一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法.pdf

本发明涉及一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，用于消除由于发射端本振与回波接收端本振分置而产生的相位误差，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤一，对近场成像场景进行设置；步骤二，采集回波实信号和参考实信号；步骤三，将回波实信号和参考实信号分别处理后得到回波中频实信号和参考中频实信号；步骤四、五，利用Hilbert变换，将回波中频实信号和参考中频实信号分别变换为回波中频复信号和参考中频复信号后进行混频得到混频信号；步骤六，对混频信号利用相位因子补偿法进行校正后得到波数域信号，将波数域信号映射到空间域中进行计算后得到目标点估计散射系数的一维函数表达式，完成一维成像。

1.一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，对近场成像场景中的目标点s、发射机T、回波接收机A、参考接收机B的位置分
别进行设置；
步骤二，所述回波接收机A对来自所述发射机T发射的单点频实信号经目标点s散射后
的信号进行采集得到回波实信号，所述参考接收机B对来自所述发射机T发射的单点频实信
号直接进行采集得到参考实信号；
步骤三，所述回波接收机A接收端接收所述回波实信号后进行载频混频处理后得到回
波中频实信号并输出；
所述参考接收机B接收端接收所述参考实信号后进行载频混频处理后得到参考中频实
信号并输出；
步骤四，利用Hilbert变换，将步骤三中的所述回波中频实信号和所述参考中频实信号
分别变换为回波中频复信号和参考中频复信号；
步骤五，将步骤四中的所述回波中频复信号和所述参考中频复信号进行混频得到混频
信号；
步骤六，利用相位因子补偿法对步骤五中的所述混频信号进行校正后得到波数域信
号，将该波数域信号映射到空间域中进行计算后得到目标点估计散射系数的一维函数表达
式，完成一维成像。
2.根据权利要求1所述的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于：
其中，所述步骤一中场景位置设置具体为：所述目标点s坐标为s(xs,0)，所述发射机T固
定在坐标(xt,zt)，所述回波接收机A的接收天线沿着直线路径运动，该直线到目标点s的垂
直距离为R0，所述回波接收机A一个采样位置的坐标为(xa,R0)，所述参考接收机B的位置是
随机的，坐标为(xb,zb)。
3.根据权利要求1所述的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于：
其中，步骤二中所述发射机T在t时刻发射单点频实信号的数学表达式为：

所述回波实信号的数学表达式为：

其中，Rt(xs)是(xs,0)处所述
目标点s与发射机T的距离，Rr(xa,xs)是所述目标点s与所述回波接收机A的距离，f(xs)为所
述目标点s的散射系数，f1为发射端载波频率，为发射端本振的初始相位。
4.根据权利要求3所述的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于：
其中，步骤三中所述回波中频实信号数学表达式为：

所述参考中频实信号数学表达式为：

$R_{ref}=\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}$
其中,f0是中频频率，f0＝f1-f2，为接收端本振初始相
位，Rref是所述发射机T与所述参考接收机B的距离；为参考接收机B本振的初始相位，f1为
发射端载波频率，为发射端本振的初始相位。
5.根据权利要求4所述的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于：
其中，步骤四中所述回波中频复信号的数学表达式为：

所述参考中频复信号的数学表达式为：

$R_{ref}=\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}$
其中，Rref是发射机T与参考接收机B的距离；为参考接收机本振的初始相位；

6.根据权利要求5所述的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于：
其中，步骤六中所述目标点估计散射系数的一维函数表达式为：
$\hat{f}\left(x_s\right)=\∫s_5\left(k_x\right)e^{j(k_x{x}_s-\frac{{\mathrm{kx}}_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s)}{\mathrm{dk}}_x.$

一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法

技术领域

本发明适属于无线电领域，具体涉及一种近场双站合成孔径成像的方法。

背景技术

太赫兹波：太赫兹波(THz waves)一般指频率在0.1THz-10THz(波长为3mm-30μm)
范围内的电磁波，其频率范围处于宏观电子学向微观光子学过渡的区域，具有独特的物理
特性和重要的研究价值。

太赫兹成像：太赫兹成像是太赫兹波的重要应用领域之一。基于太赫兹波的安全
性、高分辨和穿透性等特点，太赫兹成像具有独特的优势：相比红外和光学成像，太赫兹成
像可以穿透诸如衣物、木板和塑料等非极性材料：相比X射频和微波成像，太赫兹成像往往
能够获取更高空间分辨率的图像：相比X射线成像，毫瓦量级功率的太赫兹成像一般认为对
人体无害。依据是否有太赫兹源，应用于人体安检的太赫兹成像技术可以分为主动式和被
动式两种。被动式成像利用辐射热计探测人体发射的太赫兹波来形成人体表面图像。由于
人体辐射的太赫兹波非常微弱，被动式成像的成像结果往往对比度较低，图像不够清晰。而
主动式成像则一般利用天线发射毫瓦级别的太赫兹波，太赫兹波穿透人体表面衣服，通过
测量反射的太赫兹信号即可得到人体表面图像。主动式成像不仅图像对比度高，而且通过
合成孔径的方法，可以取得较高的方位向分辨率。主动式太赫兹成像技术可以用于机场、地
铁站等场所的近距离的人体安全检测。

双站合成孔径雷达：双站合成孔径雷达的发射机和接收机分置于不同平台上，其
中发射机以一定脉冲重复频率提供对待观测区域的照射信号：接收机接收地面回波并完成
成像处理等任务。与传统单站合成孔径雷达相比，双站合成孔径雷达的主要优点有：

(1)可以获取丰富的信息

传统单站合成孔径雷达由于工作方式的限制，只能获取目标的后向散射信号，双
站合成孔径雷达由于收发分置，可以利用收发平台获取非后向散射信号进行成像，其图像
所含信息不同于单站合成孔径雷达图像，有利于对成像目标分类，识别。

(2)系统结构更加灵活

由于采用收发分置的方式，即发射机与接收机在各自独立的轨道上，因此可以根
据成像应用的需要对发射机接收机分别进行设置，系统的灵活性高，适用范围更加广阔。

由于双站合成孔径成像是典型的相参雷达，其成像的核心在于信号的相干处理，
这就要求发射端本振信号源以及接收端本振信号源必须满足相位同步，否则会严重影响成
像处理的结果甚至无法成像。由于双站设置时太赫兹发射机与接收机分别采用彼此独立的
本振信号源，因此保持相位同步非常困难。现有文献大多是基于远场假设对双站合成孔径
成像系统的相位同步问题进行了研究，而对近场双站合成孔径成像系统的相位同步问题尚
未有系统研究。此外，远场条件使得回波建模都基于平面波假设，而近场时波前是球面波，
适用于远场的同步方法并不适用于近场情况，因此需要对近场场景下的太赫兹非同步双站
合成孔径进行研究。

发明内容

本发明是为了解决在近场的条件下，太赫兹波段的非同步双站合成孔径一维成像
应用中，发射端与接收端采用不同本振信号源时存在的非同步问题而进行的，目的在于提
供一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，以解决双站设置的太赫兹发射机与接收
机分别采用彼此独立的本振信号源难以保持相位同步的问题。

本发明提供了一种近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法，其特征在于，包括
以下步骤：

步骤一，对近场成像场景中的目标点s、发射机T、回波接收机A、参考接收机B的位
置分别进行设置；

步骤二，回波接收机A对来自发射机T发射的单点频实信号经目标点s散射后的信
号进行采集得到回波实信号，参考接收机B对来自发射机T发射的单点频实信号直接进行采
集得到参考实信号；

步骤三，回波接收机A接收端接收回波实信号后进行载频混频处理后得到回波中
频实信号并输出，参考接收机B接收端接收参考实信号后进行载频混频处理后得到参考中
频实信号并输出；

步骤四，利用Hilbert变换，将步骤三中的回波中频实信号和参考中频实信号分别
变换为回波中频复信号和参考中频复信号；

步骤五，将步骤四中的回波中频复信号和参考中频复信号进行混频得到混频信
号；

步骤六，利用相位因子补偿法对步骤五中的混频信号进行校正后得到波数域信
号，将该波数域信号映射到空间域中进行计算后得到目标点估计散射系数的一维函数表达
式，完成一维成像。

在本发明提供的双站合成孔径一维成像的方法中，还可以具有这样的特征：其中，
步骤一中场景位置设置具体为：目标点s坐标为s(xs,0)，发射机T固定在坐标(xt,zt)，回波
接收机A的接收天线沿着直线路径运动，该直线到目标点s的垂直距离为R0，回波接收机A一
个采样位置的坐标为(xa,R0)，参考接收机B的位置是随机的，坐标为(xb,zb)。

另外，在本发明提供的双站合成孔径一维成像的方法中，还可以具有这样的特征：
其中，步骤二中发射机T在t时刻发射单点频实信号的数学表达式为：

回波实信号的数学表达式为：

其中，Rt(xs)是(xs,0)处
目标点s与发射机的距离，Rr(xa,xs)是目标点s与回波接收机A的距离，f(xs)为目标点s的散
射系数，f1为发射端载波频率，为发射端本振的初始相位。

另外，在本发明提供的双站合成孔径一维成像的方法中，还可以具有这样的特征：
其中，步骤三中回波中频实信号数学表达式为：

参考中频实信号数学表达式为：

$R_{ref}=\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}$

其中,f0是中频频率，f0＝f1-f2，为接收端本振初始
相位，Rref是发射机T与参考接收机B的距离；为参考接收机B本振的初始相位，f1为发射端
载波频率，为发射端本振的初始相位。

另外，在本发明提供的双站合成孔径一维成像的方法中，还可以具有这样的特征：
其中，步骤四中回波中频复信号的数学表达式为：

参考中频复信号的数学表达式为：

$R_{ref}=\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}$

其中，Rref是发射机T与参考接收机B的距离；为参考接收机本振的初始相位；

另外，在本发明提供的双站合成孔径一维成像的方法中，还可以具有这样的特征：
其中，步骤六中目标点估计散射系数的一维函数表达式为：

$\hat{f}\left(x_s\right)=\∫s_5\left(k_x\right)e^{j(k_x{x}_s-\frac{{\mathrm{kx}}_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s)}{\mathrm{dk}}_x.$

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的双站合成孔径一维成像的方法，采用固定发射机，并增加一
路参考接收机的装置结构，利用增加的这一路参考接收信号与回波接收机的回波信号进行
混频处理的方式消除由于发射端本振与回波接收端本振分置而产生的相位误差，提高了成
像的质量。

附图说明

图1是本发明的实施例中近场太赫兹非同步双站合成孔径成像示意图；

图2是本发明的实施例中近场太赫兹非同步双站合成孔径一维成像实现原理图；
以及

图3是本发明的实施例中两个相距2.5cm强散射目标实验结果与模拟仿真结果示
意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实
施例结合附图对本发明所涉及的近场太赫兹双站合成孔径一维成像的方法作具体阐述。

实施例

步骤一，对近场成像场景中的目标点s、发射机T、回波接收机A、参考接收机B的位
置分别进行设置。

图1是本发明的实施例中近场太赫兹非同步双站合成孔径成像示意图。

如图1所示，发射机T固定在面对目标平面的位置(xt,zt)，设其波束范围始终覆盖
接收机的波数范围，回波接收机A沿着直线路径运动，该直线到目标点s的垂直距离为R0，参
考接收机B位于随机位置(xb,zb)。回波接收机A的一个采样位置坐标为(xa,R0)，从发射机T
到目标点s(xs,0)的距离为从目标点s(xs,0)到回波接收机A的
距离为

表1参数表

如表1所示的参数设置，在目标测绘平面上设置两个竖直摆放的水平宽度为4cm的
两个金属板。这两个金属板沿X方向的距离为2.5cm。观测平面与目标测绘平面的最短距离
为R0＝34cm。将发射机T的坐标位置固定在(8cm,34cm)，回波接收机A在零时刻位置坐标为
(-8cm,34cm)，参考接收机B的位置坐标为(8cm,0cm)。

图2是本发明的实施例中近场太赫兹非同步双站合成孔径一维成像实现原理图。

如图2所示，发射端与接收端采用不同本振信号源。

如表1所示，设置发射端本振信号源频率为15.3GHz。经过12倍倍频链路得到发射
端载波频率f1＝184GHz；接收端本振信号源频率为15.25GHz，经过12倍倍频链路得到回波
接收端本地载频f2＝183GHz。

步骤二，回波接收机A对来自发射机T发射的单点频实信号经目标点s散射后的信
号进行采集得到回波实信号，参考接收机B对来自发射机T发射的单点频实信号直接进行采
集得到参考实信号。

发射机T在t时刻发射单点频实信号形式为：其中f1为发射
端载波频率，为发射端本振的初始相位。

发射信号经位于(xs,0)处的点目标散射点s散射后，回波接收机A接收到的信号
为：

其中Rt(xs)是(xs,0)处目
标点s与发射机T的距离，Rr(xa,xs)是目标散射点与回波接收机A的距离，f(xs)为目标散射
点s的散射系数。

步骤三，回波接收机A接收端接收回波实信号后进行载频混频处理后得到回波中
频实信号并输出，参考接收机B接收端接收参考实信号后进行载频混频处理后得到参考中
频实信号并输出；

经过接收端本地载频混频处理后，回波接收机A的中频输出信号为

其中f0是中频频率，f0＝f1-f2，为接收端本振初始相位

同理其参考接收机B的中频输出信号为：

$R_{ref}=\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}$

其中Rref是发射机T与参考接收机B的距离；为参考接收机B本振的初始相位，该
本振与回波接收通道本振同源，通过相位平衡功分器分路实现，因此初始相位可认为是相
同。

步骤四，利用Hilbert变换，将步骤三中的回波中频实信号和参考中频实信号分别
变换为回波中频复信号和参考中频复信号。

为了正确提取相位信息中目标坐标信息而实现成像，同时避免实信号直接提取相
位时存在的相位模糊，采用Hilbert变换将实信号转为复信号并进行混频处理，消除由于发
射端本振和接收端本振初始相位不同引起的非同步相位误差。

根据各个通道获取的实信号，构建出对应的正交分量作为虚部，进而构成其复信
号。

则回波接收机中频输出信号的复信号形式为：

参考接收机中频输出信号的复信号形式为：

其中，

步骤五，将步骤四中的回波中频复信号和参考中频复信号进行混频得到混频信
号。

对于合成孔径成像系统来说，其对相位精度的要求很高，若直接基于s2(xa,t)信号
进行目标信息的提取，初始相位误差的存在，不仅会影响成像偏差，严重时更会引起
成像质量下降或根本无法完成方位向孔径合成。因此利用回波接收机与参考接收机的中频
输出信号进行混频消除初始相位即：

$\begin{array}{c}{s}_3\left(x_a\right)=s_2(x_a,t)s_{ref}^{*}\left(t\right)\\ =\∫f\left(x_s\right)e^{j2{\mathrm{\πf}}_0\left(\frac{R_{ref}-(\sqrt{{(x_s-x_t)}^2+{(-z_t)}^2}+\sqrt{{(x_a-x_s)}^2+R_0^2})}{c}\right)}{\mathrm{dx}}_s\\ =\∫f\left(x_s\right)e^{jk\sqrt{{(x_t-x_b)}^2+{(z_t-z_b)}^2}-jk\left(\sqrt{{(x_s-x_t)}^2+{(-z_t)}^2}\right)-jk\left(\sqrt{{(x_a-x_s)}^2+R_0^2}\right)}{\mathrm{dx}}_s\end{array}$

其中表示波数；(·)*是共轭操作。

步骤六，利用相位因子补偿法对步骤五中的混频信号进行校正后得到波数域信
号，将该波数域信号映射到空间域中进行计算后得到目标点估计散射系数的一维函数表达
式，完成一维成像。

进行相位补偿处理，获取目标散射点的散射系数估计值，步骤包括：

混频信号s3(xa)的三个指数相位项中，第一个指数项与成像
目标坐标无关，只与参考接收机和发射机之间的距离有关，可以直接利用对应的相位补偿
因子进行校正，从而消除此项的影响。

第二个指数项仅与目标散射点横坐标xs相关。令

$g\left(x_s\right)=\sqrt{{(x_s-x_t)}^2+{(-z_t)}^2}$

将上式在xs＝0处进行泰勒级数展开，可得：

$g\left(x_s\right)=\sqrt{x_t^2+z_t^2}-\frac{x_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s+o\left({x_s}^2\right)$

其中为佩亚诺余项。

第三个指数项与回波接收机以及目标散射点坐标相关，其值
随回波接收机和目标散射点相对位置的变化而发生变化。可利用驻定相位定理对其进行化
简。其对应驻定相位定理的形式为：

$\mathrm{\φ}(x_a,x_s)=-k\left(\sqrt{{(x_a-x_s)}^2+R_0^2}\right)-k_x{x}_a$

其中kx为X方向上波数域频率分量。

利用函数φ(xa,xs)的一阶偏导求得驻点，即时得到相应的驻点为：

则混频信号的一维波数域形式为：

$\begin{array}{c}{s}_4\left(k_x\right)=\∫s_3\left(x_a\right)e^{-{\mathrm{jk}}_x{x}_a}{\mathrm{dx}}_a\\ =\∫f\left(x_s\right)(\∫e^{{\mathrm{jkR}}_{ref}-jk(\sqrt{x_t^2+z_t^2}-\frac{x_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s)-{\mathrm{jk}}_x{x}_s-jk\sqrt{k^2-k_x^2}{R}_0}{\mathrm{dx}}_a){\mathrm{dx}}_s\end{array}$

补偿距离维方向上的相位偏移。

$\begin{array}{c}{s}_5\left(k_x\right)=s_4\left(k_x\right)e^{-{\mathrm{jkR}}_{ref}+jk\sqrt{x_t^2+z_t^2}+j\sqrt{k^2+k_x^2}{R}_0}\\ =\∫f\left(x_s\right)(\∫e^{j(\frac{{\mathrm{kx}}_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s-k_x{x}_s)}{\mathrm{dx}}_a){\mathrm{dx}}_s\end{array}$

将上述相位补偿后的波数域信号映射到空间域中，目标散射点的估计散射系数表
示为

$\hat{f}\left(x_s\right)=\∫s_5\left(k_x\right)e^{j(k_x{x}_s-\frac{{\mathrm{kx}}_t}{\sqrt{x_t^2+z_t^2}}{x}_s)}{\mathrm{dk}}_x$

从而实现了从目标回波信号重构出目标散射特性的功能，完成一维成像。

图3是本发明的实施例中两个相距2.5cm强散射目标实验结果与模拟仿真结果示
意图。

图3所示为两个相距2.5cm的金属板(金属板宽度均为4cm)实验结果图与模拟仿真
结果图，一维仿真(图中实线曲线)和实验结果(图中虚线曲线)均能正确估计出金属板的宽
度和间隔，实现一维成像。通过本发明具体的实施方式，以及实验结果与仿真结果的对比可
以看出，本发明在一维成像场景中解决了近场太赫兹非同步双站合成孔径成像系统中相位
非同步的问题。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的双站合成孔径一维成像的方法，采用固定发射机，并增加
一路参考接收机的装置结构，利用增加的这一路参考接收信号与回波接收机的回波信号进
行混频处理的方式消除由于发射端本振与回波接收端本振分置而产生的相位误差，提高了
成像的质量。

根据本实施例所提供的两个相距2.5cm的金属板(金属板宽度均为4cm)实验结果
图与模拟仿真结果图，一维仿真和实验结果均能正确估计出金属板的宽度和间隔，实现一
维成像。通过本发明具体的实施方式以及实验结果与仿真结果的对比可以看出，本发明在
一维成像场景中解决了近场太赫兹非同步双站合成孔径成像系统中相位非同步的问题。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。