精确重构，完成雷达高分辨凝视成像。

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