尹偉 魯振興 李寶蓮

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

隨著近年來(lái)國(guó)內(nèi)外安全局勢(shì)的發(fā)展，在公共場(chǎng)所對(duì)行人進(jìn)行安檢成像的需求逐漸增長(zhǎng)[1]?，F(xiàn)有的安檢手段依賴于人工檢查，通過(guò)效率低，因此大通量成像安檢設(shè)備一直是公共安全技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。

太赫茲(Terahertz, THz)頻段穿透特性好與輻射能量低，因此極為適合進(jìn)行無(wú)損透視檢測(cè)[2]。目前，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室、西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室等研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了多種頻率與體制的太赫茲成像實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的研制，在實(shí)驗(yàn)室條件下獲得了極高的分辨率[3,4]。國(guó)內(nèi)的電子科技大學(xué)、中國(guó)工程物理研究院等研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研制[4,5]。但是太赫茲安檢設(shè)備仍面臨硬件成本高、成像速度慢的問(wèn)題。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出一種基于多輸入多輸出（multiple input multiple output, MIMO）體制的大通量太赫茲成像系統(tǒng)。MIMO技術(shù)利用發(fā)射接收正交信號(hào)，形成較大的虛擬陣列，從而降低發(fā)射接收信道數(shù)量，從而降低硬件成本。采用了二維陣列體制，極大縮短錄取時(shí)間，適合大通量場(chǎng)景。

本文首先進(jìn)行了太赫茲成像系統(tǒng)體制的論證，對(duì)系統(tǒng)頻段、掃描方式進(jìn)行了分析。然后，進(jìn)行了天線陣列設(shè)計(jì)、波形設(shè)計(jì)，給出了基于MIMO體制太赫茲成像算法。最后，采用計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了MIMO雷達(dá)單點(diǎn)目標(biāo)的成像。

1 太赫茲成像系統(tǒng)論證

1.1 頻段選擇

太赫茲系統(tǒng)不同頻率的特性差異主要體現(xiàn)在大氣衰減與距離分辨能力等方面。

水蒸汽和氧氣導(dǎo)致的電磁波傳播衰減在太赫茲頻段的影響十分嚴(yán)重。適合應(yīng)用的太赫茲頻率主要集中在幾個(gè)衰減較低的大氣窗口，主要包括140GHz、220GHz、350GHz與600GHz。

太赫茲穿透成像系統(tǒng)需要較高的分辨率以區(qū)別遮擋物、目標(biāo)的回波。距離分辨率需要不超過(guò)≤1cm量級(jí)，需要信號(hào)帶寬≥15GHz。信號(hào)載頻通常為信號(hào)帶寬的10倍，因此載頻至少在150GHz以上。

綜合考慮大氣衰減窗口與距離分辨特性，太赫茲安檢成像適合采用220GHz、350GHz、640GHz頻率。

1.2 孔徑體制對(duì)比

太赫茲成像系統(tǒng)利用方位與俯仰向孔徑實(shí)現(xiàn)方位-俯仰分辨，包括多種實(shí)現(xiàn)方式。

（1）兩維運(yùn)動(dòng)方式：?jiǎn)蝹€(gè)收發(fā)通道通過(guò)在方位-俯仰面中運(yùn)動(dòng)形成兩維孔徑。

（2）一維陣列結(jié)合一維運(yùn)動(dòng)的方式：垂直方向陣列通過(guò)電掃描形成多個(gè)垂直方向窄波束，陣列在水平方向移動(dòng)形成虛擬陣列。

（3）兩維陣列方式：垂直、水平兩個(gè)方向設(shè)置兩維陣列。比較不同孔徑實(shí)現(xiàn)方式，兩維陣列不需要陣列運(yùn)動(dòng)，成像時(shí)間極短，因此十分適合大通量安檢成像。

2 基于MIMO體制的太赫茲安檢成像系統(tǒng)

2.1 天線設(shè)計(jì)

兩維陣列方式可以在較短時(shí)間的完成數(shù)據(jù)錄取，但是其所需的陣元數(shù)目極大，因此通常結(jié)合MIMO技術(shù)降低陣元數(shù)量。

雷達(dá)陣列長(zhǎng)度與分辨率的關(guān)系可以近似表示為：

其中，λ為波長(zhǎng)；ρ為分辨率，R為成像距離。若在2m位置達(dá)到1cm分辨率，220GHz需要約0.273m尺寸陣列。陣列中的陣元間距通常滿足：

其中，L為成像區(qū)域的大小。若在2m位置達(dá)到1m尺寸的成像區(qū)域，則陣元間距不超過(guò)2.7mm，可取陣元間距為1.8mm。

圖1展示了一種MIMO兩維陣列排布，陣列形成口字型，口字型上下邊緣為發(fā)射陣列，口字型的左右邊緣為接收陣列?？谧中兔總€(gè)邊緣為75個(gè)陣元，發(fā)射與接收陣元總數(shù)為300個(gè)，虛擬陣元數(shù)目可達(dá)到22500個(gè)。MIMO技術(shù)降低了75倍的陣元數(shù)目，極大降低的硬件的復(fù)雜度。

圖1：MIMO兩維收發(fā)陣列

2.2 波形設(shè)計(jì)

MIMO技術(shù)可采用成熟度較高的時(shí)分方式，發(fā)射陣元分時(shí)發(fā)射。若脈沖重復(fù)間隔T為1us，對(duì)應(yīng)的最大探測(cè)距離為150m。發(fā)射陣元數(shù)M=150，則完成一次探測(cè)的時(shí)間為MT=150us，成像時(shí)間極短。另外，根據(jù)系統(tǒng)分辨率與信號(hào)帶寬的關(guān)系，可取20GHz帶寬、220GHz載頻，對(duì)應(yīng)的距離分辨率約為1cm。

2.3 成像算法

太赫茲安檢成像系統(tǒng)采用時(shí)分MIMO體制，發(fā)射單元分時(shí)發(fā)射信號(hào)，接收單元同時(shí)接收信號(hào)，信號(hào)處理的流程主要包括信號(hào)Dechirp、數(shù)據(jù)重整、脈沖壓縮與后向投影成像處理。

安檢成像系統(tǒng)的第m個(gè)發(fā)射通道的發(fā)射信號(hào)為：

其中，t為時(shí)間序列，T為脈沖重復(fù)間隔，fc為載頻，Kr為調(diào)頻率。第n個(gè)接收通道的回波信號(hào)可表示為：

其中，τmn為第m個(gè)發(fā)射通道與第n個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的目標(biāo)時(shí)延，M為發(fā)射通道數(shù)量，N為接收通道數(shù)量。進(jìn)行Dechirp處理并對(duì)接收信號(hào)按照脈沖重復(fù)時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)重整后，可形成MN路信號(hào)。第m個(gè)發(fā)射通道與第n個(gè)接收通道的信號(hào)可以表示為：

進(jìn)行脈沖壓縮后第m個(gè)發(fā)射通道與第n個(gè)接收通道對(duì)應(yīng)的信號(hào)為：

其中，B為信號(hào)帶寬，fd為目標(biāo)的多普勒頻率，可以表示為fd=-2v/l，v為等效徑向速度。

由于脈沖壓縮后目標(biāo)存在距離徙動(dòng)，同時(shí)距離徙動(dòng)量會(huì)隨目標(biāo)位置發(fā)生變化，很難進(jìn)行統(tǒng)一的校正。借鑒合成孔徑雷達(dá)信號(hào)處理思路，可以采用后向投影算法[6]。

3 仿真驗(yàn)證

基于上節(jié)天線設(shè)計(jì)的結(jié)果與信號(hào)處理流程，進(jìn)行太赫茲安檢成像仿真，采用220GHz載頻、20GHz帶寬、1us脈沖寬度，目標(biāo)位置設(shè)定為2m距離、0.4m俯仰、0.3m方位。目標(biāo)位置設(shè)置為偏離陣面法向，距離徙動(dòng)更明顯。

圖2展示了脈沖壓縮后不同發(fā)射與接收通道的信號(hào)?？梢钥吹侥繕?biāo)在不同通道上聚焦在不同的距離位置，即存在距離徙動(dòng)。圖3展示了進(jìn)行后向投影算法成像后方位-俯仰面的成像結(jié)果。后向投影算法精確校正了目標(biāo)與陣元位置差異導(dǎo)致的距離徙動(dòng)，完成了目標(biāo)的精確聚焦。經(jīng)評(píng)估分辨率滿足1cm的指標(biāo)要求，驗(yàn)證了天線陣列設(shè)計(jì)的有效性。

圖2：脈沖壓縮后信號(hào)

圖3：方位-俯仰面成像結(jié)果

4 總結(jié)

針對(duì)大通量安檢需求，本文介紹了一種MIMO體制太赫茲成像系統(tǒng)。首先對(duì)太赫茲成像系統(tǒng)的頻段選擇、孔徑體制進(jìn)行了對(duì)比，選定220GHz以上頻率、兩維陣列結(jié)合MIMO技術(shù)的系統(tǒng)體制。進(jìn)行了天線設(shè)計(jì)，采用150個(gè)發(fā)射陣元與150個(gè)接收陣元形成了22500個(gè)虛擬陣元，極大降低了硬件通道數(shù)量。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了信號(hào)處理流程，并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了，給出了距離徙動(dòng)圖像與方位-俯仰成像結(jié)果，驗(yàn)證了天線設(shè)計(jì)與信號(hào)處理算法的有效性。

MIMO體制太赫茲成像系統(tǒng)充分利用了太赫茲頻段的穿透能力，并結(jié)合MIMO技術(shù)極大降低了通道數(shù)量，具有輻射功率低、成像錄取時(shí)間短的優(yōu)勢(shì)，有利于機(jī)場(chǎng)、火車站等關(guān)鍵場(chǎng)所的大通量安檢成像。