太赫兹孔径编码成像分辨性能研究

陈硕 罗成高 邓彬 秦玉亮 王宏强 庄钊文

陈硕, 罗成高, 邓彬, 秦玉亮, 王宏强, 庄钊文. 太赫兹孔径编码成像分辨性能研究[J]. 雷达学报, 2018, 7(1): 127-138. doi: 10.12000/JR17089
引用本文: 陈硕, 罗成高, 邓彬, 秦玉亮, 王宏强, 庄钊文. 太赫兹孔径编码成像分辨性能研究[J]. 雷达学报, 2018, 7(1): 127-138. doi: 10.12000/JR17089
Chen Shuo, Luo Chenggao, Deng Bin, Qin Yuliang, Wang Hongqiang, Zhuang Zhaowen. Research on Resolution of Terahertz Coded-aperture Imaging[J]. Journal of Radars, 2018, 7(1): 127-138. doi: 10.12000/JR17089
Citation: Chen Shuo, Luo Chenggao, Deng Bin, Qin Yuliang, Wang Hongqiang, Zhuang Zhaowen. Research on Resolution of Terahertz Coded-aperture Imaging[J]. Journal of Radars, 2018, 7(1): 127-138. doi: 10.12000/JR17089

太赫兹孔径编码成像分辨性能研究

doi: 10.12000/JR17089
基金项目: 国家自然科学基金(61701513, 61571011)
详细信息
    作者简介:

    陈 硕(1990–),男,出生于山东省菏泽市,国防科技大学电子科学学院博士生,从事太赫兹雷达孔径编码成像研究。E-mail: chenshuo_nudt@163.com

    罗成高(1987–),男,出生于湖北恩施,国防科学技术大学讲师,从事光学3维成像与显示、太赫兹雷达成像以及孔径编码雷达成像研究。E-mail: luochenggao@nudt.edu.cn

    邓 彬(1981–),男,出生于山东省邹城市,国防科技大学电子科学学院副研究员,从事合成孔径雷达、太赫兹雷达微动与成像等研究。E-mail: dengbin_nudt@163.com

    秦玉亮(1980–),男,出生于山东省潍坊市,国防科技大学电子科学学院副研究员,主要从事太赫兹雷达、雷达关联成像和电磁涡旋等研究。E-mail: qinyuliang@nudt.edu.cn

    王宏强(1970–),男,出生于陕西省宝鸡市,国防科技大学电子科学学院研究员,973技术首席,原863太赫兹专家,中国兵工学会太赫兹应用技术专业委员会委员,从事太赫兹雷达、雷达信号处理和自动目标识别等研究。E-mail: oliverwhq@tom.com

    庄钊文(1958–),男,出生于福建省南安市,国防科技大学电子科学学院教授,主要从事雷达信号处理、动目标识别和卫星导航与定位等研究。E-mail: zhaowenzhuang@nudt.edu.cn

    通讯作者:

    罗成高   luochenggao@nudt.edu.cn

  • 中图分类号: TN95

Research on Resolution of Terahertz Coded-aperture Imaging

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701513, 61571011)
  • 摘要: 太赫兹孔径编码成像综合了光学孔径编码成像和微波关联成像的基本原理,通过孔径编码天线改变目标区域太赫兹波空间幅相分布来实现高分辨、高帧率、前视凝视成像。基于孔径编码天线,该文设计了雷达成像系统和准光扫描光路,可同时实现系统孔径编码和波束扫描功能,理论推导并仿真分析了其成像质量影响因素,并在此基础上比较了不同算法对孔径编码成像分辨性能的影响,证明了稀疏重构类算法对孔径编码成像的优势,最后对比了孔径编码成像和同尺寸阵列实孔径成像的结果,论证出孔径编码成像系统具有高分辨,易于小型化,成本较低等优点。该成像方式可广泛应用于战场侦查、安检反恐和末制导等领域。

     

  • 图  1  太赫兹孔径编码成像系统

    Figure  1.  System of THz Coded-Aperture Imaging (TCAI)

    图  2  太赫兹孔径编码近距成像系统准光设计

    Figure  2.  Quasi-optical design of TCAI

    图  3  太赫兹孔径编码成像几何示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of TCAI

    图  4  孔径编码成像高分辨原理

    Figure  4.  High-resolution principle of TCAI

    图  5  不同调相范围下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  5.  Space correlations of the reference signal matrix under different phase modulation ranges

    图  6  不同调相范围下的参考信号矩阵时间相关性

    Figure  6.  Time correlations of the reference signal matrix under different phase modulation ranges

    图  7  不同调频系数下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  7.  Space correlations of the reference signal matrix under different frequency modulation coefficients

    图  8  不同时间采样间隔下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  8.  Space correlations of the reference signal matrix under different time-sampling intervals

    图  9  不同采样次数下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  9.  Space correlations of the reference signal matrix under different sampling times

    图  10  不同载频下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  10.  Space correlations of the reference signal matrix under different carrier frequencies

    图  11  不同编码孔径阵元数量下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  11.  Space correlations of the reference signal matrix under different reflector array-element numbers

    图  12  不同编码孔径阵元尺寸下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  12.  Space correlations of the reference signal matrix under different sizes of coding-aperture element

    图  13  不同成像距离下的参考信号矩阵空间相关性

    Figure  13.  Space correlations of the reference signal matrix under different imaging ranges

    图  14  待成像手枪目标及参考信号矩阵的时空非相关性

    Figure  14.  The imaging target of gun, space and time correlations of the reference signal matrix

    图  15  成像结果

    Figure  15.  The imaging results

    图  16  阵列实孔径成像和孔径编码成像对比

    Figure  16.  The comparisons of real array aperture and coded-aperture imaging

    表  1  成像基本参数

    Table  1.   The basic imaging parameters

    参数 取值
    孔径编码天线阵元数量 20×20
    孔径编码天线阵元边长lh×lv 0.02 m×0.02 m
    孔径编码天线边长 0.3 m×0.3 m
    信号振幅 A 1
    信号中心频率 fc 340 GHz
    信号线性调频系数 k 5×1012
    随机调相范围 [– ${\rm{{{π}} }}$/2  ${\rm{{{π}} }}$/2]
    采样间隔ts 2×10–6 s
    采样次数N 2×103
    目标中心斜距R 5 m
    成像单元尺寸lc×lc 0.01 m×0.01 m
    信噪比(SNR) 20 dB
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    表  2  成像时间比较

    Table  2.   The imaging time comparisons

    成像算法 运行时间(s)
    匹配滤波法 0.350714
    最小二乘法 0.679656
    Tikhonov法 1.239225
    OMP法 0.850584
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    表  3  关键成像参数

    Table  3.   The key imaging parameters

    成像方式 编码孔径阵列
    尺寸(m×m)
    编码孔径阵元数量 载频(GHz) 信噪比(dB) 成像距离(m)
    阵列实孔径1 0.4×0.4 40×40 340 20 7
    阵列实孔径2 0.4×0.4 400×400 340 20 7
    孔径编码 0.4×0.4 40×40 340 20 7
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  • [1] Liu H B, Zhong H, Karpowicz N, et al. Terahertz spectroscopy and imaging for defense and security applications[J]. Proceedings of the IEEE, 2007, 95(8): 1514–1527. DOI: 10.1109/JPROC.2007.898903
    [2] Cooper K B, Dengler R J, Llombart N, et al. THz imaging radar for standoff personnel screening[J]. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2011, 1(1): 169–182. DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2159556
    [3] Cui T J, Qi M Q, Wan X, et al. Coding metamaterials, digital metamaterials and programmable metamaterials[J]. Light:Science&Applications, 2014, 3(10): e218.
    [4] Levin A, Fergus R, Durand F, et al. Image and depth from a conventional camera with a coded aperture[J]. ACM Transactions on Graphics, 2007, 26(3): 70. DOI: 10.1145/1276377
    [5] Chan W L, Charan K, Takhar D, et al. A single-pixel terahertz imaging system based on compressed sensing[J]. Applied Physics Letters, 2008, 93(12): 121105. DOI: 10.1063/1.2989126
    [6] Li D Z, Li X, Cheng Y Q, et al. Radar coincidence imaging: An instantaneous imaging technique with stochastic signals[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2014, 52(4): 2261–2277. DOI: 10.1109/TGRS.2013.2258929
    [7] Li D Z, Li X, Cheng Y Q, et al. Radar coincidence imaging in the presence of target-motion-induced error[J]. Journal of Electronic Imaging, 2014, 23(2): 023014. DOI: 10.1117/1.JEI.23.2.023014
    [8] Cooper K B, Dengler R J, Chattopadhyay G, et al. A high-resolution imaging radar at 580 GHz[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2008, 18(1): 64–66. DOI: 10.1109/LMWC.2007.912049
    [9] Siegel P H. Terahertz technology[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002, 50(3): 910–928. DOI: 10.1109/22.989974
    [10] Sheen D M, Hall T E, Severtsen R H, et al.. Active wideband 350 GHz imaging system for concealed-weapon detection[C]. Proceedings of SPIE Passive Millimeter-Wave Imaging Technology, Orlando, Florida, United States, 2009, 7309: 73090I.
    [11] Yu N F, Genevet P, Kats M A, et al. Light propagation with phase discontinuities: Generalized laws of reflection and refraction[J]. Science, 2011, 334(6054): 333–337. DOI: 10.1126/science.1210713
    [12] Perez-Palomino G, Encinar J A, Dickie R, et al.. Preliminary design of a liquid crystal-based reflectarray antenna for beam-scanning in THz[C]. Proceedings of 2013 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Orlando, FL, USA, 2013: 2277–2278.
    [13] Perez-Palomino G, Barba M, Encinar J A, et al. Design and demonstration of an electronically scanned reflectarray antenna at 100 GHz using multiresonant cells based on liquid crystals[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2015, 63(8): 3722–3727. DOI: 10.1109/TAP.2015.2434421
    [14] Llombart N, Cooper K B, Dengler R J, et al. Confocal ellipsoidal reflector system for a mechanically scanned active terahertz imager[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2010, 58(6): 1834–1841. DOI: 10.1109/TAP.2010.2046860
    [15] Martinez-Lorenzo J A, Garcia-Pino A, Gonzalez-Valdes B, et al. Zooming and scanning Gregorian confocal dual reflector antennas[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2008, 56(9): 2910–2919. DOI: 10.1109/TAP.2008.928777
    [16] Imaizumi Y, Suzuki Y, Kawakami Y, et al.. A study on an onboard Ka-band phased-array-fed imaging reflector antenna[C]. Proceedings of 2002 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, San Antonio, TX, USA, 2002, 4: 144–147.
    [17] Hansen P C. Rank-Deficient and Discrete Ill-Posed Problems: Numerical Aspects of Linear Inversion[M]. Philadelphia, PA, USA: Society for Industrial and Applied Mathematics, 1998: 45–67.
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-10-19
  • 修回日期:  2017-12-13
  • 网络出版日期:  2018-02-28

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