高分辨率的太赫兹ISAR成像

蒋俊， 梁影， 韩永金， 陈奇平

（1.上海无线电设备研究所，上海 200090；2.电磁散射重点实验室，上海 200438）

高分辨率的太赫兹ISAR成像

蒋俊1， 梁影1， 韩永金1， 陈奇平2

（1.上海无线电设备研究所，上海 200090；2.电磁散射重点实验室，上海 200438）

实现了采用仪器仪表搭建的太赫兹雷达成像实验。该成像系统的中心频率为0.15 THz，带宽为10 GHz。在仪器内部发射端，放大器输出的微波信号经多个倍频器达到太赫兹波段。接收端采用谐波混频器获得中频信号；同时，将发射信号耦合出一路与本振信号进行混频，为接收机提供参考信号。通过实验获得了二维逆合成孔径雷达（ISAR）成像图。实验结果表明：该太赫兹雷达成像系统实现了优于3 cm的高分辨率，散射点明显，能够反映小目标的轮廓特征。

太赫兹；逆合成孔径雷达；高分辨率；成像

0 引言

太赫兹波介于微波毫米波与红外光之间，太赫兹波所处的特殊位置使得其具有较多的优越性。例如，相比于微波、毫米波，太赫兹波长短，更易于大信号带宽和极窄天线波束的实现，能够获得更高的成像分辨率，有利于目标识别。相比于红外光，太赫兹穿透性较强。在基础研究领域、工业应用领域、生物医学领域、军事领域以及空间领域，太赫兹主动成像有着非常重要的学术价值和应用前景，世界各国都给予了极大的关注。

国外在太赫兹主动成像雷达系统研究较早，发展迅速。2006年，美国喷气推进实验室实现了0.6 THz三维雷达成像系统。2008年，改进后的系统成像分辨率为亚厘米级[1，2]。2010年，洛厄尔大学亚毫米波实验室在2.4 THz频段实现了分辨率在毫米量级的太赫兹ISAR成像系统。国内太赫兹成像雷达系统的研究起步较晚，但投入巨大。与国外相比，国内太赫兹成像分辨率低，太赫兹频段偏低。电子科技大学研究取得了较好的成果，实现了中心频率0.34 THz、宽带2.4 GHz雷达系统，其测距分辨力达到7 cm，但只进行了太赫兹雷达成像的仿真与分析[3]。受国内太赫兹器件发展的限制，本文采用实验室现有仪器仪表，完成了高分辨率的太赫兹雷达ISAR成像实验，获得了太赫兹ISAR二维成像图。

1 ISAR成像原理

1.1 基本原理

ISAR成像是基于点散射中心模型。在一定的角度和频率范围内，散射中心位置和强度是不会随入射波的方位角和频率的变化而改变。图1为ISAR成像转台模型，目标绕自身轴转动θ，目标上任意点（x，y）。通过发射宽带信号，可以获得目标散射中心在径向距离上的高分辨，同时将目标旋转一定角度可以获得散射中心在横向距离上的高分辨，从而完成ISAR雷达目标散射成像。

图1 ISAR成像转台模型

式中：k为电磁波数；θ为目标旋转角度。

根据上述原理，从图1中极坐标（r，∅）获得目标二维中心散射点图像，表示为

其中：

假定R0≫r，则有

假定F′为回波F去除空间距离相位差，则有

小角度转动，则cosθ=1，sinθ=θ，则有

本文采用距离-多普勒成像算法，对回波数据进行二维傅里叶变换（kθ的变化近似为角度θ的变化，可以通过二维傅里叶变换得到目标的散射中心图像），图2所示为目标散射点模型和成像结果。

图2 散射点模型和成像仿真结果

1.2 成像分析

理想情况下，ISAR算法的运算量少、存储量少、效率高。但当观测角度过大，成像目标不能近似成转台模型，对回波进行距离-多普勒成像时图像分辨率就会下降。因此，基本ISAR算法的图像分辨率不高，只适用于小角度观测。此外，离目标旋转中心越远的散射点分辨率越差，导致图像质量下降。图像分辨率与频率、旋转角度的范围、角度间隔满足如下关系。

（1）径向分辨率与扫频带宽

目标径向分辨率δy与扫频测量带宽B的关系为

根据采样定理要求，线性调频频率分辨步长δf要足够小，与目标径向长度Dy之间关系为

式中：Dy为目标径向长度。

由式（7）可以推导得

（2）横向分辨率与旋转角度范围

目标横向分辨率δx与目标旋转角度范围关系为

式中：λ为雷达波长；θm为成像处理时间T内目标旋转角度范围。

根据采样定理要求，目标旋转角度分辨δθ与目标横向长度Dx关系为

对目标进行大调制带宽高分辨率的成像，发射信号形式采用线性调频信号，载频选择为0.15 THz，调制带宽10 GHz。ISAR成像径向距离分辨率为δy=c/2B=1.5 cm。为了成像较清晰，保证成像横向分辨率δx=δy。在成像积累时间内，目标转过的角度Δθ=λ/（2δx）≈0.0 667 rad。成像目标的总转角，满足如下关系：

式中：M为回波个数；Tp为线性调频信号的调制时宽；ω为目标转动速度。当ω=6.5 rad/s，Tp= 250µs，M=41时，成像横向分辨率δx≈1.5 cm。

对单散射点转台目标模型进行ISAR成像，图3所示为成像结果，3 d B分辨率约为2 cm。此外，对间距为3 cm的五散射点目标模型进行太赫兹ISAR成像仿真。图4所示为仿真结果，各散射点轮廓清晰，散射点分布特征与模型实际分布一致性好。

图3 对单散射点转台目标模型进行ISAR成像

图4 散射点模型与ISAR仿真结果

2 基于仪器仪表的太赫兹成像系统

按照系统方案设计要求，图5所示为成像硬件系统，整个太赫兹成像实验系统主要有矢量网络分析仪、控制台、扩展模块及控制转台等四部分组成。利用矢网灵活的配置结构，可将矢网内部的射频信号通过外置倍频器实现测试频率范围的扩展，同时利用外置的谐波混频器来替代内部接收机的混频处理电路。外置的扩频电路及中频信号处理电路都集成在扩展模块中。矢网通过扩展模块最高测量频率可以扩展到太赫兹波段。扩展模块的输入信号来自于矢网的本振以及射频输出端口。对于200 GHz以上的测量，需要使用两台高性能模拟源来提供LO和RF信号。

此外，测量点数可达万个，这可保证RCS测试的无混叠测试范围。同时，矢网具备多个独立测试通道，利用多个通道测试，可以积累更多测试点数，提高测试分辨率。

系统将太赫兹雷达系统的大带宽雷达信号变为能处理的窄带信号，太赫兹雷达系统收发前端的架构中，发射信号为大带宽线性调频信号，接收采用解线频调接收（dechirp），将大带宽信号转变为窄带信号。

图5 硬件平台原理图

3 成像结果

该成像实验的主要目标是验证大带宽下的太赫兹雷达系统的高分辨能力，以及太赫兹ISAR雷达系统的成像效果。成像目标转动，产生目标二维像。实验时把目标放置于转台上，以理论计算的角速度转动。太赫兹成像系统收发同时工作，系统发射信号为线性调频连续波信号。实验系统参数：扫频带宽为10 GHz；扫频点数为1601；扫频频率间隔为6.25 MHz；角度间隔为0.1°；回波个数为41；转台转动角度为4°。

后期算法处理采用距离-多普勒（RD）算法。太赫兹的大带宽会导致成像结果非线性失真，后期信号处理时将对采集信号进行非线性失真校正。图6为雷达系统对点间距约为3 cm的散射点阵的ISAR成像结果，雷达系统分辨率达到3 cm。图7为太赫兹雷达系统对尺寸约为6 cm× 21 cm的舰艇模型进行的ISAR成像结果图。由图可以看出，船体模型的二维散射点阵ISAR图像的特征点明显。受太赫兹发射功率的限制，只能采用21 cm的模型进行实验。因此，散射点数较少，轮廓不够清晰。若采用大模型，可以实现较为清晰的模型细节图。

4 结论

本实验设计了中心频率0.15 THz、带宽10 GHz的太赫兹ISAR成像硬件系统。系统是基于仪器仪表设计的，实现了目标二维ISAR成像，分辨率可达3 cm。实验结果表明：太赫兹雷达成像精度高，可以在雷达目标细微特征的探测与目标识别领域发挥重要作用。

图6 距离为3 cm的钉子和ISAR成像图

图7 船体ISAR成像

[1] R.J.Dengler，F.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] 李晋.太赫兹雷达系统总体与信号处理方法研究[D].成都：电子科技大学，2010.

[4] 保铮，邢孟道，王彤.雷达成像技术[M].北京：电子工业出版社，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

蒋 俊（1986-），男，博士，工程师，主要从事太赫兹相关技术研究。