太赫兹ISAR成像系统及基于后向投影的图像重建方法技术方案

太赫兹ISAR成像系统及基于后向投影的图像重建方法，所述步进太赫兹ISAR系统，包括太赫兹频率步进逆合成孔径雷达成像系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；步进电机控制器控制二维高精度电控旋转台旋转；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括跳频模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集与处理模块；所述二维高精度电控旋转台包括超精密轴系、精密涡轮、蜗杆传动、光栅度盘、液晶屏以及标配计算机通讯接口；所述步进电机控制器包括控制单元、电机驱动器、稳压电路。

【技术实现步骤摘要】
太赫兹ISAR成像系统及基于后向投影的图像重建方法
本专利技术属于太赫兹雷达成像
，尤其涉及一种太赫兹频率步进ISAR成像系统及二维高分辨率图像重建的方法。
技术介绍
太赫兹是指频率为0.1THz-10THz的电磁波，对应的波长为3mm-30μm，在电磁波谱上介于红外和微波之间，称为亚毫米波或远红外光，处于光子学向电子学的过渡区域。因此，兼具红外和微波的优点。与微波雷达相比，太赫兹雷达更易于实现大带宽和极窄的天线波束,从而获得高分辨率的图像。CooperKB,DenglerRJ,LlombartN,etal.THzimagingradarforstandoffpersonnelscreening[J].IEEETransactionsonTerahertzScienceandTechnology,2011,1(1):169-182.Cooper,KenB.,etal."Fasthigh-resolutionterahertzradarimagingat25meters."TerahertzPhysics,Devices,andSystemsIV:AdvancedApplicationsinIndustryandDefense.Vol.7671.InternationalSocietyforOpticsandPhotonics,2010.与激光雷达相比，太赫兹雷达可以穿透沙尘、烟雾等环境，实现特殊环境下对非合作目标进行高分辨率成像。太赫兹雷达同时还具有全天时、全天候的特点，在军事目标探测和战场恶劣环境应用方面有巨大价值。目前，国内外的成像雷达一般采用线性调频信号，虽然采用线性调频信号容易实现大功率，但是，当雷达工作在太赫兹波段时，如果依然采用线性调频体制，由于瞬时带宽较大，就会显著增加A/D的采样频率，这将大幅度提高研发成本。太赫兹频率步进雷达弥补了上述缺点，由于频率步进信号是一种典型的高分辨雷达体制，它的优点是瞬时窄带、合成宽带，可以实现距离向高分力，并降低A/D的采样频率，从而在保证高分辨力的同时降低研发成本。另外，由于频率步进信号载频随时间变化，是一种典型的频率截变信号，因此，具有很强的抗干扰能力。因此，本专利技术所涉及的太赫兹频率步进ISAR成像系统具有带宽可调、分辨力高、抗干扰性强、反隐身等优点。距离-多普勒算法是雷达成像中的经典算法，该算法将回波数据变换到距离-多普勒域对目标回波进行图像重建，在满足远场近似条件同时距离徙动量没有超过一个距离分辨单元时，可以对目标进行近似成像。LiangMY,ZhangCL,ZhaoR,etal.Experimental0.22THzsteppedfrequencyradarsystemforISARimaging[J].JournalofInfrared,Millimeter,andTerahertzWaves,2014,35(9):780-789.由于采用了快速傅里叶变换，因此，该算法是一种快速有效的方法。但是，当雷达工作在太赫兹频段时，由于带宽大，分辨率高，距离分辨单元较小，距离徙动量很容易超过一个距离分辨单元，这种情况下，采用距离多普勒算法进行图像重建的方法受到限制，因此，本专利技术提出了一种后向投影的方法，对太赫兹频率步进雷达回波信号进行图像重建。基于后向投影的图像重建方法是一种基于时域处理的精确成像方法，用于二维图像重建时不受任何限制，可以实现大转角情况下，对转台目标实现高精度成像。
技术实现思路
为了解决雷达工作在太赫兹波段时，由于带宽较大，若采用线性调频连续波体制，将对A/D采样频率提出较高的要求，系统成本显著增加。本专利技术可以在实现大带宽的同时，降低A/D的采样频率。本专利技术针对太赫兹雷达采用距离-多普勒算法对目标进行图像重建时，成像分辨率和精度都不高的问题，提供了一种高分辨率ISAR图像重建的方法，该方法的基本思想是通过将回波信号后向投影到成像区域并相干累积，从而实现太赫兹ISAR图像的重建。实现本专利技术目的技术方案：一种太赫兹ISAR成像系统，包括太赫兹频率步进雷达系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元；一种基于后向投影的图像重建方法，其特征在于，其技术方案包括以下三个步骤：步骤1，太赫兹雷达连续发射214GHz-226GHz的频率步进信号，同时，二维高精度转台进行旋转扫描；步骤2，收到回波信号后，根据雷达信号体制和二维扫描方式，将采样得到的I/Q两路数据合成具有振幅和相位信息的二维回波矩阵，并对回波矩阵的距离向数据进行相位补偿；然后，沿距离向快速傅立叶逆变换，即将信号变换到时域；再根据成像区域大小和太赫兹雷达理论分辨率对目标区域进行网格划分，所选取的网格大小约为雷达系统理论分辨率的1/2-1/4；步骤3，计算转台每个步进转角上，成像区域中的所有距离单元到天线的距离，根据该距离将回波矩阵依次后向投影到成像区域的网格上；再将投影得到的子矩阵相干叠加，对目标图像实现二维聚焦，即得到目标太赫兹ISAR成像结果。当雷达工作在太赫兹波段时，信号带宽大大增加，将对A/D造成巨大压力，本专利技术所涉及的太赫兹ISAR成像系统将频率步进信号应用于太赫兹成像雷达领域，可以灵活地调整发送信号的起始频点和步进数目，自由的选择发射频率，自适应的改变信号的工作频段和带宽，相比线性调频连续波雷达减小了下行处理带宽、降低了A/D采样频率和研发成本。由于太赫兹雷达分辨率高，距离分辨单元小，距离徙动对太赫兹雷达成像结果影响较大，因此，本专利技术将后向投影的图像重建方法用于太赫兹ISAR成像，可用于远近场条件下，转台任意转角的成像，即使在大距离徙动情况下，依然可以实现目标回波的二维图像重建，其成像结果分辨率高，成像误差小，有效抑制了旁瓣，提高了成像质量。基于后向投影的图像重建方法特别适合在实验室环境下，目标的精密的成像处理。附图说明图1为太赫兹ISAR成像方法流程图。图2为太赫兹ISAR成像模型。图3为图像重建过程示意图。图4为采用后向投影方法对角反射器进行ISAR成像的结果图。具体实施方式一种太赫兹逆合成孔径雷达成像系统，包括太赫兹频率步进雷达成像系统和二维转台扫描系统。所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元。其中，上位机控制单元与频综模块通过RS232通讯串口连接，频综模块与射频前端通过高频低损耗电缆连接，射频前端与喇叭天线模块通过表面镀金的矩形波导连接，射频前端与中频模块通过高频低损耗电缆连接，中频模块与信号采集处理模块通过同轴电缆连接，信号采集处理模块通过交叉网线与显示单元连接。所述二维转台扫描系统包括高精度电控转台和步进电机控制器，高精度电控转台与步进电机控制器之间通过RS232通讯串口连接。所述高精度电控转台为市场购买的现成产品。产品名称是(MRS200系列高精度电动旋转台)，型号是(MRS200)。所述步进电机控制器为市场购买的现成产品。产品名称是(SC100系列步进电机控制器)，型号是(SC100)。太赫兹雷达发射信号的体制为频率步进脉冲，每帧信号由一串频本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹ISAR成像系统，其特征是包括太赫兹频率步进雷达成像系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；在步进电机控制器的控制下，二维高精度电控旋转台旋转，实现二维扫描；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹ISAR成像系统，其特征是包括太赫兹频率步进雷达成像系统、二维高精度电控旋转台、步进电机控制器；在步进电机控制器的控制下，二维高精度电控旋转台旋转，实现二维扫描；所述太赫兹频率步进雷达成像系统包括频综模块、射频前端、中频模块、喇叭天线模块、信号采集处理模块、上位机控制单元、图像显示单元。2.基于后向投影的图像重建方法，其特征是利用权利要求1所述的太赫兹ISAR成像系统，操作下述步骤：(1)太赫兹雷达雷达系统工作时发射214GHz-226GHz频率步进信号s(t)，可以表示为其中，rect(·)表示矩形包络，τ为脉冲串中子脉冲的宽度，Tr是脉冲重复周期，f0为脉冲的起始频率，Δf为脉冲间频率步进量，每一帧信号中第n个子脉冲的频率fn＝f0+nΔf，其中，n＝0,1…N-1，N为一帧信号中子脉冲的个数。t表示快时间，表示虚数单位。在雷达发送信号的同时，二维高精度电控旋转台在步进电机的驱动下二维步进旋转扫描，二维高精度电控旋转台的步进转角用i来表示，M为ISAR成像时，一幅图像所需信号的帧数，雷达发射信号帧数与转台的步进转角i一一对应，因此，i＝1…M。设在二维高精度电控旋转台旋转到步进转角i时，二维高精度电控旋转台上散射点p到雷达的距离用矢量表示，则该散射点产生的雷达回波时延为：其中，c为光速。对于转台确定的转角i，散射点p产生的雷达回波时延为ti为常数。(2)转台在步进转角i时，位于O'处的天线接收到p点反射的回波信号为：其中，为回波的幅度因子，s(t-ti)为发射信号s(t)经历时延ti后的回波，t仍为快时间。计算二维高精度电控旋转台在步进转角i上，雷达接收到的回波信号为：转台扫描的同时，雷达将接收到的回波信号采样并I/Q解调，二维扫描完成后，得到一个N×M的回波矩阵，该矩阵为复矩阵，矩阵的实部为I路采样的回波幅值，矩阵的虚部为Q路采样的回波幅值。将采样的数据根据公式计算回波矩阵距离方向上，每帧信号子脉冲频点的相位；然后，计算帧内子脉冲采样点的相位差并将这些相位差求平均，得到帧内平均相位差将多次采样计算出的帧内平均相位差求和再平均得到的值，为理想相位差θ；求出每帧采样信号上各频点间的相位差对理想相位差的偏差作为相位补偿值，叠加在原始信号的相位上，得到相位补偿后的回波信号用表示；调用Matlab中的IFFT命令，将距离向回波数据变换到时域得到一个N×M的二维时域矩阵；在成像平面选取a×a的方形成像区域D，采用Matlab中的x＝[-a/2:Δε:a/2]；y＝[-a/2:Δε:a/2]'；来对二维成像区域D进行网格划分，其中，Δε为网格划分的精度；(3)二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，成像区域D网格上的任意像素点q到雷达天线的距离为：计算二维高精度电控旋转台位于步进转角i时，网格上所有的点到雷达天线的距离；其中，rq是像素点q所处位置二维高精度电控旋转台的回转半径，R是雷达天线O'到二维高精度电控旋转台中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁美彦，张存林，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西,14