太赫兹雷达目标微动特征提取技术

第1章 概论 1.1 背景及意义 太赫兹(terahertz， THz)波通常是指频率在0.1～10THz(对应波长为3mm～30μm)的电磁波，其频率介于微波与红外可见光之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡频段，在电磁波谱中占据特殊的位置，具有与其他波段不同的特殊性质，受到世界强国的高度重视[1-7]。国外方面，美国将其评为“改变未来世界的十大技术”之一，从20世纪90年代开始，美国国防高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency， DARPA)便持续安排了一系列太赫兹技术相关计划，主要包括亚毫米波焦平面成像技术(sub-millimeter wave imaging focal-plane-array technology， SWIFT)、高频集成真空电子学(high frequency integrated vacuum electronics， HiFIVE)、视频合成孔径雷达(video synthetic aperture radar， ViSAR)、成像雷达先进扫描技术(advanced scanning technology for imaging radars， ASTIR)和专门雷达特征解决方案(expert radar signature solutions，ERADS)等计划，这些计划涉及太赫兹器件、测量、特性以及应用等各个方面，对于推动美国太赫兹技术的发展具有十分重要的意义。此外，欧洲联盟也相继推出了第七框架计划和第八框架计划，大力发展太赫兹安检、通信、芯片、微制造等技术[8-11]。日本将其列为“国家支柱技术十大重点战略目标”之首，持续支持太赫兹科学研究。在这场太赫兹技术研究热潮中，各国都希望在太赫兹技术的研究和应用中获得一席之地。国内方面，近年来863计划、973计划以及国家自然科学基金项目等的支持，使得太赫兹波产生、检测、传输发射组件以及应用系统取得了重要进展[12-15]。我国在2005年11月专门召开了“香山科技会议”，专门讨论我国太赫兹事业的发展方向，并制定了我国太赫兹技术的发展规划。太赫兹技术和太赫兹雷达正处于实验验证向实际应用的过渡阶段，基础研究和应用研究均呈现出强劲发展的势头。尽管在器件成熟度、性能极限、应用方式等方面存在一些问题，但其科学价值、发展潜力和应用前景得到了越来越多的关注和认可[16]。 相比微波/毫米波雷达，太赫兹雷达波长短，带宽大，具有极高的分辨率，能够获取目标运动、细微结构和材料等特性。相比光学/激光设备，太赫兹雷达在保证高分辨的同时能够进行全天时全天候侦察，可以利用带宽和阵列实现目标三维成像，具有更好的穿透性和更宽的波束，容易实现目标波束覆盖。此外，太赫兹雷达避开了传统隐身材料的吸波频段，有利于隐身目标的探测[17，18]。因此，太赫兹雷达在军事领域具有广阔的应用前景[19-21]。近些年来，随着太赫兹源、检测和相关器件的出现，太赫兹雷达技术发展迅速，国内外报道了很多太赫兹雷达系统，其主要应用于高分辨成像研究中[22-27]。但是，目前的研究对象主要是静止目标或简单的运动目标，针对太赫兹频段微动目标的研究还很少。 微动是指目标或目标组成部分相对雷达的小幅度非匀速往复运动或运动分量，由此带来的多普勒频移和频带展宽称为微多普勒[28]。微动在自然界和实际生活中普遍存在，如车辆引擎带来的车体振动、人体行走时四肢的摆动、雷达天线的旋转、中段弹道导弹的进动等。微动目标的微多普勒特征可以反映目标的电磁特性、几何结构和运动特征，为雷达目标特征提取和目标识别提供了新的途径[29，30]。自Chen等[31-33]提出“微多普勒”这一概念，微多普勒特征就引起了国内外学者的广泛关注，出现了研究目标微动和微多普勒的高潮。近些年来，针对目标微动的建模、分析、提取和成像等的研究取得了很多研究成果，这使得微多普勒特征成为目标识别的有效途径和重要补充手段[34-39]。但是，之前的研究基本是在传统微波频段开展的，并不能完全适用于太赫兹频段。太赫兹频段作为微波与红外之间的过渡频段，同时具有这两个频段的优势，但是也同时具有这两个频段的某些劣势。因此，太赫兹频段目标微动特征提取需要研究太赫兹频段下目标微动的新现象和新问题，针对太赫兹频段的特殊性进行分析，提出适用于太赫兹雷达的目标微动特征提取算法[40]。 本书以微动目标为研究对象，深入研究太赫兹雷达目标微动特征、目标微动参数估计和微动目标高分辨成像等关键问题，尤其是针对太赫兹频段的特殊性，提出发挥太赫兹频段优势、解决太赫兹频段问题的方法，所提方法大多进行了实验验证，对于解决实际问题具有较大裨益，对太赫兹雷达非合作目标，尤其是带有微动部件的非合作目标的成像识别具有重要意义。 1.2 国内外研究现状 为了了解国内外太赫兹频段微动目标特征提取的研究现状，本节首先简要介绍国内外典型太赫兹雷达系统，给出其参数、原理和性能分析；然后重点介绍国内外在太赫兹频段目标微动特征提取方面的研究工作，并通过对比指出目前太赫兹雷达目标微动特征提取研究存在的问题。 1.2.1 太赫兹雷达 1. 国外研究现状 在太赫兹雷达技术研究的热潮中，比较有代表性的包括美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)、DARPA等研究机构和Intel、IBM等企业公司，以及其他著名院校、研究所和实验室。 1988年，McIntosh等[41]研制了一部基于扩展互作用振荡器(extended interaction oscillator，EIO)的高功率非相干脉冲雷达，载频为215GHz，主要用于地貌测量。这是公开报道的*早的一部太赫兹雷达系统。1991年，McMillan等[42]为美国军方提出并研制了一部225GHz脉冲相干雷达(图1.1)，以脉冲EIO发射，以1/4次谐波混频器实现全固态接收，峰值功率可达60W。这部雷达是**部太赫兹频段的相参雷达。受限于真空器件本身，该雷达没有实现大带宽发射信号，因此只进行了目标多普勒回波测量实验，没有进行成像研究。 自2000年以来，由于在GaAs肖特基二极管倍频技术方面的优势，美国喷气推进实验室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)在太赫兹雷达领域的研究发展迅速。2008年，Cooper等[43]研制了一部580GHz调频连续波体制主动相参太赫兹雷达，距离向依靠12.6GHz的大带宽实现高分辨，方位向依靠窄波束扫描实现高分辨，分辨率为厘米级。随后，他们对该系统进行了改进升级，将原系统中实现调频的铁氧体(yttrium-iron-garnet， YIG)合成器换成了直接数字频率合成器+锁相环(direct digital synthesizer+phase locked loop，DDS+PLL)，使系统的频率稳定性更好；将原系统中20cm的聚四氟乙烯透镜也换成了二维转台上的铝质椭圆反射器，使光效率提高了8dB，并且消除了杂波干扰[44]。此外，带宽由原来的12.6GHz提高到28.8GHz，扫频周期由原来的50ms缩短到12.5ms，距离分辨率提高了2倍，成像时间缩短到了原来的1/4。该系统在4～25m的作用距离对隐藏目标进行了三维成像实验，*高分辨率小于1cm(图1.2)。 2011年，Cooper等[45]研制了一套675GHz雷达，信号带宽接近30GHz，在25m距离进行了人体隐匿物体成像实验，成像帧率为1Hz，其系统光路图和典型成像结果分别如图1.3、图1.4所示。可以看出，成像帧率对太赫兹雷达站开式成像应用至关重要，高帧率可以防止由雷达和目标之间相对运动引起的模糊和条带效应，提升成像质量。为了实现更高帧率的成像，该雷达一方面通过时分复用多径技术将单波束变成双波束先后照射目标；另一方面，通过前端集成阵列收发器实现多像素点同时扫描成像，大大缩短了成像时间，实现了更高帧率的成像[46，47]。 德国应用科学研究所(Forschungsgesellschaft für Angewandte Naturwissenschaften， FGAN)-高频物理与雷达技术研究所(High Frequency Physics and Radar Techniques， FHR)是太赫兹雷达研究的另一个典型代表。2008年前后，他们研制了一部固态电子学220GHz成像雷达，命名为COBRA。该雷达可支撑目标合成孔径雷达/逆合成孔径雷达(synthetic aperture radar/inverse synthetic aperture radar，SAR/ISAR)成像研究，作用距离可达170m。该雷达进行了一系列复杂目标高分辨SAR/ISAR成像实验，目标包括自行车、汽车、飞机和人体等，获得了厘米级的分辨率[48-51]，其典型成像结果如图1.5所示。 2013年，FGAN-FHR又成功研制了米兰达-300(MIRANDA-300)实验雷达系统，该雷达载频为300GHz，采用线性调频连续波(linear frequency modulated continuous wave， LFMCW)信号体制，带宽达到了40GHz，通过对转台上的人体目标进行成像，分辨率达到了3.75mm。2015～2018年，FGAN-FHR对该雷达系统进行了优化升级，使其信号稳定度和成像分辨率进一步提升，得到了更为清晰的目标SAR/ISAR成像结果[52-55]。其雷达前端及其成像结果如图1.6所示。 在电真空器件和固态电子学器件之外，基于量子级联激光器(quantum cascade laser，QCL)的太赫兹雷达也得到了迅速发展。QCL基于子导带间辐射跃迁产生太赫兹光子，通过多周期级联获得足够的增益。与其他太赫兹源相比，QCL具有易集成、转换效率高、频点灵活性好等特点，因而在太赫兹成像、太赫兹光谱学和太赫兹通信等方面具有很好的应用前景[56，57]。2010年，美国马萨诸塞大学亚毫米波技术实验室(Submillimeter-wave Techniques Laboratory， STL)实现了一部基于THz-QCL的相干雷达成像系统[58，59]。该雷达频率为2.408THz，以CO2光泵浦气体激光器(optically pumped molecular gas laser， OPL)为本振，利用肖特基二极管混频器将THz-QCL锁频到本振上。其雷达系统原理及成像结果如图1.7所示。 此外，值得一提的是太赫兹雷达军事应用的代表ViSAR(图1.8)。2014年，DARPA启动了对ViSAR项目的研究工作。该项目旨在开发低能见度下跟踪地面运动目标的成像雷达，性能相当于晴朗天气下的红外定位系统。该系统工作频率约为235GHz，设计成像帧率为5Hz，拟搭载平台为包括AC-130攻击机在内的低空飞行器，该项目已于2017年进行了飞行测试，取得了预期效果[60]。 2.国内研究现状 近年来，国内也有多家单位投入太赫兹雷达技术研究的热潮中，并取得了重要的研究成果。