0.2 THz步进频率逆合成孔径雷达成像

研究设计了一种0.2 THz的步进频率雷达成像系统,带宽12 GHz,并利用逆合成孔径技术对物体进行二维高分辨成像。针对系统设计参数进行Matlab仿真,获得简单转台目标的二维逆合成孔径雷达图像。仿真结果表明,太赫兹雷达成像系统可实现目标的二维高分辨成像,横向和纵向距离可以达到cm级分辨率。     

太赫兹逆合成孔径雷达相位误差分析和补偿方法

通过对太赫兹逆合成孔径雷达(THz-ISAR)成像原理进行分析,构造目标回波距离维相位误差的多项式表示形式,提出了基于启发式最小熵搜索的二次相位误差校正方法和基于距离维自聚焦的三次及三次以上相位误差校正方法,校正了THz-ISAR回波信号距离维的相位误差,进而消除THz-ISAR一维距离像和二维成像结果中的散焦和展宽现象。理论分析和仿真实验结果都表明该方法能够有效补偿目标回波距离维相位误差,提高一维距离像和二维成像的聚焦效果。     

太赫兹实时近场光谱成像研究

太赫兹成像在生物医学领域的应用潜力非常大,针对这个需求,本文设计并搭建了一种利用光整流和波前倾斜技术产生强场太赫兹信号以及基于电光探测的实时太赫兹(terahertz, THz)近场光谱成像系统.该系统可以进行大视场THz成像和紧聚焦THz成像的切换使用,为实现系统集成化应用提供了方法.并且由于成像是基于传统的太赫兹时域光谱方法,可以同时获得样品图像光谱幅度和相位信息,光谱分辨率约15 GHz.利用该系统测量研究了一系列微纳加工的样品,对成像系统的性能进行了分析.结果表明,该实时太赫兹近场光谱成像系统在空间分辨率和成像速度上的优越性,在1024×512的像素下,实时成像帧率高达20 f/s(1200张/min).在大视场THz成像下,空间最优分辨率在1.5 THz达λ/4;在紧聚焦THz成像下,空间最优分辨率在0.82 THz达λ/12,这些性能使该系统在生物医学成像、生物效应等方面具有很好的应用场景.     

基于快速物理光学法的太赫兹目标RCS计算

研究了一种基于快速物理光学法(FPO)计算太赫兹(THz)波段目标雷达散射截面(RCS)的方法。将目标散射体分解成若干个子区域,经相位补偿后计算出每个子区域的散射特性,经过插值、相位恢复和聚合得到整个散射体的散射特性,并对FPO在THz波段的应用进行了讨论。仿真结果表明:利用FPO法计算THz目标的RCS,能够在保证准确性的前提下,大大提高计算效率,节省计算时间。该研究对于THz波段的快速目标识别和成像有着重要的意义。     

太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究

给出了一种载频0.14 THz、带宽5 GHz的极高分辨力太赫兹雷达成像系统样机。系统采用Ka波段毫米波信号二倍频后作为样机收发链路的谐波混频本振,以线性调频连续波信号作为发射信号,接收时采用去斜接收。利用该太赫兹雷达进行了成像试验并得到了1维距离像与逆合成孔径雷达（ISAR）成像结果。结果表明,THz雷达样机实现了3 cm的高分辨力,其ISAR像清晰,反映了目标的细微特征。     

太赫兹远距离快速扫描成像系统的设计

在太赫兹成像技术研究中,分辨率、成像时间和距离是非常关键的参数指标,为了推动太赫兹成像技术的实用化,特别是提高对隐藏危险物品的远距离快速预警检测能力,提出被动式远距离太赫兹快速扫描成像系统。该系统采用单个太赫兹探测器和光机扫描相结合的方式。扫描子系统中,将六面体转镜置于离轴三反镜系统的平行光路中,使扫描范围从广泛研究中采用的物空间转换到像空间有效缩小了扫描区域,缩短了成像时间。本套被动式扫描成像系统主要参数:探测器频率0.34 THz,成像距离10 m,视场1.51.5,成像分辨率3 cm,成像时间1 s。     

连续太赫兹波双物距叠层定量相衬成像

针对连续太赫兹波叠层成像重建算法收敛较为迟滞的问题,提出一种连续太赫兹波双物距叠层成像方法及相关重建算法,使用不同记录距离形成的差异化衍射图幅值作为重建算法记录平面的约束条件,增加了记录平面数据多样性和衍射信息冗余度.仿真结果表明,本方法可以加快算法收敛速率,有效减少迭代次数,提高连续太赫兹波定量相衬成像计算效率.随后构建了基于2.52 THz光泵连续太赫兹激光器的双物距叠层成像实验装置,应用双物距记录方法及改进算法重建获得了聚丙烯基字母图案样品的幅值和相位分布,结果表明改进方法可以减少算法迭代次数,提升计算效率,同时改善相位像重建结果保真度.     

缩比模型的宽频时域太赫兹雷达散射截面(RCS)研究

本文首次以钛宝石飞秒激光振荡级为抽运源,搭建了国内首套宽频时域太赫兹雷达(带宽0.1—1.3 THz)并进行了基于标准球的系统校正验证.利用该雷达测量了太赫兹波段三种缩比模型的散射时域信号.通过改进后的后向投影算法对模型的轮廓外形进行了成像研究,验证了新型时域散射信号成像机理.太赫兹雷达更高的频率,宽谱的特征和高分辨率成像的能力有望用于隐形外形设计过程,成为新兴的太赫兹散射特征研究平台.     

频率步进太赫兹脉冲成像技术研究

针对太赫兹频段具有大带宽的特点,阐述了太赫兹波段进行高分辨力成像的原理,按照微波上变频的方法,将微波源通过混频和倍频方式得到太赫兹频率源;采用频率步进脉冲体制,设计和实现了220 GHz太赫兹主动成像系统;并在暗室和外场进行了分辨力测试和拉距实验,获得的纵向分辨力达4 cm,测试距离达10 m。     

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

利用相变材料嵌入超表面组成复合结构实现太赫兹移相器,该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过二氧化钒的相变特性和液晶的双折率特性同时作用实现对器件相位调控.随着外加温度变化二氧化钒电导率发生改变,器件的相位随之产生移动,同样的对液晶层施加不同的电压导致液晶折射率发生变化,器件相位也会有影响.经过这两种介质共同作用,最终实现对太赫兹波相位有效调控.仿真结果验证了该相移器在频率f=0.736 THz时,太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°,在0.731—0.752 THz(带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.这种基于相变材料与超表面复合结构为灵活调控太赫兹波提供了一种新思路,将在太赫兹成像、通信等领域有着广泛的应用前景.     

0.14 THz高分辨力成像雷达信号处理

为适应0.14 THz超高分辨雷达实时成像的需求,开发了基于CPU+GPU+FPGA的硬件架构和成像处理算法,算法以距离-多普勒为原型,引入L类维格纳分布变换提高横向分辨力,用Keystone变换方法对越距离单元徙动进行校正,并开发了系统非线性补偿算法。在载频0.14 THz、带宽5 GHz雷达样机上进行了逆合成孔径雷达成像试验,获得了3 cm3 cm的成像分辨力和实时成像能力,验证了信号处理方法的有效性。     

超宽带THz雷达反隐身技术研究

超宽带THz雷达以其长距离分辨率、强穿透力、低截获率和强抗干扰性等特点在军事领域得到了日益关注。论述了超宽带THz雷达的应用原理和反隐身的独特优势,分析了超宽带THz雷达的部分技术难点,预测了超宽带THz雷达的发展趋势和应用前景。     

基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像的实验研究

提出了一种伪色彩太赫兹成像技术. 通过引入频域色彩区间积分, 建立了一套基于太赫兹时域光谱技术的伪色彩太赫兹成像系统, 实验分别研究了乳糖和对氨基苯甲酸两种不同白色化学粉末的伪色彩成像和灰度成像, 研究了不同颜色区间定义对伪色彩图像的影响, 讨论了利用不同频率信息成像系统所能达到的空间分辨率. 研究结果表明, 伪色彩成像技术可以将不同的物质信息同时成像在一张太赫兹图像中, 通过不同物质在太赫兹图像中呈现出的颜色差别来区分不同的物质及其分布. 克服了传统的太赫兹灰度成像技术中, 需要多张图像来区分不同的物质的问题, 提高了成像速度, 降低了筛选难度. 利用高频信息进行伪色彩成像, 可以将系统成像的空间分辨率提高到0.4 mm. 伪色彩成像方式可以更直观快捷地显示样品的基本属性, 对于实现太赫兹安检的初检和快速筛选具有重大的现实意义.     

基于光纤色散相位补偿的高分辨率激光频率扫描干涉测量研究

为了实现更高分辨率的激光频率扫描干涉测量, 增大光源的扫频范围以及减小扫描频率的非线性成为关键. 采用外腔式大带宽扫频光源结合光纤辅助干涉仪构建的外部时钟频率采样非线性校正是目前较为常用的方法. 本研究发现随着扫频带宽和测量范围的增加, 光纤辅助干涉仪与测量光路中存在的色散失配导致频谱出现严重展宽, 极大的降低了测量的分辨率. 本文建立了辅助干涉仪和测量干涉仪色散失配影响的理论模型, 利用该模型分析了扫频带宽和测量范围与测量分辨率的变化关系, 与实验结果相一致, 并进而提出了基于峰值演化消畸变的色散相位补偿方法, 有效地提高了测量的分辨率, 在2.53 m 处实现了接近理论值的64.5 μm的测量分辨率. 该色散失配模型及补偿方法为提高大尺寸激光频率扫描干涉仪的测量分辨率及测距范围提供了参考.     

High resolution inverse synthetic aperture radar imaging of three-axis-stabilized space target by exploiting orbital and sparse priors

The development of inverse synthetic aperture radar(ISAR) imaging techniques is of notable significance for monitoring, tracking and identifying space targets in orbit. Usually, a well-focused ISAR image of a space target can be obtained in a deliberately selected imaging segment in which the target moves with only uniform planar rotation. However, in some imaging segments, the nonlinear range migration through resolution cells(MTRCs) and time-varying Doppler caused by the three-dimensional rotation of the target would degrade the ISAR imaging performance, and it is troublesome to realize accurate motion compensation with conventional methods. Especially in the case of low signal-to-noise ratio(SNR),the estimation of motion parameters is more difficult. In this paper, a novel algorithm for high-resolution ISAR imaging of a space target by using its precise ephemeris and orbital motion model is proposed. The innovative contributions are as follows. 1) The change of a scatterer projection position is described with the spatial-variant angles of imaging plane calculated based on the orbital motion model of the three-axis-stabilized space target. 2) A correction method of MTRC in slant-and cross-range dimensions for arbitrarily imaging segment is proposed. 3) Coarse compensation for translational motion using the precise ephemeris and the fine compensation for residual phase errors by using sparsity-driven autofocus method are introduced to achieve a high-resolution ISAR image. Simulation results confirm the effectiveness of the proposed method.     

一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法

当合成孔径声呐测绘带较大时,运动误差的空变效应严重,经典的相位中心重叠算法难以适用。为此,提出了一种适用于大测绘带合成孔径声呐的运动补偿方法。首先使用混合调制的拉格朗日时延估计算法对前后两帧回波的时延进行估计,之后使用线性回归方法拟合出运动误差,最后利用运动误差的估计值对回波进行逐点精确补偿。仿真数据的结果表明,该算法能够获得比相位中心重叠算法更好的运动估计结果,运动补偿后成像分辨率接近理论分辨率。使用该算法分别对高、低频合成孔径声呐的湖试数据进行了处理,水下地貌和小目标的成像质量均有明显提高。