太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法与流程

本发明属于雷达成像技术领域，具体涉及高分辨雷达凝视成像技术，尤指一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法。

背景技术：

高分辨雷达成像是实现战场侦察、目标探测与识别的重要手段，在确保国家战略安全，争夺战场主动方面具有举足轻重的作用。常规微波雷达系统可主动探测，穿透能力强，能够全天时、全天候工作，但是由于微波频率低，波长长，角分辨率低，且由于成像原理的限制，需要成像积累时间，无法实现高帧频、高分辨前视成像。合成孔径雷达(SAR)和逆合成孔径雷达(ISAR)成像虽然能够通过合成孔径获得横向上的高分辨率，但是二者都依赖于雷达与目标的相对运动，在前视条件下，转角很小，甚至为零，无法凝视成像，限制了SAR与ISAR在某些场合的应用。而光学传感器可前视成像，波长短，分辨率高，成像速度快，但是依赖于目标辐射，对云、烟、雾和障碍物等穿透能力差，易受环境因素影响。而在真实战场环境中，往往需要穿透硝烟、雾霾等对数千米外中远作用距离上的车辆、据点、人员等目标进行快速精确探测与识别，为引导我方武器系统对敌方军事目标实现精确打击与定点清除提供信息支撑。而现有雷达成像系统难以完全满足上述对高分辨、高帧频、前视凝视成像的应用需求。

太赫兹孔径编码高分辨成像雷达技术是指通过电控次反射面阵列改变成像平面太赫兹辐射场空间幅相分布来获取目标散射系数分布的成像方式。相对于微波与光波，太赫兹的频率和波长介于两者之间，使得太赫兹雷达具有相对较大的绝对带宽和较高的成像分辨率，以及较好的成像穿透能力，在相同孔径天线条件下结合孔径编码技术，更易产生多样性的照射模式和更快的模式切换速度，利用回波进行目标高分辨成像的潜力也就越大。同时，孔径编码成像技术可通过对目标单次快拍实现前视凝视成像。因此，有望利用有限的孔径、在极短的时间内获得超出同口径传统雷达衍射极限的分辨率。尽管太赫兹孔径编码高分辨成像雷达技术相对于传统雷达成像技术具有诸多优势，但依然存在一些亟待解决的问题，比如系统的成像距离有限，太赫兹波束对成像平面的非机械均匀扫描难以实现，成像系统的准光设计难度较大等。鉴于此，迫切需要开展太赫兹频段孔径编码高分辨中远距成像技术研究，研制具有高帧频、高分辨、前视凝视成像能力且系统成像距离覆盖数千米的中远距成像装置，为太赫兹雷达在战场侦察与警戒、目标探测与识别等领域的应用提供一条新的技术途径。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明提出了一种装置，能够同时兼顾成像分辨率与成像速度，并且能避免成像装置对成像平面的机械扫描，其中，成像平面是指位于目标所在平面且包含目标横截面在内的具有特定尺寸的几何平面，如图1所示，其尺寸由成像装置的结构参数决定。具体技术方案如下：

一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置，包括太赫兹发射模块1、发射天线2、电控次反射面阵列3、抛物面主反射镜4、接收天线5、太赫兹接收模块6、存储器7以及系统控制主机8。

所述太赫兹发射模块与发射天线连接，所述太赫兹发射模块产生的太赫兹发射信号，经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列；所述电控次反射面阵列与系统控制主机连接，所述电控次反射面阵列在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制得到太赫兹编码波束，并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜；所述抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直；接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收模块，所述太赫兹接收模块对散射回波信号进行低噪声放大、混频和正交解调处理，并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储；将基于太赫兹发射信号推演得到的参考信号输入至所述存储器存储；系统控制主机调用存储器中处理后的散射回波信号与参考信号进行关联成像处理，得到目标的重构图像。

进一步地，所述电控次反射面阵列竖直方向上的高度为l，竖直方向上包含N个阵元，每个阵元指单个独立的反射移相单元，l与N的比值代表单个阵元的节距。如附图1所示，建立直角坐标系，坐标原点与抛物面主反射镜的顶点重合，横轴x正方向向右，纵轴y正方向竖直向上，电控次反射面阵列与发射天线的水平间距为e，与共焦面的水平间距为a，与成像平面的水平间距为b，b同时也代表所述装置的探测距离。电控次反射面阵列下端点与发射天线的竖直间距为g，上端点与x轴的竖直间距为d，坐标原点与共焦面的水平间距(即：抛物面主反射镜的焦距)为p。

进一步地，所述电控次反射面阵列加载透镜相位调制因子后具有数字透镜的作用，该数字透镜焦平面与抛物面主反射镜焦平面重合于共焦面，共焦面与发射天线所在平面关于数字透镜共轭，所述电控次反射面阵列与共焦面和发射天线的水平间距a与e之间满足下述关系：

其中，f为数字透镜的焦距。

进一步地，抛物面主反射镜的子午面方程为：

y²＝4px， (2)

本发明还提供了一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像方法，采用上述的太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置，具体包括以下步骤：

(S1)太赫兹发射模块产生太赫兹发射信号，经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列；

(S2)系统控制主机控制电控次反射面阵列加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制得到太赫兹编码波束，并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜；

(S3)抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直；

(S4)接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收模块，所述太赫兹接收模块对散射回波信号进行低噪声放大、混频和正交解调处理，并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储；

(S5)基于太赫兹发射信号推演得到参考信号，并将参考信号输入至所述存储器存储；

(S6)系统控制主机调用存储器中处理后的回波信号与参考信号进行关联成像处理，得到目标的重构图像。

进一步地，所述步骤(S2)与(S3)的具体过程为：

系统控制主机根据下式中的孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面阵列上完成相位加载：

P_C＝random(p_l,p_h,m)， (3)

其中，P_C表示孔径编码随机移相因子，p_l和p_h分别代表随机移相区间的上限和下限，random表示对电控次反射面阵列竖直方向上的第m个阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位，m为1到N的自然数，即m＝1，2，…，N；

系统控制主机根据下式中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面阵列上完成相位加载：

其中，P_L表示透镜相位调制因子，k＝2πf_c/c，f_c为太赫兹编码波束的中心频率，c为光速，π取值为圆周率，y_m为电控次反射面阵列竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m为1到N的自然数，即m＝1，2，…，N；y₀为电控次反射面阵列上透镜相位调制因子的相位中心(使得P_L＝1)所在阵元中心点的纵坐标。透镜相位调制因子关于相位中心y_m＝y₀中心对称，在相位中心处，P_L＝1，相当于不施加相位调制。

设电控次反射面阵列上透镜相位调制因子的相位中心y₀的初始位置为A₁，并从A₁点移至A₂点，A₁点与A₂点之间间距为s，且A₁A₂连线的中心点与电控次反射面阵列中心点重合，分别根据入射至A₁点与A₂点处光线的入射角结合镜面反射定理确定太赫兹编码波束经过数字透镜聚焦后在共焦面的聚焦点B₁点和B₂点，B₁点和B₂点同时又位于抛物面主反射镜的焦平面上，且B₁点和B₂点之间间距为q。

A₁点与A₂点之间间距s以及B₁点和B₂点之间间距q分别由式(5)和(6)计算：

当相位中心位于A₂点时，此时聚焦点位于B₂点，两条反射光线A₁B₂和A₂B₂分别交抛物面主反射镜于C₁和C₂两点，结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C₁和C₂两点的坐标(s₁,t₁)和(s₂,t₂)，再结合抛物面主反射镜的基本性质，则由抛物面主反射镜在C₁和C₂两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率分别为：

所述两条边缘光线在成像平面形成的太赫兹光斑尺寸由下式计算：

D₁＝k₂(p+a+b-t₂)+s₂-k₁(p+a+b-t₁)-s₁。 (9)

当相位中心位于A₁点时，此时聚焦点位于B₁点，两条反射光线A₁B₁和A₂B₁分别交抛物面主反射镜于C₃和C₄两点，结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C₃和C₄两点坐标(s₃,t₃)与(s₄,t₄)，则由抛物面主反射镜在C₃和C₄两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率k₃与k₄以及此时成像平面太赫兹光斑的尺寸D₂分别由式(10)和式(11)计算：

k₃＝k₄＝0， (10)

D₂＝s₄-s₃。 (11)

成像平面的纵向尺寸h与抛物面主反射镜的口径尺寸w分别由式(12)和式(13)计算：

h＝s₄-k₁(p+a+b-t₁)-s₁， (12)

根据上述结论，为保证太赫兹编码波束对成像平面进行全覆盖扫描，透镜相位调制因子的相位中心y₀在电控次反射面上以固定移动步长从A₁点向A₂点移动，移动步长的取值区间由下式进行计算：

其中，符号Ceil(X)表示大于或者等于X的最小整数。

采用本发明获得的有益技术效果：1、本发明利用孔径编码随机移相因子在电控次反射面阵列的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相，进而改变成像平面太赫兹辐射场空间幅相分布，最终使成像装置获得超出同口径传统雷达衍射极限的波束内高分辨能力，且模式切换速度快，无需成像积累时间。2、本发明利用透镜的相位调制因子使电控次反射面阵列起到数字透镜的作用，对入射太赫兹波束进行聚焦与指向控制，同时利用抛物面主反射镜对波束进行反射与准直，提高特定目标方向的发射功率，抑制杂波/干扰方向功率，改善信噪比，从而增加成像系统的有效作用距离，使得太赫兹编码波束在中远距成像距离上始终保持较好的准直性对成像平面进行非机械全覆盖扫描，提高装置的成像帧率与稳定性。3、本发明装置及方法，可实现所述太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置对数千米外中远作用距离上的目标进行高帧频、高分辨、前视凝视全覆盖扫描成像。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明方法流程示意图；

图中标号为：

1、太赫兹发射模块，2、发射天线，3、电控次反射面阵列，4、抛物面主反射镜，5、接收天线，6、太赫兹接收模块，7、存储器，8、系统控制主机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明中，考虑到该装置在水平和竖直方向上的工作模式具有对称性，以竖直方向为例对本发明进行说明。建立如图1中所示的直角坐标系，坐标原点与抛物面主反射镜的顶点重合，横轴x正方向向右，纵轴y正方向竖直向上。本发明提出了一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置，如附图1所示，所述装置包括太赫兹发射模块1、发射天线2、电控次反射面阵列3、抛物面主反射镜4、接收天线5、太赫兹接收模块6、存储器7以及系统控制主机8。其中，系统控制主机主要包含三个功能，分别为：用于对电控次反射面阵列进行控制、在太赫兹发射信号的基础上对参考信号进行推演以及将散射回波信号与参考信号进行关联成像处理。

本发明方法流程图如图2所示，太赫兹发射模块与发射天线连接，太赫兹发射模块产生的太赫兹发射信号，经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列；电控次反射面阵列与系统控制主机连接，在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调制因子，并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制得到太赫兹编码波束，并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜；加载了透镜相位调制因子的电控次反射面阵列具有数字透镜的作用，该数字透镜焦平面与抛物面主反射镜焦平面重合于共焦面，抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直；接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收模块，太赫兹接收模块对散射回波信号进行低噪声放大、混频和正交解调处理，并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储；将基于太赫兹发射信号推演得到的参考信号输入至存储器存储；系统控制主机调用存储器中处理后的回波信号与参考信号并结合现有的参数法、正交匹配追踪、匹配滤波或者稀疏重构等数据处理技术进行关联成像处理，得到目标的重构图像。

实施例中，所述电控次反射面阵列竖直方向上的高度为l，竖直方向上包含N个阵元，每个阵元指单个独立的反射移相单元，电控次反射面阵列与发射天线的水平间距为e，与共焦面的水平间距为a，与成像平面的水平间距为b，电控次反射面阵列下端点与发射天线的竖直间距为g，上端点与x轴的竖直间距为d，坐标原点与共焦面的水平间距(即：抛物面主反射镜的焦距)为p，电控次反射面阵列上A₁点与A₂点之间间距为s，且A₁A₂连线的中心点与电控次反射面阵列中心点重合，故A₁点坐标为(a+p,-d-(l+s)/2)，A₂点坐标为(a+p,-d-(l-s)/2)。l与N的比值代表单个阵元的节距，节距越小，则可在更小的单元尺度上对发射天线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制，以获得更好的编码效果与波束形成能力，其具体取值由电控次反射面阵列的加工工艺决定，以基于液晶基板的反射式相控阵平面天线为例，阵元节距通常为数百微米。b代表本发明所述装置的探测距离，通常为2000.00m至10000.00m范围内的中远距成像范围。在确保装置中发射天线与电控次反射面阵列不会对太赫兹编码波束产生遮挡的前提下，可通过减小g与d的取值来减小系统的几何尺寸，通常可设定在0.01m至0.05m的区间内。a、p以及e的取值可设定在1.00m至5.00m的区间内。

本发明中，电控次反射面阵列与共焦面和发射天线的水平间距a与e之间满足下述关系：

其中，f为数字透镜的焦距。

本发明中，抛物面主反射镜的子午面方程为：

y²＝4px。

如图1所示，透镜相位调制因子的相位中心(相位中心所在阵元中心点处的纵坐标即为公式(4)中y₀的取值)从A₁点移至A₂点，此时根据入射至该点处光线的入射角结合镜面反射定理可确定太赫兹编码波束经过数字透镜聚焦后在共焦面的聚焦点分别为B₁点和B₂点。B₁点和B₂点同时又位于抛物面主反射镜的焦平面上，且B₁点和B₂点之间间距为q，B₁点坐标为(p,0)，B₂点坐标为(p,q)。

当透镜相位调制因子的相位中心位于A₁点时，根据镜面反射定理以及光路几何关系，推导出：

当透镜相位调制因子的相位中心位于A₂点时，同理可得：

当相位中心位于A₂点时，此时聚焦点位于B₂点，两条反射光线A₁B₂和A₂B₂分别交抛物面主反射镜于C₁和C₂两点，结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C₁和C₂两点的坐标(s₁,t₁)和(s₂,t₂)，再结合抛物面主反射镜的基本性质，则由抛物面主反射镜在C₁和C₂点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率分别为：

所述两条边缘光线在成像平面形成的太赫兹光斑尺寸由下式计算：

D₁＝k₂(p+a+b-t₂)+s₂-k₁(p+a+b-t₁)-s₁。

当相位中心位于A₁点时，此时聚焦点位于B₁点，两条反射光线A₁B₁和A₂B₁分别交抛物面主反射镜于C₃和C₄两点，结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C₃和C₄两点坐标(s₃,t₃)与(s₄,t₄)，则由抛物面主反射镜在C₃和C₄两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率k₃与k₄以及此时成像平面太赫兹光斑的尺寸D₂分别由下式计算：

k₃＝k₄＝0，

D₂＝s₄-s₃。

成像平面的纵向尺寸h与抛物面主反射镜的口径尺寸w分别由下式计算：

h＝s₄-k₁(p+a+b-t₁)-s₁，

根据上述结论，为保证太赫兹编码波束对成像平面进行全覆盖扫描，透镜相位调制因子的相位中心y₀在电控次反射面上必须以特定步长从A₁点向A₂点移动，移动步长的取值区间由下式进行计算：

其中，符号Ceil(X)表示大于或者等于X的最小整数。

本发明中，所述关联成像处理采用的方法包括现有的参数法、正交匹配追踪、匹配滤波或者稀疏重构等。关联成像处理采用的方法可以只采用上述一种方法，也可以是其中几种方法的联合使用。

本发明中，所述装置的电控次反射面阵列可采用基于液晶基板的反射式相控阵平面天线，也可采用基于超材料技术的反射式相控阵平面天线。

下面以基于液晶基板的反射式相控阵平面天线为例，确定电控次反射面阵列竖直方向上的高度l＝0.10m，竖直方向上包含200个阵元，即N＝200，电控次反射面阵列与发射天线的水平间距为e＝1.00m，与成像平面的水平间距为b＝2500.00m，电控次反射面阵列下端点与发射天线的竖直间距为g＝0.02m，上端点与x轴的竖直间距为d＝0.01m，坐标原点与共焦面的水平间距(即：抛物面主反射镜的焦距)为p＝5.00m，数字透镜的焦距f＝0.50m。

结合上述参数，由式(1)计算得到电控次反射面阵列与共焦面的水平间距a＝1.00m。

系统控制主机根据孔径编码随机移相因子P_C＝random(-0.5π,0.5π,m)生成对应相位分布图，输入至电控次反射面阵列上完成相位加载，其中m为1到200的自然数，即m＝1，2，…，200。同时，系统控制主机根据透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至电控次反射面阵列上完成相位加载。其中，k＝2πf_c/c，太赫兹编码波束的中心频率f_c＝300.00GHz，光速c＝3×10⁸m/s。y_m为电控次反射面阵列竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标，m为1到200的自然数，即m＝1，2，…，200。y₀为电控次反射面阵列上位于A₁点与A₂点之间的透镜相位调制因子相位中心所在阵元中心点的纵坐标。实施例中，各个阵元中心点的纵坐标可根据电控次反射面阵列尺寸与包含的阵元数进行计算。

根据式(5)计算得到电控次反射面阵列上A₁点与A₂点之间间距为s＝0.01m，且A₁A₂中心点与电控次反射面阵列中心点重合，则A₁点坐标为(6,-0.065)，A₂点坐标为(6,-0.055)。根据式(6)计算得到B₁点和B₂点之间间距为q＝0.02m，则B₁点坐标为(5,0)，B₂点坐标为(5,0.02)。

当相位中心位于A₂点时，可求出C₁点与C₂点的坐标分别为(0.17,0.0014)和(0.67,0.02)，并分别由式(7)与式(8)计算出准直后太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率k₁＝-0.0040与k₂＝-0.0039，则依据式(9)算出此时2500.00m外成像平面太赫兹光斑的尺寸D₁＝0.63m。

当相位中心位于A₁点时，可求出C₃点与C₄点的坐标分别为(0.050,0.00013)和(0.55,0.015)，由式(10)可知两条边缘光线斜率k₃＝k₄＝0，以及由式(11)可知此时2500.00m处的成像平面太赫兹光斑的尺寸D₂＝0.50m。

分别根据式(12)和式(13)计算出成像平面的纵向尺寸h＝10.39m以及抛物面主反射镜的口径尺寸w＝0.62m。

最后根据公式(14)求出透镜相位调制因子的相位中心y₀在电控次反射面从A₁点向A₂点移动的步长的取值区间为0.00048m≤Δ≤0.00053m，因此，在实施过程中可选择步长Δ＝0.0005m。

根据上述结构指标得出本实施例中成像装置在对距离2500.00m处的成像平面进行分块扫描过程中，扫描光斑尺寸变化范围为0.50m～0.63m，几乎保持了恒定，说明在该系统架构下太赫兹编码波束具有良好的准直特性，对于提升成像系统的分辨率等成像性能具有重要意义。

以上包含了本发明优选实施例的说明，这是为了详细说明本发明的技术特征，并不是将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中，依据本发明内容主旨进行的其他修改和变型也受本专利保护。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定，而非由实施例的具体描述所界定。