蔣俊， 梁影， 韓永金， 陳奇平

（1.上海無線電設備研究所，上海 200090；2.電磁散射重點實驗室，上海 200438）

高分辨率的太赫茲ISAR成像

蔣俊1， 梁影1， 韓永金1， 陳奇平2

（1.上海無線電設備研究所，上海 200090；2.電磁散射重點實驗室，上海 200438）

實現(xiàn)了采用儀器儀表搭建的太赫茲雷達成像實驗。該成像系統(tǒng)的中心頻率為0.15 THz，帶寬為10 GHz。在儀器內部發(fā)射端，放大器輸出的微波信號經多個倍頻器達到太赫茲波段。接收端采用諧波混頻器獲得中頻信號；同時，將發(fā)射信號耦合出一路與本振信號進行混頻，為接收機提供參考信號。通過實驗獲得了二維逆合成孔徑雷達（ISAR）成像圖。實驗結果表明：該太赫茲雷達成像系統(tǒng)實現(xiàn)了優(yōu)于3 cm的高分辨率，散射點明顯，能夠反映小目標的輪廓特征。

太赫茲；逆合成孔徑雷達；高分辨率；成像

0 引言

太赫茲波介于微波毫米波與紅外光之間，太赫茲波所處的特殊位置使得其具有較多的優(yōu)越性。例如，相比于微波、毫米波，太赫茲波長短，更易于大信號帶寬和極窄天線波束的實現(xiàn)，能夠獲得更高的成像分辨率，有利于目標識別。相比于紅外光，太赫茲穿透性較強。在基礎研究領域、工業(yè)應用領域、生物醫(yī)學領域、軍事領域以及空間領域，太赫茲主動成像有著非常重要的學術價值和應用前景，世界各國都給予了極大的關注。

國外在太赫茲主動成像雷達系統(tǒng)研究較早，發(fā)展迅速。2006年，美國噴氣推進實驗室實現(xiàn)了0.6 THz三維雷達成像系統(tǒng)。2008年，改進后的系統(tǒng)成像分辨率為亞厘米級[1，2]。2010年，洛厄爾大學亞毫米波實驗室在2.4 THz頻段實現(xiàn)了分辨率在毫米量級的太赫茲ISAR成像系統(tǒng)。國內太赫茲成像雷達系統(tǒng)的研究起步較晚，但投入巨大。與國外相比，國內太赫茲成像分辨率低，太赫茲頻段偏低。電子科技大學研究取得了較好的成果，實現(xiàn)了中心頻率0.34 THz、寬帶2.4 GHz雷達系統(tǒng)，其測距分辨力達到7 cm，但只進行了太赫茲雷達成像的仿真與分析[3]。受國內太赫茲器件發(fā)展的限制，本文采用實驗室現(xiàn)有儀器儀表，完成了高分辨率的太赫茲雷達ISAR成像實驗，獲得了太赫茲ISAR二維成像圖。

1 ISAR成像原理

1.1 基本原理

ISAR成像是基于點散射中心模型。在一定的角度和頻率范圍內，散射中心位置和強度是不會隨入射波的方位角和頻率的變化而改變。圖1為ISAR成像轉臺模型，目標繞自身軸轉動θ，目標上任意點（x，y）。通過發(fā)射寬帶信號，可以獲得目標散射中心在徑向距離上的高分辨，同時將目標旋轉一定角度可以獲得散射中心在橫向距離上的高分辨，從而完成ISAR雷達目標散射成像。

圖1 ISAR成像轉臺模型

式中：k為電磁波數(shù)；θ為目標旋轉角度。

根據上述原理，從圖1中極坐標（r，?）獲得目標二維中心散射點圖像，表示為

其中：

假定R0?r，則有

假定F′為回波F去除空間距離相位差，則有

小角度轉動，則cosθ=1，sinθ=θ，則有

本文采用距離-多普勒成像算法，對回波數(shù)據進行二維傅里葉變換（kθ的變化近似為角度θ的變化，可以通過二維傅里葉變換得到目標的散射中心圖像），圖2所示為目標散射點模型和成像結果。

圖2 散射點模型和成像仿真結果

1.2 成像分析

理想情況下，ISAR算法的運算量少、存儲量少、效率高。但當觀測角度過大，成像目標不能近似成轉臺模型，對回波進行距離-多普勒成像時圖像分辨率就會下降。因此，基本ISAR算法的圖像分辨率不高，只適用于小角度觀測。此外，離目標旋轉中心越遠的散射點分辨率越差，導致圖像質量下降。圖像分辨率與頻率、旋轉角度的范圍、角度間隔滿足如下關系。

（1）徑向分辨率與掃頻帶寬

目標徑向分辨率δy與掃頻測量帶寬B的關系為

根據采樣定理要求，線性調頻頻率分辨步長δf要足夠小，與目標徑向長度Dy之間關系為

式中：Dy為目標徑向長度。

由式（7）可以推導得

（2）橫向分辨率與旋轉角度范圍

目標橫向分辨率δx與目標旋轉角度范圍關系為

式中：λ為雷達波長；θm為成像處理時間T內目標旋轉角度范圍。

根據采樣定理要求，目標旋轉角度分辨δθ與目標橫向長度Dx關系為

對目標進行大調制帶寬高分辨率的成像，發(fā)射信號形式采用線性調頻信號，載頻選擇為0.15 THz，調制帶寬10 GHz。ISAR成像徑向距離分辨率為δy=c/2B=1.5 cm。為了成像較清晰，保證成像橫向分辨率δx=δy。在成像積累時間內，目標轉過的角度Δθ=λ/（2δx）≈0.0 667 rad。成像目標的總轉角，滿足如下關系：

式中：M為回波個數(shù)；Tp為線性調頻信號的調制時寬；ω為目標轉動速度。當ω=6.5 rad/s，Tp= 250μs，M=41時，成像橫向分辨率δx≈1.5 cm。

對單散射點轉臺目標模型進行ISAR成像，圖3所示為成像結果，3 d B分辨率約為2 cm。此外，對間距為3 cm的五散射點目標模型進行太赫茲ISAR成像仿真。圖4所示為仿真結果，各散射點輪廓清晰，散射點分布特征與模型實際分布一致性好。

圖3 對單散射點轉臺目標模型進行ISAR成像

圖4 散射點模型與ISAR仿真結果

2 基于儀器儀表的太赫茲成像系統(tǒng)

按照系統(tǒng)方案設計要求，圖5所示為成像硬件系統(tǒng)，整個太赫茲成像實驗系統(tǒng)主要有矢量網絡分析儀、控制臺、擴展模塊及控制轉臺等四部分組成。利用矢網靈活的配置結構，可將矢網內部的射頻信號通過外置倍頻器實現(xiàn)測試頻率范圍的擴展，同時利用外置的諧波混頻器來替代內部接收機的混頻處理電路。外置的擴頻電路及中頻信號處理電路都集成在擴展模塊中。矢網通過擴展模塊最高測量頻率可以擴展到太赫茲波段。擴展模塊的輸入信號來自于矢網的本振以及射頻輸出端口。對于200 GHz以上的測量，需要使用兩臺高性能模擬源來提供LO和RF信號。

此外，測量點數(shù)可達萬個，這可保證RCS測試的無混疊測試范圍。同時，矢網具備多個獨立測試通道，利用多個通道測試，可以積累更多測試點數(shù)，提高測試分辨率。

系統(tǒng)將太赫茲雷達系統(tǒng)的大帶寬雷達信號變?yōu)槟芴幚淼恼瓗盘?，太赫茲雷達系統(tǒng)收發(fā)前端的架構中，發(fā)射信號為大帶寬線性調頻信號，接收采用解線頻調接收（dechirp），將大帶寬信號轉變?yōu)檎瓗盘枴?/p>

圖5 硬件平臺原理圖

3 成像結果

該成像實驗的主要目標是驗證大帶寬下的太赫茲雷達系統(tǒng)的高分辨能力，以及太赫茲ISAR雷達系統(tǒng)的成像效果。成像目標轉動，產生目標二維像。實驗時把目標放置于轉臺上，以理論計算的角速度轉動。太赫茲成像系統(tǒng)收發(fā)同時工作，系統(tǒng)發(fā)射信號為線性調頻連續(xù)波信號。實驗系統(tǒng)參數(shù)：掃頻帶寬為10 GHz；掃頻點數(shù)為1601；掃頻頻率間隔為6.25 MHz；角度間隔為0.1°；回波個數(shù)為41；轉臺轉動角度為4°。

后期算法處理采用距離-多普勒（RD）算法。太赫茲的大帶寬會導致成像結果非線性失真，后期信號處理時將對采集信號進行非線性失真校正。圖6為雷達系統(tǒng)對點間距約為3 cm的散射點陣的ISAR成像結果，雷達系統(tǒng)分辨率達到3 cm。圖7為太赫茲雷達系統(tǒng)對尺寸約為6 cm× 21 cm的艦艇模型進行的ISAR成像結果圖。由圖可以看出，船體模型的二維散射點陣ISAR圖像的特征點明顯。受太赫茲發(fā)射功率的限制，只能采用21 cm的模型進行實驗。因此，散射點數(shù)較少，輪廓不夠清晰。若采用大模型，可以實現(xiàn)較為清晰的模型細節(jié)圖。

4 結論

本實驗設計了中心頻率0.15 THz、帶寬10 GHz的太赫茲ISAR成像硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)是基于儀器儀表設計的，實現(xiàn)了目標二維ISAR成像，分辨率可達3 cm。實驗結果表明：太赫茲雷達成像精度高，可以在雷達目標細微特征的探測與目標識別領域發(fā)揮重要作用。

圖6 距離為3 cm的釘子和ISAR成像圖

圖7 船體ISAR成像

[1] R.J.Dengler，F(xiàn).Maiwald，P.H.Siegel.A Compact 600 GHz Electronically Tunable Vector Measurement System For Submillimeter Wave Imaging[J].IEEE MTT-S Int，2006，（6）：1923-1926.

[2] K.B.Cooper，R.J.Dengler，G.Chattopadhyay，et al.A High-Resolution Imaging Radar at 580 GHz[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters，2008，18（1）：64-66.

[3] 李晉.太赫茲雷達系統(tǒng)總體與信號處理方法研究[D].成都：電子科技大學，2010.

[4] 保錚，邢孟道，王彤.雷達成像技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

High Resolution Imaging of Terahertz ISAR

JIANG Jun1， LIANG Ying1， HAN Yong-jin1， CHEN Qi-ping2
（1.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090；2.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory，Shanghai 200438，China）

A Terahertz radar imaging experiment has been completed by instrument. Centre frequency and bandwidth of the imaging system are 0.15 THz and 10 GHz.In the transmitter，microwave signal from the amplifier output passes through several frequency multipler and arrives at Terahertz band finally.A second harmonic mixer is employed to downconvert mid-frequency in the receiver.Power divided signal from the transmitter and received input signal are mixed in the receiver，and reference signal can be achieved.Terahertz ISAR planar images are implemented.The experiment results show that the imaging system resolution reaches high to 3cm and scatters are clear.Consequently，Terahertz imaging radar can capture obvisou profiles of small targets.

Terahertz；Inverse Synthetic Aperture Radar（ISAR）；high resolution；imaging

TN101

A

1671-0576（2014）03-0027-05

2013-12-21

蔣 俊（1986-），男，博士，工程師，主要從事太赫茲相關技術研究。