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    重庆时时彩定码方法: 太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法.pdf

    关 键 词:
    赫兹 频段 孔径 编码 分辨 中远距 凝视 成像 装置 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611085513.2

    申请日:

    2016.11.30

    公开号:

    CN106772367A

    公开日:

    2017.05.31

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01S 13/89申请日:20161130|||公开
    IPC分类号: G01S13/89 主分类号: G01S13/89
    申请人: 中国人民解放军国防科学技术大学
    发明人: 罗成高; 秦玉亮; 邓彬; 王宏强; 陈硕
    地址: 410073 湖南省长沙市开福区德雅路109号
    优先权:
    专利代理机构: 北京中济纬天专利代理有限公司 11429 代理人: 陈立新
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611085513.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.06.29|||2017.06.23|||2017.05.31

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于雷达成像技术领域,尤指一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法。该成像装置包括太赫兹发射???、发射天线2、电控次反射面阵列3、抛物面主反射镜4、接收天线5、太赫兹接收???、存储器7以及系统控制主机8。所述太赫兹发射??橛敕⑸涮煜吡?,所述电控次反射面阵列与系统控制主机连接;所述抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;接收天线采集目标表面的散射回波信号;太赫兹接收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤械驮肷糯?、混频和正交解调处理;系统控制主机对回波信号与参考信号进行关联成像处理,得到目标重构图像。本发明获得超出同口径传统雷达衍射极限的波束内高分辨能力,且模式切换速度快。

    权利要求书

    1.一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,其特征在于:包括太赫兹发
    射???1)、发射天线(2)、电控次反射面阵列(3)、抛物面主反射镜(4)、接收天线(5)、太赫
    兹接收???6)、存储器(7)和系统控制主机(8);
    所述太赫兹发射??橛敕⑸涮煜吡?,所述太赫兹发射??椴奶兆确⑸湫藕?,
    经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列;所述电控次反射面阵列与系
    统控制主机连接,所述电控次反射面阵列在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机
    移相因子和透镜相位调制因子,并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调
    制得到太赫兹编码波束,并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜;所述抛物面
    主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;接收天线采集目标表面的散射回波信号并传
    输至太赫兹接收???,所述太赫兹接收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤械驮肷糯?、混频和正交
    解调处理,并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储;系统控制主机调用存储器
    中处理后的散射回波信号与基于太赫兹发射信号推演得到的参考信号进行关联成像处理,
    得到目标的重构图像。
    2.根据权利要求1所述的一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,其特
    征在于:所述电控次反射面阵列竖直方向上的高度为l,竖直方向上包含N个阵元,每个阵元
    指单个独立的反射移相单元,l与N的比值代表单个阵元的节距;建立直角坐标系,坐标原点
    与抛物面主反射镜的顶点重合,横轴x正方向向右,纵轴y正方向竖直向上,电控次反射面阵
    列与发射天线的水平间距为e,与共焦面的水平间距为a,与成像平面的水平间距为b;电控
    次反射面阵列下端点与发射天线的竖直间距为g,上端点与x轴的竖直间距为d,坐标原点与
    共焦面的水平间距(即:抛物面主反射镜的焦距)为p。
    3.根据权利要求2所述的一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,其特
    征在于:所述的电控次反射面阵列加载透镜相位调制因子后具有数字透镜的作用,该数字
    透镜焦平面与抛物面主反射镜焦平面重合于共焦面,共焦面与发射天线所在平面关于数字
    透镜共轭,所述电控次反射面阵列与共焦面和发射天线的水平间距a与e之间满足下述关
    系:
    <mrow> <mi>a</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>f</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mrow> <mi>e</mi> <mo>-</mo> <mi>f</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    其中,f为数字透镜的焦距。
    4.一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像方法,其特征在于:采用如权利要
    求2或3所述的太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,具体包括以下步骤:
    (S1)太赫兹发射??椴兆确⑸湫藕?,经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至
    电控次反射面阵列;
    (S2)系统控制主机控制电控次反射面阵列加载孔径编码随机移相因子和透镜相位调
    制因子,并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制得到太赫兹编码波
    束,并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜;
    (S3)抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;
    (S4)接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收???,所述太赫兹接
    收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤械驮肷糯?、混频和正交解调处理,并将处理后的散射回波信
    号输出至所述存储器存储;
    (S5)基于太赫兹发射信号推演得到参考信号,并将参考信号输入至所述存储器存储;
    (S6)系统控制主机调用存储器中处理后的散射回波信号与参考信号进行关联成像处
    理,得到目标的重构图像。
    5.根据权利要求4所述的一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像方法,其特
    征在于:所述步骤(S2)的具体设计过程为:
    设电控次反射面阵列上透镜相位调制因子的相位中心初始位置为A1,并从A1点移至A2
    点,A1点与A2点之间间距为s,且A1A2连线的中心点与电控次反射面阵列中心点重合,此时分
    别根据入射至A1点与A2点处光线的入射角结合镜面反射定理确定太赫兹编码波束经过数字
    透镜聚焦后在共焦面的聚焦点B1点和B2点,B1点和B2点同时又位于抛物面主反射镜的焦平
    面上,且B1点和B2点之间间距为q;
    A1点与A2点之间间距s以及B1点和B2点之间间距q分别由式(5)和式(6)计算:
    <mrow> <mi>s</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>d</mi> <mi>e</mi> <mo>-</mo> <mi>e</mi> <mi>l</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>l</mi> </mrow> <mrow> <mi>a</mi> <mo>+</mo> <mi>e</mi> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    <mrow> <mi>q</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>a</mi> <mi>g</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mi>e</mi> <mi>s</mi> <mo>+</mo> <mi>a</mi> <mi>l</mi> <mo>-</mo> <mi>l</mi> <mi>e</mi> <mo>-</mo> <mn>2</mn> <mi>d</mi> <mi>e</mi> </mrow> <mrow> <mn>2</mn> <mi>e</mi> </mrow> </mfrac> <mo>.</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>6</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    6.根据权利要求4所述的一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像方法,其特
    征在于:所述步骤(S3)的具体设计过程为:
    当相位中心位于A2点时,此时聚焦点位于B2点,两条反射光线A1B2和A2B2分别交抛物面
    主反射镜于C1和C2两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C1和C2两点的坐标
    (s1,t1)和(s2,t2),再结合抛物面主反射镜的基本性质,则由抛物面主反射镜在C1和C2两点
    反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率分别为:
    <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>qt</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>q</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>q</mi> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>pt</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>pt</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>t</mi> <mn>1</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    <mrow> <msub> <mi>k</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>qt</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <mi>q</mi> <mi>p</mi> </mrow> <mrow> <msup> <mi>p</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <mi>q</mi> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>pt</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> </msqrt> <mo>+</mo> <mn>2</mn> <msub> <mi>pt</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>+</mo> <msup> <msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>8</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    所述两条边缘光线在成像平面形成的太赫兹光斑尺寸由下式计算:
    D1=k2(p+a+b-t2)+s2-k1(p+a+b-t1)-s1; (9)
    当相位中心位于A1点时,此时聚焦点位于B1点,两条反射光线A1B1和A2B1分别交抛物面
    主反射镜于C3和C4两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C3和C4两点的坐标
    (s3,t3)与(s4,t4),则由抛物面主反射镜在C3和C4两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光
    线斜率k3与k4以及此时成像平面太赫兹光斑的尺寸D2分别由式(10)和式(11)计算:
    k3=k4=0, (10)
    D2=s4-s3; (11)
    成像平面的纵向尺寸h与抛物面主反射镜的口径尺寸w分别由式(12)和式(13)计算:
    h=s4-k1(p+a+b-t1)-s1, (12)
    <mrow> <mi>w</mi> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mi>C</mi> <mn>2</mn> <mo>-</mo> <mi>C</mi> <mn>3</mn> <mo>|</mo> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>s</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>t</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> <mo>;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>13</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    为保证太赫兹编码波束对成像平面进行全覆盖扫描,透镜相位调制因子的相位中心在
    电控次反射面上以固定移动步长从A1点向A2点移动,移动步长的取值区间由下式进行计算:
    <mrow> <mfrac> <mi>s</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>e</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>h</mi> <mo>/</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>&le;</mo> <mi>&Delta;</mi> <mo>&le;</mo> <mfrac> <mi>s</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mi>e</mi> <mi>i</mi> <mi>l</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>h</mi> <mo>/</mo> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>D</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>D</mi> <mn>2</mn> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>,</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>14</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
    其中,符号Ceil(X)表示大于或者等于X的最小整数。

    说明书

    太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法

    技术领域

    本发明属于雷达成像技术领域,具体涉及高分辨雷达凝视成像技术,尤指一种太
    赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法。

    背景技术

    高分辨雷达成像是实现战场侦察、目标探测与识别的重要手段,在确保国家战略
    安全,争夺战场主动方面具有举足轻重的作用。常规微波雷达系统可主动探测,穿透能力
    强,能够全天时、全天候工作,但是由于微波频率低,波长长,角分辨率低,且由于成像原理
    的限制,需要成像积累时间,无法实现高帧频、高分辨前视成像。合成孔径雷达(SAR)和逆合
    成孔径雷达(ISAR)成像虽然能够通过合成孔径获得横向上的高分辨率,但是二者都依赖于
    雷达与目标的相对运动,在前视条件下,转角很小,甚至为零,无法凝视成像,限制了SAR与
    ISAR在某些场合的应用。而光学传感器可前视成像,波长短,分辨率高,成像速度快,但是依
    赖于目标辐射,对云、烟、雾和障碍物等穿透能力差,易受环境因素影响。而在真实战场环境
    中,往往需要穿透硝烟、雾霾等对数千米外中远作用距离上的车辆、据点、人员等目标进行
    快速精确探测与识别,为引导我方武器系统对敌方军事目标实现精确打击与定点清除提供
    信息支撑。而现有雷达成像系统难以完全满足上述对高分辨、高帧频、前视凝视成像的应用
    需求。

    太赫兹孔径编码高分辨成像雷达技术是指通过电控次反射面阵列改变成像平面
    太赫兹辐射场空间幅相分布来获取目标散射系数分布的成像方式。相对于微波与光波,太
    赫兹的频率和波长介于两者之间,使得太赫兹雷达具有相对较大的绝对带宽和较高的成像
    分辨率,以及较好的成像穿透能力,在相同孔径天线条件下结合孔径编码技术,更易产生多
    样性的照射模式和更快的模式切换速度,利用回波进行目标高分辨成像的潜力也就越大。
    同时,孔径编码成像技术可通过对目标单次快拍实现前视凝视成像。因此,有望利用有限的
    孔径、在极短的时间内获得超出同口径传统雷达衍射极限的分辨率。尽管太赫兹孔径编码
    高分辨成像雷达技术相对于传统雷达成像技术具有诸多优势,但依然存在一些亟待解决的
    问题,比如系统的成像距离有限,太赫兹波束对成像平面的非机械均匀扫描难以实现,成像
    系统的准光设计难度较大等。鉴于此,迫切需要开展太赫兹频段孔径编码高分辨中远距成
    像技术研究,研制具有高帧频、高分辨、前视凝视成像能力且系统成像距离覆盖数千米的中
    远距成像装置,为太赫兹雷达在战场侦察与警戒、目标探测与识别等领域的应用提供一条
    新的技术途径。

    发明内容

    针对上述技术问题,本发明提出了一种装置,能够同时兼顾成像分辨率与成像速
    度,并且能避免成像装置对成像平面的机械扫描,其中,成像平面是指位于目标所在平面且
    包含目标横截面在内的具有特定尺寸的几何平面,如图1所示,其尺寸由成像装置的结构参
    数决定。具体技术方案如下:

    一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,包括太赫兹发射???、发
    射天线2、电控次反射面阵列3、抛物面主反射镜4、接收天线5、太赫兹接收???、存储器7以
    及系统控制主机8。

    所述太赫兹发射??橛敕⑸涮煜吡?,所述太赫兹发射??椴奶兆确⑸湫?br />号,经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列;所述电控次反射面阵列
    与系统控制主机连接,所述电控次反射面阵列在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码
    随机移相因子和透镜相位调制因子,并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相
    位调制得到太赫兹编码波束,并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜;所述抛
    物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;接收天线采集目标表面的散射回波信号
    并传输至太赫兹接收???,所述太赫兹接收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤械驮肷糯?、混频和
    正交解调处理,并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储;将基于太赫兹发射信
    号推演得到的参考信号输入至所述存储器存储;系统控制主机调用存储器中处理后的散射
    回波信号与参考信号进行关联成像处理,得到目标的重构图像。

    进一步地,所述电控次反射面阵列竖直方向上的高度为l,竖直方向上包含N个阵
    元,每个阵元指单个独立的反射移相单元,l与N的比值代表单个阵元的节距。如附图1所示,
    建立直角坐标系,坐标原点与抛物面主反射镜的顶点重合,横轴x正方向向右,纵轴y正方向
    竖直向上,电控次反射面阵列与发射天线的水平间距为e,与共焦面的水平间距为a,与成像
    平面的水平间距为b,b同时也代表所述装置的探测距离。电控次反射面阵列下端点与发射
    天线的竖直间距为g,上端点与x轴的竖直间距为d,坐标原点与共焦面的水平间距(即:抛物
    面主反射镜的焦距)为p。

    进一步地,所述电控次反射面阵列加载透镜相位调制因子后具有数字透镜的作
    用,该数字透镜焦平面与抛物面主反射镜焦平面重合于共焦面,共焦面与发射天线所在平
    面关于数字透镜共轭,所述电控次反射面阵列与共焦面和发射天线的水平间距a与e之间满
    足下述关系:


    其中,f为数字透镜的焦距。

    进一步地,抛物面主反射镜的子午面方程为:

    y2=4px, (2)

    本发明还提供了一种太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像方法,采用上述
    的太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置,具体包括以下步骤:

    (S1)太赫兹发射??椴兆确⑸湫藕?,经发射天线后以太赫兹波束的形式辐
    射至电控次反射面阵列;

    (S2)系统控制主机控制电控次反射面阵列加载孔径编码随机移相因子和透镜相
    位调制因子,并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制得到太赫兹编码
    波束,并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜;

    (S3)抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;

    (S4)接收天线采集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收???,所述太赫
    兹接收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤械驮肷糯?、混频和正交解调处理,并将处理后的散射回
    波信号输出至所述存储器存储;

    (S5)基于太赫兹发射信号推演得到参考信号,并将参考信号输入至所述存储器存
    储;

    (S6)系统控制主机调用存储器中处理后的回波信号与参考信号进行关联成像处
    理,得到目标的重构图像。

    进一步地,所述步骤(S2)与(S3)的具体过程为:

    系统控制主机根据下式中的孔径编码随机移相因子生成对应相位分布图,输入至
    电控次反射面阵列上完成相位加载:

    PC=random(pl,ph,m), (3)

    其中,PC表示孔径编码随机移相因子,pl和ph分别代表随机移相区间的上限和下
    限,random表示对电控次反射面阵列竖直方向上的第m个阵元施加位于移相区间内的均匀
    分布随机相位,m为1到N的自然数,即m=1,2,…,N;

    系统控制主机根据下式中的透镜相位调制因子生成对应相位分布图,输入至电控
    次反射面阵列上完成相位加载:


    其中,PL表示透镜相位调制因子,k=2πfc/c,fc为太赫兹编码波束的中心频率,c为
    光速,π取值为圆周率,ym为电控次反射面阵列竖直方向上第m个阵元中心点的纵坐标,m为1
    到N的自然数,即m=1,2,…,N;y0为电控次反射面阵列上透镜相位调制因子的相位中心(使
    得PL=1)所在阵元中心点的纵坐标。透镜相位调制因子关于相位中心ym=y0中心对称,在相
    位中心处,PL=1,相当于不施加相位调制。

    设电控次反射面阵列上透镜相位调制因子的相位中心y0的初始位置为A1,并从A1
    点移至A2点,A1点与A2点之间间距为s,且A1A2连线的中心点与电控次反射面阵列中心点重
    合,分别根据入射至A1点与A2点处光线的入射角结合镜面反射定理确定太赫兹编码波束经
    过数字透镜聚焦后在共焦面的聚焦点B1点和B2点,B1点和B2点同时又位于抛物面主反射镜
    的焦平面上,且B1点和B2点之间间距为q。

    A1点与A2点之间间距s以及B1点和B2点之间间距q分别由式(5)和(6)计算:



    当相位中心位于A2点时,此时聚焦点位于B2点,两条反射光线A1B2和A2B2分别交抛
    物面主反射镜于C1和C2两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C1和C2两点的
    坐标(s1,t1)和(s2,t2),再结合抛物面主反射镜的基本性质,则由抛物面主反射镜在C1和C2
    两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率分别为:



    所述两条边缘光线在成像平面形成的太赫兹光斑尺寸由下式计算:

    D1=k2(p+a+b-t2)+s2-k1(p+a+b-t1)-s1。 (9)

    当相位中心位于A1点时,此时聚焦点位于B1点,两条反射光线A1B1和A2B1分别交抛
    物面主反射镜于C3和C4两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C3和C4两点坐
    标(s3,t3)与(s4,t4),则由抛物面主反射镜在C3和C4两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘
    光线斜率k3与k4以及此时成像平面太赫兹光斑的尺寸D2分别由式(10)和式(11)计算:

    k3=k4=0, (10)

    D2=s4-s3。 (11)

    成像平面的纵向尺寸h与抛物面主反射镜的口径尺寸w分别由式(12)和式(13)计
    算:

    h=s4-k1(p+a+b-t1)-s1, (12)


    根据上述结论,为保证太赫兹编码波束对成像平面进行全覆盖扫描,透镜相位调
    制因子的相位中心y0在电控次反射面上以固定移动步长从A1点向A2点移动,移动步长的取
    值区间由下式进行计算:


    其中,符号Ceil(X)表示大于或者等于X的最小整数。

    采用本发明获得的有益技术效果:1、本发明利用孔径编码随机移相因子在电控次
    反射面阵列的每个阵元处对入射太赫兹波束进行随机移相,进而改变成像平面太赫兹辐射
    场空间幅相分布,最终使成像装置获得超出同口径传统雷达衍射极限的波束内高分辨能
    力,且模式切换速度快,无需成像积累时间。2、本发明利用透镜的相位调制因子使电控次反
    射面阵列起到数字透镜的作用,对入射太赫兹波束进行聚焦与指向控制,同时利用抛物面
    主反射镜对波束进行反射与准直,提高特定目标方向的发射功率,抑制杂波/干扰方向功
    率,改善信噪比,从而增加成像系统的有效作用距离,使得太赫兹编码波束在中远距成像距
    离上始终保持较好的准直性对成像平面进行非机械全覆盖扫描,提高装置的成像帧率与稳
    定性。3、本发明装置及方法,可实现所述太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置
    对数千米外中远作用距离上的目标进行高帧频、高分辨、前视凝视全覆盖扫描成像。

    附图说明

    图1为本发明装置的结构示意图;

    图2为本发明方法流程示意图;

    图中标号为:

    1、太赫兹发射???,2、发射天线,3、电控次反射面阵列,4、抛物面主反射镜,5、接
    收天线,6、太赫兹接收???,7、存储器,8、系统控制主机。

    具体实施方式

    下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

    本发明中,考虑到该装置在水平和竖直方向上的工作模式具有对称性,以竖直方
    向为例对本发明进行说明。建立如图1中所示的直角坐标系,坐标原点与抛物面主反射镜的
    顶点重合,横轴x正方向向右,纵轴y正方向竖直向上。本发明提出了一种太赫兹频段孔径编
    码高分辨中远距凝视成像装置,如附图1所示,所述装置包括太赫兹发射???、发射天线2、
    电控次反射面阵列3、抛物面主反射镜4、接收天线5、太赫兹接收???、存储器7以及系统控
    制主机8。其中,系统控制主机主要包含三个功能,分别为:用于对电控次反射面阵列进行控
    制、在太赫兹发射信号的基础上对参考信号进行推演以及将散射回波信号与参考信号进行
    关联成像处理。

    本发明方法流程图如图2所示,太赫兹发射??橛敕⑸涮煜吡?,太赫兹发射???br />产生的太赫兹发射信号,经发射天线后以太赫兹波束的形式辐射至电控次反射面阵列;电
    控次反射面阵列与系统控制主机连接,在系统控制主机的控制下同时加载孔径编码随机移
    相因子和透镜相位调制因子,并对发射天线辐射出的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制
    得到太赫兹编码波束,并进一步将太赫兹编码波束反射至抛物面主反射镜;加载了透镜相
    位调制因子的电控次反射面阵列具有数字透镜的作用,该数字透镜焦平面与抛物面主反射
    镜焦平面重合于共焦面,抛物面主反射镜对太赫兹编码波束进行反射与准直;接收天线采
    集目标表面的散射回波信号并传输至太赫兹接收???,太赫兹接收??槎陨⑸浠夭ㄐ藕沤?br />行低噪声放大、混频和正交解调处理,并将处理后的散射回波信号输出至所述存储器存储;
    将基于太赫兹发射信号推演得到的参考信号输入至存储器存储;系统控制主机调用存储器
    中处理后的回波信号与参考信号并结合现有的参数法、正交匹配追踪、匹配滤波或者稀疏
    重构等数据处理技术进行关联成像处理,得到目标的重构图像。

    实施例中,所述电控次反射面阵列竖直方向上的高度为l,竖直方向上包含N个阵
    元,每个阵元指单个独立的反射移相单元,电控次反射面阵列与发射天线的水平间距为e,
    与共焦面的水平间距为a,与成像平面的水平间距为b,电控次反射面阵列下端点与发射天
    线的竖直间距为g,上端点与x轴的竖直间距为d,坐标原点与共焦面的水平间距(即:抛物面
    主反射镜的焦距)为p,电控次反射面阵列上A1点与A2点之间间距为s,且A1A2连线的中心点
    与电控次反射面阵列中心点重合,故A1点坐标为(a+p,-d-(l+s)/2),A2点坐标为(a+p,-d-
    (l-s)/2)。l与N的比值代表单个阵元的节距,节距越小,则可在更小的单元尺度上对发射天
    线辐射的太赫兹波束进行孔径编码与相位调制,以获得更好的编码效果与波束形成能力,
    其具体取值由电控次反射面阵列的加工工艺决定,以基于液晶基板的反射式相控阵平面天
    线为例,阵元节距通常为数百微米。b代表本发明所述装置的探测距离,通常为2000.00m至
    10000.00m范围内的中远距成像范围。在确保装置中发射天线与电控次反射面阵列不会对
    太赫兹编码波束产生遮挡的前提下,可通过减小g与d的取值来减小系统的几何尺寸,通常
    可设定在0.01m至0.05m的区间内。a、p以及e的取值可设定在1.00m至5.00m的区间内。

    本发明中,电控次反射面阵列与共焦面和发射天线的水平间距a与e之间满足下述
    关系:


    其中,f为数字透镜的焦距。

    本发明中,抛物面主反射镜的子午面方程为:

    y2=4px。

    如图1所示,透镜相位调制因子的相位中心(相位中心所在阵元中心点处的纵坐标
    即为公式(4)中y0的取值)从A1点移至A2点,此时根据入射至该点处光线的入射角结合镜面
    反射定理可确定太赫兹编码波束经过数字透镜聚焦后在共焦面的聚焦点分别为B1点和B2
    点。B1点和B2点同时又位于抛物面主反射镜的焦平面上,且B1点和B2点之间间距为q,B1点坐
    标为(p,0),B2点坐标为(p,q)。

    当透镜相位调制因子的相位中心位于A1点时,根据镜面反射定理以及光路几何关
    系,推导出:


    当透镜相位调制因子的相位中心位于A2点时,同理可得:


    当相位中心位于A2点时,此时聚焦点位于B2点,两条反射光线A1B2和A2B2分别交抛
    物面主反射镜于C1和C2两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C1和C2两点的
    坐标(s1,t1)和(s2,t2),再结合抛物面主反射镜的基本性质,则由抛物面主反射镜在C1和C2
    点反射的太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率分别为:



    所述两条边缘光线在成像平面形成的太赫兹光斑尺寸由下式计算:

    D1=k2(p+a+b-t2)+s2-k1(p+a+b-t1)-s1。

    当相位中心位于A1点时,此时聚焦点位于B1点,两条反射光线A1B1和A2B1分别交抛
    物面主反射镜于C3和C4两点,结合抛物面主反射镜的子午面方程分别计算出C3和C4两点坐
    标(s3,t3)与(s4,t4),则由抛物面主反射镜在C3和C4两点反射的太赫兹编码波束的两条边缘
    光线斜率k3与k4以及此时成像平面太赫兹光斑的尺寸D2分别由下式计算:

    k3=k4=0,

    D2=s4-s3。

    成像平面的纵向尺寸h与抛物面主反射镜的口径尺寸w分别由下式计算:

    h=s4-k1(p+a+b-t1)-s1,


    根据上述结论,为保证太赫兹编码波束对成像平面进行全覆盖扫描,透镜相位调
    制因子的相位中心y0在电控次反射面上必须以特定步长从A1点向A2点移动,移动步长的取
    值区间由下式进行计算:


    其中,符号Ceil(X)表示大于或者等于X的最小整数。

    本发明中,所述关联成像处理采用的方法包括现有的参数法、正交匹配追踪、匹配
    滤波或者稀疏重构等。关联成像处理采用的方法可以只采用上述一种方法,也可以是其中
    几种方法的联合使用。

    本发明中,所述装置的电控次反射面阵列可采用基于液晶基板的反射式相控阵平
    面天线,也可采用基于超材料技术的反射式相控阵平面天线。

    下面以基于液晶基板的反射式相控阵平面天线为例,确定电控次反射面阵列竖直
    方向上的高度l=0.10m,竖直方向上包含200个阵元,即N=200,电控次反射面阵列与发射
    天线的水平间距为e=1.00m,与成像平面的水平间距为b=2500.00m,电控次反射面阵列下
    端点与发射天线的竖直间距为g=0.02m,上端点与x轴的竖直间距为d=0.01m,坐标原点与
    共焦面的水平间距(即:抛物面主反射镜的焦距)为p=5.00m,数字透镜的焦距f=0.50m。

    结合上述参数,由式(1)计算得到电控次反射面阵列与共焦面的水平间距a=
    1.00m。

    系统控制主机根据孔径编码随机移相因子PC=random(-0.5π,0.5π,m)生成对应
    相位分布图,输入至电控次反射面阵列上完成相位加载,其中m为1到200的自然数,即m=1,
    2,…,200。同时,系统控制主机根据透镜相位调制因子生成对应相位分布
    图,输入至电控次反射面阵列上完成相位加载。其中,k=2πfc/c,太赫兹编码波束的中心频
    率fc=300.00GHz,光速c=3×108m/s。ym为电控次反射面阵列竖直方向上第m个阵元中心点
    的纵坐标,m为1到200的自然数,即m=1,2,…,200。y0为电控次反射面阵列上位于A1点与A2
    点之间的透镜相位调制因子相位中心所在阵元中心点的纵坐标。实施例中,各个阵元中心
    点的纵坐标可根据电控次反射面阵列尺寸与包含的阵元数进行计算。

    根据式(5)计算得到电控次反射面阵列上A1点与A2点之间间距为s=0.01m,且A1A2
    中心点与电控次反射面阵列中心点重合,则A1点坐标为(6,-0.065),A2点坐标为(6,-
    0.055)。根据式(6)计算得到B1点和B2点之间间距为q=0.02m,则B1点坐标为(5,0),B2点坐
    标为(5,0.02)。

    当相位中心位于A2点时,可求出C1点与C2点的坐标分别为(0.17,0.0014)和(0.67,
    0.02),并分别由式(7)与式(8)计算出准直后太赫兹编码波束的两条边缘光线斜率k1=-
    0.0040与k2=-0.0039,则依据式(9)算出此时2500.00m外成像平面太赫兹光斑的尺寸D1=
    0.63m。

    当相位中心位于A1点时,可求出C3点与C4点的坐标分别为(0.050,0.00013)和
    (0.55,0.015),由式(10)可知两条边缘光线斜率k3=k4=0,以及由式(11)可知此时
    2500.00m处的成像平面太赫兹光斑的尺寸D2=0.50m。

    分别根据式(12)和式(13)计算出成像平面的纵向尺寸h=10.39m以及抛物面主反
    射镜的口径尺寸w=0.62m。

    最后根据公式(14)求出透镜相位调制因子的相位中心y0在电控次反射面从A1点向
    A2点移动的步长的取值区间为0.00048m≤Δ≤0.00053m,因此,在实施过程中可选择步长
    Δ=0.0005m。

    根据上述结构指标得出本实施例中成像装置在对距离2500.00m处的成像平面进
    行分块扫描过程中,扫描光斑尺寸变化范围为0.50m~0.63m,几乎保持了恒定,说明在该系
    统架构下太赫兹编码波束具有良好的准直特性,对于提升成像系统的分辨率等成像性能具
    有重要意义。

    以上包含了本发明优选实施例的说明,这是为了详细说明本发明的技术特征,并
    不是将发明内容限制在实施例所描述的具体形式中,依据本发明内容主旨进行的其他修改
    和变型也受本专利?;?。本发明内容的主旨是由权利要求书所界定,而非由实施例的具体
    描述所界定。

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    本文标题:太赫兹频段孔径编码高分辨中远距凝视成像装置及方法.pdf
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