太赫茲雷達成像算法研究.pdf

1、對太赫茲頻段電磁波的特性以及潛在的應(yīng)用技術(shù)研究是當前科學領(lǐng)域的前沿課題之一。利用太赫茲波超強的光譜分辨本領(lǐng)可以實現(xiàn)對物體組成成分的有效辨別；利用太赫茲波光子能量低的屬性可以更加安全地實現(xiàn)對人體的安全檢查以及對生物樣品的無害檢測；利用太赫茲波對介電材料和非極性液體材料具有的良好穿透性，可以實現(xiàn)對物體的透視成像。在太赫茲波諸多的潛在應(yīng)用中，采用太赫茲成像技術(shù)對物體的形狀進行辨別和對物質(zhì)的組分進行鑒別是太赫茲技術(shù)研究中的一個熱點。利用太赫茲波

2、對物質(zhì)的穿透性以及極易實現(xiàn)調(diào)制信號大帶寬的特點，與雷達成像系統(tǒng)中采用合成孔徑獲得方位向高分辨的特征相結(jié)合，建立具有透視功能的高分辨實時成像系統(tǒng)是開展本課題研究的最終愿景。太赫茲高分辨實時透視成像系統(tǒng)可用于戰(zhàn)場環(huán)境偵查、醫(yī)學疾病診斷、重點防區(qū)安全檢查、無損探傷等領(lǐng)域。正是基于此，本課題將太赫茲波和雷達領(lǐng)域中的合成孔徑成像技術(shù)結(jié)合起來，對基于太赫茲頻段的合成孔徑雷達成像技術(shù)進行了研究。開展此項研究工作，不僅能夠逐步提高我國自主研制太赫茲雷達

3、系統(tǒng)的能力，而且能對基于太赫茲頻段的合成孔徑高分辨成像技術(shù)研究起到積極的推動作用。
　　本文針對太赫茲頻段下的目標二維和三維高分辨成像問題，結(jié)合太赫茲雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分別對遠場與近場條件下的逆合成孔徑和圓周合成孔徑雷達成像機理、回波模型以及成像算法等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。
　　論文的主要內(nèi)容及貢獻包括以下幾個方面：
　　1.基于目前太赫茲雷達相關(guān)器件的研制水平以及對常規(guī)雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析，給出了基于單頻率源驅(qū)動和基于雙頻率

4、源驅(qū)動的兩種太赫茲雷達系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案。對比分析了常規(guī)雷達系統(tǒng)、雙頻率源雷達系統(tǒng)以及單頻率源雷達系統(tǒng)之間的結(jié)構(gòu)差異及關(guān)鍵部件的實現(xiàn)方式。針對太赫茲雷達系統(tǒng)中信號相位在不同階段的變化過程，從理論上論證了雷達系統(tǒng)相干接收的可行性；對太赫茲雷達系統(tǒng)調(diào)頻信號非線性導致的距離向分辨率惡化問題，提出了相應(yīng)的非線性校正方法，并利用太赫茲雷達實測數(shù)據(jù)驗證了非線性校正方法的有效性。此外，對太赫茲雷達系統(tǒng)具有的相位噪聲抑制功能進行了分析，并給出了基于實測數(shù)據(jù)的

5、相位噪聲抑制指標；針對太赫茲雷達系統(tǒng)去調(diào)頻接收的結(jié)構(gòu)特點，分析了太赫茲雷達一維距離向分辨率指標，結(jié)合實測數(shù)據(jù)對一維距離向理論分辨率進行了驗證。
　　2.為便于對后續(xù)太赫茲雷達成像條件進行說明，針對雷達天線的輻射場區(qū)進行了介紹。討論了天線的感應(yīng)場、輻射近場以及輻射遠場的范圍，并將該討論延伸至合成孔徑雷達中，提出了輻射近場區(qū)和遠場區(qū)的劃分標準，總結(jié)了遠場成像與近場成像各自的特點。
　　3.針對遠場條件下太赫茲逆合成孔徑雷達的二維

6、成像以及圓周合成孔徑雷達的三維成像問題，結(jié)合各自孔徑模式的特點，從雷達與目標之間的距離入手，對遠場條件下距離的近似方法進行了研究，建立了遠場條件下太赫茲雷達回波模型。結(jié)合回波模型特點，提出了逆合成孔徑雷達遠場二維成像的三種算法并對每種算法進行了指標分析和仿真驗證，比較了算法之間的異同。針對遠場條件下太赫茲雷達系統(tǒng)的三維成像問題，結(jié)合圓周合成孔徑自身的優(yōu)勢，分析了距離近似后脈壓數(shù)據(jù)的變化特征，提出了基于廣義 Radon變換與 CLEAN技

7、術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)目標遠場三維成像的方法，并通過數(shù)值仿真驗證了算法的有效性。
　　4.研究了太赫茲雷達系統(tǒng)近場條件下二維和三維成像問題。通過分析太赫茲頻段下逆合成孔徑雷達中近場原始回波模型在時域和頻域的特點，推導了逆合成孔徑模式下二維近場成像后向投影算法的過程，提出了基于格林函數(shù)分解的逆合成孔徑雷達二維成像算法。通過仿真和實測數(shù)據(jù)驗證了算法的有效性，并比較和分析了后向投影算法、格林函數(shù)分解算法以及二重積分算法的性能。在分析圓周合成孔徑近