一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像系统及方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像系统及方法，属于毫米波和太赫兹技术领域，特别涉及毫米波和太赫兹频段雷达探测成像技术。

背景技术

毫米波和太赫兹雷达技术由于具有宽带高分辨率、小型化和独特的大气传输特性等，在安全检查、无损探测、机载对地侦察、空间碎片探测、云探测和行星着陆等领域有着广阔的应用前景，见Wang H Q,Deng B,Qin Y L.Review of terahertz radar technology[J].Journal of Radars,2018,7(1):1–21。国内外广泛关注毫米波和太赫兹雷达技术，提出了微波上变频和光学下变频方法，并基于这些方案发展了毫米波和太赫兹合成孔径雷达、多输入多输出雷达、相控阵雷达和超宽带雷达等多种雷达系统方法。微波上变频方法通过对一定带宽的低频段微波信号进行多次倍频和放大，产生毫米波和太赫兹宽带雷达信号，并实现高分辨率成像，见K.B.Cooper et al.,“Multi-pixel high-resolution three-dimensional imaging radar,”US8144052B2,2012；李晋,杨晓波和杨元香等,“一种太赫兹雷达isar成像方法,”CN103760558B,2017；H.Essen et al.,“High resolutionmillimetre wave measurement radars for ground based SAR and ISAR imaging,”in2008IEEE Radar Conference,Rome,Italy,2008,1–5；R.Hu,R.Min,and Y.Pi,“A Video-SAR Imaging Technique for Aspect-Dependent Scattering in Wide Angle,”IEEESens.J.,17(12),3677–3688,2017等。但该方法一方面受扫频源和倍频链路带宽等制约，成像分辨率存在瓶颈，另一方面，上变频到毫米波和太赫兹频段后，信号带宽宽，放大难度大，信号质量差，限制毫米波和太赫兹雷达高分辨率成像系统的广泛应用。光学下变频显然具有超宽带特性，频率可从0.1到30THz，Zhao等人报道了采用激光诱导的气体等离子产生的超宽带毫米波和太赫兹成像分辨率可达20微米，约为波长的38分之一(Zhao Jiayu，Chuwei，Guo Lanjun et al.，“Terahertz imaging with sub-wavelength resolution byfemtosecond laser filament in air,Scientific Reports，”2014，4(1)：3880)，但光学下变频毫米波和太赫兹信号功率通常较低，作用距离短(通常不超过1m)，如此宽的信号如何放大，几乎是难以解决的问题，直接限制了该方法的使用范围。

发明内容

本发明所解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提出一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像系统及方法，基于多频段上变频结合信号拼接处理，实现等效超宽带的毫米波和太赫兹探测成像的同时，降低宽带信号产生和放大难度，保障信号性能，提升应用系统的可靠性。

本发明所采用的技术方案是：一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像系统，包括低频段雷达信号发生器、毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块、毫米波和太赫兹多频段合路器、毫米波和太赫兹发射/接收天线、毫米波和太赫兹频段频分器、毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路、中频信号处理和采集模块、雷达信号存储和图像处理机和多频段雷达探测成像算法模块；

毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块对低频段雷达信号发生器产生的低频段雷达信号进行上变频和功率放大，产生多个频段的毫米波和太赫兹雷达信号；毫米波和太赫兹多频段合路器将多个频段毫米波和太赫兹雷达信号合成为一路电磁波，通过毫米波和太赫兹发射/接收天线向目标方向发射；毫米波和太赫兹频段频分器将毫米波和太赫兹发射/接收天线接收的毫米波和太赫兹多频段雷达信号分离，然后分别通过毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路中的各个频段的接收链路下变频，形成中频信号；各频段对应的中频信号通过中频信号处理和采集模块采集，在雷达信号存储和图像处理机中存储，最后利用多频段雷达探测成像算法模块处理形成探测成像结果。

所述低频段雷达信号发生器为毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块、毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路以及中频信号处理和采集模块中各个频段的倍频链、接收本振链路和中频信号下变频本振链路提供同一时钟基础上产生的低频段微波信号。

一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像方法，步骤如下：

1)毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块对低频段雷达信号发生器产生的低频段雷达信号进行上变频和功率放大，产生多个频段的毫米波和太赫兹雷达信号；

2)毫米波和太赫兹多频段合路器将多个频段毫米波和太赫兹雷达信号合成为一路电磁波，通过毫米波和太赫兹发射/接收天线向目标方向发射；

3)毫米波和太赫兹频段频分器将毫米波和太赫兹发射/接收天线接收的毫米波和太赫兹多频段雷达信号分离，然后分别通过毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路中的各个频段的接收链路下变频，形成中频信号；

4)各频段对应的中频信号通过中频信号处理和采集模块采集，在雷达信号存储和图像处理机中存储；

5)利用多频段雷达探测成像算法模块处理形成探测成像结果。

所述低频段雷达信号发生器为毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块、毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路以及中频信号处理和采集模块中各个频段的倍频链、接收本振链路和中频信号下变频本振链路提供同一时钟基础上产生的低频段微波信号。

所述多频段雷达探测成像算法模块的具体工作步骤如下：

21)根据毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块与毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路确定系统频段数以及各频段中心频点、脉冲宽度和调频率，

22)调取存储在雷达信号存储和图像处理机的数据，对最高频段以外的数据每个脉冲逐点补偿相位，

23)根据调频率在时域上拼接各个频段补偿完的数据，

24)对拼接信号进行二维聚焦处理，得到探测成像结果。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明在毫米波和太赫兹雷达探测成像系统发射端采用毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块对低频段雷达信号发生器产生的低频段雷达信号进行上变频和功率放大，并进行多路合并发射，在接收端，采用毫米波和太赫兹频段频分器将接收的毫米波和太赫兹多频段雷达信号分离，然后分别通过毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路中的各个频段的接收链路下变频接收。这样的多频段收发方式相比于单频段系统降低了毫米波和太赫兹信号带宽要求，避免了毫米波和太赫兹宽带信号产生和放大等过程中的瓶颈问题，有助于高质量毫米波和太赫兹信号的产生。

2)本发明所提出的多频段雷达探测成像算法模块通过对各个频段信号进行补偿、拼接和聚焦，实现带宽累加效果，达到充分利用毫米波和太赫兹频段丰富的频谱资源，实现高分辨率成像的目的。该算法使得部分频段部组件出现故障时，整个系统依然可以进行一定功能和性能的探测成像应用，系统可靠性更高。

附图说明

图1是一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像方法示意图；

图2是双频段拼接成像仿真距离向结果比较；

图3是双频段拼接成像仿真方位向结果比较；

图4是多个散射点双频段拼接成像仿真结果；

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图1是一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像方法示意图。如图1所示，该毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像方法包含低频段雷达信号发生器1、毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块2、毫米波和太赫兹多频段合路器3、毫米波和太赫兹发射/接收天线4、毫米波和太赫兹频段频分器5、毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路6、中频信号处理和采集模块7、雷达信号存储和图像处理机8构成的系统方法和多频段雷达探测成像算法模块9。低频段雷达信号发生器1为毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块2、毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路6以及中频信号处理和采集模块7中各个频段的倍频链、接收本振链路和中频信号下变频本振链路提供同一时钟基础上产生的低频段微波信号。

如图1所示，假设低频段雷达信号发生器1产生的低频段雷达信号为线调频脉冲信号：

经过毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块2倍频和放大，第j个频段毫米波和太赫兹频段信号为

其中，T

假设第j个频段上变频倍数为M

假设总频段数为N，毫米波和太赫兹多频段合路器3合成并由毫米波和太赫兹发射/接收天线4发射的信号为

假设目标由N

经过毫米波和太赫兹频段频分器5分频后，各频段信号分别为

假设混频接收参考信号延时参考距离为R

经过毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路6混频接收并通过中频信号处理和采集模块7采集的的中频信号为

其中，R

采集的信号存储在雷达信号存储和图像处理机8中，通过多频段雷达探测成像算法模块9拼接处理得到高分辨率图像。

针对上式中N个频段，假设多频段雷达探测成像算法模块9要拼接其中的N

1)根据所设计的系统确定频段数以及各频段中心频点、脉冲宽度和调频率，分别为N

2)调用雷达信号存储和图像处理机8存储的N

3)对最高频段信号以外的信号根据调频率在时域上进行拼接；

4)对拼接信号进行聚焦处理，得到探测成像结果。

实施例1：

本发明提出一种毫米波和太赫兹多频段雷达探测成像方法，该方法通过多频段系统设计和信号拼接，实现高分辨率成像。以220GHz和330GHz双频段雷达探测成像方法为例，在系统设计中，低频段雷达信号发生器产生两路8.9583-9.3750GHz的X频段扫频信号，分别通过24倍和36倍毫米波和太赫兹多频段倍频链路和放大模块上变频和功率放大，得到两束215-225GHz和322.5-337.5GHz毫米波和太赫兹频段宽带电磁波。两束电磁波通过毫米波和太赫兹多频段合路器中的330GHz频段反射/220透射的频率选择表面进行合束，最终通过卡塞格伦天线发射出去。目标回波同样经过毫米波和太赫兹多频段频分器中的330GHz频段反射/220透射的频率选择表面进行分离，经过毫米波和太赫兹多频段低噪声功率放大器和接收链路混频接收，最终通过多频段雷达探测成像算法模块对采集和存储的中频信号进行处理获得拼接后的高分辨率成像结果。

采用该双频段雷达对平面上9个散射点布局的场景进行仿真分析，采用多频段雷达探测成像算法模块，仿真分析结果分别如图2-4所示。图2中的曲线分别是220GHz频段、330GHz频段、直接拼接和采用多频段雷达探测成像算法模块得到的单个散射点的距离向聚焦结果。可以看出220GHz频段聚焦结果(带宽10GHz，对应分辨率0.015m)分辨率不如330GHz频段聚焦结果(带宽15GHz，0.01m)，直接拼接由于不同载频存在相位误差，使得性能恶化。对频带间相位进行相位校正，获得最好的聚焦性能，分辨率可达0.006m，也就是25GHz带宽对应的成像分辨率。

为了分析方位向分辨率，取某一个点进行分析(非场景中心点)，如图3所示，其中的曲线分别为220GHz频段、330GHz频段和两个频段拼接ISAR成像后方位向进行插值之后聚焦结果。可见，方位向均可以取得良好聚焦结果，220GHz频段由于载频比较低，在相同观测时间内，分辨率比较低，330GHz频段由于载频比较高，方位分辨率也比较高，合成之后得分辨率和330GHz频段一样。

该双频段雷达对平面上9个散射点布局的场景进行双频段拼接ISAR成像的仿真结果如图4所示，可见，每一个散射点都获得了很好地聚焦。

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。