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三维混合域重建算法及其在太赫兹全息成像中的应用.pdf

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604 笙二旦全里奎塑垄型堂垫查皇查旦堂查銮堕全笙茎叁 一 三维混合域重建算法及其在太赫兹全息成像中的应用 谷胜明1,2,3李超1,2高 翔1,2孙兆阳1,2方广有1,2 (1.中国科学院电子学研究所; 2.中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室; 3.中国科学院研究生院) 摘要本文提出了一种三维混合域重建算法,该算法在垂直方位向采用空间波数域匹配滤波, 结合距离水平方位域后向投影技术完成目标三维重建。与三维波数域算法相比,该算法避免了复杂 的三维stolt插值,不仅适用宽波束天线成像,还继承了后向投影技术便于处理运动补偿的优点。相 比传统的三维时域后向投影算法,该算法通过在垂直方位向的波数域处理,运算量显著地减少。通 过对0.2太赫兹波段仿真和实验数据的重建,验证了算法的正确性和有效性。 关键词 混合域算法后向投影三维全息成像太赫兹成像 1 引言 太赫兹波是处于毫米波和红外之间的频段,具有许多独特的优势:1)相比光波和红外线,太赫 兹波具备穿透诸如塑料、烟雾、衣料等许多非极性媒质的能力;2)相比低频段的微波毫米波,应用 波长更短的太赫兹波成像往往可以获取更高的图像分辨率;3)相比x射线成像,低功率太赫兹波 成像对人体安全可靠;4)毒品和一些爆炸物在太赫兹波频段具有明显的谱特性。正是由于具备上述 众多的优点,太赫兹成像技术在安检和材料无损检测等方面的应用近年来得到广泛的关注【l5J。 现有的太赫兹成像系统主要有实孔径成像和全息成像两大类。相比实孑L径成像,利用全息成像 方法的系统更具优势:1)使用小尺寸天线,利于系统的轻量化和小型化;2)可在任意距离范围内 聚焦,适合非合作目标和大范围内目标成像。3)易获取更高分辨率图像。由于现阶段太赫兹阵列技 术并不成熟,要实现高速三维阵列全息成像非常困难。如图1所示,一种替代的方法是利用低成本 双平板结构的快速机械扫描天线代替线性阵列[6’71,并结合雷达平台的上下运动获取二维口面的目标 回波信息用于三维全息成像。但随着内部转子的旋转,双平板天线的相位中心轨迹并不构成一条直 线,因此获取的回波信息口面并非规则曲面,故基于FFT的平面和柱面波数域算法将不再适用。虽 然时域BP算法仍然适用,但过大的计算量使得基于PC机的实时三维成像难以实现【8】。 为重建目标,本文提出了一种混合域算法。该算法在垂直方位向采用空间波数域匹配滤波,结 合距离水平方位域后向投影技术完成目标的三维重建。这种重建算法不仅避免了复杂的三维stolt插 值,还适用于宽波束天线成像,并且运算量相对时域BP算法显著的减少。文中通过对0.2THz波段 仿真数据和实验数据进行成像处理,验证了该算法的正确性和有效性。 第一届全国太赫兹科学技术与应用学术交流会论文集 2三维混合域重建算法 如图1所示,具有低剖面结构的双平 板收发天线被放置在可上下运动的雷达平 台上。通过天线内部转子的快速旋转和平 台的直线运动,二维扫描口面上的目标回 波相位和幅度信息被采样并用于三维全息 成像。假设成像雷达采用频率步进体制, 信号从相位中心(x,y,z)处发射,照射到反射 率为o(x’,Y’,z’)的目标。考虑到双程效应, 图1 基于双平板天线的三维全息成像示意图 在(x,y,z)点接收到的信号经混频滤波后可 写为 (1) s(后,z,!/)=fff盯(zf,y’,名’)exp(一j2kR)dx’dy’dz’ z’ Ⅳ‘ z1 7,Y’,z7)之间的距离。 v)2为相位中心(x,y’z)与目标点(x 其中,R:√@一z·)2+(!/一可·)2+z—Z k:2arf/c为波数,f为信号频率,c为电磁波在空气中的波速。上式两端对变量Y做傅里叶变换, 并利用驻定相位法可得

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