CN111504953B - 一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，主要基于ISAR转台成像原理，利用二维旋转目标太赫兹时域光谱散射信息进行目标三维散射成像测试，获取目标不同方位角、俯仰角的时域幅相信号，再通过频域成像数据筛选和THz图像重建数据处理算法获取目标散射三维图像。本发明提供的太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，有别于常规的太赫兹时域光谱点扫描成像，将太赫兹时域光谱发射波束全照射目标，测试目标尺度可达到10cm，比常规的1cm～2cm样品大。通过本发明提供的测量方法测试目标反射的太赫兹时域脉冲信号，获得目标的多光谱成像信息和高分辨三维散射中心，解决目标特性研究和识别问题。

Description

一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法
技术领域
本发明涉及太赫兹目标电磁散射特性测量技术，具体涉及一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法。
背景技术
太赫兹(THz)时域光谱成像为相干成像，依据的基本原理为：透过成像样品(或从样品反射)的THz电磁波的强度和相位包含了样品复介电函数的空间分布。将透射THz电磁波的强度和相位的二维信息记录下来，经过适当的处理和分析得到样品的THz图像。
太赫兹时域光谱成像技术包含信息量很大。每一个成像点对应一个时域波形，可以从时域谱或者其傅立叶变换谱中选择任意某个数据点的振幅或相位进行成像，从而重构样品的空间密度分布、折射率和厚度分布。根据对时域或频域中不同物理量的选取，THz成像可以表达成多种形式，不同表达方式可以解释不同特征。
时域模式成像是在THz电场的时域波形中提取出反映样品信息的数据进行成像的。大体可以分为两类：一类是振幅成像，主要反映了样品的厚度和吸收特性；一类是相位成像，主要反映样品厚度及其折射率信息。频域模式成像是在THz电场的频域波谱中提取出反映样品信息的数据进行成像的。针对频谱中某一特定频率所对应的振幅、功率、相位、吸收系数或折射率，反映样品在不同频率下光学性质所存在的差异，所得图像的对比度变化明显。
常规的太赫兹时域光谱成像测量都是对样品进行点扫描成像测量，太赫兹波不全照射目标，照射样品面积较小，通过将样品进行水平移动和垂直移动，完成整个样品面的扫描，通过数据处理进行成像。常规的太赫兹时域光谱成像测量技术不便于获得目标的多光谱成像信息和高分辨三维散射中心，不能解决目标特性研究和识别问题。
惠叶、白雪茹于2018年在雷达学报发表的论文《基于RID序列的微动目标高分辨三维成像方法》中，提出了基于散射中心航迹矩阵分解的微动目标高分辨三维成像方法。该方法首先生成距离-瞬时多普勒(RID)像序列，利用watershed图像(分割图像)分割方法提取RID像的散射中心支撑域，并基于最小欧氏距离准则实现航迹关联。然后，针对散射中心航迹关联时瞬时斜距估计精度受距离分辨率影响等问题，进一步提出基于现代谱估计的散射中心航迹矩阵精估计方法。最后，通过带约束的航迹矩阵分解实现微动目标的高分辨三维成像。该论文主要提供了一种三维成像算法，通过仿真研究进行验证。
佘荣斌、刘文权、周志盛等于2016年在集成技术发表的论文《空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法》中，针对传统太赫兹时域光谱成像技术存在的扫描时间长以及数据存储量大等问题，提出了一种基于压缩感知理论的空间欠采样太赫兹时域光谱成像方法。首先通过扫描电机获得目标非等间隔欠采样信号，然后利用压缩感知方法来重构缺失像素点的太赫兹信息。实验结果显示，当压缩比为0.5时，所重构的太赫兹信号与全采样条件下的信号相关性可达99.95％。通过对压缩重建图像的显示分析，时域图像中的缓变区域和频谱成像中的低频信号恢复效果较好。该方法提供了一种快速太赫兹光谱成像采样和后期处理方法，还是基于点扫描方式进行成像。
潘新建2017年发表的博士论文《新型太赫兹时域光谱电光取样技术及瞬态成像的研究》中，提出了一种新型宽带脉冲太赫兹实时差分成像系统，采用ZnTe晶体(碲化锌晶体)光整流产生的太赫兹发射信号，产生的太赫兹脉冲被90°离轴抛物面反射镜将其准直成平行光，准直后的太赫兹光束直径约为35mm，然后用一个聚乙烯材质的太赫兹透镜将太赫兹脉冲聚焦到探测晶体ZnTe上，待测物体在探测晶体上成一个缩小倒立的实像，成像放大率为0.3。探测光首先经过起偏器滤掉从飞秒激光器出来的飞秒激光的偏振态中非水平的偏振分量，然后依次经过延迟线、高阻硅片后与太赫兹脉冲一同共线照射到ZnTe晶体上。采用两个20°的偏振无关分束器将经过探测晶体之后的探测光分束之后再合束来构建新型差分探测结构，最后利用CCD相机获得太赫兹电场的二维分布图像。
申请号为CN201610046575.6的专利“毫米波全息三维成像监测系统和方法”，提出了一种毫米波全息三维成像检测系统，包括：发射天线，用于向被测对象发送毫米波发射信号；接收天线，用于接收从被测对象返回的回波信号；毫米波收发模块，用于生成发送被测对象的毫米波发射信号并接收和处理来自接收天线的回波信号；扫描装置，用于固定并移动毫米波收发模块、发射天线和接收天线；数据采集和处理模块，用于采集和处理从毫米波收发模块输出的回波信号以生成被测对象的三维图像等。此专利发明的系统属于SAR成像测量系统，系统基于电子学器件，测量频段为毫米波。
申请号为CN201410823627.7的专利“一种高速多幅太赫兹时域光谱成像仪”，主要通过将飞秒激光脉冲分割，各个脉冲之间具有一定的时间延迟。然后将此序列分为两路，一路用于产生太赫兹脉冲序列，另一路通过倾斜前沿脉冲光产生装置，产生具有前沿倾斜的探测光脉冲，实现对太赫兹脉冲的单次瞬态测量；结合信号采集及处理模块，对各个探测脉冲进行成像，就可以获得多个太赫兹脉冲序列的各个子脉冲的波形信息。该发明可应用于对不可逆的单次的材料超快动力学过程的太赫兹时域光谱的研究，但该专利不适用于三维成像。
申请号为201821592358.8的专利“一种反射式太赫兹时域光谱成像系统”，公开了一种成像系统配置，包括：激光器和光谱仪；光谱仪包括：第一层光谱仪和第二层光谱仪；第二层光谱仪设置在第一层光谱仪的顶部；第一层光谱仪包括：延迟单元和偏振分束单元；第二层光谱仪包括：太赫兹产生单元和样品测试单元；偏振分束单元设置在激光器的输出端，用于将激光器发射的激光分成泵浦光和探测光，依次沿第一光路和第二光路射出；沿第一光路依次设有太赫兹产生单元和样品测试单元；沿第二光路设有延迟单元，第二光路的出口端设置在太赫兹波产生单元和样品测试单元之间，有效地获取待测目标的反射太赫兹光谱和图像，该实用新型不全照射目标，而且只能用于一维成像测量。
发明内容
为了获得目标的多光谱成像信息和高分辨三维散射中心，解决目标特性研究和识别问题，本发明提出一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法。
本发明提出的一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，包含以下过程：
步骤1对太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统进行配置，太赫兹发射波束经过准直扩束辐射出高斯波束，目标置于高斯波束的腰斑处，并且满足全照射条件，采用二维转台支撑、旋转目标；
步骤2设计太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量参数，包含目标旋转所需的方位角和俯仰角旋转角度范围，方位角和俯仰角采样间隔，以及时域光谱扫描时间；
步骤3目标在设定方位角和俯仰角旋转角度范围内，分别进行等间隔步进或匀速慢速旋转运动，每旋转设定的方位角或俯仰角角度间隔，对目标进行一次时域光谱扫描测量，直到完成设定方位、俯仰角度范围的测试，获取并保存目标时域三维成像测试数据；
步骤4对太赫兹时域光谱目标三维成像测试数据进行时频转换、滤波处理，获取目标超宽带频域成像数据；
步骤5选取最优频率及角度范围内的频域成像数据，采用频域成像处理方法，实现目标三维太赫兹图像重建。
可选地，步骤1中，太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统为单站或双站，所述测量系统采用大口径离轴抛物面镜对太赫兹发射波进行准直扩束，太赫兹发射波束满足全照射目标条件；接收光路同样采用大口径离轴抛物面镜对目标太赫兹回波信号进行有效收集，并将目标太赫兹回波信号聚焦到太赫兹探测器上；
所述二维转台具备二维旋转角度反馈单元，能够进行闭环控制，获取目标位置信息。
可选地，步骤1中，所述测量系统需要达到的时间扫描长度根据目标尺寸确定；
根据采样定理，所述测量系统的时间扫描长度T(即时域光谱扫描时间)、时域波形采样时间间隔ΔT、时域波形采样点数M、频率分辨率Δf设计如下：
Figure BDA0002465766130000041
Figure BDA0002465766130000042
Figure BDA0002465766130000051
Figure BDA0002465766130000052
其中，C为光速，D为被测目标最大尺寸，fmax为太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统最高工作频率。
可选地，步骤2中，所述方位角旋转角度范围θ和俯仰角旋转角度范围φ分别根据目标方位向和俯仰向分辨率选取；
通过与目标方位向分辨率δx、目标横向长度Dx关系公式，计算方位角采样间隔δθ：
Figure BDA0002465766130000053
δθ≤λ/2Dx (5-2)
其中，λ表示太赫兹波波长，θ为目标方位角旋转角度范围，公式(5-1)
中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(5-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算；
通过与目标俯仰向分辨率δz、目标高度向尺度Dz关系公式，计算俯仰角采样间隔
Figure BDA0002465766130000054
Figure BDA0002465766130000055
Figure BDA0002465766130000056
其中，λ表示太赫兹波波长，φ为目标俯仰角旋转角度范围，公式(6-1)中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(6-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算；
目标方位角采样次数如公式(5-3)所示：
Dθ＝θ/δθ (5-3)
目标俯仰角采样次数如公式(6-3)所示：
Figure BDA0002465766130000057
宽带信号扫频带宽与目标距离向分辨率之间关系如式(7)所示：
Figure BDA0002465766130000061
式中，δy表示目标散射中心距离向分辨率；B表示选取的太赫兹成像带宽。
可选地，步骤3中，根据步骤2中设计的方位角旋转角度范围θ，及方位角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转方位角度信息的采集、保存，记录每个方位角的时域扫描数据，保存相应目标方位角旋转角度范围θ内的位置信息；
将目标转回初始位置，根据步骤2中设计的俯仰角旋转角度范围φ，及俯仰角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转俯仰角度信息的采集、保存，记录每个俯仰角的时域扫描数据，保存相应目标俯仰角旋转角度范围φ内的位置信息；
采用与目标测量完全相同的参数设置对RCS值已知的金属球进行时域扫描测量，测试获取金属球的回波信号。
可选地，步骤4中，还采用相对定标方法，对目标的三维扫描成像数据进行幅度相位定标，获取目标矢量RCS：
Figure BDA0002465766130000062
式中，VT(φ,θ,t)为目标三维时域散射成像测试回波信号；VC(t)为金属球测量最大反射处时域回波信号；t为扫描时间；
Figure BDA0002465766130000063
为目标在俯仰角为φ、方位角为θ、角频率为k时的RCS值；
Figure BDA0002465766130000064
为金属球在角频率为k时的RCS理论值。
可选地，步骤5中，根据目标实际旋转角度信息拟合各散射中心实际运动轨迹，对目标旋转引入的距离徙动进行校正，实现太赫兹波段目标高分辨散射成像，获取目标三维散射分布图像；太赫兹时域光谱三维散射成像处理公式为：
Figure BDA0002465766130000071
式中，
Figure BDA0002465766130000072
为被测目标在俯仰角为φ、方位角为θ、波数为k时的RCS值；k为频率为f时对应的波数、kB为选取频率带宽对应的波数，k＝2πf/C，kB＝2π(fmax-fmin)/C；ls表示目标各散射中心运动轨迹；P(ls)是表示目标一维距离像；θmin表示三维散射成像测量中目标起始方位角；θmax表示三维散射成像测量中目标终止方位角；φmin表示三维散射成像测量中目标起始俯仰角；φmax表示三维散射成像测量中目标终止俯仰角；
Figure BDA0002465766130000073
为坐标位置为(x,y,z)目标散射中心对应的散射矢量，x为散射点径向距离坐标值、y为散射点方位向距离坐标值、z为散射点高程向距离坐标值。
本发明主要基于ISAR转台成像原理，利用二维旋转目标太赫兹时域光谱散射信息进行目标三维散射成像测试，获取目标不同方位角、俯仰角的时域幅相信号，再通过频域成像数据筛选和THz图像重建数据处理算法获取目标散射三维图像。
相较于常规的太赫兹时域光谱点扫描成像，本发明提出的太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，将太赫兹时域光谱发射波束全照射目标，测试目标尺度比常规的1cm～2cm样品大，可达到10cm以上，测试目标反射的太赫兹时域脉冲信号。
通过本发明提供的太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，能够获得目标的多光谱成像信息和高分辨三维散射中心，解决目标特性研究和识别问题，亦可依据缩比原理，通过太赫兹缩比目标三维成像测量推演全尺寸大型军用目标微波、毫米波宽带电磁散射特征信息和三维散射中心分布。
附图说明
图1为本发明所述太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法流程图；
图2为太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统组成示意图。
具体实施方式
本发明主要基于ISAR转台成像原理，利用二维旋转目标太赫兹时域光谱散射信息进行目标三维散射成像测试，获取目标不同方位角、俯仰角的时域幅相信号，本发明所涉及方位向成像分辨方法如下：
方位向由于目标与测试雷达存在相对运动，产生多普勒频率实现目标分辨，目标方位向分辨率为δx，方位向分辨率与多普勒分辨率
Figure BDA0002465766130000082
目标旋转角度范围之间的关系如下：
Figure BDA0002465766130000081
式中，ω为目标旋转的角速度，λ为太赫兹波波长，T'为目标成像处理时间；θm为成像处理时间内目标旋转角度范围。
下面结合附图及实施例，对本发明进行详细描述。
图1为本发明所述太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法流程图。以缩比系数为150倍的10cm(长)×10cm(宽)×5cm(高)飞机目标模型作为本发明实施例，进行太赫兹时域光谱三维散射成像测试，具体说明基于太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法。
(1)太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统配置
可采用单站或双站太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统进行测量，太赫兹发射波经大口径离轴抛物面镜进行准直扩束，通常太赫兹发射波束为高斯波束，目标放置在高斯波束的腰斑处，避免发射波束起伏对测试精度产生影响，太赫兹发射波束满足全照射目标条件；接收光路同样采用大口径离轴抛物面镜对目标太赫兹回波信号进行有效收集，并将目标太赫兹回波信号聚焦到太赫兹探测器上。图2为太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统组成示意图。
目标采用二维转台进行支撑，可实现目标一定角度范围内的方位向和俯仰向的二维匀速旋转，二维目标旋转转台具备二维旋转角度反馈单元，可实施闭环控制，实时记录目标方位向及俯仰向旋转角度信息，即记录了成像测试过程中目标实际的旋转角度信息，获取目标位置信息，便于成像处理时进行修正。
在太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量时，需根据目标尺寸，确定测量系统需要达到的时间扫描长度，即对太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统的时间延迟能力提出配置需求，以获得目标的径向深度距离信息，同时时间扫描长度又决定了系统可达到的频率分辨率，需要综合设置，通常扫描的目标长度设置大于目标实际尺寸。根据采样定理，其时间扫描长度、时域波形采样时间间隔、时域波形采样点数、频率分辨率等设计如下，
时间扫描长度：
Figure BDA0002465766130000091
时域波形采样时间间隔：
Figure BDA0002465766130000092
时域波形采样点数：
Figure BDA0002465766130000093
频率分辨率：
Figure BDA0002465766130000094
其中，C为光速，D为被测目标最大尺寸，fmax为太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统最高工作频率。
以10cm(长)×10cm(宽)×5cm(高)飞机目标模型为实施例，进行太赫兹时域光谱三维散射成像测试，太赫兹发射波束满足全照射目标条件，目标放置在高斯波束的腰斑处，则系统配置参数设置如表1所示。其中，根据目标最长尺寸为10cm，则要实现10cm目标距离向的扫描，太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量的时域扫描长度至少要达到667ps，目标太赫兹回波测量的时域波形采样时间间隔最大设置为250fs，时域波形的采样点数最小为2668点。
表1飞机目标模型太赫兹时域光谱三维散射成像测试参数设置
Figure BDA0002465766130000101
(2)太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量参数设计
本发明主要基于二维旋转目标进行太赫兹时域光谱扫描测试实现太赫兹目标三维成像，分别在目标方位向和俯仰向内旋转目标，转台可进行等间隔步进或匀速慢速旋转运动，每旋转一定的方位或俯仰角度间隔，对目标进行一次时域光谱扫描测量，直到完成设定方位、俯仰角度范围的测试和数据保存。根据上述方法要求，设计太赫兹时域光谱三维成像方位角和俯仰角旋转角度范围、方位角和俯仰角采样间隔、一次时域光谱扫描时间。
目标方位向和俯仰向分辨率与目标旋转角度范围相关，可根据两个方向的分辨率要求选取测量的成像方位角和俯仰角范围，目标方位向分辨率δx、方位角采样间隔δθ与目标横向长度Dx关系如公式(5-1)和(5-2)所示：
Figure BDA0002465766130000102
δθ≤λ/2Dx (5-2)
式中，λ为太赫兹波波长，θ为目标方位角旋转角度范围，公式(5-1)中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(5-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算。
目标俯仰向分辨率δz、俯仰向采样间隔δφ与目标高度向尺度Dz关系如公式(6-1)和(6-2)所示：
Figure BDA0002465766130000103
Figure BDA0002465766130000104
其中，λ表示太赫兹波波长，φ为目标俯仰角旋转角度范围，公式(6-1)中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(6-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算；
目标方位角采样次数如公式(5-3)所示：
Dθ＝θ/δθ (5-3)
目标俯仰角采样次数如公式(6-3)所示：
Figure BDA0002465766130000111
太赫兹时域光谱目标散射测试时，直接对目标进行时域扫描测试，获取目标各位置散射随相对时间的变化特性，可直接实现目标径向距离的高分辨。本发明采用频域成像处理方法，可根据目标散射中心在太赫兹频段内散射特性变化情况，并结合成像分辨率要求，选取最优频率及角度范围内的频域成像数据进行高分辨成像，因此目标距离向分辨率可根据方位向和俯仰向要求，将目标太赫兹时域光谱测试数据通过时频转换获取目标太赫兹宽频带散射数据，再选取合适的成像带宽进行距离向目标高分辨处理，通常三个维度选取相同的分辨率，宽带信号扫频带宽与目标距离向分辨率之间关系如式(7)所示：
Figure BDA0002465766130000112
式中，δy表示目标散射中心距离向分辨率；B表示选取的太赫兹成像带宽。
以10cm(长)×10cm(宽)×5cm(高)飞机目标模型为实施例，进行太赫兹时域光谱三维散射成像测试，假定方位向、俯仰向和距离向的成像分辨率要求为1mm，则成像测试参数设置如表1所示。根据目标最大尺寸和公式(5-1)、(5-2)计算得到目标方位角旋转范围和方位角采样间隔；根据目标高度尺寸和公式(6-1)、(6-2)计算得到目标俯仰角旋转范围和俯仰角采样间隔；根据距离向分辨率，在太赫兹时域光谱目标三维散射成像数据进行时频转换后，进行频域成像时的成像带宽设置根据公式(7)进行计算。
(3)太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量
确定太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统满足上述参数设计要求、搭建测量系统后，通过公式计算目标时域光谱扫描时间、方位角旋转角度范围和俯仰角旋转角度范围、方位角采样间隔和俯仰角采样间隔等，并完成太赫兹时域光谱目标三维散射成像测试系统的参数设置和目标的装订。
根据计算的目标方位角旋转角度范围θ、方位角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转方位角度信息的采集、保存，每个方位角的时域扫描数据记为VT(θ,t)，保存相应方位角旋转角度范围θ内的位置信息。
当目标转回初始位置，根据计算的目标俯仰角旋转角度范围φ、俯仰角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转俯仰角度信息的采集、保存，每个俯仰角的时域扫描数据记为VT(φ,t)，保存相应俯仰角旋转角度范围φ内的位置信息。
将RCS值已知的金属球放置在转台上，采用与被测目标测量完全相同的参数设置(扫描时间、扫描点数)对金属球进行时域扫描测量，测试获取金属球的回波信号VC(t)，以便采用相对定标法对被测目标进行RCS标定。
(4)太赫兹时域光谱目标三维散射成像数据预处理及标定
首先对太赫兹时域光谱目标三维散射成像数据进行时频转换、滤波等预处理，同时消除杂波影响，获取目标超宽带频域成像数据；再采用相对定标方法，根据公式(8)对被测目标的三维扫描成像数据进行幅度相位定标，获取目标矢量RCS，公式(8)如下：
Figure BDA0002465766130000121
式中，VT(φ,θ,t)为目标三维时域散射成像测试回波信号；VC(t)为金属球测量最大反射处时域回波信号；t为扫描时间；
Figure BDA0002465766130000122
为目标在俯仰角为φ、方位角为θ、角频率为k时的RCS值；
Figure BDA0002465766130000123
为金属球在角频率为k时的RCS理论值。
(5)太赫兹时域光谱目标三维散射成像处理，获取太赫兹时域光谱目标三维散射分布图像
太赫兹时域光谱目标散射特性测量通常具有较大的频谱宽度，在量级上常与中心频率相当，这在带来很高距离分辨率的同时也会使得波矢空间的采样网格变得非均匀而需要进行相应的相位修正。同时目标散射中心实际运动轨迹为沿方位、俯仰等间隔采样的弧线，不满足FFT线性空间变换要求，目标散射中心会出现散焦现象，需要进行成像校正处理。
本发明采用改进的逆投影滤波算法，根据目标二维转台反馈的实际旋转角度信息拟合出目标各散射中心实际真正的运动轨迹ls，对目标旋转引入的距离徙动进行校正，实现太赫兹波段目标高分辨散射成像，获取目标三维散射分布图像
Figure BDA0002465766130000131
太赫兹时域光谱三维散射成像处理公式为：
Figure BDA0002465766130000132
式中，
Figure BDA0002465766130000133
为被测目标在俯仰角为φ、方位角为θ、波数为k时的RCS值；k为频率为f时对应的波数、kB为选取频率带宽对应的波数，k＝2πf/C，kB＝2π(fmax-fmin)/C；ls表示目标各散射中心运动轨迹；P(ls)是表示目标一维距离像；θmin表示三维散射成像测量中目标起始方位角；θmax表示三维散射成像测量中目标终止方位角；φmin表示三维散射成像测量中目标起始俯仰角；φmax表示三维散射成像测量中目标终止俯仰角；
Figure BDA0002465766130000134
为坐标位置为(x,y,z)目标散射中心对应的散射矢量，x为散射点径向距离坐标值、y为散射点方位向距离坐标值、z为散射点高程向距离坐标值。
本发明所述太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统为反射式系统，其太赫兹发射波束经过准直扩束辐射出高斯波束，目标放置在高斯波束的腰斑处，满足全照射目标条件。目标采用二维转台进行支撑，可在一定方位角、俯仰角范围内进行旋转，分别进行等间隔步进或匀速慢速旋转运动，每旋转一定的方位角或俯仰角角度间隔，对目标进行一次时域光谱扫描测量，直到完成预定方位、俯仰角度范围的测试，获取目标时域三维成像测试数据VT(φ,θ,t)，一维随俯仰角变化、一维随方位角变化、一维随时间变化。对三维成像测试数据进行时频转换、滤波等预处理，获取目标超宽带频域成像数据，然后根据目标散射中心在太赫兹频段内散射特性变化情况，并结合成像分辨率要求，选取最优频率及角度范围内的频域成像数据，采用频域成像处理方法，实现目标三维太赫兹图像重建。
同时为保证成像质量和实现聚焦成像，二维目标旋转转台增加二维旋转角度反馈单元，实施闭环控制，实时记录目标方位及俯仰旋转角度信息，以便拟合出目标实际运动轨迹，有效的估计出目标姿态信息，通过校正成像处理获取高精度目标太赫兹三维散射图像。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (2)

1.一种太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，其特征在于，包括以下过程：
步骤1对太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统进行配置，太赫兹发射波束经过准直扩束辐射出高斯波束，目标置于高斯波束的腰斑处，并且满足全照射条件，采用二维转台支撑、旋转目标；
所述测量系统需要达到的时间扫描长度根据目标尺寸确定；
根据采样定理，所述测量系统的时间扫描长度T、时域波形采样时间间隔ΔT、时域波形采样点数M、频率分辨率Δf设计如下：
其中，C为光速，D为被测目标最大尺寸，fmax为太赫兹时域光谱目标电磁散射测量系统最高工作频率；
步骤2设计太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量参数，包含目标旋转所需的方位角和俯仰角旋转角度范围，方位角和俯仰角采样间隔，以及时域光谱扫描时间；
所述方位角旋转角度范围θ和俯仰角旋转角度范围分别根据目标方位向和俯仰向分辨率选取；
通过与目标方位向分辨率δx、目标横向长度Dx关系公式，计算方位角采样间隔δθ：
δθ≤λ/2Dx (5-2)
其中，λ表示太赫兹波波长，θ为目标方位角旋转角度范围，公式(5-1)中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(5-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算；
通过与目标俯仰向分辨率δz、目标高度向尺度Dz关系公式，计算俯仰角采样间隔：
≤λ/2Dz (6-2)
其中，λ表示太赫兹波波长，为目标俯仰角旋转角度范围，公式(6-1)中λ根据系统可测最小频率或成像最小频率进行计算；公式(6-2)中λ根据系统可测最大频率或成像最大频率进行计算；
目标方位角采样次数如公式(5-3)所示：
Dθ＝θ/δθ (5-3)
目标俯仰角采样次数如公式(6-3)所示：
 (6-3)
宽带信号扫频带宽与目标距离向分辨率之间关系如公式(7)所示：
式中，δy表示目标散射中心距离向分辨率；B表示选取的太赫兹成像带宽；
步骤3目标在设定方位角和俯仰角旋转角度范围内，分别进行等间隔步进或匀速慢速旋转运动，每旋转设定的方位角或俯仰角角度间隔，对目标进行一次时域光谱扫描测量，直到完成设定方位、俯仰角度范围的测试，获取并保存目标时域三维成像测试数据；
根据步骤2中设计的方位角旋转角度范围θ，及方位角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转方位角度信息的采集、保存，记录每个方位角的时域扫描数据，保存相应目标方位角旋转角度范围θ内的位置信息；
将目标转回初始位置，根据步骤2中设计的俯仰角旋转角度范围，及俯仰角采样间隔完成相应的目标时域光谱扫描测量和目标实际旋转俯仰角度信息的采集、保存，记录每个俯仰角的时域扫描数据，保存相应目标俯仰角旋转角度范围内的位置信息；
采用与目标测量完全相同的参数设置对RCS值已知的金属球进行时域扫描测量，测试获取金属球的回波信号；
步骤4对太赫兹时域光谱目标三维成像测试数据进行时频转换、滤波处理，获取目标超宽带频域成像数据；
采用相对定标方法，对目标的三维扫描成像数据进行幅度相位定标，获取目标矢量RCS：
式中，VT(,θ,t)为目标三维时域散射成像测试回波信号；VC(t)为金属球测量最大反射处时域回波信号；t为扫描时间；为目标在俯仰角为、方位角为θ、角频率为k时的RCS值；为金属球在角频率为k时的RCS理论值；
步骤5选取最优频率及角度范围内的频域成像数据，采用频域成像处理方法，实现目标三维太赫兹图像重建；
根据目标实际旋转角度信息拟合各散射中心实际运动轨迹，对目标旋转引入的距离徙动进行校正，实现太赫兹波段目标高分辨散射成像，获取目标三维散射分布图像；太赫兹时域光谱三维散射成像处理公式为：
式中，为被测目标在俯仰角为、方位角为θ、波数为k时的RCS值；k为频率为f时对应的波数、kB为选取频率带宽对应的波数，k＝2πf/C，kB＝2π(fmax-fmin)/C；ls表示目标各散射中心运动轨迹；P(ls)是表示目标一维距离像；θmin表示三维散射成像测量中目标起始方位角；θmax表示三维散射成像测量中目标终止方位角； min表示三维散射成像测量中目标起始俯仰角； max表示三维散射成像测量中目标终止俯仰角；为坐标位置为(x,y,z)目标散射中心对应的散射矢量，x为散射点径向距离坐标值、y为散射点方位向距离坐标值、z为散射点高程向距离坐标值。
2.如权利要求1所述太赫兹时域光谱目标三维散射成像测量方法，其特征在于，步骤1中，
太赫兹时域光谱目标电磁散射特性测量系统为单站或双站，所述测量系统采用大口径离轴抛物面镜对太赫兹发射波进行准直扩束，太赫兹发射波束满足全照射目标条件；接收光路同样采用大口径离轴抛物面镜对目标太赫兹回波信号进行有效收集，并将目标太赫兹回波信号聚焦到太赫兹探测器上；
所述二维转台具备二维旋转角度反馈单元，能够进行闭环控制，获取目标位置信息。
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