馬曉萌，李涼海，張振華

（北京遙測技術(shù)研究所 北京 100076）

引 言

戰(zhàn)場偵察、高精度制導(dǎo)的關(guān)鍵是對(duì)目標(biāo)高實(shí)時(shí)性、高分辨率的識(shí)別與定位，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要能精確、實(shí)時(shí)采集情報(bào)信息的系統(tǒng)裝備[1]。光電和紅外傳感設(shè)備均能提供分辨率很高的實(shí)時(shí)圖像，但在云層、沙塵、霧霾以及其他遮擋、散射、衰減光線細(xì)微顆粒存在的情況下無法使用；微波合成孔徑雷達(dá)雖然可以在上述天氣條件下可靠工作，實(shí)現(xiàn)真正意義上的全天時(shí)、全天候信息獲取，但相對(duì)而言分辨率較差，系統(tǒng)圖像幀頻較低，導(dǎo)致對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力差，不能提供實(shí)時(shí)的機(jī)動(dòng)目標(biāo)位置信息，無法實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)系統(tǒng)的閉環(huán)。

太赫茲THz（Terahertz）波指頻率處于0.1THz～10THz頻段的電磁波，它介于毫米波和遠(yuǎn)紅外之間。與其他電磁波相比，太赫茲波具有許多獨(dú)特的優(yōu)勢[2～4]，如許多爆炸物和毒品等在THz波段都有指紋譜，可使用THz波進(jìn)行緝毒、反恐和安檢；太赫茲波光子能量比較低（約合4.1meV），不會(huì)破壞被檢物質(zhì)，而且水對(duì)太赫茲輻射是強(qiáng)吸收的，所以THz波對(duì)人體是很安全的；太赫茲波對(duì)許多介電材料和非極性物質(zhì)具有強(qiáng)穿透性，可用于火災(zāi)救護(hù)、沙漠救援或者戰(zhàn)場尋人等；太赫茲波波長短，可以獲得更高的圖像分辨率，將其用于偵察和精確制導(dǎo)軍事領(lǐng)域，有利于目標(biāo)識(shí)別和高精度打擊指引。這些特性使得太赫茲波在雷達(dá)成像方面具有不可估量的發(fā)展?jié)摿?。然而，目前國?nèi)外相關(guān)研究主要集中在太赫茲實(shí)孔徑成像上，文獻(xiàn)[5]從體制角度論述了近幾年來國內(nèi)外各主要研究機(jī)構(gòu)對(duì)太赫茲雷達(dá)成像的研究情況。結(jié)合太赫茲技術(shù)的合成孔徑雷達(dá)（THz SAR）兼具光波段和微波波段傳感設(shè)備的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨、全天候、全動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)成像，必將成為未來信息戰(zhàn)中重要的軍事手段。總的來說，THz SAR具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①分辨率高，目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)。在高精度制導(dǎo)應(yīng)用中，THz SAR比實(shí)孔徑THz成像系統(tǒng)更具優(yōu)勢。

②圖像幀頻高。工作在EHF頻段（30GHz～300GHz）的THz SAR合成孔徑時(shí)間比微波SAR小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，可滿足實(shí)時(shí)制導(dǎo)的需求。

③穿透能力強(qiáng)。與光學(xué)設(shè)備相比，太赫茲輻射可輕易穿透煙霧沙塵、金屬布料等，是復(fù)雜環(huán)境中成像的理想光源。

④抗干擾能力強(qiáng)。現(xiàn)有的干擾手段主要集中在微波及紅外波段，難以對(duì)THz SAR實(shí)施有效干擾；同時(shí)，太赫茲頻段天線波束極窄，這大大降低了對(duì)雷達(dá)主瓣波束干擾的可能性。

⑤小型化。THz SAR系統(tǒng)信噪比高，天線體積小，易實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的SWAP（Size Weight And Power）設(shè)計(jì)，適合微小無人機(jī)等平臺(tái)應(yīng)用。

目前THz SAR前端器件發(fā)展還不成熟，缺少高功率、大帶寬的可實(shí)用太赫茲源，導(dǎo)致THz SAR的作用距離較近；同時(shí)由于THz SAR的高波束指向和極短波長，致使成像場景很窄，偵察范圍較小。本文針對(duì)THz SAR波束窄、成像場景窄的特點(diǎn)，提出一種THz SAR寬幅、高分辨成像方法，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行論證并提出一種改進(jìn)的R-D成像算法，最后通過Matlab仿真驗(yàn)證了該成像方法的可行性。

1 寬幅、高分辨THz SAR成像工作原理及參數(shù)分析

THz SAR波長短、波束窄，導(dǎo)致成像場景很窄，如在220GHz工作頻率下，場景斜距設(shè)為2km，即使天線尺寸做到0.2m×0.2m，它能照射到的幅寬也僅為14m左右，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)成像區(qū)域的需求顯然遠(yuǎn)寬于太赫茲條帶寬度。通過減小天線尺寸，可以增加場景成像幅寬，但會(huì)縮短系統(tǒng)的作用距離。為此，本文提出一種距離向電掃描模式的THz SAR寬幅場景成像技術(shù)，可在增加場景成像幅寬的同時(shí)，保證方位分辨率不受影響。

1.1 寬幅、高分辨THz SAR成像工作原理

圖1 Scan SAR工作原理示意圖Fig.1 The schematic diagram of Scan SAR working principle

傳統(tǒng)Scan SAR是寬幅成像的主要模式[6]。將寬測繪帶分為多個(gè)子帶，雷達(dá)天線波束周期性地從場景近端逐個(gè)子帶掃描到場景遠(yuǎn)端，對(duì)各子帶進(jìn)行單獨(dú)處理，分別成像后再進(jìn)行子帶拼接。相對(duì)全孔徑條帶SAR，每一子帶內(nèi)對(duì)目標(biāo)的照射時(shí)間減少了，即Scan SAR以犧牲方位分辨率為代價(jià)獲取更寬的測繪帶。兩子帶Scan SAR的工作原理如圖1所示，其中，XB為一個(gè)子帶中雷達(dá)脈沖串（Burst）的持續(xù)時(shí)間，XP為同一子帶相鄰兩個(gè)Burst掃描起始時(shí)間的間隔，若要得到連續(xù)且均勻的子帶圖像，需控制合成孔徑時(shí)間TS≥XP+XB。

方位向高分辨是THz成像的優(yōu)勢，簡單移植傳統(tǒng)Scan SAR成像方法到THz SAR成像會(huì)導(dǎo)致分辨率降低。本文結(jié)合現(xiàn)有的Scan SAR思想及常規(guī)SAR寬幅成像理論，距離向采用電掃描方式改變天線波束俯仰角，在發(fā)射脈沖間切換波束指向掃描不同子帶，同時(shí)重頻必須保證每個(gè)波束不模糊，而方位向采用條帶模式SAR成像，這樣就得到了連續(xù)的寬測繪帶回波信息，接著對(duì)每個(gè)子帶單獨(dú)進(jìn)行成像處理，最后通過子帶拼接形成整幅圖像。

圖2為寬幅、高分辨THz SAR成像原理示意圖，可以看出數(shù)據(jù)采集過程并不會(huì)出現(xiàn)Scan SAR的時(shí)間間隙。采用簡單的兩個(gè)子帶情況進(jìn)行分析，首先通過計(jì)算天線在距離向上能覆蓋的測繪帶范圍確定各子帶寬度，重頻需設(shè)為子帶模式的N倍（N為子帶數(shù)）。信號(hào)采集過程如圖2（b）所示，圖中給出了兩個(gè)子帶之間的關(guān)系，具體的數(shù)據(jù)采集過程如下：

①發(fā)射第一個(gè)脈沖，波束指向第一個(gè)子帶，對(duì)該子帶回波信息進(jìn)行錄取；

②發(fā)射第二個(gè)脈沖，電信號(hào)激勵(lì)波束改變俯仰角，切換到第二個(gè)子帶，獲取回波信息；

③接著發(fā)射第三個(gè)脈沖，波束指向回到第一個(gè)子帶，重復(fù)進(jìn)行步驟①、②，直至全部測繪帶掃描完畢。

圖2 寬幅、高分辨THz SAR成像原理示意圖Fig.2 The schematic diagram of THz SAR imaging with wide range and high resolution

對(duì)比傳統(tǒng)Scan SAR和距離向電掃描THz SAR工作原理可以看出，兩種工作模式都是改變天線波束俯仰角在多個(gè)子帶間切換進(jìn)行掃描，并對(duì)子帶進(jìn)行拼接獲得較條帶SAR更寬的測繪帶。但傳統(tǒng)Scan SAR在各個(gè)子帶內(nèi)照射時(shí)間相對(duì)較少，使得方位向分辨率降低，而本文提出的THz SAR寬幅場景成像方法使各子帶目標(biāo)皆可獲得整個(gè)合成孔徑時(shí)間的照射，不會(huì)影響分辨率。

1.2 系統(tǒng)參數(shù)分析

考慮到太赫茲波的大氣衰減窗口及相關(guān)器件的發(fā)展程度[7，8]，選擇220GHz作為工作載頻，對(duì)寬幅場景（1km×1km）成像雷達(dá)系統(tǒng)的幾個(gè)主要指標(biāo)進(jìn)行分析。

載機(jī)平臺(tái)飛行高度1km時(shí)，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)0.1m×0.1m的分辨率可滿足大部分作戰(zhàn)使用對(duì)于目標(biāo)指示精度的要求。由理想情況下條帶SAR方位極限分辨率與天線尺寸關(guān)系可知，天線方位向尺寸Da不能超過0.2m。受波束寬度與幅寬約束，為保證合適的子帶數(shù)，對(duì)于1km×1km場景可設(shè)幅寬Lr=200m，則1km寬度只需5個(gè)子帶即可，天線距離向尺寸約為0.04m。

脈沖重復(fù)頻率（PRF）的選擇需同時(shí)抑制方位向模糊和距離向模糊。為抑制方位向模糊，要求PRF需大于方位向多普勒信號(hào)的帶寬（Ba），考慮天線波束展寬和天線罩的影響，一般取PRF≥1.2Ba；而PRF的最大值需滿足不同時(shí)接收來自待測距離處和來自其他距離處的任何主瓣回波。所以，子帶PRF由確定，其中，v為載機(jī)速度，c為光速，Δr為波束覆蓋區(qū)域的斜距差。必須說明，在本方法中系統(tǒng)PRF需用單個(gè)子帶PRF乘以子帶數(shù)5，從而保證每一子帶都不出現(xiàn)模糊[9]。綜合考慮載機(jī)高度、工作下視角等各因素，系統(tǒng)脈沖重復(fù)頻率取10kHz。

為了滿足距離向高分辨，雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為大時(shí)寬帶寬信號(hào)。由于常規(guī)的匹配濾波脈壓方法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換芯片壓力很大，而且波束寬度僅為0.4°，單子帶成像場景窄，因此距離脈壓時(shí)選擇更適合窄帶場景的解線頻調(diào)（Dechirp）脈壓方式。經(jīng)Dechirp處理后的差頻信號(hào)最大頻寬B為：

其中，γ為多普勒調(diào)頻率，Tp為脈沖持續(xù)時(shí)間，ΔR為Tp對(duì)應(yīng)的距離。由此可見，比值Δr/ΔR越小，差頻信號(hào)的最大頻寬與原帶寬Br之比也越小，本文子帶中該比值約為1/10，即將帶寬降低了10倍。這樣不僅有效地降低了系統(tǒng)的采樣率，簡化了后續(xù)系統(tǒng)設(shè)備（中放和A/D轉(zhuǎn)換）的設(shè)計(jì)，還能減小運(yùn)算量，對(duì)電路運(yùn)算速度的要求大大降低。顯然，這種頻寬的降低是以時(shí)間的加長為代價(jià)的，要求發(fā)射大時(shí)寬的寬帶信號(hào)。

表1為經(jīng)上述分析得到的寬幅場景成像的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)。

表1 太赫茲合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)Table 1 Simulation parameters of THz SAR

2 寬幅、高分辨THz SAR成像算法分析及仿真

2.1 成像算法分析

距離徙動(dòng)會(huì)造成回波信號(hào)距離向和方位向的耦合，這種耦合導(dǎo)致不能簡單地將二維脈沖壓縮處理分成距離向和方位向兩次處理來完成。因此，原則上講，必須要在匹配濾波處理中將距離徙動(dòng)的影響校正掉，但實(shí)際操作中，是否需要校正取決于相對(duì)距離徙動(dòng)（Rq/ρr）和相對(duì)距離徙動(dòng)差（ΔRq/ρr）這兩個(gè)值的大小。

根據(jù)正側(cè)視時(shí)雷達(dá)與目標(biāo)的幾何關(guān)系，可得距離徙動(dòng)和場景兩端的距離徙動(dòng)差分別為[1]：

其中，λ為波長，R0為目標(biāo)到雷達(dá)的垂直距離。

根據(jù)表1系統(tǒng)參數(shù)可計(jì)算得到：Rq=0.01225m，相對(duì)距離徙動(dòng)和相對(duì)距離徙動(dòng)差足夠小，無需校正距離徙動(dòng)，因此本文成像處理選擇對(duì)常規(guī)距離-多普勒（R-D）算法[10]進(jìn)行改進(jìn)。圖3為改進(jìn)的R-D算法成像流程圖。

寬幅場景和極高信號(hào)帶寬使得初始采樣點(diǎn)數(shù)非常多，為便于數(shù)據(jù)存取和提高成像效率，在成像處理時(shí)采取分塊的方式。首先將回波數(shù)據(jù)分為N塊，每塊為其對(duì)應(yīng)的子帶數(shù)據(jù)，則每塊行采樣點(diǎn)為整個(gè)場景采樣點(diǎn)的1/N，選取各子帶中心與平臺(tái)的垂直距離作為參考距離Rref，每一子帶回波分別與其對(duì)應(yīng)的參考信號(hào)完成差頻處理。

圖3 改進(jìn)的R-D算法成像流程圖Fig.3 Flow chart of improved R-D algorithm

設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，Ri為某一子帶中任一點(diǎn)目標(biāo)到雷達(dá)的距離，雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)sr（τ，t）為：

其中，τ表示快時(shí)間，t表示慢時(shí)間。用一個(gè)時(shí)間固定，而頻率、調(diào)頻率相同的信號(hào)作為參考信號(hào)，與回波信號(hào)作差頻處理。設(shè)各子帶中參考距離為場景中心對(duì)應(yīng)垂直斜距Rrefi，則參考信號(hào)為：

其中，Tref為參考信號(hào)的脈寬，它比Tp稍大一些。令，則差頻信號(hào)輸出為：

Dechirp脈壓在頻域?qū)崿F(xiàn)，對(duì)式（5）差頻信號(hào)做關(guān)于快時(shí)間τ（以參考時(shí)間點(diǎn)2Rrefi/c為基準(zhǔn)）的傅里葉變換，得到差頻信號(hào)的頻域表達(dá)式：

經(jīng)過RVP校正后，各子帶皆為以零頻為中心對(duì)稱的sinc狀窄脈沖，還需對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行校正。圖4為一次N個(gè)子帶循環(huán)掃描時(shí)間內(nèi)各子帶對(duì)應(yīng)的參考距離關(guān)系，其中X0為子帶1中心的X軸坐標(biāo)，Wr為子帶寬度，θi為其對(duì)應(yīng)側(cè)視角。各子帶參考距離Rrefi與第一個(gè)子帶的參考距離Rref1關(guān)系為：

因此，為使各子帶目標(biāo)成像在正確斜距位置上，需對(duì)各子帶壓縮后信號(hào)進(jìn)行Δri偏移校正，校正因子為：

雷達(dá)在發(fā)射脈沖到接收回波期間，平臺(tái)也以速度v勻速前進(jìn)，兩子帶切換間平臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離為v/PRF=0.01m，即一次N個(gè)子帶切換掃描過程，斜距Ri可視為對(duì)應(yīng)同一時(shí)刻的斜距，只需考慮距離向上位置的不同，方位向上的平臺(tái)移動(dòng)完全可以忽略，即仍可以“一步一?！碧幚?。

圖4 各子帶參考距離幾何關(guān)系Fig.4 The geometric relationship of reference ranges of sub-stripes

接著進(jìn)行子帶拼接，需對(duì)各子帶寬度進(jìn)行截取，這通過加窗實(shí)現(xiàn)，窗函數(shù)寬度為子帶寬度對(duì)應(yīng)的斜距，則整個(gè)場景的距離壓縮結(jié)果可由式（11）表示。

完成Dechirp脈壓處理后，信號(hào)帶寬已大大降低，根據(jù)新的采樣頻率確定所需距離向采樣點(diǎn)數(shù)，再進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置和方位壓縮，方位壓縮采用常規(guī)的匹配濾波壓縮方式，輸出信號(hào)：

2.2 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文成像算法的可行性，對(duì)1km×1km的寬幅場景進(jìn)行Matlab成像仿真，仿真參數(shù)如表1所示。模擬的成像場景如圖5（a）所示，場景近端距離機(jī)下點(diǎn)位置最短2km，每一列小房子代表1條子帶，為便于觀察，設(shè)置相鄰兩個(gè)子帶灰度值有所區(qū)別。天線波束寬度在距離向至少能覆蓋整個(gè)子帶幅寬。圖5（b）表示圖5（a）中的小房屋RCS單元，由50×50的點(diǎn)陣構(gòu)成，規(guī)定兩點(diǎn)之間的像素間隔約為4m。

圖5 成像場景的RCS仿真模擬Fig.5 RCS simulation of imaging scene

仿真結(jié)果如圖6所示，圖6（a）為整個(gè)場景錄得的回波數(shù)據(jù)，圖6（b）為其中10個(gè)脈沖的回波數(shù)據(jù)?？梢钥吹?，每隔5個(gè)脈沖，回到子帶1對(duì)應(yīng)初始距離門位置，且不同子帶的回波顯示在其相對(duì)應(yīng)的距離門位置，但所占距離門總長度為一個(gè)Tp對(duì)應(yīng)距離門數(shù)，而在其他距離門處回波數(shù)據(jù)為零。另外，Tp相對(duì)脈沖發(fā)射間隔較寬，造成相鄰兩子帶間部分重疊。圖6（c）為距離向壓縮后的數(shù)據(jù)，可以看出距離徙動(dòng)基本可以忽略。圖6（d）為方位向壓縮并經(jīng)地斜校正后的地距圖像，可以看出成像結(jié)果基本與相應(yīng)的場景位置吻合，成像效果良好。圖6（e）為放大RCS（225，200）處目標(biāo)的成像結(jié)果等高線圖。圖6（f）為取第1078個(gè)距離門處部分方位向壓縮數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行100倍插值得到的3dB譜圖，方位向采樣間隔為v/PRF=0.01m，3dB寬度大約為12個(gè)采樣點(diǎn)，即方位向分辨率達(dá)到0.12m，與本文要求的方位向理論分辨率ρa(bǔ)=0.1m基本一致。

3 結(jié)束語

本文通過分析太赫茲合成孔徑雷達(dá)成像特點(diǎn)，提出一種THz SAR寬幅、高分辨成像方法，該方法通過在發(fā)射脈沖間切換波束指向掃描不同子帶，得到連續(xù)的寬測繪帶回波數(shù)據(jù)，通過對(duì)每個(gè)子帶單獨(dú)成像處理及子帶拼接形成整幅圖像。本文還提出了一種適用于該成像方法的改進(jìn)R-D算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)220GHz頻段1km×1km的寬幅場景，0.1m×0.1m的高分辨率成像仿真。仿真結(jié)果表明，本文方法能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)寬幅場景的高分辨成像，在高精度制導(dǎo)領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

圖6 仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results

[1] 保 錚，邢孟道，王 彤.雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.Bao Zheng，Xing Mengdao，Wang Tong.Radar Imaging Techniques[M].Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2005.

[2] Roel Heremans，Marijke Vandewal，Marc Acheroy.Synthetic Aperture Imaging Extended towards Novel THz Sensors[C]//IEEE Sensors 2008 Conference.Lecce Italy，2008：438 ～441.

[3] Krozer Viktor，Loffler Torsten，Dall Jorgen，et al.Terahertz Imaging Systems with Aperture Synthesis Techniques[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques，2010，58（7）： 2027 ～2039.

[4] Cooper K B，Dengler R J，Chattopadhyay G，et al.THz Imaging Radar for Standoff Personnel Screening[J].IEEE Transactions on Terahertz and Technology，2011，1（1）：169 ～181.

[5] 梁美彥，鄧 朝，張存林.太赫茲雷達(dá)成像技術(shù)[J].太赫茲科學(xué)與電子信息學(xué)報(bào)，2013，11（2）：189～198.Liang Meiyan，Deng Chao，Zhang Cunlin.THz Radar Imaging Technology[J].Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology，2013，11（2）：189 ～198.

[6] 趙志偉.星載掃描干涉合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)及信號(hào)處理技術(shù)[D].北京：中國科學(xué)院電子學(xué)研究所，2007.Zhao Zhiwei.The Techniques for Space-Borne Scan Interferometric Synthetic Aperture Radar System and Signal Processing[D].Beijing： Institute of Electronics，Chinese Academy of Sciences，2007.

[7] Essen H，Wahlen A，Sommeretal R，et al.Development of a 220-GHz Experimental Radar[C]//2008 German Microwave Conference.Germany，2008：1 ～4.

[8] 胡偉東，張 萌，穆晨晨，等.220GHz脈沖成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代科學(xué)與儀器，2012，12（6）：20～22.Hu Weidong，Zhang Meng，Mu Chenchen，et al.Research on Pulsed Imaging and Applications Technology at 220GHz[J].Modern Scientific Instruments，2012，12（6）：20 ～22.

[9] Cumming I G，Wong F H.合成孔徑雷達(dá)成像——算法與實(shí)現(xiàn)[M].洪文，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2007.Cumming I G，Wong F H.Digital Processing of Synthetic Aperture Radar Data Algorithms and Implementation[M].Hong Wen，Trans.Beijing： Publishing House of Electronics Industry，2007.

[10] 李 晉.太赫茲雷達(dá)系統(tǒng)總體與信號(hào)處理方法研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2010.Li Jin.Research on Terahertz Radar System and Its Signal Processing[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2010.