Abstract: This study uses time domain terahertz radar system to discuss systematic imaging studies on the scaled models based on the improved Back-Projection (BP) algorithm. We image the scaled models with different shapes and are able to distinguish spatial gaps as small as 6 mm. The Theoretical calculation predicts that the lateral resolution and the axial resolution can be as high as 0.125 mm. Center enhancement and background rings caused by the algorithm in the imaging results are also qualitatively analyzed and are proposed methods to overcome this problem. Key words: Terahertz; Radar; Imaging; Back-Projection (BP) algorithm
①(College of Precision Instrument and Opto-Electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China) ②(Key Laboratory of Opto-Electronics Information and Technical Science, Ministry of Education, Tianjin 300072, China) ③(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)
本文运用自行搭建的，以钛宝石飞秒激光振荡 级为抽运源的太赫兹时域雷达紧缩场，对方形金属 体、金属圆球、F-16战机模型、F-22战机模型和辽 宁号缩比模型等多种结构和目标通过BP算法进行 了成像研究。太赫兹成像的结果显示我们的太赫兹
时域雷达系统具有成像能力，而且其理论分辨率极 高。本文工作还对后像投影算法所产生的环形中心 增强效应进行了分析讨论，并提出了成像背景圆环 的产生原因与抑制方法，该研究为太赫兹波段的成 像研究提供了新的思路。
Terahertz Radar Imaging Based on Time-domain Spectroscopy
Wei Ming-gui①② Liang Da-chuan①② Gu Jian-qiang①② Min Rui③ Li Jin③ Ouyang Chun-mei①② Tian Zhen①② He Ming-xia①② Han Jia-guang①② Zhang Wei-li①③
图 2 系统标准时域信号(插图为塑料泡沫柱空载时域信号) Fig. 2 The standard time-domain signal of the terahertz timedomain radar system (Insert: the scattered signal of the plastic
j
sj2 ij2
(1)
其中Ei和Es分别是入射与散射电磁场振幅，而R是 雷达与目标物体之间的距离。根据经典Mie理论[31]， 完 美 电 导 体 球 的 散 射 截 面 为 R C S = r2而 且 RCS / j pj2 ， 其 中 p为 峰 值 电 场 ， 由 此 可 见
Ep~r。我们利用太赫兹雷达系统分别测量了直径 0.9 cm, 2 cm, 3 cm, 4 cm, 5 cm, 6 cm的金属球的
第4卷
图 3 不同直径金属球的峰值电场及拟合曲线 Fig. 3 The peak electric field of the scattered time-domain signals for the metal spheres with different diameters and the
fitting curve
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雷达学报
的放置姿态经过调整使得反射信号最大，图中可见 其时域电场振幅信噪比可达3392:1。图2附图展示 了用雷达系统单独测量塑料泡沫载物台的时域信 号，经实测发现，载物台的姿态和位置对所测得的 结果没有影响，由附图可见载物台的散射信号在噪 声水平以下(尺寸为12×20 cm)，不会对后面测量 带来不利影响。
③(电子科技大学电子工程学院 成都 611731)
田 震①②
摘 要：该文在太赫兹时域雷达基础上，通过改进后的后向投影(BP)算法对多种模型进行了系统的成像研究，验
证了散射太赫兹时域信号的成像机制。成像结果显示实验实现了分辨6 mm的空间间隔；同时理论计算证明太赫
兹时域雷达具有0.125 mm的横向和0.125 mm的纵向分辨率潜力。该文还对安全监测等领域具 有广泛的应用前景[3–7]。而近年来国内外的科研机 构对太赫兹雷达领域越来越关注[8–11]。太赫兹雷达 研究的蒸蒸日上一方面是因为太赫兹波长比微波 短，因此在相同积累角的情况下，太赫兹雷达将比 微波雷达具有更高的横向分辨率[12–14]；另一方面是 因为太赫兹波能穿过大部分织物和非金属的包装， 具有很强的透视效果；另外，太赫兹波光子能量较
foam cylinder without any target)
为验证太赫兹雷达系统的探测能力，我们用不
同直径的导体金属球的RCS对雷达系统进行校准。
所谓RCS是一个用面积单位表征的参数，它定量表 征了目标散射到雷达探测端的电磁波强度[20–30]，其
普遍定义为：
RCS = lim 4R2 j
R!1
第2期
魏明贵等： 太赫兹时域雷达成像研究
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低，对人体无害，是一种非电离性的、安全的探测 技术[15,16]。目前，大部分太赫兹雷达成像技术都是 基于单频或扫频方式完成的，频段大都集中在0.3 THz以下，难以达到标准的太赫兹波段(1 THz及 以上)，因而没能完全发挥太赫兹短波长所带来的 横向分辨率优势；而又由于扫频的频谱宽度一般较 窄(10 GHz)，极大地限制了成像纵向分辨率的提 高，而基于时域光谱技术的太赫兹雷达系统在这两 方面显示出特有的优势。时域雷达系统一般采用宽 带光导开关发射器和接收器，利用超短激光脉冲作 为抽运源，将接收到的太赫兹电场信号转化为微弱 电流信号放大，并通过测量电流信号来检测太赫兹 脉冲。太赫兹时域光谱系统具有瞬态性(ps级时间 分辨率)、宽带性(频谱宽约0.1～5 THz)、低能性 (meV量级)和信噪比高(10000:1左右)等特点，其频 率多在1 THz附近，频谱宽度大于1.5 THz，因此 具有高频率、宽带宽的特征。在该方向， 2010年，丹麦技术大学的Jepsen等人利用飞秒激光 放大级为光源，以波面倾斜激发的太赫兹时域频谱 系统组建了近单站式太赫兹雷达，并利用后向投影 算法(BP)对F–16战斗机的1:150金属缩比模型进行 了成像，验证了太赫兹时域雷达的成像能力[17–19]。
被测模型与旋转台之间由聚苯乙烯塑料泡沫支 撑柱连接，在模型测量过程中，该支撑柱对于太赫 兹波的散射极小，可忽略不计。图2展示了雷达系 统测量平面反射镜所得的太赫兹雷达信号，平面镜
图 1 太赫兹时域雷达系统示意图 Fig. 1 The schematic diagram of terahertz time-domain radar system
1 引言
太赫兹波(Terahertz waves)是指频率为 0.1～10 THz (波长3 mm～30 μm)的电磁波[1,2]，
2014-11-02收到，2015-01-30改回；2015-04-21网络优先出版 国家重点基础研究发展计划(2014CB339800)，国家自然科学基金 (61107053, 61138001)和国家重大科学仪器设备开发专项 (2011YQ150021)资助课题 *通信作者： 谷建强 gjq@
现象进行了分析讨论，并讨论了成像背景圆环的原因与抑制方法。
关键词：太赫兹；雷达；成像；后向投影(BP)算法
中图分类号：TN958
文献标识码：A
文章编号：2095-283X(2015)02-0222-08
DOI: 10.12000/JR14125
引用格式：魏明贵, 梁达川, 谷建强, 等. 太赫兹时域雷达成像研究[J]. 雷达学报, 2015, 4(2): 222–229. /10.12000/JR14125. Reference format: Wei Ming-gui, Liang Da-chuan, Gu Jian-qiang, et al.. Terahertz radar imaging based on time-domain spectroscopy[J]. Journal of Radars, 2015, 4(2): 222–229. /10.12000/JR14125.
第4卷第2期 2015年4月
雷达学报 Journal of Radars
Vol. 4No. 2 Apr. 2015
太赫兹时域雷达成像研究
魏明贵①②
梁达川①② 谷建强*①② 闵 锐③ 李 晋③ 欧阳春梅①② 何明霞①② 韩家广①② 张伟力①③
①(天津大学精密仪器与光电子工程学院 天津 300072) ②(天津大学光电信息技术教育部重点实验室 天津 300072)
峰值电场强度，在图3中用误差棒表示。可以看出
它们是成线性关系的，其比例系数经拟合可得(红