CN103454637A - 基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法，主要解决现有技术中微波波段的逆合成孔径雷达成像的距离分辨率和方位分辨率不高的问题。本发明实现的步骤如下：（1）获取太赫兹脉冲回波信号；（2）脉冲压缩；（3）合成大带宽；（4）加窗修正；（5）距离多普勒成像；（6）获得成像图。本发明利用太赫兹波具有高频率、大带宽的特性，结合调频步进频体制采用合成大带宽的方法实现了高分辨太赫兹逆合成孔径雷达成像。

Description

基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及逆合成孔径雷达技术领域中的一种基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法。本发明采用调频步进频体制以及太赫兹波段的信号实现高分辨逆合成孔径雷达成像，以解决普通微波波段信号逆合成孔径雷达成像分辨率不高的问题，得到高分辨的逆合成孔径雷达成像图。

背景技术

太赫兹波是介于毫米波和红外光之间的电磁波（频率是0.1THz到10THz），也是最后一个人类尚未完全认知和利用的频段。太赫兹波融合了微波毫米波和红外光的优点，特别适应于适中的波束宽度、宽的***带宽和大的多普勒频移的特性，更适用于极大信号带宽和极窄天线波束的实现，更利于高分辨逆合成孔径雷达成像。

相对于普通微波波段的雷达，太赫兹雷达以其高距离分辨率、超大信号带宽、强穿透力、低截获率、强抗干扰性、优越的反隐身和穿透等离子体能力而具有强大的技术优势来实现雷达探测和成像等***的众多功能，但是由于其自身特点对成像算法也带来了巨大的挑战。调频步进频信号采用线性调频信号作为步进频信号的子脉冲，具有线性调频脉冲和步进频脉冲两者的特点，因此在获得高距离分辨率的同时，可以降低对数字信号处理机瞬时带宽的要求，提高***的数据率，同时保证信号的作用距离，实现太赫兹逆合成孔径雷达对目标进行高分辨成像的目的，因此调频步进频体制的太赫兹雷达在高分辨逆合成孔径雷达成像有着非常重要的应用前景。

中科院上海技术物理研究所提出的专利申请“THZ级大带宽激光合成孔径雷达成像***的数据处理方法”（申请号：201210091702.6，公开号：CN102636776A）中公开了一种THZ级大带宽激光合成孔径雷达成像***的数据处理方法。该方法首先采用基于大范围线性调谐激光脉冲信号，采用零差相干探测技术、平衡探测技术和合成孔径技术，最后利用特殊的数据处理程序，计算出目标的二维图像。该方法的不足之处是：采用激光脉冲信号，工作时易受到天气和大气的影响使得激光光束发生畸变和抖动，直接影响雷达的工作精度，不能达到逆合成孔径雷达成像高分辨率的效果。

吴周令提出的专利申请“一种二维太赫兹成像***及其成像方法”（申请号：201210108140.1，公开号：CN102621070A）中公开了一种二维太赫兹成像***及其成像方法。该方法利用二维太赫兹成像***来获得成像图像时将成像物体放置于太赫兹成像透镜和太赫兹聚焦透镜之间，然后通过飞秒激光器发出的激光引发太赫兹光导天线阵列产生太赫兹波束组，再由太赫兹聚焦透镜会聚到太赫兹波探测器上，获得二维太赫兹图像。该方法的不足之处是：该方法是基于光电子学的成像方法，只能对近距离的物体进行成像，而且成像所达到的分辨率没有利用逆合成孔径的方法成像的分辨率高。

发明内容

本发明针对上述现有技术中逆合成孔径雷达成像分辨率不高的问题，提出了一种基于基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法，通过合成大带宽、高频率的信号，使得逆合成孔径雷达成像的分辨率得以提高。

实现本发明的具体步骤如下：

(1)获取太赫兹脉冲回波信号：

太赫兹雷达接收机接收目标散射点反射的太赫兹调频步进频信号，获得太赫兹调频步进频回波信号，太赫兹调频步进频回波信号由太赫兹调频步进频脉冲串组成，每组脉冲串由线性调频脉冲组成。

(2)脉冲压缩：

对每个太赫兹调频步进频回波信号进行脉冲压缩，获得脉冲压缩后的信号。

(3)合成大带宽：

3a)对每组太赫兹调频步进频脉冲串内的每个脉冲压缩后的信号进行频移，获得频移后的脉冲信号；

3b)将频移后的脉冲信号按照下式合成一个大带宽信号：

$X\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m\left(t\right)$

其中，X(t)表示合成后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，M表示每组太赫兹调频步进频脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，m表示第m个线性调频脉冲，m取值范围为1～M的正整数，y_m(t)表示第m个脉冲压缩后的信号频移后的脉冲信号。

(4)加窗修正：

按照下式，对合成后的大带宽信号加窗修正，得到加窗修正后的大带宽信号：

Z(t)=IFFT[FFT[X(t)]×H(f)]

其中，Z(t)表示加窗修正后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，IFFT[·]表示对加窗修正的大带宽信号进行逆傅里叶变换，FFT[·]表示对合成后的大带宽信号进行傅里叶变换，X(t)表示合成后的大带宽信号，H(f)表示频域的矩形窗。

(5)距离多普勒成像：

5a)对加窗修正后的大带宽信号的方位向进行傅里叶变换，得到太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点方位向的高分辨图像；

5b)对加窗修正后的大带宽信号的距离向进行脉冲压缩，得到太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点距离向的高分辨图像。

(6)获得成像图：

将太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点方位向的高分辨图像和距离向的高分辨图像综合在二维坐标系中，得到二维高分辨太赫兹逆合成孔径雷达成像图。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

第一，本发明通过选用太赫兹波作为逆合成孔径雷达成像的信号，克服了现有技术中逆合成孔径雷达成像方位向分辨率不高的问题，实现了逆合成孔径雷达成像中的方位高分辨。

第二，本发明中采用调频步进频信号体制，通过合成带宽大的方式得到大带宽信号，克服了现有技术中逆合成孔径雷达成像带宽小造成的距离向分辨率不高的问题，实现了逆合成孔径雷达成像中的距离向高分辨。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明中目标散射点的模型示意图；

图3为本发明中目标散射点的逆合成孔径雷达成像图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

参照附图1，本发明的具体步骤如下：

步骤1，获取太赫兹脉冲回波信号。

太赫兹雷达接收机接收目标散射点反射的太赫兹调频步进频信号，获得太赫兹调频步进频回波信号，太赫兹调频步进频回波信号由太赫兹调频步进频脉冲串组成，每组脉冲串由线性调频脉冲组成。

利用线性调频信号的数学模型得到调频步进频的数学模型，所用数学模型如下：一组太赫兹调频步进频信号由M个线性调频脉冲组成，其中发射的第m个线性调频脉冲可写为：

$c_m\left(t\right)=\mathrm{rect}\left(\frac{t}{T}\right)e^{({\mathrm{j\πkt}}^2+{j2\mathrm{\πf}}_m)}$

其中，c_m(t)表示第m个太赫兹线性调频脉冲信号，m取值为1～M的正整数，M表示每组脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，rect(·)表示时域矩形窗，T表示线性调频脉冲的周期，k表示线性调频脉冲的调频率，f_m表示第m个太赫兹线性调频脉冲的载频。

参照附图2，建立雷达与目标散射点的坐标系，R₀表示目标散射点中心0点到雷达的距离，散射点P在x′-y′坐标系下的坐标为(x₀,y₀)，在x-y坐标系（旋转坐标系）下坐标为(x,y)，坐标原点到雷达的距离为R₀，则：

x==rcos(θ+α)=x₀cosθ-y₀sinθ

y==rsin(θ+α)=x₀sinθ+y₀cosθ

其中，x表示散射点P在x-y坐标系（旋转坐标系）下的横坐标，y表示散射点P在x-y坐标系（旋转坐标系）下的纵坐标，x₀表示散射点P在坐标系x′-y′下的横坐标，y₀表示散射点P在坐标系x′-y′下的纵坐标，α表示目标散射点与旋转坐标系x-y的横坐标之间的夹角，θ表示目标散射点与旋转坐标系x′-y′的横坐标之间的夹角。

则以雷达为中心建立与x′-y′坐标系平行的坐标系，此时散射点坐标为(x+R₀,y)，则目标散射点到雷达的距离为 $R=\sqrt{{(x+R_0)}^2+y^2}\≈R_0+x_0\cos \mathrm{\θ}-y_0\sin \mathrm{\θ}.$ 只考虑目标散射点绕转台中心转动，发射第i组脉冲串时目标相对雷达转过的角度为θ_i=ω×i×PRT,i=0,1,…,N_a-1，N_a表示太赫兹调频步进频脉冲串的总组数，可求出目标散射点在坐标系中的坐标，从而求得目标到雷达的距离为R(n)，其中n表示第n个散射点。

根据下式，获得太赫兹线性调频脉冲回波信号为：

$s_r\left(t\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m(t-\frac{2R\left(n\right)}{c})$

其中，s_r(t)表示第m个太赫兹线性调频脉冲回波信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，n表示第n个目标散射点，N表示目标散射点总数，c_m(t)表示第m个太赫兹线性调频脉冲信号，R(n)表示第n个目标散射点到雷达的距离，c表示光速。

步骤2，脉冲压缩。

对每个太赫兹调频步进频回波信号进行脉冲压缩，获得脉冲压缩后的信号。

步骤3，合成大带宽。

第一步，对每组太赫兹调频步进频脉冲串内的每个脉冲压缩后的信号进行频移，获得频移后的脉冲信号。所述的频移按照下式实现：

$y_m\left(t\right)=s_m\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{m}t}$

其中，y_m(t)表示第m个频移后的脉冲信号，m表示第m个线性调频脉冲，m取值范围为1～M的正整数，M表示每组太赫兹调频步进频脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间；s_m(t)表示第m个脉冲压缩后的信号，Δf_m表示第m个脉冲压缩后的信号的频移量。

第二步，将频移后的脉冲信号按照下式合成一个大带宽信号：

$X\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m\left(t\right)$

其中，X(t)表示合成后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，M表示每组太赫兹调频步进频脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，m表示第m个线性调频脉冲，m取值范围为1～M的正整数，y_m(t)表示第m个脉冲压缩后的信号频移后的脉冲信号。

步骤4，加窗修正。

按照下式，对合成后的大带宽信号加窗修正，得到加窗修正后的大带宽信号：

Z(t)=IFFT[FFT[X(t)]×H(f)]

其中，Z(t)表示加窗修正后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，IFFT[·]表示对加窗修正的大带宽信号进行逆傅里叶变换，FFT[·]表示对合成后的大带宽信号进行傅里叶变换，X(t)表示合成后的大带宽信号，H(f)表示频域的矩形窗，经过加窗修正后的大带宽信号时比较完善的信号，过滤掉了相应的杂波和信号产生的毛刺。

步骤5，距离多普勒成像。

将合成的大带宽信号的方位向进行FFT处理，得到方位向的高分辨图像；将合成的大带宽信号的距离向进行脉冲压缩处理，得到距离向的高分辨图像。

步骤6，获得成像图。

将太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点方位向的高分辨图像和距离向的高分辨图像综合在二维坐标系中，得到二维高分辨太赫兹逆合成孔径雷达成像图。

本发明的效果可以通过以下仿真进一步说明。

1.仿真条件：

本发明的仿真是在MATLAB R2012a的软件环境下进行的，且目标散射点的平动已补偿，只考虑目标绕转台中心转动。

2.仿真内容：

雷达目标散射点的参数：两目标散射点到雷达的距离分别为R₁=2498m和R₂=2501m，目标散射点中心到雷达的距离R₀=2500m，目标转角θ=1⁰，目标转速ω=0.04rad/s。所发射的信号参数：线性调频率K_r=5×10¹³，要发射太赫兹调频步进频信号的脉冲串组数为N_a=256，每一串包含M_r=10个子脉冲。雷达ISAR成像***的参数：距离分辨率为

方位向分辨率为光速c=3×10⁸m/s。

逆合成孔径雷达接收两种信号：第一种是调频步进频信号的中心频率120GHz，信号总带宽5GHz，第二类是线性调频信号的中心频率30GHz，信号带宽1GHz，比较仿真结果。

3.仿真结果分析：

参照附图3，对本发明的仿真成像结果进行比较分析，其中，附图3（a）是现有技术采用线性调频信号，线性调频信号中心频率为30GHz，带宽为1GHz不采用带宽合成的成像效果图。附图3（b）是本发明方法的成像效果图，采用太赫兹的调频步进频信号，调频步进频信号中心频率为120GHz，带宽为5GHz采用合成大带宽的成像效果图。

对比附图3（a）和附图3（b），本发明方法由于采用高频率和合成大带宽的信号所得到的逆合成孔径雷达成像图的分辨率，包括距离分辨率和方位分辨率，都比带宽小的传统微波波段的成像分辨率高，从而由图3（b）成像效果证明了本发明方法的正确性和有效性。

Claims (2)

1.一种基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法，包括如下步骤：

(1)获取太赫兹脉冲回波信号：

太赫兹雷达接收机接收目标散射点反射的太赫兹调频步进频信号，获得太赫兹调频步进频回波信号，太赫兹调频步进频回波信号由太赫兹调频步进频脉冲串组成，每组脉冲串由线性调频脉冲组成。

(2)脉冲压缩：

对每个太赫兹调频步进频回波信号进行脉冲压缩，获得脉冲压缩后的信号；

(3)合成大带宽：

3a)对每组太赫兹调频步进频脉冲串内的每个脉冲压缩后的信号进行频移，获得频移后的脉冲信号；

3b)将频移后的脉冲信号按照下式合成一个大带宽信号：

$X\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{y}_m\left(t\right)$

其中，X(t)表示合成后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，M表示每组太赫兹调频步进频脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，m表示第m个线性调频脉冲，m取值范围为1～M的正整数，y_m(t)表示第m个脉冲压缩后的信号频移后的脉冲信号；

(4)加窗修正：

按照下式，对合成后的大带宽信号加窗修正，得到加窗修正后的大带宽信号：

Z(t)=IFFT[FFT[X(t)]×H(f)]

其中，Z(t)表示加窗修正后的大带宽信号，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间，IFFT[·]表示对加窗修正的大带宽信号进行逆傅里叶变换，FFT[·]表示对合成后的大带宽信号进行傅里叶变换，X(t)表示合成后的大带宽信号，H(f)表示频域的矩形窗；

(5)距离多普勒成像：

5a)对加窗修正后的大带宽信号的方位向进行傅里叶变换，得到太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点方位向的高分辨图像；

5b)对加窗修正后的大带宽信号的距离向进行脉冲压缩，得到太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点距离向的高分辨图像；

(6)获得成像图：

将太赫兹逆合成孔径雷达目标散射点方位向的高分辨图像和距离向的高分辨图像综合在二维坐标系中，得到二维高分辨太赫兹逆合成孔径雷达成像图。

2.根据权利要求1所述的基于调频步进频的太赫兹逆合成孔径雷达成像方法，其特征在于，步骤3a）中所述的频移按照下式实现：

$y_m\left(t\right)=s_m\left(t\right)e^{j2\mathrm{\π\Δ}{f}_{m}t}$

其中，y_m(t)表示第m个频移后的脉冲信号，m表示第m个线性调频脉冲，m取值范围为1～M的正整数，M表示每组太赫兹调频步进频脉冲串包含的线性调频脉冲总个数，M取值为大于等于1的正整数，t表示雷达接收机接收线性调频脉冲所经历的时间；s_m(t)表示第m个脉冲压缩后的信号，Δf_m表示第m个脉冲压缩后的信号的频移量。

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