频率步进太赫兹雷达的一维高分辨距离像第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集

1、560 第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集  频率步进太赫兹雷达的一维高分辨距离像 *梁美彦 1*曾邦泽 1张存林 1, 2赵跃进 1(1. 北京理工大学光电学院 北京 100081;2. 首都师范大学物理系太赫兹光电子学教育部重点实验室太赫兹波谱与成像北京市重点实验室 北京 100048摘 要 频率步进信号是一种较常用的高距离分辨率雷达信号 , 常用于雷达的目标识别,而太赫兹波比微波信号波长短,更易于实现距离高分辨。文章首先介绍了步进频率信号获得一维距离像的方法, 分析了步进频率雷达系统中一维高分辨力距离像的成像原理 , 然后对 0.2THz 步进频率雷达系统进行了介绍

2、,最后,用 Matlab 对太赫兹雷达高分辨率进行了仿真,仿真结果显示频率步进太赫兹雷达对静止目标达到了厘米级的高分辨率,而对于运动目标存在距离发散和耦合时移。速度越大,失真越大。关键词 太赫兹雷达 高分辨距离像 仿真 频率步进1 引言太赫兹波(THz 是介于红外与毫米之间的一个波段(频率在 0.1THz 10THz ,太赫兹波本身 的频率比微波高,所以更容易实现高分辨,获得目标的精细成像,从而有利于目标的识别 1-2。而步 进频率信号是一种重要的高分辨脉冲信号,它通过发射一串载频均匀跳变的单频相参脉冲,来合成 大的信号带宽并获得高距离分辨率 3-6。经过相参处理提取出回波中包含的目标的频率响

3、应特性,对 它们进行离散逆傅立叶变换就可以获得目标的高分辨距离维分布,其幅度就是通常所说的距离像。 步进频率信号改善距离分辨率的原理,早在上世纪 60年代就已经提出了,而随着数字信号处理技术 的发展,步进频率信号逐步应用于雷达系统。这种信号以窄带发射、接收、处理,合成相应的宽带 信号所以能达到的高距离分辨率,从而降低了雷达发射机和接收机的实现难度和成本。因此把太赫 兹作为频率步进信号的太赫兹雷达具有比微波波段更好的分辨率,可以进行超细分辨 7。分辨率已 经达到了厘米量级。2 步进频率波形与一维高分辨力距离像2.1 频率步进信号的基本原理频率步进信号的形式如图 1所示,在步进频率雷达系统中 ,

4、雷达发射一串载频线性跳变的矩形脉 冲,每个脉冲宽度为 ,脉冲重复周期为 Tr , f 0为起始脉冲的频率,频率步进量为 f ,每组脉冲个数*基金项目:国家 973计划(2007CB310408资助课题。*作者简介:梁美彦(1984 , 女,山西太原人,博士研究生,主要从事太赫兹雷达方面的研究。 E-mail :norways_ forest。第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集 561 为 N , 则总带宽为 :B=(N1 f , 当 N>>1时 ,B N f , 第 i 个子脉冲的频率为 f i =f0+f , 其中, i=0,1,N1。   图 1

5、 步进频率雷达信号频率随时间的变化假设在一个脉冲串周期内,雷达发射信号为:=+=10 (2exp ( (N nrt f n f j nT t rect t u (1 式中:=otherst t rect 0221(本振信号是:=+=10 (2exp ( (N n r rt f n f j T nT t rect t s (2位于距离 R 远处的点目标的回波信号为:=+=102(2exp2( (N nr c R t f n f j c RnT t rect t r (3回波信号与本振混频后的信号:=+=100122exp(22exp(2(2 (2exp2( (N n r N nr c R f n

6、 j c R f j RnT t rect c R f n f j c RnT t rect t y (4 对于固定目标, (4式中第一个指数项是常数,第二个指数项可以看成时间点是 2R/c,频率线性增 加的频域信号,对每个回波信号在 R nT t r n 2+=处采样,并且归一化以后得到22exp( (cRfn j n r = (52exp( (N lnj n y = (6其中, 2(cfNR round l = 1. 3, 2, 1=N n (7对(6式中的 N 个信号采样值做 IDFT 处理并取模562 频率步进太赫兹雷达的一维高分辨距离像(sin(sin (l k N N l k k

7、H = 1. 3, 2,1=N k (8 显然,在 k=l的时候 (k H 取最大值,从而可以从 k 值计算出 l 值,然后反解出一维距离 R。 2.2 频率步进信号合成处理的物理意义步进频率信号发射的是一串窄带的相参脉冲,每个脉冲的载频之间是均匀线性步进的,在快时 间内采样,慢时间 IFFT 可以得到一维高分辨。频率步进雷达信号处理的物理意义是以 f 为频域抽样 间隔 , 在离散的频点上发射频域谱线,总带宽 B=Nf, 故 IFFT 后有距离高分辨率效果。同时由于带宽 B 是分布在 N 个脉冲重复周期中的,所以可以降低系统瞬时带宽的要求 .3 太赫兹雷达系统系统的整体结构框图如图 2所示,主

8、要由五部分组成: 天线:实现 220GHz 信号的发射和接收。射频前端:将两路 Ku 波段跳频信号倍频放大;产生 220GHz 发射信号;将 220GHz 回波信号谐波 混频产生 760MHz 第一中频信号;完成发射信号的脉冲调制;频率源:在系统控制下产生高稳定和低相位噪声的两路 Ku 波段跳频信号,一路用于驱动发射倍 频链路,一路用于驱动接收本振倍频链路;产生 700Mhz 第二中频本振信号;产生数字中频采样时钟 信号。中频模块:将第一中频接收信号滤波放大;与第二中频本振信号混频,从而将中心频率搬移到 第二中频 60MHz ;能够实现增益控制;信号采集与处理:完成中频接收信号的采集存储;实现

9、数字中频 (DDC运算;将采集数据传输 给上位机,同时接受上位机的控制;实现对数据采集和频率源参数的控制;实现对中频模块增益的 控制。发射端 THz 输出频率范围为 0.214THz-0.226THz , 带宽为 12GHz , 输出功率为 8-10 mw。 因为空气 中水分子对 THz 的吸收,而发射的太赫兹功率又比较低,所以可以探测的距离是比较近的 1, 8。 图 2 频率步进雷达的框图第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集 563 4 仿真结果频率步进信号对于静止目标 IDFT 处理的输出是一离散的 sinc 函数 , 其时间分辨率 t=1/Nf ,对应 的距离分辨率为

10、 r=c/(2Nf ,距离分辨率是单个脉冲测量时的 N 倍,从而可以实现目标的高分辨。 单点不模糊距离是 R u =c/(2f 。而对于运动目标,还存在波形发散和耦合时移。仿真参数:起始频率 f 0=0.214THz,步长 f=93.75MHz,一帧的脉冲数 N=128,目标的实际距离 R=5.3125m时,其单点不模 糊距离 R u =c/(2f=1.6m,理论上距离分辨率是 r=c/2B=c/(2Nf=1.25cm, 从上面的计算可以看出进 行步进频率 THz 雷达可以实现高分辨成像,可以达到厘米数量级的分辨率。而对于运动的目标速度 越高,波形发散和耦合时移越严重。波形发散还造成了目标回波

11、幅度的下降。图 3是静止目标仿真结 果。横坐标是距离,纵坐标是归一化的幅值。仿真图中的单点不模糊距离从 4.8m 到 6.4m , 128点 IFFT 后,距离分辨率为 1.25cm 。 A m p l i t u d eRange/mIFFT128    距离幅 度目标运动对单幅一维距离像的影响 图 3 太赫兹雷达的一维高分辨距离像 图 4 目标运动对一维距离像的影响5 结论本文介绍了一种 0.214THz 到 0.226THz 的步进频率太赫兹雷达,由于太赫兹波具有比微波更好的 分辨率,再加上频率步进信号本身具有的高分辨力,而且在获得距离高

12、分辨率的同时降低对数字信 号处理机瞬时带宽的要求,所以频率步进太赫兹雷达利用瞬时窄带合成宽带实现了高分辨。从仿真 结果可以看出,带宽为 12GHz 的频率步进太赫兹雷达对静止目标的分辨率可达 1.25cm ,运动目标由 于存在耦合时移和距离发散, 对分辨率造成了影响。 运动目标存在的问题可以通过速度补偿来解决。 仿真结果从理论上证明了步进频率太赫兹雷达对静止目标的距离超高分辨力,为太赫兹雷达用于雷 达目标细微特征的探测与识别提供了依据。参考文献1 张存林 . 太赫兹感测与成像 . 北京 :国防工业出版社 , 2008. 2 许景周 , 张希成 . 太赫兹科学技术和应用 . 北京 :北京大学出版

13、社 , 2007.4 A.French. Improved High Range Resolution Profiling of Aircraft using Stepped-Frequency Waveforms with an S-Band564 频率步进太赫兹雷达的一维高分辨距离像Phased Array Radar,2006 IEEE Radar Conference,2006. 69-75.5 李眈 , 龙腾 . 步进频率雷达目标去冗余算法 . 电子学报 , 2000,28(6:60-63.6 包云霞 . 频率步进宽带雷达信号处理算法研究 . 北京理工大学 . 2011.7 蔡英武

14、, 杨陈 , 曾耿华 , 等 . 太赫兹极高分辨力雷达成像试验研究 . 强激光与粒子束 , 2012,24(1:7-98 李晋 . 太赫兹雷达系统总体与信号处理方法研究 . 电子科技大学 . 2010.One Dimension High Range Resolution Profile of Terahertz RadarLIANG Mei yan1,ZENG Bang-ze1,ZHANG Cun-lin1,2,ZHAO Yue-jin1(1. Department of Optical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijin

15、g 100081, China; 2. Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics ,Ministry of Education, Beijing Key Laboratory for Terahertz Spectroscopy and Imaging, Department of Physics, Capital Normal University,Beijing 100048, ChinaAbstract :Step frequency signal is one of the more commonly used radar signal f

16、or high range resolution, it commonly used in radar target recognition. The wavelength of Terahertz signal is shorter than that of the microwave, so it is easy to realize the high range resolution. The paper first introduces the step frequency signal to obtain the one-dimensional distance image, and analyze the principle of high resolution range profiles of step frequency radar. Then, the 0.2THz step frequency radar systems are introduced. Finally, the high resolution range profiles are achieved by the simulation of Matlab. The simulation results show that the step frequency THz