室内实测数据太赫兹合成孔径雷达成像研究

电子测量技术　第３９卷第１Ｏ期　ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ　２０１６年１Ｏ月　室内实测数据太赫兹合成孔径雷达成像研究　江兆凤　，。　张群英　李　超　吴世有　方广有　（１．中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点实验室　北京　１００１９０；２．中国科学院大学　北京　１０００８０）　摘要：合成孔径雷达实现高分辨率成像要求平台作理想匀速直线运动，相对传统微波ＳＡＲ而言，太赫兹波的波长　更短，ＳＡＲ平台高频微小振动对常规微波频段ＳＡＲ影响几乎可以忽略，对太赫兹合成孔径雷达（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ，ＴＨｚ—ＳＡＲ）的影响必须精细处理，研究适用于ＴＨｚ—ＳＡＲ的成像补偿算法是必要的。本文建立ＴＨｚ－　ＳＡＲ非理想情况下的回波模型，分别从时域和频域详细分析运动误差对回波的影响。提出了一种基于回波数据的　ＴＨｚ—ＳＡＲ成像运动补偿算法，采用中心频率０．３　ＴＨｚ的ＳＡＲ系统进行实验，使用ＲＤ算法对目标进行二维高分辨成　像，得到３个角反射器的二维ＳＡＲ图像。实验结果验证了系统的可行性和所给处理算法的有效性，为外场车载或机　载的ＴＨｚ－ＳＡＲ成像奠定了基础。　关键词：太赫兹波；运动误差；运动补偿算法；合成孔径雷达成像　中图分类号：ＴＮ０１５　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５１０．１０　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｉｎｄｏｏｒ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｄａｔａ　Ｊｉａｎｇ　Ｚｈａｏｆｅｎｇ　’。　Ｚｈａｎｇ　Ｑｕｎｙｉｎｇ　Ｌｉ　Ｃｈａｏ　Ｗｕ　Ｓｈｉｙｏｕ　Ｆａｎｇ　Ｇｕａｎｇｙｏｕ　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１９０，Ｃｈｉｎａ；２．Ｇｒａｄｕａｔｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００８０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ　ｔｏ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｉｓ　ａｎ　ｉｄｅａｌ　ｕｎｉｆｏｒｍ　ｌｉｎｅａｒ　ｍｏｔｉｏｎ．Ｒｅｌａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ＳＡＲ，ｂｅｃａｕｓｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｈｏｒｔ　ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　ｏｆ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｗａｖｅ，　ＳＡＲ　ｐｌａｔｆｏｒｍ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｍｉｃｒｏ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｍｐａｃｔ　ｏｎ　ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｂａｎｄ　ＳＡＲ　ｉｓ　ａｌｍｏｓｔ　ｎｅｇｌｉｇｉｂｌｅ　ｂｕｔ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ（ＴＨｚ—ＳＡＲ）ｍｕｓｔ　ｂｅ　ｆｉｎｅ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ．Ｉｔ　ｉｓ　ｎｅｃｅｓｓａｒｙ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ＴＨ　ＳＡＲ．Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ　ｅｃｈｏ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ＴＨｚ—ＳＡＲ　ｉｓ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｍｏｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｅｃｈｏ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｉｍｅ　ｄｏｍａｉｎ　ａｎｄ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ａ　ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　ＴＨｚ＿ＳＡＲ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｅｃｈｏ　ｄａｔａ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｔｈｅ　ＳＡＲ　ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｃｅｎｔｅｒ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　０．３　ＴＨｚ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｒｒｙ　ｏｕｔ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　２Ｄ　ｉｍａｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｒｎｅｒ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｖｅｒｉｆｙ　ｔｈｅ　ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｈｉｃｈ　ｌａｙｓ　ｔｈｅ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｏｒ　ａｉｒｂｏｒｎｅ　ＴＨｚ—ＳＡＲ　ｉｍａｇｉｎｇ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｗａｖｅ；ｍｏｔｉｏｎ　ｅｒｒｏｒ；ｍｏｔｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｌ　引　言　赫兹雷达易于实现大带宽和极窄天线波束，具有更高的角　跟踪精度和天线增益的特性，能够提高多目标识别的能力　太赫兹（Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ，ＴＨｚ）波是频率范围在０．１～　实现高分辨率成像，通过对地面运动目标的监视，能够应用　ｉ０　ＴＨｚ、波长０．０３～３．００　ｍｍ的电磁波，其频段介于微波　在视频合成孔径雷达中。相比激光雷达，ＴＨｚ波对非金属　与红外波之间。ＴＨｚ波在传播、散射、反射、吸收、穿透等　材质、烟雾、沙尘具有良好的穿透能力，可以在恶劣的战场　方面与微波和红外线有着显著不同的特点。ＴＨｚ波的波　环境下工作。太赫兹波具有类似ｘ射线的穿透能力，但其　长短，空间分辨率高，太赫兹波还有信噪比、稳定性、相干性　光子能量小，不会引起生物组织的光离化。ＴＨｚ电磁波的　等具有其他电磁波无法比拟的特点。与微波雷达相比，太　上述特点决定了ＴＨｚ技术在物体成像、反恐探测、安全检　收稿日期：２０１６－０２　・　６５　・　第３９卷　电　子测　量技术　查、环境监测和军用雷达等领域，具有重大的科学价值和广　阔的应用前景　］。　行详尽分析，从理论上分析了平动误差对距离压缩后回波　信号的影响。第３节对基于特显点的运动补偿成像算法进　行了详细阐述给出了包括运动补偿和方位向压缩在内的算　法流程的关键步骤的详细说明。第４节中，介绍了搭建的　ＴＨｚ－ＳＡＲ成像原理性系统，结合隔振平台和相位误差补偿　的成像方法得到了角反射器的二维图像。实测数据的成像　结果验证了方案的可行性和补偿算法的有效性。最后，第　５节给出了本文的结论。　合成孔径雷达（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ，ＳＡＲ）是利用　信号处理技术对地面景物进行成像的一种新体制雷达，是　现代雷达发展的前沿技术。合成孔径成像利用探测器的移　动合成一幅图像，图像的分辨率不再受到单个探测器光学　孔径的限制，达到利用相对较小的成像元件获得波长量级　成像分辨率的目的。ＳＡＲ技术使雷达具有了对目标进行　二维成像和识别的能力，从而为人们提供更多的有用信息。　与可见光和红外等光学成像不同，作为一种微波有源系统，　ＳＡＲ能够不受光照和气候条件的限制，实现全天时、全天　候地观测，应用前景十分广泛＿２］。　合成孔径雷达和太赫兹波的优点相结合，使得太赫兹　合成孔径雷达（ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ，ＴＨｚ—　ＳＡＲ）成像具有极高分辨力，而且具有全天时、全天候的特　点；较强的环境适应能力等优点；在动目标检测与识别方　面，微多普勒特征在ＴＨｚ频段比微波频段更明显，更利于　低速及微动目标检测与识别；无论在军事领域还是民事方　面有非常广阔的应用前景。近年来，随着ＴＨｚ源和探测　器Ｉ３　陛能的不断提高，ＴＨｚ雷达的研究已经成为国内外　的一个研究热点，国内外已经报道ＴＨｚ雷达系统，验证了　ＴＨｚ雷达的高分率成像能力　。　。美国国防高级研究计划　局（ＤＡＲＰＡ）正在利用ＴＨｚ—ＳＡＲ成像时间短的优势，开展　视频速率的视频合成孔径雷达（ｖｉｄｅｏ　ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　ａｐｅｒｔｕｒｅ　ｒａｄａｒ，ＶｉＳＡＲ）成像方面的研究论证工作。但就目前的太　赫兹成像技术仍存在许多亟待解决的问题，包括传感器的　结构和形式、太赫兹源和探测器、信号传输和处理算法上的　难题，ＴＨｚ－ＳＡＲ成像方面的研究国内鲜有公开报道。本文　在此背景下对ＴＨｚ—ＳＡＲ成像技术展开研究。　在ＳＡＲ的技术中，首要解决的问题是获取高质量图　像，ＳＡＲ图像质量优劣决定着其所反映目标信息可靠性和　准确性。需要基于高质量的ＳＡＲ图像，才能顺利展开对　ＳＡＲ技术的其它方面的研究工作，比如对运动目标的检　测、对目标进行识别等。ＳＡＲ成像中要求天线相位中心必　须是匀速直线飞行，偏离理想运动的运动误差制约着ＳＡＲ　高分辨率成像。载机实际受气流影响，偏离理想轨迹，产生　运动误差，损害ＳＡＲ方位向分辨率。并且分辨率越高，运　动误差对ＳＡＲ成像结果影响越大，对运动补偿精度的要求　越高，所以针对ＴＨｚ－ＳＡＲ成像，提高运动补偿精度是实现　高分辨率成像的关键。　针对高分辨ＴＨｚ－ＳＡＲ成像中运动误差的问题，本文　提出一种用于ＴＨｚ—ＳＡＲ运动补偿方法，即结合光学隔振　平台隔振技术和回波数据自聚焦补偿于一体的运动补偿方　法。该方法能够提高图像质量，为ＴＨｚ—ＳＡＲ系统的设计　和数据处理提供了理论基础和实施方案研究，适合用于　ＴＨｚ－ＳＡＲ成像中。　本文结构安排如下。第２节对ＴＨｚ—ＳＡＲ信号特性进　・　６６　・　２　ＴＩｔｚ－ＳＡＲ运动误差分析　２．１非理想情况下的几何模型　实际ＳＡＲ成像系统中，受气流和载机自身的影响，天　线相位中心存在沿航向和垂直航向的运动误差，一般ＳＡＲ　按“一步一停”工作方式处理，同样适用以光速传播的ＴＨｚ　波，忽略平台运动误差随快时间的变化，只考虑运动误差随　慢时间的变化。假设ＴＨｚ－ＳＡＲ系统以正侧视条带模式工　作，飞行航迹如图１所示，平行Ｘ轴的实直线代表载机的　理想航迹，虚曲线表示实际航迹。天线相位中心（ａｎｔｅｎｎａ　ｐｈａｓｅ　ｃｅｎｔｅｒ，ＡＰＣ）在时刻ｔ　的实际位置为点　Ａ［ｚ＋Ａｘ（ｔ　），Ａｙ（ｔ　），Ｈ＋Ａｚ（ｔ　）］，其在平行于面ＹＯＺ　同时垂直ｘ轴的投影为点Ｃ　Ｆ－ｘ＋　（　。），ｏ，Ｈ］，　Ｄｌ－ｘ（ｔ　），０，ＨＩ表示ＡＰＣ的理想位置，点目标Ｐ的坐标　为（ｚ　，Ｙ　，０），Ｂ（ｚ　，０，Ｈ）表示理想ＡＰＣ离Ｐ最近的位　置坐标。ｔ　为方位慢时间，　为载机理想飞行速度，３；７一　。　表示在ｔ。时刻雷达ＡＰＣ理想的方位位置，　为雷达的下视　角，［Ａｘ（ｔ。），Ａｙ（ｔ。），Ａｚ（ｔ　）］为三维（）＿ＸｙＺ直角坐标系　下平台在３个方向的运动误差。　图１正侧视条带ＳＡＲ几何成像　ｔ　时刻雷达ＡＰＣ的位置Ａ到目标Ｐ（ｚ　，ｙ　，Ｏ）的瞬　时斜距进行泰勒级数展开，保留一阶展开项：　Ｒ　（　。）一￣／（ｚ＋　一．２Ｃ　）　十（　一　）　＋（Ｈ＋　）　≈　（ｚ＋Ａｘ（ｘ）一ｚ　）　＋Ｒ　＋　干　垦　＝　干　（Ａｚ（ｘ）ｃｏｓ０一Ａｙ（ｘ）ｓｉｎ０）≈　江兆凤等：室内实测数据太赫兹合成孔径雷达成像研究　（ｚ＋Ａｘ（ｘ）一Ｘ　）　＋Ｒ：＋ＣＯ　・ｎｒ（ｘ，Ｒｏ）　式中：Ｒ　一Ｙ：＋Ｈ　为目标与雷达的理想最短斜距，Ｒ　一　第１ｏ期　有运动误差的ＴＨｚ—ＳＡＲ回波经距离压缩后的信号：　ｓ　（Ｒ，　）　Ａａ　『＿　（Ｒ—Ｒｏ）］　ｐ（一　Ｌ　ｃ　Ａ　）　（７）　、／／（　—ｚ　）　＋Ｒ　为理想的瞬时斜距，Ａｒ（ｘ，Ｒ。）和ｄＯ　分　别表示孔径中心的平动误差和雷达ＡＰＣ相对目标Ｐ（ｘ　，　由式（７）可以看出，含有运动误差的瞬时斜距Ｒ　直接反映　ｙ　，Ｏ）的瞬时斜视角：　Ａｒ（ｘ，Ｒｏ）＝＝△ｚ（ｚ）ｃｏｓ（？一△３，（ｚ）ｓｉｎＯ　在回波中，回波数据的相位对于载机的运动误差非常敏感，　为满足成像质量，运动误差补偿通常需要提供比雷达工作　波长小一个数量级的运动误差信息。由于ＴＨｚ波的波长　短，对于工作在太赫兹波段的ＶｉＳＡＲ系统来说，需要亚毫　ｃ。ｓｆ９一　丽≈爱　式中：第一项表示只包含航向运动误差的斜距，一般地通过　地速追踪补偿方法校正航向运动误差，第二项表示与理想　斜距Ｒ。有关沿视线方向的平动误差。　２．２　ＴＨｚ－ＳＡＲ回波模型　为获得目标的距离信息，ＴＨｚ－ＳＡＲ通常发射具有一定　带宽的信号。目前比较常见的两种雷达信号形式为线性调　频连续波（ＦＭＣＷ）和步进频调频连续波（ＳＦＣＷ）信号。相　比ＦＭＣＷ信号，ＳＦＣＷ信号相干解调得到的回波信号拥有　更简单的形式，更适合理论研究和实验验证。本文使用　ＳＦＣＷ信号作为ＴＨｚ－ＳＡＲ的发射信号，设雷达发射的太　赫兹信号为ＳＴ（厂，￡）一ｅｘｐ（ｊ２ｎｆｔ），照射到理想点目标　Ｐ（ｘ　，ｙ　，０）的后向系数为　，忽略天线方向图加权因子，　得到雷达接收理想回波信号：　ｓＲ（，，　）＝　ｓｒ（，，ｔ一　）　（３）　式中：Ｒ　一Ｊ（ｘ－ｚ，）　＋Ｒ：表示理想的瞬时斜距。雷达　接收信号经相干解调得到解调后理想点目标的回波信号：　ｓ（ｆ，￡）一ＳＲ（厂，ｔ）ｓ－［（，，　）　（４）　式中：（・）　表示信号的共轭。进一步推导解调后的理想点　目标的回波信号：　（，，　）一　ｅｘｐ（一Ｊ　４ｎｆＲ．）一　ｘｐ（一Ｊ　）ｅｘｐ（一Ｊ　４ｕｆ，Ｒ．）　（５）　式中：　是隐含在Ｒ　中表示ＡＰＣ的位置坐标，　为ＳＦＣＷ　信号的中心频率，，ｒ为基带频率，ｆ＝　＋ｆｒ，　厂　∈（一Ｂ／２，Ｂ／２），Ｂ表示信号带宽。　在ＳＡＲ成像期间，会出现一些散射点的能量从一个距　离单元进入到邻近的距离单元，称为越距离单元徙动。当　距离徙动小于１／４个距离分辨单元，可忽略其对成像质量　的影响，由于ＴＨｚ波的波长短，距离徙动小　，理想回波　经距离压缩后的信号：　ｓ　（　）一Ａａ．ｓｉｎｃ『　（Ｒ—Ｒ０）］ｅｘｐ（－　）（６）　式中：Ａ表示距离压缩后的幅度，Ｒ一÷ｔ表示快时间域对　应的距离，Ｒ０表示理想最短斜距，Ｒ　表示理想的斜距。基　于２．１节平台非理想情况下的几何模型，经导航数据进行　粗补偿后的实际回波数据，看作已完成距离徙动校正，则含　米级精度的惯性测量单元，惯性测量单元还不能达到这样　的测量精度。不同方向和振动频率的运动误差对成像结果　的影响在文献［１３］已有详细描述。目前对ＳＡＲ运动粗偿　方案大部分是利用运动传感器满足距离向要求的精度，通　过从回波中提取方位向的相位误差进行回波校正。忽略天　线方向图加权因子和距离压缩的幅度，慢时间域转化为方　位位置，含有运动误差的距离压缩后回波信号为：　Ｓ（Ｒ　：ｓｉｎｃ『Ｌ　－　（Ｒ—Ｒｏ）］＿Ｊ　ｅｘｐ（一Ｊ　Ａ　）（８）　式中：Ｒ　是式包含运动误差的瞬时斜距。　２．３运动误差对回波频谱的分析　为更好的理解运动误差与成像质量关系，有必要说明　运动误差对回波信号频谱的影响。首先根据驻定相位原　理，对式在方位向作傅里叶变换，得到距离压缩后理想频谱　的表达式为：　ｒ０口　］——一　Ｇ（Ｒ，愚　）＝ｓｉｎｃｌＬ　Ｃ　　（Ｒ—Ｒ。）Ｉｅｘｐ（一　￣／４　一是：Ｒ。一　）　（９）　式中：ｋ　一　为载波波数，ｋ　一　为方位向波数。　Ｃ　Ｕ　对于单个点目标来说，在ＳＡＲ成像过程中，只有在其　经历的合成孔径时间内的平台运动状态会影响目标聚焦质　量。考虑太赫兹波频率高，瞬时斜视角小，式中满足ＣＯｓ口≈　１的近似，即忽略方位误差的空变性，则接收回波的瞬时斜　距表达式为Ｒ，（ｚ）＝Ｒ　＋Ａｒ（ｘ，Ｒ。）。根据傅里叶变换，平　动误差Ａｒ（ｘ，Ｒ。）呈正弦变化具有普遍意义。假设合成孔　径长度为Ｌ　，运动误差频率为色（波数域），ｅ（Ｒ。）表示Ｒ。　处正弦平动误差的幅度，可用式的正弦函数进行描述：　Ａｒ（ｘ，Ｒ。）一Ｅ（Ｒ。）ｓｉｎ（色ｚ）　（１Ｏ）　经过推导，存在正弦平动误差的回波频谱　：　±兰　Ｇ　（Ｒ，忌　）一　ｃ　Ｉ　Ｊ　ｌ　ｌ（Ａ）・Ｇ（Ｒ，ｋ　一　啦　）　（１１）　式中：Ｃ　。一２，Ｃ　：１（ｍ≠Ｏ），Ｊ　（Ａ）为第ｍ阶第一类贝　塞尔函数，Ａ一２￣ｅ（Ｒ。）。由式可知，平动误差满足正弦　规律变化时，回波频谱为理想频谱（真实目标对应的频谱，　即为主谱Ｊ。（Ａ））与重叠次谱（Ｊ　ｌ　ｌ（Ａ），（ｍ≠Ｏ））的叠　加，结合贝塞尔函数的性质，对图像造成的影响：１）主谱由　于加权会被削弱，可能出现主谱幅度小于次谱幅度的情况；　・　６７　・　第３９卷　电　子测　量技术　２）由于匹配滤波函数与重叠次谱的匹配，沿方位向出现成　号的重叠次谱相对主谱的方位偏移量。　对回波；可能会造成真实目标旁瓣很高，使得图像分辨率下　降以及虚假目标的存在，从而影响成像的聚焦质量。　ＳＡＲ是利用回波多普勒相位实现相干处理的成像系　统，回波相位对合成孔径雷达是至关重要的。雷达载机的　运动状况之所以对成像关系如此密切，根本原因是它将直　接影响回波多普勒信号的幅度和相位，使其压缩波形产生　畸变。特别是针对ＴＨｚ—ＳＡＲ，从式的回波信号可以看出，　本文提出一种针对具有特显点的目标场景用于回波相　位误差估计和校正的方法。通过惯性测量单元输出的姿态　信息完成由运动误差引起的距离徙动的校正，结合天线方　向图和粗聚焦图像中特显点的最大幅值估计最优位置并构　建理想回波，利用实际回波和理想回波数据提取由平台运　动误差引起回波的相位误差并进行补偿。该方法可以直接　完成运动误差的估计和补偿，不需要进行迭代，从而减少了　运算量，对于宽测绘带场景，运动误差在距离向的空变性不　由于ＴＨｚ波长短，雷达天线的微小运动偏差将会引起接收　回波的较大相位误差，从而导致图像聚焦质量明显下降。　对式的频谱分析可知，Ａ一２愚ｃ￡（Ｒ。）决定不可忽略的重叠　次谱个数，Ａ越大，不可忽略的重叠次谱个数越多　。与　微波ＳＡＲ相比，相同的误差幅度对ＴＨｚ—ＳＡＲ图像聚焦质　量影响更大，为了得到高质量ＴＨｚ—ＳＡＲ图像，对回波数据　进行相位补偿，消除相位误差是必要的。　３　成像算法　在ＳＡＲ技术中，为了消除平台运动对成像的影响，需　要对雷达数据进行运动补偿和白聚焦操作。时域相位补偿　方法能够灵活的结合基于距离压缩数据的回波进行运动补　偿。目前，ＳＡＲ成像算法种类繁多，最常规的有从波方程　严格推导出的ｗｋ算法和存在一定近似ＣＳ和ＲＤ算法。由　于ｗｋ算法未经过任何近似，成像精度高，但受Ｓｔｏｌｔ插值的　影响，运算量大。ＣＳ算法利用线性调频信号的性质，通过　相位函数相乘实现距离徙动校正，避免了插值操作，提高成　像效率，但若发射信号不是线性调频信号，则会使算法变得　复杂，使其效率受到损失。ＲＤ算法是忽略距离向和方位　向的二维耦合，将其分解为两个一维信号进行处理，同时兼　顾精度、通用性及处理效率的高精度算法。ＴＨｚ—ＳＡＲ的工　作波长短，距离徙动小与时域相位补偿方法结合方便等优　点，选用ＲＤ算法对信号进行处理。　基本的ＲＤ算法步骤是通过匹配滤波进行距离向压　缩，在距离多普勒域实现距离徙动校正，之后进行方位向压　缩，实现图像高分辨成像。经距离压缩和距离徙动校正后　的信号Ｓ　（Ｒ，　）由式给出。对方位向压缩的实现，考虑算　法效率，一般在频域处理，将式的理想频谱与参考函数Ｈ　，　相乘，作方位向ＩＦＦＴ，实现方位向聚焦。理想匹配滤波函　数表达式：　Ｈ　，一ｅｘｐ（ｊ￣／４　一ｋＩＲ　）　（１２）　式中：Ｒ　随着距离变化，以实现动态聚焦。上述处理过程　是基于雷达平台运动轨迹为匀速直线运动假设，获得高分　辨率成像的过程。对于实际雷达平台运动，受气流和载机　自身的影响，运动轨迹不满足这一假设，实际的接收回波表　达式，基于建立的正弦误差模型，存在运动误差的回波频谱　表达式，存在运动偏差的信号与方位参考函数将不匹配，成　像质量下降，运动误差的幅值体现在压缩之后信号的重叠　次谱的个数，影响目标的积分旁瓣，运动误差的频率体现信　・　６８　・　能忽略，可以通过在距离向进行分块处理即可。　本文提出的基于回波数据的运动补偿算法，具体步骤　如下：　１）对回波信号进行距离压缩，使得接收目标回波的能　量聚焦到一个距离单元内，求得目标与雷达的理想最短斜　距Ｒｏ；　２）在方位向通过匹配滤波实现方位向压缩，得到具有　一定散焦的图像；式（７）为信号的理想频谱，为了实现方位　向压缩，将理想频谱与匹配滤波函数式相乘，沿方位向作　ＩＦＦＴ。　３）对平动误差进行估计和补偿。误差估计的方法是利　用初步聚焦图像提取特显点所在的距离位置Ｒ。，构建点目　标经距离压缩后的理想回波，将实际回波与理想回波的共　轭信号作处理，处理后的信号相位即为由于运动误差引起　的相位误差。由式（６）可得，点目标Ｐ的实际相位　，（ｚ）和　理想相位　（ｚ）的表达式分别为：　Ｊ　ｆ　（ｚ）一一　迅ｃ　一　＋　△　（ｚ，Ｒ。）　（１３）　Ｌ　　ｌ（　）一４７ｒｆ３Ｃ　Ｒ．　利用Ｒ　＝Ｊ（ｘ—ｚ　）　＋Ｒ：及得到的Ｒ。，可构建理想的　回波相位。平动误差引起的相位误差为　（ｚ）ｚ　（　）一　，将距离压缩后其他距离单元的回波数据与ｅｘｐ（一　△声（　））相乘，贝Ⅱ可消除平动误差带来的相位误差。忽略　运动误差在距离向的空变性，将估计相位误差补偿到距离　压缩后的回波中，消除相位误差对成像的影响，补偿后的回　波信号，等效于理想的回波信号。　４）在距离多普勒域重复步骤２），实现二维高分辨率　成像。　４成像实验　基于本文提出的运动补偿算法，设计并搭建系统的带　宽１０　ＧＨｚ，中心频率０．３　ＴＨｚ的ＴＨｚ—ＳＡＲ进行成像实　验，实验场景框图如图２所示。　４．１实验场景的设计　受限于太赫兹发射器件功率水平（ｍｗ量级），为了提　高接收信号的功率，实验中采用正视条带成像模式，考虑正　视会带来距离向模糊的问题，为避免模糊，将目标放置在具　江兆凤等：室内实测数据太赫兹合成孔径雷达成像研究　第１ｏ期　ｌ　——信号，传统信号很难实现，同时对后续设备（特别是中放和　Ａ／Ｄ变换）要求很高。为了简化设备，实验平台采用了倍　频方式，在提高发射信号频率的同时对信号带宽进行拓展。　系统采用发射和接收步进频调制连续波信号和１对双模喇　隔　甲　＼　／　豳　一　＼　叭传输高斯波束的天线，信号中心频率为０．３　ＴＨｚ，步进阶　数是８００个，带宽为１０　ＧＨｚ，喇叭天线口径为１．３　ＣＥｌｌ。雷　＼　图２　太赫兹雷达实验场景框图　宵一定倾斜角度的斜平面。为验证雷达的二维高分辨成像　能力，设置ｒ冈３的３个角反射器目标进行成像实验。　图３　目标摆放位置　０．３　ＴＨｚ雷达成像实验场景如图４所示，条带合成孑Ｌ　径雷达的丁作模式要求其相对目标做匀速直线运动并以一　定的重复频牢发射脉冲．使得采集信号在空间上实现等间　隔采样，为后续的成像处理提供方便。考虑到非等间隔采　样将影响同波相位，导致回波多普勒信号畸变，在ＳＡＲ系　统巾常利用地速跟踪方式实时调整脉冲重复频率达到等间　隔采样目的，　实验中，通过实时采集车速并生成发射触发　信号，以控制ＴＨｚ—ＳＡＲ的脉冲重复频率。从而保证了空　间采样的等间隔。　图４轨道与小车的实物　４．２　实验系统　ＴＨｚ—ＳＡＲ距离向高分辨率的实现．要求宽频带的发射　达系统的具体实验参数如表１所示。　表１　０．３ＴＨｚ雷达实验参数表　ＴＨｚ雷达收发电路的系统框图如图５所示。基带处　产生２路ＳＦＣＷ信号分别用来发射ＴＨｚ信号的射频信号　（ＲＦ）和作为本振（ＬＯ）的信号，每路信号通过功分器功分　成２路，１路信号在Ｍ１处经过下混频得到固定频率为　５０　ＭＨｚ的信号，该信号经过１８倍频后，产生用来作参考中　频（ＩＦ）的信号。另１路ＲＦ信号进入频率展宽模块进行１　８　倍频带展宽，作为发射信号。另１路Ｉ　（）信号经过１８倍ＦＩ　１１赴１　频，产生作为接收信号的Ｉ　（）信号。目标反射波在Ｍ２处　经过下混频得到待测ＩＦ信号，再通过与相干的参考１Ｆ信　号进行ＩＱ相干解调的得到基带回波信号，最后被采样并传　输到计算机进行处理。　２９５～３０５　ＧＨＺ　厂　功牢分配器　————　ＳＦＣＷ　Ｍ　Ｉ　———．　ｌＭＨ　参考　ｍ　＝＝［＝　４．３实验结果　对所设目标的回波数据分别利用基本ＲＤ和本义所提　的算法进行成像。图６给　目标场景朱进行相位补偿的成　像结果。图６（ａ）代表回波原始数据，横坐标表示信号的频　点，纵坐标表示方位位置，图６（ｂ）为解线频调后距离压缩　后的结果，横坐标为距离位置，纵坐标表示方位位置，验证　了前面分析时将距离徙动忽略的合理性。网６（Ｃ）是利用　基本ＲＤ算法的成像结果，图６（ｄ）为轮廓图，从图中可以看　出受运动误差的影响，造成目标旁瓣过高．图像质量下降．３　个角反射器无法分辨。图６（ｅ）和（ｆ）为Ｐｌ和Ｐ２、Ｐ３的方　位剖面图，从图中可以看出，目标的方位向旁瓣过高，导致　・　６９　・　第３９卷　电　子　测　量技术　ｍ，足　Ｏ　０　０　０　０　０　Ｏ　１　目标Ｐ２和Ｐ３不能分辨。图７采用本文提出相位补偿算法　对目标场景的成像结果，与图６相比较，成像效果有明显的　改善。图７（ｂ）中清晰地分辨出目标Ｐ２和Ｐ３，３个角反射　器相对位置与实际图４中的位置很接近。为定量分析经过　３　４　５　６　７　８　９　Ｏ　运动补偿后的成像质量，分别对Ｐ１、Ｐ２和Ｐ３在方位剖面　图和距离剖面图进行插值，并计算出衡量图像质量参数值　如表２所示。表２中，距离向分辨率为１．６９　ｃｍ，比理想分　辨率（１．５　ｃｍ）略差，这是由于为了综合考虑旁瓣的性能，在　距离向进行加窗处理的结果。方位分辨率约４．５　ｍｍ，接近　理论分辨率３．８２　ｍｍ。　方位向／ｍ　ｅ）Ｐ１方位剖面　（Ｄ　Ｐ２、Ｐ３的方位☆　标成像结果　距离向，ｍ　ｂ）成像轮睛　ｒ。。　———————————————＿　ｌ　距离向／ｍ　Ｉｌ　距离向／ｍ　３　６　３　８　４．０　４．２　压缩后成像结果　ｄ）目标成像的轮胸　表２点目标性能分析　５　结　论　相位误差并对回波相位进行补偿。为验证算法可行性，采　用中心频率为０．３　ＴＨｚ的ＳＡＲ系统进行了室内实验，获　得典型性目标的方位向有效分辨率约为４　ｍｍ。实验结果　表明了本文所提运动补偿算法的正确性和有效性。　本文详细分析了运动误差对ＴＨｚ—ＳＡＲ成像的影响，　提出一种基于回波数据的ＴＨｚ—ＳＡＲ成像运动补偿算法。　在利用惯性测量单元测量的运动参数补偿由运动误差引　参考文献　［１］　赵国忠，申彦春，刘影．太赫兹技术在军事和安全领　域的应用ＥＪ］．电子测量与仪器学报，２ｏ１５，２９（８）：　１ｏ９７—１　１ｏ】　起的目标残余距离徙动的基础上，从粗聚焦的图像中提取　相对孤立点目标的位置并构建理想回波。通过处理实际回　波信号和理想回波信号，提取由平台运动误差引起的回波　］　］　］　］　］　］　江兆凤等：室内实测数据太赫兹合成孔径雷达成像研究　第１ｏ期　孔舒亚，吴彦鸿，俞道滨．一种新的ＳＡＲ窄带干扰抑　制方法ＥＪ］．国外电子测量技术，２０１６，３５（１）：４４—４８．　刘新华，万超，康琳，等．低噪声太赫兹　Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ读出电路Ｉ－Ｊ］．电子测量技术，２０１３，　３６（４）：７６－７９．　ＰＨＩＬＩＰＰ　Ｍ，ＧＲＡＦ　Ｕ　Ｕ，ＷＡＧＮＥＲ—ＧＥＮＴＮＥＲ　Ａ。ｅｔ　ａ１．Ｃｏｍｐａｃｔ　１．９　ＴＨｚ　ＢＷＯ　ｌｏｃａｌ—ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｇｒｅａｔ　ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ　８Ｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，５１（１）：５４—５９．　ＶＥＮＤＩＫ　Ｉ　Ｂ，ＶＥＮＤＩＫ　０　Ｇ，０ＤＩＴ　Ｍ　Ａ，ｅｔ　ａ１．　Ｔｕｎａｂｌｅ　ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌｓ　ｆｏｒ　ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ　ＴＨｚ　ｒａｄｉａｔｉｏｎ［Ｊ］．　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２，２（５）：５３８—５４９．　Ｇ０ＹＥＴＴＥ　Ｔ　Ｍ，ＤＩＣＫＩＮＳ０Ｎ　Ｊ　Ｃ，ＷＡＬＤＭＡＮ　Ｊ　ｅｔ　ａ１．Ａ　１．５６ＴＨｚ　ｃｏｍｐａｃｔｒａｄａｒ　ｒａｎｇｅ　ｆｏｒ　Ｗ－ｂａｎｄ　ｉｍａｇｅｒｙ　ｏｆ　ｓｃａｌｅ－ｍｏｄｅｌ　ｔａｃｔｉｃａｌｔａｒｇｅｔｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ　Ｐｈｏｔｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，　２０００：６１５－６２２．　ＤＥＮＧＬＥＲ　Ｒ　Ｊ，　ＣＯＯＰＥＲ　Ｋ　Ｂ，　ＣＨＡＴＴＯＰＡＤＨＹＡＹ　Ｇ，ｅｔ　ａ１．６００　ＧＨｚ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｒａｄａｒ　ｗｉｔｈ　２　ｃｍ　ｒａｎｇｅ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ［Ｃ］．ＩＥＥＥ／ＭＴＴ－Ｓ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｈｏｎｏｌｕｌｕ，　２００７：１３７１—１３７４．　Ｅ８］　ＲＥＣＫ　Ｔ，ＳＩＬＥＳ　Ｊ，ＪＵＮＧ　Ｃ，ｅｔ　ａ１．Ａｒｒａｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｆｏｒ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｐａｓｓｉｖｅ　ａｎｄ　ａｃｔｉｖｅ　ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－　ｗａｖｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ＸＶ［ｃ］．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＳＰＩＥ，　Ｂａｌｔｉｍｏｒｅ，２０１２．　［９］　蔡英武，杨陈，曾耿华等．太赫兹极高分辨力雷达成像　试验研究［Ｊ］．强激光与粒子束，２０１２，２４（１）：７－９．　ＥｌＯ］　成彬彬，江舸，陈鹏，等．０．６７ＴＨｚ高分辨力成像雷　达Ｉ－Ｊ］．太赫兹科学与电子信息学报，２０１３，１１（１）：　７－１１．　ｒ１１］ＧＵ　ＳＨ　Ｍ，ＬＩ　ＣＨ，ＧＡＯ　Ｘ，ｅｔ　ａ１．Ｔｈｒｅｅ－　ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　ｉｍａｇｅ　ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔａｒｇｅｔｓ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｅｒａｈｅｒｔｚ　ｇａｕｓｓｉａｎ　ｂｅａｍ—ｔｈｅｒｏｙ　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ［Ｊ］．ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｇｅｏｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｒｅｍｏｔｅ　Ｓｅｎｓｉｎｇ，２０１３，５１（４）：２２４１—２２４９．　［１２］林华，无人机载太赫兹合成孔径雷达成像分析与仿　真［Ｊ］．信息与电子工程，２０１０，８（４）：３７３—３７７．　［１３］赵雨露，张群英，李超，等．视频合成孔径雷达振动误　差分析及补偿方案研究［Ｊ］．雷达学报，２０１５，４（２）：　２３０—２３９．　Ｅｌ４］安道祥．高分辨ＳＡＲ成像处理研究ＥＤ］．长沙：国防　科学技术大学研究生院，２０１１：４３—５２．　作者简介　江兆凤（通讯作者），１９９２年出生，工程硕士，主要研究　方向为太赫兹合成孔径雷达运动补偿及成像算法等。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｚｈａｏｆｅｎ￣＠ｙｅａｈ．ｎｅｔ　张群英，１９７２年出生，研究员，博士生导师，主要研究　方向为微波探测技术领域的新方法、新技术及新应用研　究，微波成像信号处理与成像方法研究。　李超，１９７８年出生，副研究员，研究方向为太赫兹成　像技术、电磁场理论与应用、人工电磁材料。　吴世有，１９８５年出生，研究方向为超宽带雷达目标检　测、成像技术及软件开发等。　方广有，１９６３年出生，研究员，博士生导师，主要研究　方向为超宽带电磁学理论及其应用、超宽带成像雷达技术　以及微波成像新方法、新技术　・　７１　・