第24卷第1期强激光与粒子束Vol.24,No.1 2012年1月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSJan.,2012
文章编号: 1001-4322(2012)01-0007-03＊研究快报＊太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究＊
蔡英武1, 杨 陈1, 曾耿华1, 黄 祥1, 王 成1, 江 舸1,
李如忠1, 陶荣辉1, 张 健1, 周传明2, 姚 军1
(1.中国工程物理研究院电子工程研究所,四川绵阳621900; 2.中国工程物理研究院,四川绵阳621900) 摘 要: 给出了一种载频0.14THz、带宽5GHz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3cm的高分辨力,其ISAR像清晰,反映了目标的细微特征。 关键词: 太赫兹; 宽带雷达; 极高分辨力; ISAR成像 中图分类号: TN95 文献标志码: A doi:10.3788/HPLPB20122401.0007
太赫兹(THz)信号是指频率介于毫米波与红外光之间的电磁波,兼有微波毫米波与红外光两个频段的特性。相比于微波、毫米波频段的信号,太赫兹频段的波长较小,更适合于极大信号带宽和极窄天线波束的实现,获得目标的精细成像,从而有利于目标的识别[1-2]。这些特点为太赫兹雷达提供了巨大应用潜力。THz电子
学系统的应用研究主要集中在通信与雷达方面。THz通信方面,文献[3-4]给出了载频0.14THz,10Gbyte/s的通信系统,并实现了km级的图像传输。THz雷达系统方面的研究也在迅速发展,文献[2]给出了美国喷气推进实验室(JPA)利用0.6THz雷达系统扫描实现了3维成像。国内THz雷达系统方面的研究也取得了进步,文献[5]实现了中心频率0.34THz、宽带2.4GHz雷达系统,其分辨力达到7cm,同时对THz雷达成像进行了仿真与分析研究。而THz逆合成孔径雷达(ISAR)成像的实现国内尚未见公开报道。本研究设计了一种载频0.14THz、带宽5GHz的极高分辨力太赫兹雷达样机,并给出了太赫兹雷达样机的ISAR成像的试验结果。
1 THz雷达系统设计 为了实现将THz雷达系统的大宽带雷达信号变为能处理的窄带信号,THz雷达系统发收前端的架构中,发射信号为大宽带线性调频信号,接收采用解线去斜接收(dechirp),将大宽带信号转变为窄带信号。THz极高分辨力ISAR雷达成像系统样机的原理如图1(a)所示,样机如图1(b)所示。
Fig.1 Terahertzradarsystem图1 太赫兹雷达系统 系统发射机高稳定、高分辨力的毫米波频率源由外部100MHz参考时钟锁定,通过隔离器和有源倍频放大滤波输出功率为10dBm、频率为67.2GHz的本振信号,进入二次谐波混频器与输入基带信号进行混频,输
＊收稿日期:2011-11-24; 修订日期:2011-12-13
作者简介:蔡英武(1971—),男,研究员,主要从信号处理研究;caiyw@xleda.com。通信作者:杨 陈(1983—),男,助理研究员,主要从信号处理研究;youchin@foxmail.com。出为0.14THz±2.5GHz的信号,经滤波、隔离后,从喇叭天线发射出去。THz雷达的发射机输出功率约为0dBm,图2为不同的基带信号功率PIF的输出功率测曲线。 目标反射的回波信号经由天线、低噪声放大器、隔离器后进入二次谐波混频器下变频。混频器本振来自于高稳定、高分辨率的毫米波频率源通过隔离器和有源倍频放大滤波输出的功率为10dBm的(67.2±2.5)GHz信号。谐波混频器变频损耗约为10dB。输出中频信号送中频接收机进行处理。THz雷达系统接收机射频前端的系统增益测试曲线如图3所示。
Fig.2 Outputpowerof0.14THzradar 图2 0.14THz雷达系统发射机的输出功率 Fig.3 Receivergainof0.14THzradar 图3 0.14THz雷达系统接收机增益
2 成像试验与结果分析 成像试验主要是验证THz雷达系统的宽带高分辨能力,以及ISAR雷达系统的成像能力。为了获取目标的2维像,需要依靠成像目标的相对转动才能实现。试验中将目标放置于转台上,以一定的角速度转动。 THz雷达系统样机收发同时工作,系统发射信号为线调频连续波信号,试验的成像系统参数如表1所示。
Fig.4 ImagingresultsofTHzradar图4 THz雷达成像结果
8强激光与粒子束第24卷表1 THz雷达试验参数表Table1 TestparametersofterahertzradarsystemRFfrequency/THzbandwidth/GHzsignalmodelpulserepetitiontime/μspulsewidth/μsanglevelocityofrotor/[(°)·s-1]
0.145linearfrequencymodulation1251001 成像采用距离-多普勒(RD)算法对回波信号进行成像。由于THz雷达系统的带宽非常宽,系统的非线性将严重影响雷达系统的分辨能力,为了保证系统的分辨力,需对雷达系统的采集信号进行非线性失真校正。 图4(a)是雷达系统对单散射点目标体的成像结果。3dB宽带约为3cm,接近雷达系统的理论分辨力。图4(b)是THz雷达系统对尺寸约为40cm×60cm的直升机模型的ISAR成像结果。图4(c)是对点间距约为5cm的散射点阵的ISAR成像结果。由图4可以看出,飞机模型ISAR图像与散射点阵ISAR图像轮廓清晰,可以分辨出目标各部分的组成等细微特征。
3 结 论 本研究设计实现了载频0.14THz、带宽5GHz、分辨力达3cm的ISAR雷达系统,并得到了目标的1维距离像与2维ISAR像结果。试验结果表明,该雷达系统的成像精度高,有利于雷达目标细微特征的探测与目标识别。
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ExperimentalresearchonhighresolutionterahertzradarimagingCaiYingwu1, YangChen1, ZengGenghua1, HuangXiang1, WangCheng1,
JiangGe1, LiRuzhong1, TaoRonghui1, ZhangJian1, ZhouChuanming2, YaoJun1(1.InstituteofElectronicEngineering,CAEP,P.O.Box919-515,Mianyang621900,China;2.ChinaAcademyofEngineeringPhysics,Mianyang621900,China)
Abstract: Thedesignandrealizationofaterahertz(THz)radarsystemwith0.14THzcarrierfrequencyand5GHzband-widthhavebeenpresented.TheKabandsignalwasfrequency-doubledtobeusedasthelocaloscillatorsignalforsub-harmonicmixerinthesystem'stransceiverchain.Forthetransmittedsignalwasalinearlyfrequency-modulatedcontinuous-wave(LFM-CW),thedechirptechniquewasusedintheTHzradarreceiverfrontend.ByusingthisTHzradarsystem,3cmhighresolutionrangeprofileswereobtainedaswellasinversesyntheticapertureradar(ISAR)images,whichexactlyrepresentthesubtlefeaturesoftargets. Keywords: terahertz; wide-bandradar; extremelyhighresolution; inversesyntheticapertureradarimaging