太赫兹雷达成像技术

第1章　概论
　　1.1　引言
　　太赫兹波泛指频率在0.1～10THz波段内的电磁波，波长对应3mm～30μm，狭义的太赫兹波是指频率在0.3～3THz波段的电磁波，位于微波和红外之间，处于电子学向光学的过渡频段。在早期发展阶段，太赫兹波也称为亚毫米波或远红外波，亚毫米在我国早期的计量单位定义中对应丝米。19世纪20年代，美国学者*早提出“红外与电波结合”[1]，1970年正式出现“太赫兹”一词[2]，1988年世界*部太赫兹雷达问世[3]。近年来，随着太赫兹波产生、探测、传输等技术的逐步发展，太赫兹频段已成为军事高科技竞争的新的战略制高点，太赫兹雷达实验系统不断涌现。相比于微波雷达，太赫兹雷达波长短、带宽大，具有极高的空时频分辨率[4， 5]：在空间上意味着成像分辨率高，同时目标粗糙结构和细微结构变得可见，能够对目标特征进行精细刻画；在时间上意味着成像帧率高，有利于对目标实时成像和引导武器系统精确打击；在频谱上意味着多普勒敏感，有利于微动探测和高精度速度估计。此外，太赫兹雷达波束窄使得天线增益和角跟踪精度高；频段宽易于实现抗干扰，而严重的大气衰减客观上也对太赫兹雷达形成了保护；器件小使系统可以高度集成化、小型化、阵列化，适合于小型无人机及其集群、卫星、导弹等平台搭载；能够反材料隐身和外形隐身，并利用传播特性近光学特点大量使用准光器件对波束进行扩束、聚焦、准直等调控。相比于激光雷达，太赫兹波穿透烟雾、浮尘、沙土的能力更强，且对空间高速运动目标的气动光学效应与热环境效应不敏感，可用于复杂环境和空间高速运动目标探测。
　　可见，太赫兹技术和太赫兹雷达在军民领域具有广阔的应用前景，因此受到世界强国的高度重视。美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA)自1999年以来持续安排了亚毫米波焦平面成像技术(submillimeter wave imaging focal-plane-array technology，SWIFT)、高频集成真空电子学(high frequency integrated vacuum electronics，HiFIVE)、太赫兹作战延伸、太赫兹电子学等相关项目[6]，2012年推出视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar，ViSAR)计划[7]，2014年推出成像雷达先进扫描技术(advanced scanning technology for imaging radar，ASTIR)计划[8]，2016年在专家雷达特征解决方案(expert radar signature solutions，ERADS)项目中加强亚毫米波目标特性测量雷达的研究。欧盟相继提出第七框架计划(2011～2019年)和第八框架计划(2020地平线计划)[9]，大力发展太赫兹人体安检、通信、微制造、芯片等技术[10-12]，经费超过3000万欧元。国内方面，在原973/863以及国家自然科学基金项目、国家重点研发计划等支持下，人们在太赫兹波产生、检测、传输发射组件、应用系统方面取得了重要进展，“十三五”期间围绕核心器件性能提升和“杀手级应用”持续加大投入。太赫兹技术和太赫兹雷达正处于实验验证向实际应用的过渡阶段，基础和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器件成熟程度、性能极限、应用方式等方面存在争议，但其科学价值、应用前景和发展潜力得到人们越来越多的关注和认可。
　　与微波毫米波雷达和激光雷达相比，太赫兹雷达存在一定的频段特殊性。下面主要从雷达系统、目标特性、目标成像、应用技术四个方面概述太赫兹雷达研究进展情况，*后对太赫兹雷达技术的重点发展方向进行展望。
　　1.2　太赫兹雷达系统
　　太赫兹波产生辐射的方式主要分为电子学和光学两类，其产生机理与典型代表如图1.1所示。据此，太赫兹雷达可分为电子学太赫兹雷达和光学太赫兹雷达两类。量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)和半导体激光器太赫兹雷达采用激光激励，也归入光学太赫兹雷达。
　　图1.1　太赫兹波产生机理与典型代表
　　1.2.1　电子学太赫兹雷达
　　目前报道的电子学太赫兹雷达系统主要基于固态电子学器件和真空电子学器件，一般采用外差式接收方式。根据公开报道，220GHz电子学器件发展水平(2020年)如表1.1所示。此外，使用准光光路的电子学太赫兹雷达单独介绍。
　　表1.1　220GHz电子学器件发展水平(2020年)
　　固态电子学器件以其相对先进的工艺技术成为目前太赫兹雷达实验系统收发设备的主要构成。20世纪90年代末，美国弗吉尼亚大学在GaAs肖特基二极管倍频技术方面获得突破[13， 14]，使得基于固态电子学倍频源的太赫兹雷达技术向前迈进了一大步，后来在2004年分离形成的弗吉尼亚二极管公司(Virginia Diodes Incorporation，VDI)成为业界在固态电子学倍频源方面的主要代表。2008年，美国加州理工学院喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)成功研制的0.6THz雷达，是第一部具有高分辨率测距能力的雷达系统[15]。接收端混频的参考信号同样需要倍频并需要一定差频，因此采用双源结构实现相干探测，这也是目前太赫兹雷达的主流架构。
　　欧洲以德国为**早开展了相关系统研究，包括瑞典、丹麦、英国、以色列、荷兰等国的研究机构也纷纷基于不同方式建立了电子学太赫兹雷达实验系统。2008年，德国弗劳恩霍夫应用研究促进会(Fraunhofer-Gesellschaft， FGAN)下属的弗劳恩霍夫高频物理与雷达技术研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques，FHR)在94GHz毫米波雷达COBRA的基础上研制了基于固态电子学器件的220GHz调频连续波(frequency modulation continuous wave，FMCW)特征测量实验雷达[16， 17]。2013～2016年，其又研制了工作频率为0.3THz的米兰达(Miranda)300实验雷达系统[18]，由于使用了低噪声放大器，该系统作用距离达到百米级。
　　瑞典查尔姆斯理工大学在2010年基于倍频链路与外差接收链路实现了一部340GHz、相对带宽6.5%的太赫兹雷达[19]，2011年又与德国夫琅禾费应用固体物理研究所(Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics，IFA)合作研制成功频率为220GHz单片集成的外差低噪接收机与发射机模块，并且在收发模块上融合了基于0.1?m砷化镓异质场效应晶体管技术的片上集成天线。该集成收发模块可在主、被动雷达成像与高速数据通信等方面产生重要应用。
　　近几年，国内有多家单位均开展了固态电子学太赫兹雷达应用技术研究，并且在短时间内取得了一些重要成果。中国工程物理研究院*早在2011年基于自研的倍频发射链路和谐波混频器实现了140GHz雷达实验系统[20]，2013年集成搭建了670GHz全固态实验雷达[21]。2013年，中国科学院电子学研究所设计实现了一种0.2THz聚焦波束扫描系统，可对人体携带的隐藏目标进行成像[22]。2014年，电子科技大学研制了340GHz太赫兹雷达，*高带宽达到28.8GHz。北京理工大学则基于脉冲步进频信号体制研制了0.2THz雷达系统，并完成了分辨率与测距实验。太赫兹雷达系统均采用大带宽信号实现距离向高分辨率，其难点之一在于保证带宽范围内的频率调制线性度，这将决定接收信号是否具有稳定的相位而利于相干处理和提高分辨性能。因此，研究不同的信号调制方式如线性调频、步进频与编码信号等在太赫兹雷达中的应用具有重要意义。
　　太赫兹雷达体制发展的一个趋势是阵列天线收发系统，包括采用单片式微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，MMIC)的收发阵列和稀疏布置的多发多收(multiple input multiple output，MIMO)天线阵列。天线阵列的宽辐射特性将会产生一个较大的视场，并且带来更高的空间分辨率，基于孔径合成技术可以快速实现太赫兹雷达实时高分辨成像。
　　基于集成收发阵列的雷达系统研究也进展迅速，美国JPL已成功研制340GHz雷达阵列收发器[23]，并计划将其应用于安检以实现视频帧率的成像，美国JPL所实现的8阵元集成收发阵列大小仅为8.4cm。德国法兰克福大学与丹麦科技大学合作在太赫兹阵列雷达的理论研究与实验系统建设方面取得了进展，他们基于固态电子学信号源提出了一种太赫兹阵列雷达系统，在水平方向利用线性收发阵列进行扫描，在垂直方向进行机械扫描，线性阵列扫描合成孔径雷达(synthetic aper- ture radar，SAR)如图1.2所示。系统的线性阵列由8个发射阵元与16个接收阵元构成，工作频段为220～320GHz，对线性接收阵列接收的数据基于BPA(back projection algorithm，BPA)进行合成图像重建，在2ms内可以实现像素为128×128的图像聚焦[24， 25]。德国的SynView公司在基于全固态太赫兹雷达SynViewScan的基础上也进一步提出了采用MIMO天线与合成重建方法实现太赫兹实时成像[26]。
　　2. 真空电子学太赫兹雷达
　　太赫兹真空电子学器件以其高功率输出优势在太赫兹雷达系统发展中具有重要意义。*早关于真空电子学太赫兹雷达的报道是1988年美国马萨诸塞大学的Mcintosh等[3]基于当时真空器件扩展互作用振荡器(extended interaction oscillator，EIO)的发展在215GHz的大气窗口附近研制了一部高功率非相干脉冲雷达。1991年，美国佐治亚理工学院的McMillan等[27]为美国军方提出并实现了225GHz相干脉冲实验雷达，同样采用脉冲扩展互作用振荡器作为发射机，发射脉冲功率峰值达到60W，全固态接收机基于1/4次谐波混频器实现。这是当时第一部在如此高的频段实现锁相的相参雷达。但是受限于真空器件本身频率响应，无法实现大带宽信号的发射，只能利用该雷达进行目标的多普勒回波测量。太赫兹雷达由于波长非常短，多普勒特征非常明显，可以基于多普勒特征识别目标的不同运动部件。图1.3为225GHz脉冲相干雷达与履带坦克多普勒回波测量结果。
　　图1.3　225GHz脉冲相干雷达与履带坦克多普勒回波测量结果
　　上述雷达系统受限于发射机体积与信号体制等因素未能进一步走向实用，仅见诸如基于扩展互作用放大器(extended interaction klystron，EIK)的测云雷达，以及国内基于EIO的345GHz近程逆合成孔径雷达(inverse SAR，ISAR)系统设计(尚未实现)。太赫兹技术发展仍然面临可实用太赫兹源与太赫兹探测技术的问题。当传统电子学器件源的发射频率增大至太赫兹频段时，可获得的发射功率急剧下降，作用距离受限，同时太赫兹波在大气中的传输损耗严重，这些都使得太赫兹雷达技术应用受限。
　　3. 基于准光的电子学太赫兹雷达
　　太赫兹波具有近光学特点，因此太赫兹雷达可以大量使用准光器件对波束进行调控，这也是太赫兹雷达的鲜明特点之一。自2008年以来，美国JPL基于固态电子学器件研制了580GHz、600GHz、670GHz频段FMCW相参主动太赫兹雷达[28-31]，利用宽带信号实现距离向高分辨率，通过安装在双轴旋转台上的偏轴椭球反射镜来完成波束聚焦与逐点扫描，实现方位向厘米级的分辨率，可对4～25m远的隐藏目标进行三维成像。为提高帧率采用了两种方法：一种方法通过时分复

《太赫兹雷达成像技术》系统阐述太赫兹雷达成像技术的*新研究成果。《太赫兹雷达成像技术》共12章，主要内容包括：概论、太赫兹雷达成像基础、太赫兹雷达转台/ISAR二维成像、太赫兹雷达方位-俯仰三维成像、太赫兹雷达干涉三维成像、太赫兹雷达SISO阵列全息成像、太赫兹雷达MIMO线阵三维成像、太赫兹雷达线阵旋转扫描成像、太赫兹SAR成像、太赫兹孔径编码雷达成像、太赫兹雷达参数化特征增强成像及总结与展望。
　　《太赫兹雷达成像技术》既介绍太赫兹雷达成像的基础知识和典型成像系统，也深入阐述太赫兹频段下的雷达成像体制、模型和成像方法，同时给出实测数据成像结果，是对太赫兹雷达成像理论与实践的系统总结。

目录
《空间信息获取与处理前沿技术丛书》序
前言
第1章 概论 1
1.1 引言 1
1.2 太赫兹雷达系统 2
1.2.1 电子学太赫兹雷达 2
1.2.2 光学太赫兹雷达 7
1.3 太赫兹雷达目标特性 9
1.3.1 目标散射机理 9
1.3.2 目标散射特性建模与计算 10
1.3.3 目标散射特性测量 13
1.4 太赫兹雷达目标成像 15
1.4.1 ISAR成像 15
1.4.2 SAR成像 17
1.4.3 阵列成像 18
1.4.4 孔径编码成像 20
1.5 太赫兹雷达应用技术 21
1.5.1 预警探测应用 21
1.5.2 安检反恐应用 21
1.5.3 车辆防撞应用 22
1.5.4 气象测云应用 23
1.5.5 生物医学应用 23
1.6 本书内容及结构安排 23
参考文献 24
第2章 太赫兹雷达成像基础 30
2.1 引言 30
2.2 电磁散射计算基础 30
2.3 雷达成像系统数学模型 31
2.3.1 目标表征及成像物理量 31
2.3.2 成像系统及其模型 36
2.3.3 成像距离方程 37
2.4 雷达成像基础 39
2.4.1 散射与逆散射观点 39
2.4.2 卷积与传输函数观点 41
2.4.3 数学与层析观点 41
2.4.4 雷达与距离-多普勒观点 42
2.4.5 雷达成像方法研究的若干方法与问题 43
2.5 雷达成像分辨率 49
2.6 太赫兹雷达目标成像规律 50
2.6.1 粗糙表面高分辨成像规律 50
2.6.2 细微结构高分辨成像规律 59
2.7 小结 75
参考文献 75
第3章 太赫兹雷达转台/ISAR二维成像 77
3.1 引言 77
3.2 太赫兹雷达信号补偿校正 77
3.2.1 宽带信号非线性效应校正 77
3.2.2 转台等效中心偏移效应校正 87
3.3 太赫兹雷达转台成像远场条件 93
3.4 太赫兹雷达转台成像方法 97
3.4.1 距离-方位成像 97
3.4.2 方位-俯仰成像 102
3.5 太赫兹雷达ISAR成像方法 107
3.5.1 距离-瞬时多普勒ISAR成像 107
3.5.2 太赫兹雷达阵列ISAR成像 110
3.6 小结 116
参考文献 117
第4章 太赫兹雷达方位-俯仰三维成像 118
4.1 引言 118
4.2 基于方位-俯仰的宽带三维成像方法 118
4.2.1 成像模型与方法 118
4.2.2 基于三维NUIFFT的成像方法 124
4.2.3 仿真结果与分析 125
4.2.4 太赫兹雷达三维成像实验 132
4.3 基于方位-俯仰的双频三维成像方法 134
4.3.1 三维图像重建方法 135
4.3.2 仿真结果与分析 137
4.4 小结 143
参考文献 143
第5章 太赫兹雷达干涉三维成像 145
5.1 引言 145
5.2 双阵元干涉成像模型与方法 145
5.2.1 成像模型与方法 145
5.2.2 仿真结果与分析 148
5.2.3 实验结果与分析 149
5.3 基于双频带联合处理的L型基线干涉成像方法 150
5.3.1 L型基线条件下的成像方法 150
5.3.2 仿真结果与分析 155
5.4 基于多阵元干涉的面目标成像方法 159
5.4.1 成像模型 159
5.4.2 多阵元干涉三维成像方法 161
5.4.3 仿真结果与分析 165
5.4.4 实验结果与分析 168
5.5 小结 172
参考文献 172
第6章 太赫兹雷达SISO阵列全息成像 174
6.1 引言 174
6.2 “SISO-平面扫”目标成像 175
6.2.1 基于距离徙动方法的目标重建成像 175
6.2.2 阵元位置偏差影响分析与校正 186
6.3 “SISO-平面扫”目标三维重建 191
6.3.1 相关研究基础 191
6.3.2 频率干涉基本理论 192
6.3.3 信噪比提升与方法步骤 195
6.3.4 相位解缠与序贯估计 197
6.3.5 数值仿真结果 200
6.3.6 实验测量结果 206
6.4 “SISO-柱面扫”目标二维/三维重建 212
6.4.1 信号模型与处理框架 212
6.4.2 柱面回波至平面回波的转换 214
6.4.3 改进的频率干涉方法 216
6.4.4 子孔径综合与三维重建 218
6.4.5 数值仿真结果 219
6.4.6 实验测量结果 225
6.5 小结 229
参考文献 229
第7章 太赫兹雷达MIMO线阵三维成像 232
7.1 引言 232
7.2 “MIMO-平面扫”快速成像方法 233
7.2.1 方法原理 233
7.2.2 成像性能分析 238
7.2.3 数值仿真结果 241
7.2.4 实验测量结果 247
7.2.5 关于进一步提高成像精度的探讨 253
7.3 “MIMO-柱面扫”快速成像方法 255
7.3.1 方法原理 255
7.3.2 成像性能分析 258
7.3.3 数值仿真结果 261
7.3.4 实验测量结果 266
7.4 小结 268
参考文献 269
第8章 太赫兹雷达线阵旋转扫描成像 271
8.1 引言 271
8.2 太赫兹旋转线阵成像模型 271
8.2.1 成像模型 271
8.2.2 三维成像仿真及分析 273
8.3 波数域快速二维成像方法 281
8.3.1 二维成像方法 281
8.3.2 稀疏阵列设计方法 283
8.3.3 仿真结果与分析 284
8.3.4 阵列设计结果及分析 285
8.3.5 成像结果及分析 289
8.4 波数域快速三维成像方法 292
8.4.1 三维成像方法 292
8.4.2 仿真结果与分析 293
8.5 后向投影方法 295
8.5.1 快速后向投影方法 295
8.5.2 旁瓣抑制后向投影方法 297
8.6 小结 300
参考文献 301
第9章 太赫兹SAR成像 303
9.1 引言 303
9.2 太赫兹匀直航迹SAR静止目标成像 303
9.2.1 太赫兹SAR走停近似适用条件 303
9.2.2 太赫兹SAR空变性补偿距离多普勒成像方法 304
9.2.3 空变性补偿实验验证 304
9.2.4 平台速度/斜视角/抖动误差校正 307
9.3 太赫兹匀直航迹SAR运动目标成像 310
9.3.1 太赫兹SAR目标匀加速运动建模与影响分析 310
9.3.2 太赫兹SAR运动目标检测与参数估计 313
9.3.3 太赫兹SAR运动目标高分辨成像 314
9.4 太赫兹匀直航迹SAR振动目标成像 315
9.4.1 振动目标建模及运动影响分析 316
9.4.2 太赫兹SAR振动目标成像 318
9.4.3 仿真验证 319
9.5 太赫兹圆迹SAR目标成像 321
9.5.1 CSAR回波建模 321
9.5.2 目标运动对CSAR成像的影响分析 324
9.5.3 多通道配置 328
9.5.4 基于级联ATI和逆Radon变换的三通道CSAR运动速度估计 329
9.5.5 基于运动补偿和参数估计的CSAR运动目标成像 332
9.6 小结 334
参考文献 334
第10章 太赫兹孔径编码雷达成像 336
10.1 引言 336
10.2 太赫兹孔径编码基本概念 337
10.2.1 成像系统 337
10.2.2 成像模型 339
10.3 太赫兹孔径编码成像原理 341
10.3.1 成像原理 341
10.3.2 成像特点 344
10.4 太赫兹孔径编码成像方法 345
10.4.1 稀疏目标重建方法 346
10.4.2 扩展目标重建方法 348
10.5 太赫兹孔径编码分辨率表征 352
10.5.1 基于时空相关性的定性分析方法 353
10.5.2 基于有效秩理论的定量分析方法 354
10.6 小结 355
参考文献 355
第11章 太赫兹雷达参数化特征增强成像 357
11.1 引言 357
11.2 特征增强成像模型 358
11.2.1 模型建立 358
11.2.2 先验信息与模型求解 360
11.3 太赫兹雷达正则化增强转台成像 361
11.3.1 正则化原理 361
11.3.2 太赫兹雷达点特征增强成像 365
11.3.3 太赫兹雷达面特征增强成像 369
11.4 太赫兹雷达深度学习增强转台成像 374
11.4.1 概述 374
11.4.2 深度网络基础 375
11.4.3 基于复数卷积神经网络的太赫兹雷达增强成像 377
11.5 太赫兹雷达稀疏贝叶斯增强全息成像 386
11.5.1 成像系统简介 387
11.5.2 成像建模 388
11.5.3 基于ExCoV方法的成像 394
11.5.4 实测成像结果 398
11.6 小结 400
参考文献 400
第12章 总结与展望 405