太赫兹综合孔径近场成像系统设计_陈建飞

Ｆ ｉ ． ２ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｓ ｎ ｔ ｈ ｅ ｔ ｉ ｃ ａ ｅ ｒ ｔ ｕ ｒ ｅ ｉ ｍ ａ ｉ ｎ ｓ ｓ ｔ ｅ ｍ ｇ ｇ ｙ ｐ ｇ ｇ ｙ 图 ２ 综合孔径成像系统结构框图
２． １ 天线波束扫描设计 本设计采用 “ 型天线波束扫描结构 ， 只 对 第 一、 二 象 限 进 行 数 据 采 集， 其他象限通过可见度函数的共轭 Ｔ” 对称性获得 ， 这样可以大幅节省成像时间 ， 实现快速成像 。 天线的波束扫描结构的截面图如图 ３ 所示 ， 通过转 动位于主反射面焦点处的副反射面 ， 使得天线的波束中心分别沿着水平和垂直方向移动 ， 波束只在主轴方向移 。 通过对天线 Ⅰ 和天线 Ⅱ 的互相关操作 ， 动（ 实心圆的位置为波束中心的驻留点 ） 获取第 一 象 限 的 可 见 度 函 数 值； 其获取顺序如图 ４ 所示 ， 首先固定垂 直 方 向 的 天 线 Ⅰ ， 移动水平天线Ⅱ的 波 束 完 成 第 一 行 的 数 据 采 集， 然 将天线 Ⅱ 进行反方向扫描完成第二行的数据采集 ， 如此反复直到完成第一象限的可 后天线 Ⅰ 上扫一个步长后 ， 见度函数值的采集 ； 之后通过可见度函数的对称性得到其他两个象限数据 ， 并进行傅里叶逆变换或由其他反演 算法获得目标场景的太赫兹成像结果 。 ２． ２ 太赫兹波源和混频器设计 太赫兹接收机设计的难点主要存在于太赫兹波源和混频器的设计 ， 对于接近于 毫 米 波 段 的 太 赫 兹 源 一 般 本设计拟采用 Ｄ 波段三倍频技术实现太赫兹波本振源 的 采用固态电子学的方法实现 。 根据目前的技术水平 ， 设计 。 首先由低噪声的耿氏二极管设计一个 １ 之 后 通 过 奇 次 倍 频 的 方 法 提 取 其 ３ 次 谐 波； 最终 ２ ０ＧＨ ｚ的 源 ， 获得 ３ 倍频器的具体设计框图如图 ５ 所示 ６ ０ＧＨ ｚ的太赫兹波 ，
ｍ １
］ －Ｒｍ２）
（ ） １
） 式 中： 为距离为 Ｒ 处的辐射源在 为辐射源 ｍ 的归一化辐射强度 ， 其坐标 Ｅ（ Ｒ， ｔ ｔ 时刻的的场强 ； Ｉ（ ｍ， ｘ， ｙ） ， ）； ， ； ／ ； 指数部分为辐射源到两天线的相位差 是影响可见度函数的关键因素 为圆波数 根据 为（ ｘ， Ｒ ｋ ＝ ２ π λ ｙ 图 １ 可得距离 Ｒｍ１ 和 Ｒｍ２ 表达式 ， 并进行泰勒展开 ， 可得
是指频 率 在 ０． １～１ ０ＴＨ ｚ介 于 毫 米 波 与 红 外 光 之 间 的 电 磁 波 。 太赫兹波也被称为亚毫米波或远红外线 ， １］ ； 相比红外可见光 ， 太赫兹具有波穿透性 ： 能穿透非金属和非极性 材 料 ， 如 纺 织 品、 纸 板、 塑 料、 木 料 等 包 装 物［ ［ ２］ 同时太赫兹波对于毒品炸药等物品具有较高的频率响应 ， 可以很好地应用于安全检测和缉毒工作中 ； 相 对于 ， ， ； ， 微波毫米波 太赫兹波同样能够穿透烟雾和浮尘 具有全天候的优点 由于波长更短 太赫兹波还具有更高的分 太赫兹波能量小 ， 不会引起生物组织的光离化 ， 适合于生物医学成像 。 近年来 ， 随着太赫兹波源的 辨率 。 此外 ， ］ １， ３ ７ － 。 检测及相关器件等关键技术的逐步突破 ， 太赫兹波的优越性逐步显现 ， 其在各应用领域具有广阔的应用 ［ 本文对近场太赫兹综合孔径成像进行研究 ， 提出了一种被动太赫兹成像系统的设计 方 案 。 系 统 由 两 通 道 太 赫 兹被动接收机构成 ， 本振源由 Ｄ 波段三倍频技术实现 ， 采用肖特基二级管进行混频设计 ； 天线结构采用 波束 扫 。 描结构实现孔径的综合
２ ２ ２ ２ ２ （ （ ／ Ｒ１ ｘ － Ｘ１） ｘ － Ｘ１） ２ Ｒ ＋（ ＋（ ｙ －Ｙ１） ＋Ｒ ≈ Ｒ ＋ ［ ｙ －Ｙ１）］ ｍ ＝ 槡
（ ） ２
同理可得
； 收稿日期 ： ２ ０ １ ２ １ ２ １ ７ ２ ０ １ ３ ０ １ １ ９ － － 修订日期 ： － － ） ； ） 基金项目 ： 国家部委项目 （ 国家自然科学基金项目 （ ５ １ ３ ０ ５ ０ ５ ０ １ ０ ２ ６ １ ０ ０ １ ０ １ ０， ６ ０ ９ ０ １ ０ ０ ８ ， 作者简介 ： 陈建飞 （ 男， 博士 ， 主要从事被动毫米波成像研究 ； １ ９ ８ ７—） ｃ ｈ ｅ ｎ ｆ ｅ ｉ ０ ５ ０ ６ ０ ７＠１ ２ ６． ｃ ｏ ｍ。 ， 通信作者 ： 李跃华 （ 男， 教授 ， 博 导， 主 要 研 究 方 向 为 毫 米 波 探 测 与 目 标 识 别、 信 号 处 理 与 智 能 化 技 术； １ ９ ５ ９—） ｈ ｍ ｂ ４ ５ ０ ７＠ ｍ ａ ｉ ｌ ． ｎ ｕ ｓ ｔ ． ｊ 。 ｅ ｄ ｕ． ｃ ｎ
５ 卷第 ６ 期 第２ ０ １ ３年６月 ２
强
激
光
与
粒
子
束
Ｈ Ｉ ＧＨ Ｐ ＯＷＥ Ｒ Ｌ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＡＮ Ｄ Ｐ ＡＲ Ｔ Ｉ Ｃ Ｌ Ｅ Ｂ Ｅ ＡＭＳ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ５，Ｎ ｏ ． ６ ， Ｊ ｕ ｎ． ２ ０ １ ３ ０ １ ３ ０ ６ １ ５ ９ ２ ０ ５ １ － － －
１ 被动太赫兹综合孔径成像原理
综合孔径成像的基本思 想 是 利 用 小 口 径 天 线 组 成 天 线阵列通过两两相关测量实 现 等 效 大 口 径 的 高 分 辨 率 成 ６］ 。 干涉测量的示意图如图 １ 所示 ： 天线阵列在ｚ ＝ ０ 像［ 的平面内 ， 辐射 源 位 于 ｚ ＝ Ｒ 的 平 面 内 ； 将辐射源离散 ， 化 其中第 ｍ 块面源到两天线的距离分别为 Ｒｍ１ 和 Ｒｍ２ 。 对两天线的 回 波 信 号 进 行 复 相 关 运 算 ， 可得目标的 ， 互强度分布） 理想情况下的归一化可见度 可见度函数 （ 函数的表达式为 ＊ ） （ ） 〉＝ ·Ｅ２ Ｖ１， Ｅ１（ Ｒｍ１ ， ｔ Ｒｍ２ ， ｔ ２ ＝ 〈
＊
第６期
陈建飞等 ： 太赫兹综合孔径近场成像系统设计
２ ２ （ ／ Ｒｍ２ ≈ Ｒ ＋ ［ ｘ － Ｘ２） ２ Ｒ ＋（ ｙ －Ｙ２）］
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（ ） ３
） ） 结合式 （ 可得 ２ ３ ～（
２ ２ ］ ／ （ ］ ／ （ ） Ｒ＝ （ Ｒｍ１ －Ｒｍ２）＝ ｋ［ ｘ（ Ｘ２ － Ｘ１） Ｙ２ －Ｙ１） Ｒ ＋ｋ［ Ｘ２ Ｘ２ ２ Ｒ ４ Δ ＋ｙ（ －（ １ ＋Ｙ １） ２ ＋Ｙ ２） ２ ２ ２ ） ） ， ／ ／ （ 将式 （ 代入式 （ 并做变量替换 ｖ＝ ｋ（ ４ １ Ｘ１ －Ｘ２ ） Ｒ， ｈ＝ ｋ（ Ｙ１ － Ｙ２ ） Ｒ， ｖ， ｈ） ＝ ｋ［ Ｘ１ ＋ Ｙ１ ） －（ Ｘ２ ＋ φ（
３ 系统性能仿真及可行性验证
３． １ 系统空间分辨率分析 太赫兹综合孔径成像系统的空间分辨 率 和 其 他 综 合 孔 径 系 统 相 同 ， 由 其 综 合 孔 径 的 大 小 决 定， 但其波长 短， 使得其分辨率显著的高于微波毫米波系统 。 其分辨率公式为 ／ （ ） Ｒ ＤＳＡ ６ θ ３ ｄ Ｂ ＝λ ρ＝ Ｒ 式中 ： 若波束扫描步长为 Δ 水平和垂直方 Ｒ 为成像距离 ； ＤＳＡ 为 合 成 孔 径 的 孔 径 尺 寸 ； ｄ， λ 为系统的工作波长 ； 向的扫描点数均为 Ｎ ， 则
Ｆ ｉ ． ５ Ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ ｏ ｆ ｆ ｒ ｅ ｕ ｅ ｎ ｃ ｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｌ ｉ ｅ ｒ ｇ ｇ ｑ ｙ ｐ 图 ５ 倍频器结构框图
对于太赫兹波混频器的设计 ， 由于系统是相干系统 ， 需要获取相位信息 ， 因此 混 频 器 拟 采 用 外 差 式 肖 特 基 混频器 ， 其优点是将获取的信号与本振源产生的参考信号进行混频 ， 能够很好地保持 场 景 的 相 位 信 息 ， 并且具 不需要另加液氮冷却装置 。 有较高的探测灵敏度 。 此外外差式肖特基混频在常温下即可得到很好的探测效果 ，
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强
激
光
与
粒
子
束
第２ ５卷
Ｆ ｉ ． ３ Ｓ ｅ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｖ ｉ ｅ ｗ ｏ ｆ ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｇ 图 ３ 天线结构的截面图
Ｆ ｉ ． ４ Ａ ｎ ｔ ｅ ｎ ｎ ａ ｂ ｅ ａ ｍ ｓ ｃ ａ ｎ ｎ ｉ ｎ ａ ｔ ｈ ｇ ｇ ｐ 图 ４ 天线波束扫描轨迹
太赫兹综合孔径近场成像系统设计
陈建飞 ， 李跃华 ， 王剑桥
（ ） 南京理工大学 电子工程与光电技术学院 ，南京 ２ １ ０ ０ ９ ４
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在红外与毫米波成像系统 的 摘 要 ： 根据太赫兹成像兼具微波穿透特性和红外线高分辨率成像的特点 ， 基础上 ， 提出一种近场太赫兹波被动干涉合成孔径成像系统的设计方案 ， 并对其实现方法进行了分析 。 系 统 采 用二维波束扫描天线结构实现综合孔径成像 ， 在保证 高 精 度 成 像 的 同 时 降 低 了 系 统 的 复 杂 度 。 通 过 数 值 仿 真 仿真结果表明系统具有较高的空间分辨率 ； 并对系统的成像过程进行了模 拟 对成像系统的成像性能进行分析 ， 仿真 ， 验证了系统的可行性 。 关键词 ： 太赫兹波 ； 近场成像 ； 综合孔径 ； 被动成像 ； 空间分辨率 ： ： ： ／ 中图分类号 文献标志码 Ｔ Ｐ ９ ５ Ａ ｄ ｏ ｉ １ ０． ３ ７ ８ ８ ＨＰ Ｌ Ｐ Ｂ ２ ０ １ ３ ２ ５ ０ ６． １ ５ ９ ２
］ ／ 可得整个观测平面内的可见度函数为 Ｙ２２） ２ Ｒ， ［ ］ Ｉ（ ［ ］ Ｖ（ ｖ， ｈ）＝ ｅ ｘ ｖ， ｈ） ｘ， ｅ ｘ ｋ（ ｖ ｘ ＋ｈ ｄ ｘ ｄ －ｊ －ｊ ｐ ｐ ｙ） ｙ ｙ） φ（

ｘ ｏ ｙ
（ ） ５
式中 ： 为二次相位补偿项 ， 对 于 近 场 成 像 距 离 Ｒ 相 对 较 小， 此 项 无 法 忽 略， 否则将造 成 脉 冲 响 应 变 宽， ｖ， ｈ） φ（ 从而成像变得模糊 ； 工作频段 越 高 模 糊 越 严 重 ， 对 于 太 赫 兹 近 场 成 像 尤 为 显 著。 由 式 （ 可看出可见度函数 ５） 与辐射强度 （ 量温 ） 分布函数Ｉ（ 之间满足傅里叶变换的关系 ， 这就是近场综合孔径成像的理论 基 Ｖ（ ｖ， ｈ） ｘ， ｙ） ） 础 。 此外由于实测场景的辐射分布函数Ｉ（ 为实函数 ， 结合式 （ 可得实测可见度函数 Ｖ （ ｘ， ５ ｖ， ｈ）具有共轭 ｙ） 对称性 ， 利用这一性质可以大大简化系统的结构 。