一种两频点太赫兹全息成像方法及系统与流程

本发明属于探测成像技术领域，尤其涉及一种两频点太赫兹全息成像方法及系统。

背景技术：

太赫兹全息成像可分为点频和宽带两种模式，其中点频只能实现二维全息成像，宽频模式可以实现三维全息成像，并获得比单频成像更高的分辨率，该成像技术不受fresnel近似条件约束。然而，这两种系统必须预先获知成像目标与扫描孔径之间准确的距离，对运动目标或者远距离目标探测是致命的。zhaoyangsun，chaoli等人在“fastthree-dimensionalimagereconstructionoftargetsundertheilluminationofterahertzgaussianbeamswithenhancedphase-shiftmigrationtoimprovecomputationefficiency”(ieeetransactionsonterahertzscienceandtechnology)，提出了单一频点太赫兹3d增强成像方法，能够显著提升太赫兹成像质量。刘艺青在“一种近距离太赫兹三维全息成像方法及系统”(专利申请号：cn201110038253.4)发射连续波太赫兹信号；在以时间、圆周角及z轴方向形成三维域中测得回波信号；对最大化的回波信号进行傅里叶变换，再利用相位固定法，实现回波信号的时域向频域的转换；对频域回波信号利用圆柱形傅里叶变换及双线性插值运算进行运动补偿，得到直角坐标系下重构的目标散射强度信号，根据重构的目标散射强度信号进行三维全息成像。吴卫东等“在一种量子级联激光器太赫兹源数字全息成像系统”利用量子级联激光器太赫兹源、光束整形模块、全息光路模块、图像探测与采集模块组成成像系统。以上这些都是对静止物体进行三维全息成像，对运动目标来说，由于目标相对距离的变化，成像将会模糊，全息将难以实现。因而，在全息成像中目标物体距离的探测就成为了一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种两频点太赫兹全息成像方法及系统，解决了太赫兹波段运动目标难以得到物体准确距离信息的问题，达到的运动目标可以进行三维立体成像，很好的展现了成像的景深效果。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：根据一个方面，本发明提供了一种两频点太赫兹全息成像方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：构建两频点太赫兹全息成像系统，其中，两频点太赫兹全息成像系统包括第一信号源、第二信号源、第一倍频器、第二倍频器、开关、本振信号源、第一混频器、第二混频器、第一滤波器、第二滤波器、第三混频器、第四混频器、移相器、第三滤波器、第四滤波器、第一放大器、第二放大器、发射天线和接收天线；

步骤二：第一信号源产生的信号经过第一倍频器和第一放大器后转换为频率为frf1的第一发射信号，第一发射信号分为两路，第一发射信号一路传输至发射天线后照射目标，经目标反射后得到第一反射信号进入接收天线，第一反射信号与本振信号源产生的本征信号在第一混频器混频后经过第一滤波器形成第一接收中频信号，第一接收中频信号分成两路；第一发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后经过第二滤波器形成第一参考中频信号，第一参考中频信号分为两路；第一参考中频信号一路与第一接收中频信号一路在第三混频器混频后经过第三滤波器得到第一输出信号；第一参考中频信号另一路经过移相器与第一接收中频信号另一路在第四混频器混频后经过第四滤波器得到第二输出信号；根据第一输出信号和第二输出信号得到第一幅度和第一相位，然后将第一幅度和第一相位传输至图像信息处理单元；

步骤三：第二信号源产生的信号经过第二倍频器和第二放大器后转换为频率为frf2的第二发射信号，第二发射信号分为两路，第二发射信号一路传输至发射天线后照射目标，经目标反射后得到第二反射信号进入接收天线，第二反射信号与本振信号源产生的本征信号在第一混频器混频后经过第一滤波器形成第二接收中频信号，第二接收中频信号分成两路；第二发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后经过第二滤波器形成第二参考中频信号，第二参考中频信号分为两路；第二参考中频信号一路与第二接收中频信号一路在第三混频器混频后经过第三滤波器得到第三输出信号；第二参考中频信号另一路经过移相器与第二接收中频信号另一路在第四混频器混频后经过第四滤波器得到第四输出信号；根据第三输出信号和第四输出信号得到第二幅度和第二相位，然后将第二幅度和第二相位传输至图像信息处理单元；其中，频率frf1与频率frf2满足关系c表示光速。

步骤四：图像处理单元对步骤二中的第一幅度和第一相位和步骤三中的第二幅度和第二相位进行处理得到太赫兹成像全息图。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤二中，第一发射信号为正弦信号，第一发射信号的公式为：srf1(t)＝cos(ωrf1t+θ1)，其中，ωrf1＝2πfrf1，ωrf1为第一发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf1(t)为第一发射信号。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤二中，本征信号为如下公式:slo(t)＝cos(ωlot+θ2),其中，ωlo为本征信号的角频率，θ2为本征信号的相位，t为时间，slo(t)为本征信号。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤二中，第一反射信号为如下公式:srf1(t-δt)＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1)，其中，ωrf1为第一发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf1(t-δt)为第一发射信号，δt为时延。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤二中，第一发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后的信号sif为:sif＝srf1(t-δt)·slo＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1)cos(ωlot+θ2)。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第一接收中频信号sift的公式如下:sift＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1-(ωlot+θ2))。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第一参考中频信号sifr的公式如下:sifr＝cos(ωrf1(t)+θ1-(ωlot+θ2))。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第一输出信号为si＝cos(ωrf1δt)；第二输出信号为si＝sin(ωrf1δt)。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤三中，第二发射信号为正弦信号，第一发射信号的公式为：srf2(t)＝cos(ωrf2t+θ1)，其中，ωrf2＝2πfrf2，ωrf2为第二发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf2(t)为第一发射信号。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤三中，第二反射信号为如下公式:srf2(t-δt)＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1)，其中，ωrf2为第二发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf2(t-δt)为第二发射信号，δt为时延。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，在步骤三中，第二发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后的信号sif'为:sif'＝srf2(t-δt)·slo＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1)cos(ωlot+θ2)。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第二接收中频信号sift'的公式如下:sift'＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1-(ωlot+θ2))。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第二参考中频信号sifr'的公式如下:sifr'＝cos(ωrf2(t)+θ1-(ωlot+θ2))。

上述两频点太赫兹全息成像方法中，第三输出信号为si'＝cos(ωrf2δt)；第四输出信号为si'＝sin(ωrf2δt)。

根据另一个方面，本发明还提供了一种两频点太赫兹全息成像系统，其特征在于包括：第一信号源、第二信号源、第一倍频器、第二倍频器、开关、本振信号源、第一混频器、第二混频器、第一滤波器、第二滤波器、第三混频器、第四混频器、移相器、第三滤波器、第四滤波器、第一放大器、第二放大器、发射天线和接收天线；其中，

第一信号源产生的信号经过第一倍频器和第一放大器后转换为频率为frf1的第一发射信号，第一发射信号分为两路，第一发射信号一路传输至发射天线后照射目标，经目标反射后得到第一反射信号进入接收天线，第一反射信号与本振信号源产生的本征信号在第一混频器混频后经过第一滤波器形成第一接收中频信号，第一接收中频信号分成两路；第一发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后经过第二滤波器形成第一参考中频信号，第一参考中频信号分为两路；第一参考中频信号一路与第一接收中频信号一路在第三混频器混频后经过第三滤波器得到第一输出信号；第一参考中频信号另一路经过移相器与第一接收中频信号另一路在第四混频器混频后经过第四滤波器得到第二输出信号；根据第一输出信号和第二输出信号得到第一幅度和第一相位，然后将第一幅度和第一相位传输至图像信息处理单元；

第二信号源产生的信号经过第二倍频器和第二放大器后转换为频率为frf2的第二发射信号，第二发射信号分为两路，第二发射信号一路传输至发射天线后照射目标，经目标反射后得到第二反射信号进入接收天线，第二反射信号与本振信号源产生的本征信号在第一混频器混频后经过第一滤波器形成第二接收中频信号，第二接收中频信号分成两路；第二发射信号另一路与本振信号源产生的本征信号在第二混频器混频后经过第二滤波器形成第二参考中频信号，第二参考中频信号分为两路；第二参考中频信号一路与第二接收中频信号一路在第三混频器混频后经过第三滤波器得到第三输出信号；第二参考中频信号另一路经过移相器与第二接收中频信号另一路在第四混频器混频后经过第四滤波器得到第四输出信号；根据第三输出信号和第四输出信号得到第二幅度和第二相位，然后将第二幅度和第二相位传输至图像信息处理单元；其中，频率frf1与频率frf2满足关系c表示光速。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明不用事先预先获知成像目标与t/r天线口径之间关系就可以对目标进行全息成像。

(2)本发明可以得到运动物体距离信息，得到更为清晰的三维图像。

(3)本发明利用太赫兹干涉思想，调整干涉频率，可以进行更为精确的探测。

附图说明

图1是本发明的两频点太赫兹全息成像系统的框图；

图2是本发明的电路仿真图；

图3(a)是本发明的对比图像；

图3(b)是本发明的全息处理的图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明：

图1是本发明的两频点太赫兹全息成像系统的框图。结合图1，本发明提供了一种两频点太赫兹全息成像方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：构建两频点太赫兹全息成像系统，其中，两频点太赫兹全息成像系统包括第一信号源1、第二信号源2、第一倍频器3、第二倍频器4、开关5、本振信号源6、第一混频器7、第二混频器8、第一滤波器9、第二滤波器10、第三混频器11、第四混频器12、移相器13、第三滤波器14、第四滤波器15、第一放大器16、第二放大器17、发射天线18和接收天线19；

步骤二：第一信号源1产生的信号经过第一倍频器3和第一放大器16后转换为频率为frf1的第一发射信号，第一发射信号分为两路，第一发射信号一路传输至发射天线18后照射目标，经目标反射后得到第一反射信号进入接收天线19，第一反射信号与本振信号源6产生的本征信号在第一混频器7混频后经过第一滤波器9形成第一接收中频信号，第一接收中频信号分成两路；第一发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后经过第二滤波器10形成第一参考中频信号，第一参考中频信号分为两路；第一参考中频信号一路与第一接收中频信号一路在第三混频器11混频后经过第三滤波器14得到第一输出信号；第一参考中频信号另一路经过移相器13与第一接收中频信号另一路在第四混频器12混频后经过第四滤波器15得到第二输出信号；根据第一输出信号和第二输出信号得到第一幅度和第一相位，然后将第一幅度和第一相位传输至图像信息处理单元；

步骤三：第二信号源2产生的信号经过第二倍频器4和第二放大器17后转换为频率为frf2的第二发射信号，第二发射信号分为两路，第二发射信号一路传输至发射天线18后照射目标，经目标反射后得到第二反射信号进入接收天线19，第二反射信号与本振信号源6产生的本征信号在第一混频器7混频后经过第一滤波器9形成第二接收中频信号，第二接收中频信号分成两路；第二发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后经过第二滤波器10形成第二参考中频信号，第二参考中频信号分为两路；第二参考中频信号一路与第二接收中频信号一路在第三混频器11混频后经过第三滤波器14得到第三输出信号；第二参考中频信号另一路经过移相器13与第二接收中频信号另一路在第四混频器12混频后经过第四滤波器15得到第四输出信号；根据第三输出信号和第四输出信号得到第二幅度和第二相位，然后将第二幅度和第二相位传输至图像信息处理单元；其中，频率frf1与频率frf2满足关系其中，c为光速。

步骤四：图像处理单元对步骤二中的第一幅度和第一相位和步骤三中的第二幅度和第二相位进行处理得到太赫兹成像全息图。具体的，图像处理单元对步骤二中的第一幅度和第一相位和步骤三中的第二幅度和第二相位进行处理得到太赫兹成像全息图。具体包括：由于实际成像目标物体是一个三维的物体，每个物点与成像面的实际距离是一个变化值，而其最大变化量正好是物体可测的最大纵深，传统成像方法必须事先知道成像目标与天线之间的准确关系。对于运动目标来说，成像目标与天线之间的距离是不断变化的，而本发明可以利用两个信号之间的相位差，来得出成像目标与天线之间的距离，根据成像面的实际距离之间的变化，来得到物体的带有“景深”的全息图像。

具体的，在步骤二中，第一发射信号为正弦信号，第一发射信号的公式为：

srf1(t)＝cos(ωrf1t+θ1)，

其中，ωrf1＝2πfrf1，ωrf1为第一发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf1(t)为第一发射信号。

本征信号为:slo(t)＝cos(ωlot+θ2)，其中，ωlo为本征信号的角频率，θ2为本征信号的相位，t为时间，slo(t)为本征信号。

第一反射信号为:srf1(t-δt)＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1)，其中，ωrf1为第一发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf1(t-δt)为第一发射信号，δt为时延。

第一发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后的信号sif为:sif＝srf1(t-δt)·slo＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1)cos(ωlot+θ2)。

第一接收中频信号sift为:sift＝cos(ωrf1(t-δt)+θ1-(ωlot+θ2))。

第一参考中频信号sifr为:sifr＝cos(ωrf1(t)+θ1-(ωlot+θ2))。

第一输出信号为si＝cos(ωrf1δt)；第二输出信号为si＝sin(ωrf1δt)。

具体的，在步骤三中，第二发射信号为正弦信号，第一发射信号的公式为：srf2(t)＝cos(ωrf2t+θ1)，其中，ωrf2＝2πfrf2，ωrf2为第二发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf2(t)为第一发射信号。

第二反射信号为:srf2(t-δt)＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1)，其中，ωrf2为第二发射信号的角频率，θ1为初始相位，t为时间，srf2(t-δt)为第二发射信号，δt为时延。

第二发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后的信号sif'为:sif'＝srf2(t-δt)·slo＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1)cos(ωlot+θ2)。

第二接收中频信号sift'为:sift'＝cos(ωrf2(t-δt)+θ1-(ωlot+θ2))。

第二参考中频信号sifr'为:sifr'＝cos(ωrf2(t)+θ1-(ωlot+θ2))。

第三输出信号为si'＝cos(ωrf2δt)；第四输出信号为si'＝sin(ωrf2δt)。

由第一输出信号si＝cos(ωrf1δt)得出频点frf1的相位延迟为由第三输出信号为si'＝cos(ωrf2δt)得出频点frf2的相位延迟为相位延迟还可以表示为2πfrf1δt＝θ1+2πn1，相位延迟还可以表示为2πfrf2δt＝θ2+2πn2，其中，n1为整数，n2为整数。

在两个频点的选择上，都处于太赫兹频段，并且不能相差太远。例如一个频点为400ghz，一个为403ghz，两个频点的波长差小于0.1毫米，因此从目标发射回来的电磁波对应的整周期数要么相同要么差1，如果frf1<frf2和θ1<θ2,则有n1＝n2＝n或n1＝n＝n2+1，由n1＝n2＝n得到由n1＝n＝n2+1得到

由2πfrf1δt＝θ1+2πn1和2πfrf2δt＝θ2+2πn2得到时延δt，由时延δt得到最大无模糊探测距离为：r＝c·δt/2，其中，c为光速。

为了验证设计中的方案，进行建模仿真，具体模型如图2所示。我们所构建的模型中为了验证本方法的正确性，设计了在一定信噪比情况下，进行相位精度测试。因为太赫兹频点的两个频率点相近，我们采用一个频率进行验证。首先倍频产生的射频信号经过高斯白噪声信道，而后经过延时器，进而与本地参考信号混频滤波后形成中频信号，随后，进一步与参考中频信号的1支路和q支路进行混频滤波，最后获得相位延迟信息，并由示波器显示，并将输出相应的数据进行处理，获得统计不同信噪比下相位均值和方差。

为不失一般性，假定反射信号进入接收机相对从天线口径发射时产生的时延为λ/8，对应相位为45°，设置不同的信噪比，采用图2给出模型，仿真出来的相位均值和方差见表l。从表l中不难看出，随着信噪比的改善，被测延迟相位与设定的相位延迟越接近，同时方差也更小。作为全息成像雷达，如果用于近距离探测，性噪比要求达到10db，相位探测精度完全由于可以优于λ/10。如果用于目标探测，其作用距离可能较大，同时传统信道会变得复杂，信噪比也变得不可预测，在这种条件下一般信噪比必须大于-5db，相应的关注不是细节，而是整体，系统依然可以完成成像探测。

表1不同信噪比下相位均值和方差

根据基尔霍夫衍射理论和角谱理论，设定目标表面对某一频率信号的反射系数为u(x，y，0)，传播一段距离z到成像面后为u(x，y，z)，它们对应的傅里叶变换分别为a(fx,fy,0)和a(fx,fy,z)，而这两个角谱存在如下关系：

由此可见，如果已有成像面上的空域数据u(x,y,z)和传播距离z，对应进行傅里叶变换即可获得角谱a(fx,fy,z)，根据上式，可以计算出物面角谱a(x,y,0)，然后进行反傅里叶变换即可获得物面反射系数。

u(x,y,0)可用下列公式描述：

由于实际成像目标物体是一个三维的物体，每个物点与成像面的实际距离z是一个变化值，而其最大变化量正好是物体可测的最大纵深，因此z值可用取最大值，最小值或者均值，对应到成像后的图像是“景深”会有一个变化，这三个取值对成像质量不会产生明显差异。

由于实际采集的目标数据均是离散数据，实际上采用二维或者三维的快速傅里叶变换算法处理。为了更好说明全息成像算法的有效性，我们采用图像像素大小为512×512，全息成像算法处理前后的图像如图3(a)和图3(b)所示。以400ghz附近频点为例，成像距离100米。可以发现，经过全息成像处理之后，“景深”明显加强，图像更加清晰。

本发明还提供了一种两频点太赫兹全息成像系统，如图1所示，该两频点太赫兹全息成像系统包括第一信号源1、第二信号源2、第一倍频器3、第二倍频器4、开关5、本振信号源6、第一混频器7、第二混频器8、第一滤波器9、第二滤波器10、第三混频器11、第四混频器12、移相器13、第三滤波器14、第四滤波器15、第一放大器16、第二放大器17、发射天线18和接收天线19；其中，

第一信号源1产生的信号经过第一倍频器3和第一放大器16后转换为频率为frf1的第一发射信号，第一发射信号分为两路，第一发射信号一路传输至发射天线18后照射目标，经目标反射后得到第一反射信号进入接收天线19，第一反射信号与本振信号源6产生的本征信号在第一混频器7混频后经过第一滤波器9形成第一接收中频信号，第一接收中频信号分成两路；第一发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后经过第二滤波器10形成第一参考中频信号，第一参考中频信号分为两路；第一参考中频信号一路与第一接收中频信号一路在第三混频器11混频后经过第三滤波器14得到第一输出信号；第一参考中频信号另一路经过移相器13与第一接收中频信号另一路在第四混频器12混频后经过第四滤波器15得到第二输出信号；根据第一输出信号和第二输出信号得到第一幅度和第一相位，然后将第一幅度和第一相位传输至图像信息处理单元；

第二信号源2产生的信号经过第二倍频器4和第二放大器17后转换为频率为frf2的第二发射信号，第二发射信号分为两路，第二发射信号一路传输至发射天线18后照射目标，经目标反射后得到第二反射信号进入接收天线19，第二反射信号与本振信号源6产生的本征信号在第一混频器7混频后经过第一滤波器9形成第二接收中频信号，第二接收中频信号分成两路；第二发射信号另一路与本振信号源6产生的本征信号在第二混频器8混频后经过第二滤波器10形成第二参考中频信号，第二参考中频信号分为两路；第二参考中频信号一路与第二接收中频信号一路在第三混频器11混频后经过第三滤波器14得到第三输出信号；第二参考中频信号另一路经过移相器13与第二接收中频信号另一路在第四混频器12混频后经过第四滤波器15得到第四输出信号；根据第三输出信号和第四输出信号得到第二幅度和第二相位，然后将第二幅度和第二相位传输至图像信息处理单元。

以上所述的实施例只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。