CN111722222A - 基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法及装置。所述成像方法包括(S1)设置太赫兹波发射系统的控制参数，发射太赫兹波；(S2)设计编码方案，得到存在相位误差的参考信号矩阵；(S3)对成像区域进行网格划分，选择雷达散射截面已知的物体为定标体，并将定标体设置在成像区域；(S4)接收回波信号，求解孔径编码天线各阵元的相位误差，并得到补偿后的成像模型；(S5)依据补偿后的成像模型，重构目标实现目标成像。本发明还提供了一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置。本发明的优点在于精确的相位信息和成像模型可以获得较高的目标雷达图像的分辨率。

Description

基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法及装置

技术领域

本发明属于雷达成像领域，具体涉及一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法及装置。

背景技术

太赫兹孔径编码成像兼有太赫兹成像和孔径编码成像的优点，作为一种新型的雷达成像技术引起人们广泛的关注。由于太赫兹波段位于微波频段和可见光之间，因此太赫兹孔径编码成像雷达系统比微波雷达系统具有更高的分辨率,比激光雷达系统具有更强的穿透力。太赫兹孔径编码雷达中所用太赫兹信号波长短、带宽大，在空间上可以实现高分辨率成像，在时间上可以实现高帧率成像。此外，太赫兹孔径编码雷达可以不依赖与目标与平台的相对运动实现前视、凝视成像，而且对人体无害，具有许多潜在的应用，如自动驾驶、反恐安检和导弹末制导等。

太赫兹孔径编码成像雷达采用单馈源发射随机跳频或线性调频等太赫兹信号，使用孔径编码天线在信号的发射端、接收端、或收发端同步随机调制太赫兹信号的相位或幅度，在成像区域产生不同的照射模式，形成一个时空独立分布的辐射场。而后对成像过程建立数学模型，将散射回波与随机辐射场做关联信息处理，从而获得目标的高分辨率图像。由此可知，孔径编码天线是太赫兹孔径编码雷达系统中的一个重要器件。2014年东南大学研究团队首次提出了数字编码超材料天线，其中1-bit的编码天线可以实现0和π两种不同的相位调制，分别用“0”和“1”来表示。通过对“0”和“1”进行排序形成编码方案，从而随机调制信号。在2015年，该团队将数字编码天线的概念延伸到太赫兹领域，在2017年时，该团队提出了透射式的超材料编码天线。超材料编码天线的发展在很大程度上促进了太赫兹孔径编码成像雷达的发展，为太赫兹孔径编码成像雷达系统提供了器件支撑。

孔径编码天线是太赫兹孔径编码系统中非常重要的器件，其作用就是对入射的太赫兹波进行相位调制，形成时空独立分布的二维随机辐射场，再通过关联处理来提取回波信号中的目标信息，进而实现目标的精确重构。由于器件工艺水平的限制，孔径编码天线阵元普遍存在相位误差。对于1-bit相位调制，以0和π调制为例，分别用“0”和“1”表示两种编码调制状态，编码方式“0”表示不调制，此时不存在相位调制误差；编码方式“1”表示引入相位延迟，相位调制误差为θ。然而回波信号中的相位信息对于目标的精确重构十分重要。因此，如果编码板存在相位误差，不能够精确调制相位，会使得建立的雷达系统成像数学模型失配，从而不能够对目标精确重构。现有的增益-相位误差方法多依赖于体制结构，对增益-相位误差进行估计，大多算法对相位不够敏感，其他的算法则是依赖于先验信息，对目标的稀疏度有较高的要求。因此，对于孔径编码天线阵元的相位误差，亟需一种对相位误差敏感，不依赖与先验信息，且对目标稀疏度具有普适性的方法。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提出孔径编码天线阵元误差补偿方案，首先通过设计特定的编码调制方案，让编码天线各阵元依次工作于1状态，同时该阵元以外的其余阵元工作于0状态，建立存在相位误差条件下的成像数学模型，据此推导各阵元相位误差关于目标散射系数以及系统回波之间的数学关系；然后借助散射系数已知的定标体对上述关系进行定标校验，求解出各阵元的相位误差；最后利用求解得到的相位误差对系统数学模型进行补偿，建立无相位误差的成像模型，用于目标的精确重构，可显著改善孔径编码系统成像质量。具体技术方案如下：

一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法，包括以下步骤：

(S1)设置太赫兹波发射系统的控制参数，发射太赫兹波，使发射天线的主波束将透射式孔径编码天线全部覆盖；

(S2)设计编码方案，推演计算经过透射式孔径编码天线各阵元调相处理的太赫兹波信号，得到存在相位误差的参考信号矩阵；所述编码方案满足条件：使得调相处理后的参考信号矩阵满秩；

(S3)对成像区域进行网格划分，选择雷达散射截面已知的物体为定标体，并将定标体设置在成像区域；

(S4)接收回波信号，求解孔径编码天线各阵元的相位误差，并对存在相位误差的参考信号矩阵进行相位补偿，得到补偿后的成像模型；

(S5)依据补偿后的成像模型，重构目标，实现目标成像。

进一步地，所述编码方案为：透射式孔径编码天线各阵元依次工作于“1”状态，同时除工作在“1”状态阵元以外的阵元都工作在“0”状态。

本发明还提供了一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置，所述成像装置包括控制与处理终端1、信号产生模块2、太赫兹波发射天线3、天线驱动模块4、透射式孔径编码天线5、太赫兹波接收天线6、信息采集模块7和同步时钟模块8；

所述控制与处理终端1分别向同步时钟模块8、信号产生模块2和天线驱动模块4发送指令，同步时钟模块8输出指令信号，信号产生模块2在接收到控制与处理终端1和同步时钟模块8的指令后，产生太赫兹波并传输至太赫兹波发射天线3朝透射式孔径编码天线5方向发射；所述天线驱动模块用于将上述编码方案加载至透射式孔径编码天线；所述太赫兹波接收天线6用于接收回波信号，并与信息采集模块7连接，将回波信号传输至信息采集模块7；所述控制与处理终端1连接信息采集模块7，接收信息采集模块7采集的回波信号，并进行数据处理。

进一步地，所述太赫兹发射天线3轴线对准所述透射式孔径编码天线5的中心；所述太赫兹发射天线3与所述透射式孔径编码天线的垂直距离l₁满足：

其中，l_c表示透射式孔径编码天线的边长，

表示发射天线的主瓣波束宽度。

为了更好理解本发明技术方案，下面结合相关原理进行详细说明。基基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法的具体流程为：

第一步，设置太赫兹波发射系统的控制参数，使发射天线的主波束将透射式孔径编码天线全部覆盖；

本发明中的控制与处理终端1能够控制同步时钟模块8、信号产生模块2和天线驱动模块4，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8、信号产生模块2和天线驱动模块4发送指令以后，同步时钟模块8输出指令信号，信号产生模块2在接收到控制与处理终端1和同步时钟模块8的指令后，产生指定形式的太赫兹波。文中以产生太赫兹线性调频信号为例，将发射信号表示为：

其中,St(t)表示信号产生模块在t时刻产生的发射信号，A表示发射信号的幅度大小，_t表示时间，j表示虚数单位，f_c表示发射信号的中心频率，T_p为线性调频信号脉冲宽度，γ为调频率，π为圆周率，exp()为以自然常数e为底的指数函数。

为矩形窗函数，函数的表达式为：

太赫兹信号产生模块2产生发射信号后，通过太赫兹发射天线3以指定的功率和方向发射信号。太赫兹发射天线3与透射式孔径编码天线5的距离将由发射天线3的主瓣波束宽度决定，保证发射天线3的主波束将透射式孔径编码天线5全部覆盖，两者之间的垂直距离l₁将由下式决定：

其中，透射式孔径编码天线为正方形，l_c表示透射式孔径编码天线5的边长，

表示发射天线3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，其最大距离与发射天线的功率相关，否则到达透射式编码孔径天线5的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。

第二步，设计编码方案，推演计算经过透射式孔径编码天线各阵元调相处理的太赫兹波信号，得到存在相位误差的参考信号矩阵；所述编码方案满足条件：使得调相处理后的参考信号矩阵满秩；具体过程为：

太赫兹发射信号以指定的方向在自由空间中传播，到达透射式孔径编码天线5以后，由于天线驱动模块4也接收到了控制与处理终端1和同步时钟模块8的指令，将指定的随机相位调制方案加载至透射式孔径编码天线5。透射式孔径编码天线5按照指定的随机相位调制方案对太赫兹波进行调制，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。位于成像区域内的目标由于自身的散射特性，能将部分太赫兹波散射回来，然后由太赫兹接收天线6进行接收。假设透射式编码孔径天线共有M个编码阵元，第m个编码阵元的位置矢量为r_m，m取值范围为1，2，…，M；最后假设成像平面被划分为K个网格，第k网格的中心位置矢量为r_k，k的取值范围为1，2，…，K。太赫兹信号从发射端到孔径编码天线，从孔径编码天线到成像平面，从成像平面再到接收天线有时间延迟τ_mk，可以表示为：

其中r_tra，r_m，r_k和r_rec分别是发射天线的位置矢量、孔径编码天线的第m个编码阵元位置矢量，成像平面的第k个网格的中心位置矢量以及接收天线的位置矢量，c为光速。在t_n时刻到达孔径编码天线的探测信号表达式为：

孔径编码天线阵元有两种不同的调相状态，分别用“0”和“1”来表示。设计特定的编码方案，使得参考信号矩阵满秩。那么在t_n时刻经过M个编码天线阵元调相处理后对应于第k成像平面网格单元的参考信号为：

其中，θ表示相位误差，

则表示t_n时刻被天线驱动模块4加载到孔径编码天线第m个阵元上的随机相位调制因子；r_k为成像平面的第k个网格的中心位置；

为t_n时刻孔径编码天线第m个阵元的编码状态，当

时，该阵元的相位调制为0，此时不存在阵元相位误差，当

时，该阵元的相位调制为

此时存在阵元相位误差θ_m。

第三步，对成像区域进行网格划分，引入定标体。

要建立太赫兹孔径编码成像方程需对成像区域进行均匀网格划分，在成像区域内，依据成像距离确定成像平面。设成像平面在水平和垂直方向上的网格数分别为K_x和K_y，总网格数K＝K_x·K_y，网格大小由成像分辨率决定，成像分辨率为

其中λ为系统发射信号的波长，R为成像距离。

在仿真建模过程中，成像平面上的目标进行网格划分后，一个网格则用一个强散射点表示，为了表示目标，设定每一个强散射点都位于各自的网格中心。因此，目标强散射点均匀分布于成像平面网格中心的位置，所有强散点构成集合，用该集合来表示目标。此时引入定标体，且定标体的RCS已知，

为目标散射系数矢量的通用形式。

第四步，接收回波信号，精确求解孔径编码天线的阵元相位误差，并且对成像模型进行相位补偿。

雷达回波由单个太赫兹接收天线进行接收，之后接收的信号送至信息采集模块7进行下变频和采样处理，获得N个数据组成的回波信号矢量Sr＝[Sr(t₁),,Sr(t_n),,Sr(t_N)]^T，为了求解孔径编码天线所有阵元的相位误差，应使得N≥M,N值需根据实际情况确定。

为了精确求解相位误差，将回波信号与参考信号矩阵进行关联处理，得到在t_n时刻接收到的回波信号，回波信号Sr(t_n)表示如下：

K表示成像平面的网格总数，S(t_n,r_k,θ)表示在t_n时刻经过M个编码天线阵元调相处理后对应于第k成像平面网格单元的参考信号；Sd(t_n,τ_mk)表示在t_n时刻到达孔径编码天线的探测信号；

将公式(8)的改写成矩阵形式为：

其中*表示哈达玛积，是矩阵的一种线性运算,T表示矩阵转置，为简化公式(9)，定义两个新函数如下：

其中θ＝[θ₁,,θ_m,,θ_M]^T是孔径编码天线各阵元的相位误差，进一步得到：

简化公式(12)，得到孔径编码成像的通用数学模型为：

Sr＝H*g(θ) (13)

其中

等式(12)为多元一次方程组，采用最小二乘法，结合公式(11)，即可求出孔径编码天线各阵元的相位误差θ。

在满足β＝[0 β_k 0]^T的条件下，即β中有K-1个0，得到的孔径编码阵元相位误差的解为：

将得到的误差代入等式(6)补偿成像数学模型。尽管我们引入了定标体，但是最后得出的孔径编码阵元的相位误差结果是一个定值，和定标体的RCS无关，只跟天线本身的制作工艺有关。

第五步，依据补偿后的成像模型，重构目标实现目标成像，完成雷达高分辨凝视成像。

对等式(6)进行误差补偿后，公式(8)可以简写为：

Sr＝βS (15)

由此得到太赫兹孔径编码成像数学模型。压缩感知的思想不仅可以有效的解决等式(15)这类线性方程，而且还可能快速高分辨成像。在此我们采用现有的算法去重构目标。对于稀疏目标，OMP算法效率较高；对于拓展目标，我们采用TVAL3算法和SBL算法。当然后两种算法也可以对稀疏目标成像。

与现有最好技术相比，本发明的优点在于：

(1)成像质量好，本发明借助定标体，首先计算了孔径编码天线阵元相位误差，其次将相位误差补偿到成像模型中，联合计算成像的方法，对目标进行精确重构。回波信号的相位信息对目标重构十分重要，因此精确的相位信息和成像模型可以获得较高的目标雷达图像的分辨率，以此来改善成像质量。

(2)计算量减小，本发明在计算阵元相位误差时，只需要求解多元一次方程组即可，计算过程简单，所用时间较短。

(3)应用较广泛，本发明不仅可以用于太赫兹孔径编码成像系统，凡是在使用到编码天线且对相位要求较高的应用中，都可以使用该方案对编码天线的阵元相位误差进行求解补偿，从而校准数学模型，来获得更高质量的成像结果。

附图说明

图1为本发明成像方法流程图；

图2为本发明方法与成像装置的工作流程详细示意图；

图3为基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置结构场景布置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步说明。

如图1、图2所示，一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法，具体包括步骤：

第一步：确定系统参数以保证系统可使用，并发射太赫兹波；

第二步：设计特定编码方案，遍历孔径编码天线的每个阵元的两种不同状态，使得参考信号矩阵满秩，推演带有阵元相位误差的参考信号矩阵。在实例中假设太赫兹信号的中心频率为f_c＝340GHz，带宽为10GHz，发射天线的主瓣波束宽度为20°，透射式编码孔径天线的尺寸大小为l_c×l_c＝25cm×25cm，包含的编码天线阵元数为M＝50×50，那么根据公式(2)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＝99.2cm≈1m。通过设计特定的编码调制方案，即：让编码天线各阵元依次工作于1状态，同时该阵元以外的其余阵元工作于0状态。实施例设置了M＝N，编码天线阵元的个数与采样的次数相等，每变换一次编码方案，就对回波进行一次采样，t_n时刻M个编码天线阵元的编码状态为

本发明中的编码方法，不限于实例中的一种，只要能满足使得参考信号矩阵满秩的条件，任意的编码方法均可使用。

第三步：对成像区域进行网格划分，设成像平面在水平和垂直方向上的网格数分别为K_x和K_y，总网格数K＝K_x·K_y，网格大小由成像分辨率

决定，本实施例中每个网格边长大小与分辨率值相等，目标均匀分布于各网格中心的位置，构成集合。此时引入定标体，进行误差检验，定标体的RCS已知。在实例中，R＝2m，K_x＝K_y＝60，通过计算得到成像分辨率为σ＝0.7cm，K＝3600，成像平面尺寸为42cm×42cm，定标体为β＝[0 β_k 0]^T，其中1≤k≤K，定标体位于第k个成像平面网格，其他目标网格都为0。实例中，对定标体的选取不做限制，放置位置可以摆在成像平面任意处。

第四步：接收雷达回波信号，雷达回波由单个太赫兹接收天线进行接收，之后接收的信号送至信息采集模块进行下变频和采样处理，获得N个数据组成的回波信号矢量Sr＝[Sr(t₁),,Sr(t_n),,Sr(t_N)]^T，为了求解孔径编码天线所有阵元的相位误差，应使得N≥M,N值需根据实际情况确定，实例中取N＝M＝2500。将回波信号与带误差的参考信号矩阵关联处理，通过矩阵运算变换带相位误差的成像模型，提取出相位误差因素，最终简化模型为Sr＝H*g(θ)，通过最小二乘法求解N元一次方程，即可精确求解孔径编码天线的阵元相位误差；将孔径编码天线的阵元相位误差带入公式(6)对成像模型进行相位补偿；

第五步：采用现有的算法去重构目标，对于稀疏目标，OMP算法效率较高；对于拓展目标，我们采用TVAL3算法和SBL算法。当然后两种算法也可以对稀疏目标成像。

如图2所示，基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置结构示意图，所述成像装置包括控制与处理终端1、信号产生模块2、太赫兹波发射天线3、天线驱动模块4、透射式孔径编码天线5、太赫兹波接收天线6、信息采集模块7和同步时钟模块8；

所述控制与处理终端1分别向同步时钟模块8、信号产生模块2和天线驱动模块4发送指令，同步时钟模块8输出指令信号，信号产生模块2在接收到控制与处理终端1和同步时钟模块8的指令后，产生太赫兹波并传输至太赫兹波发射天线3朝透射式孔径编码天线5方向发射；所述天线驱动模块用于将权利要求2中所述的编码方案加载至透射式孔径编码天线；所述太赫兹波接收天线6用于接收回波信号，并与信息采集模块7连接，将回波信号传输至信息采集模块7；所述控制与处理终端1连接信息采集模块7，接收信息采集模块7采集的回波信号，并进行数据处理。

太赫兹发射天线、透射式编码板和太赫兹接收天线的排布方式不限于图2中的排布，可以根据具体实验具体设计。

本发明提出的一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法及装置，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，借助定标体，结合计算成像思想，利用严格推演的带有相位误差的参考信号和接收的回波信号强度来建立成像方程，通过计算可以获得孔径编码天线阵元的相位误差，将计算得到的误差带入推导的成像方程中，对成像模型进行补偿，太赫兹孔径编码成像雷达系统以此实现对目标精确重构。

以上仅是实施例仅用于说明本发明的效果，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法，其特征在于包括以下步骤：

(S1)设置太赫兹波发射系统的控制参数，发射太赫兹波，使发射天线的主波束将透射式孔径编码天线全部覆盖；

(S2)设计编码方案，计算经过透射式孔径编码天线各阵元调相处理的太赫兹波信号，得到存在相位误差的参考信号矩阵；所述编码方案满足条件：使得调相处理后的参考信号矩阵满秩；

(S3)对成像区域进行网格划分，选择雷达散射截面已知的物体为定标体，并将定标体设置在成像区域；

(S4)接收回波信号，求解孔径编码天线各阵元的相位误差，并对存在相位误差的参考信号矩阵进行相位补偿，得到补偿后的成像模型；

(S5)依据补偿后的成像模型，重构目标实现目标成像。

2.如权利要求1所述的一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法，其特征在于，所述编码方案为：孔径编码天线各阵元依次工作于“1”状态，同时除工作在“1”状态阵元以外的阵元都工作于“0”状态。

3.如权利要求1所述的一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像方法，其特征在于，所述步骤(S4)中求解孔径编码天线各阵元的相位误差的具体过程为：

将回波信号与参考信号矩阵进行关联处理，得到在t_n时刻接收到的回波信号，回波信号Sr(t_n)表示如下：

K表示成像平面上的网格总数，M表示编码孔径天线阵元的总数，S(t_n,r_k,θ)表示在t_n时刻经过M个编码天线阵元调相处理后对应于第k成像平面网格单元的参考信号；Sd(t_n,τ_mk)表示在t_n时刻到达孔径编码天线的探测信号，β_k表示目标散射系数；

将公式(8)的改写成矩阵形式为：

其中*表示哈达玛积，为简化公式(9)，定义两个新函数如下：

其中θ＝[θ₁,…,θ_m,…,θ_M]^T是孔径编码天线各阵元的相位误差，进一步得到：

简化公式(12)，得到孔径编码成像的通用数学模型为：

Sr＝H*g(θ) (6)

其中

采用最小二乘法，结合公式(11)，求出孔径编码天线各阵元的相位误差θ。

4.一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置，其特征在于：所述成像装置包括控制与处理终端1、信号产生模块2、太赫兹波发射天线3、天线驱动模块4、透射式孔径编码天线5、太赫兹波接收天线6、信息采集模块7和同步时钟模块8；

所述控制与处理终端1分别向同步时钟模块8、信号产生模块2和天线驱动模块4发送指令，同步时钟模块8输出指令信号，信号产生模块2在接收到控制与处理终端1和同步时钟模块8的指令后，产生太赫兹波并传输至太赫兹波发射天线3朝透射式孔径编码天线5方向发射；所述天线驱动模块用于将权利要求2中所述的编码方案加载至透射式孔径编码天线；所述太赫兹波接收天线6用于接收回波信号，并与信息采集模块7连接，将回波信号传输至信息采集模块7；所述控制与处理终端1连接信息采集模块7，接收信息采集模块7采集的回波信号，并进行数据处理。

5.如权利要求4所述的一种基于天线阵元误差补偿的太赫兹孔径编码成像装置，其特征在于：所述太赫兹发射天线3轴线对准所述透射式孔径编码天线5的中心；所述太赫兹发射天线3与所述透射式孔径编码天线的垂直距离l₁满足：

其中，l_c表示透射式孔径编码天线的边长，

表示发射天线的主瓣波束宽度。

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