CN111522004B - 一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达信号处理技术和合成孔径雷达成像技术领域，尤指一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法及系统。所述方法包括步骤：搭载太赫兹雷达的雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动，在雷达平台运动过程中，太赫兹雷达视线方向始终指向场景区域中心，发送信号，并采集回波信号进行成像。所述系统执行所述的太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法的步骤。本发明方法采用的圆柱螺旋扫描方式，避免了现有线性扫描方式的加减速过程，有利于实现实时成像。由于圆柱旋转扫描的稳定性和中心对称性，成像处理可选择从旋转过程的任意时刻开始，不限定为同一起点同一终点。本发明成像系统在保证成像高分辨率的前提下可有效减少阵元数目，降低系统成本。

Description

一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法及系统
技术领域
本发明涉及毫米波/太赫兹安检成像技术，属于雷达信号处理技术和合成孔径雷达(SAR)成像技术领域，尤指一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法及系统。
背景技术
利用雷达手段实现目标高分辨成像是一种广泛使用的方法，具有全天时、全天候、高分辨等特点，在遥感测量、军事侦察和安全检查等方面具有十分重要的应用。太赫兹(Terahertz,THz)频段通常指频率在0.1THz到10THz(对应波长30μm-3mm)之间的电磁波，该频率带的频谱极具科研价值，属于全新的频率资源，以其独特的性能及在多个领域的广阔应用前景引起了广泛关注，是国际公认的重要前沿科学技术领域之一。近年来，国际国内的反恐维稳形势呈现出袭击领域多、危害程度大、影响范围广的复杂态势，各国安全部门面临严峻考验。在公共安全场所对人员及物品进行安全检查是预防公共安全事件最有效手段之一，然而，目前通用的人体安检方式是金属安检门和手持式金属探测器，该方式仅能探测金属物品，无法准确辨明违禁物品，且漏检率高、效率低。
太赫兹波处在毫米波向红外可见光过渡的波段，兼具微波和红外的优势，具有成像分辨率高、帧率高、穿透能力强、对人体无伤害等特点，因此，太赫兹成像是一项新的可靠的站开式(非接触)安检技术。目前，该频段现有的成像系统主要有准光扫描、合成孔径、阵列实孔径、编码孔径等方式，其中准光扫描成像方法扫描时间长，成像速度缓慢，同时所需的快速扫描平面反射镜部件价格昂贵，若提高成像速度，需要复杂的机械结构；合成孔径成像方法下的线性扫描存在重复的往返扫描，且每次扫描均为同一起点和终点，会导致成像速度变慢；阵列实孔径成像方法虽然成像速度快，但需要大量的天线阵元，成本高昂，并且阵元的相位一致性难以保证。因此，探索太赫兹安检新体制新方法，提高安检效率，达到实时安检成像的效果，是一项亟待研究的问题。
雷达通过曲线运动，能够获取观测区域的全向散射信息和三维信息。圆周合成孔径雷达(CSAR)是曲线SAR的特例，目前，曲线SAR成像方法的研究主要集中在CSAR领域。美国学者Mehrdad Soumekh教授于20世纪90年代提出CSAR成像模式，为后续发展奠定了基础[1]。法国宇航局与瑞典国防研究院合作，于2004年进行了国际首次机载CSAR数据获取实验，提高了叶簇隐蔽车辆的检测与识别性能，验证了曲线SAR在获取全向散射信息的有效性[2]。在三维成像方面，德国宇航中心在2016年进行了基线多达19条的多基线CSAR实验，展示了CSAR全息图像的场景三维还原能力[3]。美国空军实验室的学者提出了一种基于CSAR数据的车辆三维图像重构方法[4]。此外，2018年，国内的电子科技大学采用不同高度多航过的CSAR成像体制，在太赫兹频段以稀疏恢复的方法实现了三维成像[5]。但是，CSAR成像体制要求雷达必须位于同一高度平面，且观测区域的高度信息无法通过单航过轨迹获得。
背景技术中相关参考文献
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[2]
Figure BDA0002460883490000021
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发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出的太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法属于曲线合成孔径雷达(曲线SAR)成像技术，是曲线SAR成像技术下的一种特殊成像构型。圆柱螺旋扫描成像方法是雷达三维成像技术领域的新兴技术，本发明延续合成孔径雷达的思想，兼顾了太赫兹频段现有器件水平、成像速率、成像分辨率和系统成本。具体技术方案如下：
一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法，包括以下步骤：搭载太赫兹雷达的雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动，在雷达平台运动过程中，太赫兹雷达视线方向始终指向场景区域中心，发送信号，并采集回波信号进行成像。
优选地，所述太赫兹雷达的收发天线形式采用一组收发天线方式或一组短线阵天线方式。
优选地，所述雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动为单航轨迹运动。
优选地，所述圆柱螺旋线的轨迹指动点沿着圆柱母线作匀速直线运动，同时该母线绕圆柱面的轴线作匀速转动的复合运动轨迹。
优选地，根据回波信号进行成像的具体过程为：
雷达接收到目标信号的回波，经过解线频调并且补偿视频相位项处理，再进行距离向脉冲压缩，将回波补偿掉剩余相位后进行相干叠加，最终得到成像结果。
本发明还提供了一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像系统，包括太赫兹雷达、中频接收机、信号处理器、显示器、雷达平台，其特征在于：所述太赫兹雷达安搭载在雷达平台上，并执行所述的太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法的步骤。
为了更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和相关原理对本发明方法进行详细介绍。
雷达工作在太赫兹频段，采用单阵元圆柱螺旋扫描方式，以圆柱螺旋线为雷达运动轨迹。
动点沿着圆柱母线作匀速直线运动，同时该母线绕圆柱面的轴线作匀速转动，这种复合运动轨迹称为圆柱螺旋线，符合右手法则的为右螺旋线，其空间运动轨迹如图1所示。决定圆柱螺旋线的三要素是：半径R、导程L(或升角α)和旋向。如图2所示，螺旋线展开时为一直线，它是以圆柱底面周长2πR为底边，导程L为高的直角三角形的斜边。
图3是SSAR(Spiral SAR，螺旋合成孔径雷达)的基本模型，雷达平台以速度Vz沿z轴正向作匀速直线运动，以底面半径为R、角速度为ω绕圆柱面的轴线作匀速转动，合成一条右螺旋线轨迹。
雷达平台运动时，雷达视线方向始终指向场景区域中心O。设雷达平台位于z轴下方起点处为慢时间t的零时刻点，在直角坐标系下，记t时刻雷达天线相位中心位置为(x(t),y(t),z(t))，同时保持理想运动轨迹时有以下几何关系：
Figure BDA0002460883490000031
其中
Figure BDA0002460883490000032
为雷达平台与场景中心的距离，设点P为观测场景中任意点目标，直角坐标为(xP,yP,zP)，则天线相位中心到点目标P之间的瞬时斜距为：
Figure BDA0002460883490000041
设雷达系统的发射信号为线性调频信号(Linear Frequency Modulation,LFM)，则发射信号为：
Figure BDA0002460883490000042
其中，载频为fc，脉冲宽度为Tp，调频频率为K，τ为快时间，t为慢时间，rect(·)表示矩形窗函数，
Figure BDA0002460883490000043
x为函数变量。图3中Rtrt指示成像范围的半径大小。
设任意点目标P的电磁散射系数为σP，发射信号经过P点反射后，雷达接收到的点目标信号回波为：
Figure BDA0002460883490000044
以场景中心O为参考，则参考信号为：
Figure BDA0002460883490000045
经过解线频调并且补偿视频相位项后，点目标回波表达为：
src(τ,t)＝σPsinc[B(τ-2△R(t)/c)]exp[-j4πfc△R(t)/c] (6)
其中，△R(t)＝RP(t)-RO(t)，j为虚数单位，c为光速，π为圆周率，式(6)即为SSAR下点目标回波信号的数学模型。
将解线频调后的回波进行距离向脉冲压缩，若没有进行加窗处理，那么得到距离脉压后的回波表达式为：
src(τ,t)＝σPsinc[B(τ-2△R(t)/c)]exp[-j4πfc△R(t)/c] (7)
其中B为线性调频信号的带宽，它决定了sinc函数的伸缩情况，即距离向分辨率。
选择BP成像算法，先预设成像网格，得到网格相应像素点在距离脉压后的二维时域中的所有回波，将回波补偿掉剩余相位后进行相干叠加，最终得到成像结果，BP算法的成像过程表示为：
Figure BDA0002460883490000051
其中I(τ,t)表示成像区域中的任一网格点的值，L为雷达的运动轨迹。
显然，成像算法处理时使得点目标P处的剩余相位得到了精确补偿，使得回波相干叠加，而其他成像区域则(目标以外区域)进行了高斯叠加，因此得到了最终的成像结果。
本方法所提成像体制的空间波数域三维支撑区及其x-y平面投影示意图如图4所示。所得SAR图像的分辨率是由空间波数域的支撑范围决定的，与CSAR类似，显然，处于成像区域不同位置处的点展布函数不同。定义波数kω＝4πf/c，f表示发射频率。
考虑单个导程下x和y方向的分辨率，可近似简化为CSAR场景，以中心波数kc为参考，对任意点目标P，沿着x和y方向的分辨率由零阶第一类贝塞尔函数特性决定，由此定义-3dB主瓣宽度的SSAR分辨率为
Figure BDA0002460883490000052
其中，J0(·)表示零阶第一类贝塞尔函数，△[·]表示-3dB主瓣宽度，λc是中心频率所对应的波长。
定义θaz为沿着z方向目标能够被照射的角度范围，即后向散射对应角度。于是，z方向的波数域支撑区带带宽为：
Bz＝[-kωsin(θaz/2),kωsin(θaz/2)] (10)
沿着z方向的波数域支撑区宽度为2kc sin(θaz/2)，于是，沿着z方向的垂直分辨率为：
Figure BDA0002460883490000053
从分辨率结果来看，本发明成像分辨率较背景技术中现有方法成像效果好。
与现有最好技术相比，本发明方法优点在于：本发明方法采用的圆柱螺旋扫描方式，具有扫描速度稳定、扫描速度快的优点，且避免了现有线性扫描方式的加减速过程，有利于实现实时成像。由于圆柱旋转扫描的稳定性和中心对称性，本发明方法中的成像处理可选择从旋转过程的任意时刻开始，不限定为同一起点同一终点。本发明成像系统优点在于：本发明系统采用单阵元圆柱螺旋扫描形式，在保证高分辨率的前提下，仅以一组收发天线或一组短线阵天线方式，实现了通过式人体的高精度实时安检成像，兼顾了太赫兹频段现有器件水平、成像速率、成像分辨率和系统成本。在保证成像高分辨率的前提下可有效减少阵元数目，降低系统成本。本发明系统能够用于安检，相对于目前通用的人体安检方式(金属安检门和手持式金属探测器)，利用圆柱螺旋线为雷达运动轨迹进行安检成像方式探测范围广，能够准确辨明违禁物品，降低了漏检率，检测效率高，且避免了目前常用的线性扫描方式的加减速的过程，有利于实时成像技术的实现，采集一个旋转周期的回波信号即可进行安检成像，由于旋转速度快，人体安检时不需要停留。
附图说明
图1为右螺旋线轨迹示意图；
图2为右螺旋线的三要素关系图；
图3为本发明雷达沿圆柱螺旋轨迹运动及场景示意图；
图4为本发明所提成像方法的空间波数域三维支撑区及其x-y平面投影示意图，其中图4(a)为SSAR波数域三维支撑区示意图；图4(b)为SSAR波数域x-y平面支撑区示意图；
图5为本发明实施例中仿真场景设置图；
图6为实施例成像结果图，其中图6(a)为XY平面投影成像结果图，图6(b)为YZ平面投影成像结果图，图6(c)为XZ平面投影成像结果图，图6(d)为三维成像结果图。
具体实施方式
下面，结合附图和实施例对本发明内容作进一步说明。
如图3所示，为本发明提供的太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法的圆柱螺旋轨迹示意图；
一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法包括以下步骤：搭载太赫兹雷达的雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动，在雷达平台运动过程中，太赫兹雷达视线方向始终指向场景区域中心并发送信号，采集回波信号，根据回波信号进行成像。
本实施例采用仿真模拟实验进行验证，具体内容如下：
雷达平台与成像场景的相对位置如图5所示，成像场景大小为0.2m×0.2m×0.1m，仿真参数如表1所示，点目标位置分布为一个“A”字型。
表1系统仿真参数
SSAR参数 值
载频f<sub>c</sub> 0.22THz
带宽B 10GHz
螺旋半径R 2m
螺旋导程L 0.5m
螺旋圈数N 16
天线3dB波束角 60°
图6给出了SSAR三维成像结果及其在各个平面的投影结果。从成像结果可以看出，本发明方法能够很好的重构出三维点目标，处于成像区域不同位置处的点展布函数不同，这与前面成像性能分析相吻合。根据表1中的参数，可以计算出原点处的理论分辨率为：距离向和方位向分辨率为0.27mm，高度向分辨率为0.68mm，相对于现有技术的分辨率有力较大提升。
虽然上述实施例只给出了仿真情况下的验证，但将本发明成像系统用于高精度实时安检成像，同样能够达到预期效果。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法，其特征在于包括以下步骤：搭载太赫兹雷达的雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动，在雷达平台运动过程中，太赫兹雷达视线方向始终指向场景区域中心，发送信号，并采集回波信号进行成像；所述圆柱螺旋线的轨迹指动点沿着圆柱母线作匀速直线运动，同时该母线绕圆柱面的轴线作匀速转动的复合运动轨迹；雷达平台运动时，雷达视线方向始终指向场景区域中心O；
参考信号为：
Figure FDA0003533291930000011
其中，(x(t),y(t),z(t))为t时刻雷达天线相位中心位置，
Figure FDA0003533291930000012
为雷达平台与场景中心O的距离，载频为fc，脉冲宽度为Tp，调频频率为K，τ为快时间，t为慢时间，rect(·)表示矩形窗函数，
Figure FDA0003533291930000013
x为函数变量；
回波信号的表达式为：
src(τ,t)＝σPsinc[B(τ-2ΔR(t)/c)]exp[-j4πfcΔR(t)/c]
其中，ΔR(t)＝RP(t)-RO(t)，j为虚数单位，c为光速，π为圆周率。
2.如权利要求1所述一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法，其特征在于，所述太赫兹雷达采用一组收发天线方式或一组短线阵天线方式。
3.如权利要求1所述一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法，其特征在于，所述雷达平台沿着圆柱螺旋线的轨迹运动为单航过轨迹运动。
4.如权利要求1所述一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法，其特征在于，根据回波信号进行成像的具体过程为：
雷达接收到目标信号的回波，经过解线频调并且补偿视频相位项处理，再进行距离向脉冲压缩，将回波补偿掉剩余相位后进行相干叠加，最终得到成像结果。
5.一种太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像系统，包括太赫兹雷达、中频接收机、信号处理器、显示器、雷达平台，其特征在于：所述太赫兹雷达搭载在雷达平台上，并执行权利要求1至4任一项所述的太赫兹频段圆柱螺旋扫描成像方法的步骤。
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