一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法

摘要

本发明公开了一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法，该方法采用通过内部目标和测量目标到收发通道的距离来得到各自对应的单频信号，然后对各自对单频信号进行变换得到校正信号和目标信号，实现校正；本发明可校正不同发射通道i和接收通道j的非线性，可对每个脉冲完成实时校正，无需复杂的阵列校正网络，可简化太赫兹前端设计。

说明书

技术领域

本发明涉及太赫兹MIMO合成孔径雷达成像，特别是一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法。

背景技术

主动太赫兹快速安检仪是太赫兹波的重要应用领域，一般基于近距离的太赫兹MIMO(Multiple-Input Multiple-Output)合成孔径雷达技术：利用太赫兹频段波长较短且易获得较大带宽特点，可获得较高的分辨率；而且采用阵列电扫，可有效提高系统帧速率；因而受到了广泛的关注与研究。不过，由于直接产生太赫兹源的技术相对不太成熟，目前普遍采用经过多次倍频和放大的间接产生太赫兹源的技术。经过多次倍频和放大后，使得太赫兹发射信号与太赫兹接收本振信号都会产生较大的非线性，也即较大的幅度和相位调制，分别用δA(t,τ_d)和>

目前的阵列非线性校正一般采用阵列校正网络来实现，如图1所示：延迟单元、校正源、信号耦合单元和匹配负载。其校正基本过程：

1)获取对应接收通道j的校正中频信号S_if-refj(t,τ_d-refj)，其获取过程：先

触发线性调频源FMCW，经过延迟后产生太赫兹校正源，然后通过信号

耦合进入太赫兹接收通道j，经过高速ADC采集获得校正中频信号。

其中，σ_refj是校正源输入接收通道j的幅度，τ_d-refj是校正源到接收通道j的延迟，k是线性调频源的调频斜率。δA(t,τ_d-refj)和是校正源与接收通道j的幅度和相位非线性。

2)获取发射通道i和接收通道j的目标中频信号S_if-tgij(t,τ_d-tgij)，其获取过程：先选择发射通道i，接着触发线性调频源FMCW，经过太赫兹发射阵列前端后辐射太赫兹波；然后目标背散射(Back-Scatter)的太赫兹波进入太赫兹接收通道j，经过高速ADC采集获得目标中频信号。

其中，σ_tgij是发射通道i发射太赫兹波经目标散射后输入接收通道j的幅度；τ_d-tgij是发射通道i到目标，目标到接收通道j的延迟,也即>d-tgij)和是发射通道i与接收通道j的幅度和相位非线性。

3)获取校正后的目标中频信号S_if-crij(t,τ_d-crij)。在浅度的幅度与相位非线性下，目标幅度非线性δA(t,τ_d-tgij)和校正幅度非线性δA(t,τ_d-refj)基本相等，相除可相消；目标相位非线性和校正相位非线性>

$S_{if-crij}(t,{\tau }_{d-crij})=\frac{S_{if-tgij}(t,{\tau }_{d-tgij})}{S_{if-refj}(t,{\tau }_{d-refj})}\approx \frac{{\sigma }_{tgij}}{{\sigma }_{refj}}*\exp \left\{j2\pi k({\tau }_{d-tgij}-{\tau }_{d-refj})t\right\}$

经过校正后，可获得目标信号经过一定频移kτ_d-refj的单频正弦波信号S_if-crij(t,τ_d-crij)。由于校正频移精确可知，所以可对校正后的信号进行MIMO合成孔径聚焦。

采用阵列校正网络来实现太赫兹MIMO合成孔径雷达的非线性校正，存在一些不足：

1)不能校正不同发射通道的非线性：由于太赫兹发射阵列的不一致性比较大，不能简单用一个太赫兹校正源来等效；所以对于同一接收通道j，阵列校正网络方法的不同发射通道i的非线性校正效果一般。

2)阵列校正网络方法无法做到实时校正，工作状态(如温度等)一旦改变，需重新采集校正信号。

3)校正源的噪声可经耦合器进入太赫兹接收前端，加大了接收机的输入噪声，降低了系统的信噪比。

发明内容

本发明为克服上述技术缺陷，提出了一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法，该方法可校正不同发射通道i和接收通道j的非线性，可对每个脉冲完成实时校正，无需复杂的阵列校正网络，可简化太赫兹前端设计。

本发明的技术方案如下：

一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法；主动太赫兹快速安检仪采用的是赫兹MIMO合成孔径雷达技术，如图2所示，其特征在于：

由于太赫兹发射功率较低和大气衰减较大等原因，太赫兹MIMO合成孔径雷达一般用于对近距离目标(几米到几十米)进行高分辨率的成像。太赫兹MIMO合成孔径雷达外放置一测量目标，同时近距离在太赫兹MIMO合成孔径雷达的仪器内部放置一个参考的内部目标：太赫兹MIMO合成孔径雷达的THz发射馈源的发射通道i发射太赫兹信号，照射到内部目标和测量目标，照射的距离分别为R_refi和R_tgi；经过内部目标和测量目标的背散射，太赫兹MIMO合成孔径雷达>refj和R_tgj；回波信号同时含有内部目标单频信号f_IF-refij＝kτ_d-refij和测量目标单频信号f_IF-tgij＝kτ_d-tgij，其中和k是线性调频源斜率。由于内部目标到收发通道的距离(R_refi+R_refj)小于测量目标到收发通道的距离(R_tgi+R_tgj)，即内部目标单频信号f_IF-refij和测量目标单频信号f_IF-tgij可以在频域实现分离，再经过反傅里叶变换IFFT，得到对应的校正信号S_if-refij(t,τ_d-refij)和目标信号S_if-tgij(t,τ_d-tgij)，然后根据校正信号和目标信号进行校正。

该方法的处理流程如下：

1)太赫兹MIMO合成孔径雷达开机，发射通道i依次发射太赫兹波，照射到内部目标与测量目标；

2)接收通道j正交采集得到原始的脉冲中频信号S_org-ij(t)，然后进行N点复数FFT得到对应频谱H_org-ij(f)；

3)取出H_org-ij(f)频谱中在[0，f_cr]范围内的信号H_ref-ij(f)，其中f_IF-refij<f_cr<f_IF-tgij，f_cr根据实际系统架构和内部目标位置确定；

4)对H_ref-ij(f)进行N点复数IFFT得到校正信号S_if-refij(t,τ_d-refij)；

5)取出H_org-ij(f)频谱中在[f_cr,f_s]范围内的信号H_tg-ij(f)，其中f_s是采样频率；

6)对H_tg-ij(f)进行N点复数IFFT得到测量目标信号S_if-tgij(t,τ_d-tgij)；

7)对发射通道i和接收通道j，利用S_if-refij(t,τ_d-refij)对S_if-tgij(t,τ_d-tgij)进行校正，然后可利用校正后的数据完成成像。本发明的有益效果如下：

1)可校正不同发射通道i和接收通道j的非线性：由于太赫兹发射阵列和太赫兹接收阵列的不一致性比较大，该方法可实现发射通道i和接收通道j的独立校正，可有效校正不同通道的不一致性。

2)可对每个脉冲完成实时校正：温度等状态变化引起系统信道等的非线性变化，但该方法可及时的实现补偿与修正。

3)只需增加内部目标和部分处理代码，无需复杂的阵列校正网络，可简化太赫兹前端设计。

附图说明

图1为传统的采用阵列校正网络的阵列非线性校正的示意图；

图2为本发明的校正原理示意图。

具体实施方式

如图2所示，一种基于内部目标的主动太赫兹快速安检仪实时校正方法，其校正原理过程为：

由于太赫兹发射功率较低和大气衰减较大等原因，太赫兹MIMO合成孔径雷达一般用于对近距离目标(几米到几十米)进行高分辨率的成像。太赫兹MIMO合成孔径雷达外放置一测量目标，同时近距离在太赫兹MIMO合成孔径雷达的仪器内部放置一个参考的内部目标：太赫兹MIMO合成孔径雷达的THz发射馈源的发射通道i发射太赫兹信号，照射到内部目标和测量目标，照射的距离分别为R_refi和R_tgi；经过内部目标和测量目标的背散射，太赫兹MIMO合成孔径雷达的THz接收馈源的接收通道j收到回波信号，接收距离分别为R_refj和R_tgj；回波信号同时含有内部目标单频信号f_IF-refij＝kτ_d-refij和测量目标单频信号f_IF-tgij＝kτ_d-tgij，其中和k是线性调频源斜率。由于内部目标到收发通道的距离(R_refi+R_refj)小于测量目标到收发通道的距离(R_tgi+R_tgj)，也即内部目标单频信号f_IF-refij和测量目标单频信号f_IF-tgij可以在频域实现分离，再经过反傅里叶变换IFFT，得到对应的校正信号S_if-refij(t,τ_d-refij)和目标信号S_if-tgij(t,τ_d-tgij)，然后根据校正信号和目标信号进行校正。

该方法的处理流程如下：

1)太赫兹MIMO合成孔径雷达开机，发射通道i依次发射太赫兹波，照射到内部目标与测量目标；

2)接收通道j正交采集得到原始的脉冲中频信号S_org-ij(t)，然后进行N点复数FFT得到对应频谱H_org-ij(f)；

3)取出H_org-ij(f)频谱中在[0，f_cr]范围内的信号H_ref-ij(f)，其中f_IF-refij<f_cr<f_IF-tgij，f_cr根据实际系统架构和内部目标位置确定。

4)对H_ref-ij(f)进行N点复数IFFT得到校正信号S_if-refij(t,τ_d-refij)；

5)取出H_org-ij(f)频谱中在[f_cr,f_s]范围内的信号H_tg-ij(f)，其中f_s是采样频率。

6)对H_tg-ij(f)进行N点复数IFFT得到测量目标信号S_if-tgij(t,τ_d-tgij)；

7)对发射通道i和接收通道j，利用S_if-refij(t,τ_d-refij)对S_if-tgij(t,τ_d-tgij)进行校正，然后可利用校正后的数据完成成像。

例如，如下设计实例：

一个采用约332GHz的太赫兹波段(波长λ_c约0.9毫米)，基于4个发射和16个接收的MIMO稀疏布局方式的主动太赫兹快速安检仪，其线性调频源斜率k约为160MHz/us。在仪器内部，参考目标距离太赫兹馈源-R_refj约为1.4米，则对应参考信号频率f_IF-refij约为1.50MHz；而在仪器外部，测量目标距离距离太赫兹馈源-R_tgj为约为4.0米，则对应目标信号频率f_IF-tgij约为4.27MHz。由于参考信号与目标信号的频率相差较大，可采用上述方法进行信号分离并校正：首先接收不同发射通道i和接收通道j组合得到的原始信号S_org-ij(t)，然后在频域进行>if-refij(t)和目标信号S_if-tgij(t)，最后利用校正信号对目标信号进行校正。