一种单发多收太赫兹孔径编码成像装置及方法与流程

本发明涉及高分辨雷达凝视成像技术领域，尤其涉及的是一种单发多收太赫兹孔径编码成像装置及方法。

背景技术：

随着社会的发展，雷达高分辨率成像在确保国家战略安全和促进国民经济发展方面扮演着越来越重要的角色。现有雷达成像系统主要包括微波雷达成像系统和光学雷达成像系统两大类。其中，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，对烟、尘、雾和障碍物等穿透能力差，易受环境因素影响。而微波雷达传感器可主动探测，穿透能力强，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，无法实现前视高帧频、高分辨成像[1]。其中合成孔径雷达(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，无法前视成像，而实孔径阵列雷达与相控阵雷达由于需要使用的阵元数量多，结构复杂，建设与维护成本高昂。

微波关联成像技术能够实现前视、凝视条件下的高分辨成像。其通过构造时间不相关、空间相互正交的阵列信号作为发射信号，通过计算推演得到目标所在区域的探测信号，并通过探测信号与目标回波信号之间的关联处理获得目标信息。但是该方法需要在发射端构造较大规模的天线阵列，且难以实现有效实时的波束指向调控。

孔径编码成像技术借鉴微波关联成像原理，采用可编程超构材料代替大规模的成像阵列天线，能够实现波束电控调制，可有效提高成像速度并降低系统规模和成本。在单发单收天线体制下，目标高分辨成像对采样和编码次数要求提高，从而降低了成像速度。另外，目前的孔径编码成像体制都需要在发射端随机编码，抑制了发射波束的形成能力，缩短了可成像目标距离。

技术实现要素：

本发明针对现有技术的上述缺陷，提供一种单发多收太赫兹孔径编码成像装置及方法，旨在扩大成像作用距离，进一步提高成像分辨率和成像速度，从而避免目前的雷达前视成像技术难以同时兼顾实时性、高分辨和成像距离的问题。

本发明所采用的技术方案如下：一种单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，包括步骤：

s100、单发多收阵列天线的发射单元发射太赫兹信号至透射式编码孔径；

s200、在系统控制主机的控制下，透射式编码孔径对太赫兹信号加载透镜相位调制因子，并将相位加载的太赫兹信号定向投射至目标空间对目标进行扫描；

s300、当目标表面散射回波信号时，透射式编码孔径在系统控制主机的控制下对回波信号加载孔径编码随机移相因子；

s400、单发多收阵列天线的接收单元对相位加载的回波信号进行采样，并返回系统控制主机进行成像处理得到目标成像。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述太赫兹信号为

其中，tn为太赫兹信号发射时刻，a为太赫兹信号幅度，fc为太赫兹信号的中心频率，为太赫兹信号的跳频频率。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述步骤s100还包括：

当太赫兹信号到达透射式编码孔径时，透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元的太赫兹信号为

其中，ttx,p为发射单元和透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元间的时延，p＝1，2，···，p。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述步骤s200具体为：

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，输入至透射式编码孔径上，对太赫兹信号加载透镜相位调制因子：

其中，为透镜相位调制因子，k＝2πfc/c，c为光速，yp为透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元中心点的纵坐标，y0为透射式编码孔径上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标，f为透镜的焦距。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述步骤s200中，当a大于b时，所述透镜的焦距满足

其中，a为单发多收阵列天线与透射式编码孔径的水平间距，b为透射式编码孔径与成像平面的水平间距，d为成像平面和聚焦平面的水平间距；

当a小于或等于b时，透镜的焦距为

f＝a(5)

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述步骤s200还包括：

当相位加载的太赫兹信号到达成像平面时，成像平面竖直方向上第k个网格的太赫兹信号为

其中，tp,k为透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元到成像平面第k个网格间的时延，k＝1，2，···，k。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述步骤s300具体为：

当目标表面散射回波信号时，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，输入至透射式编码孔径上，对回波信号加载孔径编码随机移相因子；所述孔径编码随机移相因子为

其中，pl为随机移相区间的上限，ph为随机移相区间的下限，random(·)表示对透射式编码孔径竖直方向上阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述s400步骤还包括：

所述相位加载的回波信号为

其中，βk为成像平面第k个网格的目标散射系数，tk,p为成像平面第k个网格到透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元间的时延，si(rk,tn-tk,p)|为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元的回波信号；

当相位加载的回波信号到接收单元时，单发多收阵列天线的第q个接收单元上的相位加载的回波信号为

其中，tp,q为透射式编码孔径竖直方向上第p个阵元到单发多收阵列天线的第q个接收单元间的时延，q＝1,2，···，q。

所述的单发多收太赫兹孔径编码成像方法，其中，所述s400步骤还包括：

总的成像方程为

sr＝sβ+w(10)

其中，w为噪声矢量，β为目标散射系数矢量，sr为接收回波信号矢量，s为参考信号矢量，

其中，sr^q为对回波信号进行t0，t1，···，tn个时间点采样，第q个接收单元处的接收回波信号，sr^q表述为

sr^q＝[sr^q(t0),sr^q(t1),...,sr^q(tn-1)]^t(12)

其中，[·]^t表示转置；

s^q为参考信号矩阵，s^q表述为

一种单发多收太赫兹孔径编码成像装置，其中，包括：

系统控制主机、单发多收阵列天线和透射式编码孔径；

所述单发多收太赫兹孔径编码成像装置采用上述任一项所述的一种单发多收太赫兹孔径编码成像方法进行成像。

本发明能够实现雷达成像装置的高分辨、高帧频、实时性和小型化；相比于目前的孔径编码成像系统，本发明能够有效提高成像距离和成像速度。另外，由于对近、中距离目标可实现前视快速高分辨成像，更适宜应用于安检与反恐、目标探测与识别等雷达成像领域。

附图说明

图1是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像装置的近距离成像示意图。

图2是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像装置的中距离成像示意图。

图3是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像方法较佳实施例的流程图。

图4是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像方法较佳实施例的功能原理框图。

图5是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像方法与单发单收太赫兹孔径编码成像方法近距离目标成像结果对比图。

图6是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像方法与单发单收太赫兹孔径编码成像方法中距离目标成像结果对比图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1，图1是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像装置的近距离成像示意图。如图1所示，本发明实施例所述单发多收太赫兹孔径编码成像装置，包括：系统控制主机10、单发多收阵列天线20和透射式编码孔径30；所述系统控制主机10分别与所述单发多收阵列天线20和所述透射式编码孔径30连接。所述单发多收阵列天线20，包括一个发射单元40和q个接收单元50，其竖直方向上的高度为g。所述透射式编码孔径30竖直方向上包含p个阵元，其竖直方向上的高度为h，一般设定所述编码孔径竖直方向上的高度h大于单发多收阵列天线20竖直方向上的高度g。所述单发多收阵列天线20与所述透射式编码孔径30的水平间距为a，所述透射式编码孔径30与所述目标的水平间距为b，即所述透射式编码孔径30与所述成像平面的水平间距为b。所述本发明单发多收太赫兹孔径编码成像装置最大可探测目标高度为为l，l与p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，其具体取值由透射式编码天线的加工工艺决定，以基于超材料的透射式阵列天线为例，阵元节距可达数百微米。a的取值由透射式编码孔径30的尺寸和单发多收阵列天线20发射单元40的波束宽度决定，以发射波束能完全覆盖编码孔径最佳。b代表本发明所述装置的探测距离，本装置中单发多收阵列天线20和编码孔径的中心点在同一轴线z轴上。z轴与发射波束的角平分线平行，且垂直于透射式编码孔径30。成像平面波束扫描区域的位置与大小和编码孔径加载的透镜相位调制因子有关，其中成像平面根据分辨率可划分成k个网格单元，默认网格中心的位置及散射强度代表整个网格单元的散射信息。针对近距离目标，如图1所示，成像波束汇聚在目标平面尺寸为s的扫描区域内；而针对中距离目标，如图2所示，通过编码孔径后的太赫兹波为平行波束，在目标平面上扫描的区域尺寸和编码孔径尺寸h相同。

采用一个发射单元可以通过编码孔径对太赫兹波束进行空间调制，一方面可以进行波束指向控制，另外一方面可以对接收回波进行随机调制，孔径编码成像的原理是信号时间空间随机起伏性越强，成像分辨率越高。这里采用的是透射式编码孔径30，也可以采用反射式编码孔径，但是透射式比反射式系统体积更小，更便携，更容易控制。

请参见图3-图4，图3是本发明单发多收太赫兹孔径编码成像方法较佳实施例的流程图。如图3所示，本发明实施例所述单发多收太赫兹孔径编码成像方法，包括以下步骤：

步骤s100、单发多收阵列天线20的发射单元40发射太赫兹信号至透射式编码孔径30；

具体地，所述太赫兹信号为

其中，tn为太赫兹信号发射时刻，a为太赫兹信号幅度，fc为太赫兹信号的中心频率，为太赫兹信号的跳频频率。太赫兹信号相比于微波毫米波，波长短，成像分辨率高；相比于光波，穿透性强，可穿透衣物等进行人体安检成像。

当太赫兹信号到达透射式编码孔径30时，透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元的太赫兹信号为

其中，ttx,p为发射单元40和透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元间的时延；p＝1，2，···，p。在本发明的另一较佳实施例，不将发射单元40和透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元间的时延纳入到透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元的太赫兹信号的计算，这样可减少计算的难度。

步骤s200，透射式编码孔径30在系统控制主机10的控制下对太赫兹信号加载透镜相位调制因子，并将相位加载的太赫兹信号定向投射至目标空间对目标进行扫描。

透射式编码孔径30在发射链路中仅加载透镜相位调制因子，有效控制太赫兹波束指向；对于近距离成像目标，使得太赫兹波聚束于有效成像区域内；对中距离成像目标，太赫兹波平行照射在目标成像区域内。

具体地，系统控制主机10根据下式中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径30上，对太赫兹信号加载透镜相位调制因子，并将相位加载的太赫兹信号定向投射至目标空间对目标进行扫描；

其中，为透镜相位调制因子，k＝2πfc/c，fc为太赫兹信号的中心频率，c为光速，yp为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元中心点的纵坐标，p＝1，2，···，p，y0为透射式编码孔径30上透镜相位调制因子的相位中心位置处的纵坐标，f为透镜的焦距。

进一步地，当a大于b时，即当近距离成像时，所述透镜的焦距满足

且其单次扫描成像区域的大小可由下式给出：

其中，a为单发多收阵列天线20与透射式编码孔径30的水平间距，b为透射式编码孔径30与成像平面的水平间距，d为成像平面和聚焦平面的水平间距；

当a小于或等于b时，即中距离成像时，透镜的焦距为

f＝a。

因为经编码孔径入射到目标区域的波束为平行波，所以其单次扫描成像区域大小与孔径编码天线尺寸相同，即s＝h。

更进一步地，成像装置最大可探测目标高度为l，近距离成像和中距离成像的最大可探测高度相同，均可由下式表达：

当相位加载的太赫兹信号到达成像平面时，成像平面竖直方向上第k个网格的太赫兹信号为

其中，tp,k为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元到成像平面第k个网格间的时延，k＝1，2，···，k。在本发明的另一较佳实施例，不将透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元到成像平面第k个网格间的时延纳入到成像平面竖直方向上第k个网格的太赫兹信号的计算，可减少计算的难度。

步骤s300，当目标表面散射回波信号时，透射式编码孔径30在系统控制主机10的控制下对回波信号加载孔径编码随机移相因子。

利用透射式编码孔径在接收链路中加载孔径编码随机移相因子，在接收端而不是发射端对太赫兹回波进行随机编码处理，可使入射波能量不会弥散，从而有效提高孔径编码成像距离；

具体地，当目标表面散射回波信号时，系统控制主机10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，输入至透射式编码孔径30上，对回波信号加载孔径编码随机移相因子。

其中，pl为随机移相区间的上限，ph为随机移相区间的下限，random(·)表示对透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元施加位于移相区间内的均匀分布随机相位。

步骤s400、单发多收阵列天线20的接收单元50对相位加载的回波信号进行采样，并返回系统控制主机10进行成像处理得到目标成像。

具体地，所述相位加载的回波信号为

其中，βk为成像平面第k个网格的目标散射系数，tk,p为成像平面第k个网格到透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元间的时延，si(rk,tn-tk,p)|为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元的回波信号。

当相位加载的回波信号到接收单元50时，单发多收阵列天线20的第q个接收单元50上的相位加载的回波信号为

其中，tp,q为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元到单发多收阵列天线20的第q个接收单元50间的时延，q＝1，2，···，q，为参考信号矩阵对应第q个接收单元50，第k个网格单元，tn时刻的阵元元素。接收单元50可为10-100个。

通过对回波信号进行n次时间采样，第q个接收单元50处的接收回波信号可表述为：

sr^q＝[sr^q(t0),sr^q(t1),...,sr^q(tn-1)]^t

其中，[·]^t表示转置；采样方式为在t0，t1，···，tn个时间点离散采样。

相应的参考信号矩阵可表示为下式：

参考信号行方向对应n次时间采样，列方向对应成像区域k个网格单元。

单发多收阵列天线20共包含q个接收单元50，将所有接收单元50回波信号及其对应的参考信号矩阵叠加，得到新的回波向量和参考信号矩阵，其表达式如下：

最终，可得到总的成像方程

sr＝sβ+w

其中，w为噪声矢量，为实际成像过程中不可避免的热噪声，β为目标散射系数矢量，sr为接收回波信号矢量，s为参考信号矢量。具体地，β＝[β¹β²‥β^k‥β^k]^t，本发明成像方法通过对成像方程的求解，可完成单发多收体制下的太赫兹孔径编码成像。

由于结合使用单发多收阵列天线20和透射式孔径编码天线，在保证成像效果的同时大幅度降低采样时间，提高了成像速度，进一步提高了目标成像的实时性。由于采用对太赫兹波束接收端随机编码，发射端控制指向的方式，提高了成像作用距离和信噪比。

一种基于上述任一项所述单发多收太赫兹孔径编码成像方法的单发多收太赫兹孔径编码成像装置，包括系统控制主机10、单发多收阵列天线20和透射式编码孔径30。

请参见图3，系统控制主机通过控制主线对发射链路和接受链路进行控制；

所述发射链路，包括单发多收阵列天线的1个发射单元和透射式编码孔径30，发射单元发射太赫兹信号至透射式编码孔径并经过处理，将处理后的信号投射目标空间进行目标扫描；

所述接收链路，包括阵列天线多个接收单元和透射式编码孔径，系统控制主机通过透射式编码孔径完成扫描目标的散射信号的相位加载，并将加载后的信号发送至阵列天线接收单元；

最后，系统控制主机对接收信号进行采集并成像。

所述单发多收太赫兹孔径编码成像装置采用上述任一项所述单发多收太赫兹孔径编码成像方法进行成像，具体如上所述。

请参见图1-图6，针对基于单发多收太赫兹孔径编码成像装置，本发明方法和现有单发单收体制下的孔径编码成像方法，通过仿真的方式进行对比，验证本发明所述装置的优越性。确定透射式编码孔径30竖直方向上的高度l＝0.50m，水平方向上的宽度也为0.5m，竖直方向上包含25行阵元，水平方向上包含25列阵元，共有625个阵元。单发多收阵列天线20的尺寸和透射式编码孔径30的尺寸相同，仅在发射单元40竖直方向上、下各设置了5个接收单元50，共10个接收单元50。单发多收阵列天线20和透射式编码孔径30的水平间距a＝0.25m。

在发射链路中，系统控制主机10根据透镜相位调制因子生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径30上完成相位加载。太赫兹波的中心频率fc＝300.00ghz，光速c＝3×10⁸m/s。xp、yp为透射式编码孔径30竖直方向上第p个阵元中心点的横、纵坐标。x0、y0为透射式编码孔径30透镜相位调制因子的相位中心位置处的横、纵坐标。

针对近距离成像目标，设定透射式编码孔径30和成像平面的距离b为1m，成像区域大小为0.1m×0.1m，从而根据关系式可求得此时编码孔径加载的透镜焦距f＝0.2041m，成像平面和聚焦平面的距离d＝0.1111m。

针对中距离成像目标，编码孔径加载的透镜焦距为f＝0.25m。

在接收链路中，系统控制主机10根据孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图，输入至透射式编码孔径30上完成相位加载，其中p＝1，2，…，625。

请参见图5，对于近距离成像目标，成像区域大小为0.05m×0.05m(长×宽，如图5a所示)，网格单元尺寸为0.001m，网格数目为2500。以手枪点散射模型为例，普通单发单收体制，需时间采样1250次，本发明成像体制仅需时间采样125次(如图5b所示)。下面对比本发明和单发单收体制采样1250次(如图5c所示)、125次(如图5d所示)的成像结果。可见本发明单发多收体制下采样125次即可重构出目标，而单发单收体制下采样1250次才能够重构出目标。且单发多收采样125次、单发单收采样1250次和单发单收采样125次情况下的成像结果归一化均方误差分别为：0.0328、0.2675和0.8584，证明了该装置针对近距离成像目标的优势。

对于中距离成像目标，成像区域大小为0.5m×0.5m(长×宽，如图6a所示)，网格单元尺寸为0.01m，网格数目为2500。以飞机点散射模型为例，普通单发单收体制，时间采样1250次。下面对比本发明成像体制采样125次(如图6b所示)和单发单收体制采样1250次(如图6c所示)、125次(如图6d所示)的成像结果。可见本发明单发多收体制下采样125次即可重构出目标，单发单收体制在同样采样次数下无法重构出目标，在提高10倍采样次数条件下单发单收才能够重构出目标。且单发多收采样125次、单发单收采样1250次和单发单收采样125次情况下的成像结果归一化均方误差分别为：0.0198、0.0374和0.8448。同样，上述结果证明了该装置针对中距离成像目标的优势。

综上所述，本发明一种单发多收太赫兹孔径编码成像装置及方法，所述方法通过单发多收阵列天线的发射单元发射太赫兹信号至透射式编码孔径；透射式编码孔径在系统控制主机的控制下对太赫兹信号加载透镜相位调制因子，并将相位加载的太赫兹信号定向投射至目标空间对目标进行扫描；当目标表面散射回波信号时，透射式编码孔径在系统控制主机的控制下对回波信号加载孔径编码随机移相因子；单发多收阵列天线的接收单元对相位加载的回波信号进行采样，并返回系统控制主机进行成像处理得到目标成像。扩大了成像作用距离，进一步提高了成像分辨率和成像速度，从而避免目前的雷达前视成像技术难以同时兼顾实时性、高分辨和成像距离的问题。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。