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太赫兹雷达成像算法研究

张彪  
【摘要】:对太赫兹频段电磁波的特性以及潜在的应用技术研究是当前科学领域的前沿课题之一。利用太赫兹波超强的光谱分辨本领可以实现对物体组成成分的有效辨别;利用太赫兹波光子能量低的属性可以更加安全地实现对人体的安全检查以及对生物样品的无害检测;利用太赫兹波对介电材料和非极性液体材料具有的良好穿透性,可以实现对物体的透视成像。在太赫兹波诸多的潜在应用中,采用太赫兹成像技术对物体的形状进行辨别和对物质的组分进行鉴别是太赫兹技术研究中的一个热点。利用太赫兹波对物质的穿透性以及极易实现调制信号大带宽的特点,与雷达成像系统中采用合成孔径获得方位向高分辨的特征相结合,建立具有透视功能的高分辨实时成像系统是开展本课题研究的最终愿景。太赫兹高分辨实时透视成像系统可用于战场环境侦查、医学疾病诊断、重点防区安全检查、无损探伤等领域。正是基于此,本课题将太赫兹波和雷达领域中的合成孔径成像技术结合起来,对基于太赫兹频段的合成孔径雷达成像技术进行了研究。开展此项研究工作,不仅能够逐步提高我国自主研制太赫兹雷达系统的能力,而且能对基于太赫兹频段的合成孔径高分辨成像技术研究起到积极的推动作用。本文针对太赫兹频段下的目标二维和三维高分辨成像问题,结合太赫兹雷达系统结构,分别对远场与近场条件下的逆合成孔径和圆周合成孔径雷达成像机理、回波模型以及成像算法等关键技术进行了研究。论文的主要内容及贡献包括以下几个方面:1.基于目前太赫兹雷达相关器件的研制水平以及对常规雷达系统结构的分析,给出了基于单频率源驱动和基于双频率源驱动的两种太赫兹雷达系统结构方案。对比分析了常规雷达系统、双频率源雷达系统以及单频率源雷达系统之间的结构差异及关键部件的实现方式。针对太赫兹雷达系统中信号相位在不同阶段的变化过程,从理论上论证了雷达系统相干接收的可行性;对太赫兹雷达系统调频信号非线性导致的距离向分辨率恶化问题,提出了相应的非线性校正方法,并利用太赫兹雷达实测数据验证了非线性校正方法的有效性。此外,对太赫兹雷达系统具有的相位噪声抑制功能进行了分析,并给出了基于实测数据的相位噪声抑制指标;针对太赫兹雷达系统去调频接收的结构特点,分析了太赫兹雷达一维距离向分辨率指标,结合实测数据对一维距离向理论分辨率进行了验证。2.为便于对后续太赫兹雷达成像条件进行说明,针对雷达天线的辐射场区进行了介绍。讨论了天线的感应场、辐射近场以及辐射远场的范围,并将该讨论延伸至合成孔径雷达中,提出了辐射近场区和远场区的划分标准,总结了远场成像与近场成像各自的特点。3.针对远场条件下太赫兹逆合成孔径雷达的二维成像以及圆周合成孔径雷达的三维成像问题,结合各自孔径模式的特点,从雷达与目标之间的距离入手,对远场条件下距离的近似方法进行了研究,建立了远场条件下太赫兹雷达回波模型。结合回波模型特点,提出了逆合成孔径雷达远场二维成像的三种算法并对每种算法进行了指标分析和仿真验证,比较了算法之间的异同。针对远场条件下太赫兹雷达系统的三维成像问题,结合圆周合成孔径自身的优势,分析了距离近似后脉压数据的变化特征,提出了基于广义Radon变换与CLEAN技术相结合实现目标远场三维成像的方法,并通过数值仿真验证了算法的有效性。4.研究了太赫兹雷达系统近场条件下二维和三维成像问题。通过分析太赫兹频段下逆合成孔径雷达中近场原始回波模型在时域和频域的特点,推导了逆合成孔径模式下二维近场成像后向投影算法的过程,提出了基于格林函数分解的逆合成孔径雷达二维成像算法。通过仿真和实测数据验证了算法的有效性,并比较和分析了后向投影算法、格林函数分解算法以及二重积分算法的性能。在分析圆周合成孔径近场回波模型基础上,提出了基于球面波分解的圆周合成孔径三维成像算法。利用球面波分解理论,将近场条件下球面波转化为平面波的叠加,降低了算法复杂度。同时,从目标重建的推导过程中分析了该算法与基于信号相干累加的后向投影算法、聚焦因子算法的异同点。通过数值仿真验证了该算法的有效性及在运算效率上的高效性。


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