High Frequency Methods for Simulation of High Resolution Imaging in Terahertz Regime

High resolution imaging in the terahertz (THz) frequency range is investigated theoretically in this paper through the use of the high frequency methods in computational electromagnetics (CEM). Physical optics (PO), shooting and bouncing ray (SBR) and truncated-wedge incremental length diffraction coefficients (TW-ILDCs) methods are combined together to compute the scattered fields, which are then used to construct the inverse synthetic aperture radar (ISAR) images through two dimensional fast Fourier transform (2D-FFT). The corresponding ISAR images clearly show that high range and bearing resolution can be easily realized for THz carrier waves with broad bandwidth.     

0.33 THz雷达三维近场成像系统设计及成像试验

提出了采用步进频率结合平面扫描的THz雷达近场成像系统设计方案,基于宽带全息成像原理,可以实现三维高分辨率近场成像。采用多通道收发探头阵列缩短机械扫描行程,提高成像速度。给出了基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform,FFT）和Stolt插值的三维图像重建算法,成像理论分辨率与波长相当。利用THz矢量网络分析仪和辅助设备,搭建了0.215~0.33 THz成像试验装置,完成了对多层金属-泡沫目标三维成像,成像分辨率达到预期水平,验证了系统设计和三维图像重建算法的正确性。     

Two-dimensional ISAR model and image reconstruction with stepped frequency-modulated signal

A two-dimensional (2-D) inverse synthetic aperture radar (ISAR) return signal model that employs stepped frequency (SF) modulation is developed. The geometry of the examined ISAR scenario is described by analytical geometrical equations. The target to be imaged is represented by a rectangular grid of point scatterers, moving along a rectilinear trajectory at constant speed, without any rotational motion. Thus, the inverse synthetic aperture results from the translational motion of the target for a short period of time. The process of ISAR signal modelling through coherent summation of the SF-modulated signals reflected from different point scatterers of the target is thoroughly described. Moreover, an efficient ISAR image reconstruction approach, including cross-correlation-based range compression and fast-Fourier-transform-based azimuth compression, is presented through analytical mathematical expressions. Numerical simulations are carried out for various SF ISAR scenarios and high-resolution ISAR images are obtained by applying the proposed ISAR image reconstruction approach. Simulation results (ISAR images and corresponding entropy values) indicate the validity of the proposed 2-D SF ISAR return signal model and the efficiency of the proposed imaging algorithms. Finally, a numerical simulation result is illustrated, which shows the comparison of the performance of the proposed ISAR image reconstruction algorithms based on SF and linear frequency modulation waveforms. It is shown that the two waveforms attain almost the same ISAR image resolution.     

0.67 THz ISAR成像雷达收发链路设计

介绍了一种工作频率为0.67 THz的逆合成孔径雷达(ISAR)成像系统,该系统作用距离为2 m~8 m,成像分辨力1 cm×1 cm,采用收发分开的天线,发射信号形式为宽带线性调频连续波信号,可应用于安检和无损检测等多个领域。给出了其收发链路的设计方案,对作用距离、发射功率、信号相噪、分辨率、接收灵敏度、接收增益等指标进行了具体论证,并对收发链路各功能模块的组成结构进行了详细描述,为后续开展成像雷达系统的整机研制工作提供理论基础和技术支持。     

随机线性调频步进雷达波形设计及成像算法研究

线性调频步进信号能在不增加系统瞬时带宽的情况下用数字信号处理的方法获得高的距离像分辨率,是一种高效的雷达信号形式。针对传统的线性调频步进信号抗干扰能力较差的问题,该文提出一种可以随机发射线性调频步进信号子脉冲的波形设计方法,结合压缩感知理论,运用较少的子脉冲实现了对运动目标1维距离像的重构和高分辨的2维成像。在此基础上,进一步分析了目标运动对随机线性调频步进信号雷达成像的影响,设计了包含测速脉冲的随机线性调频步进信号,并提出了基于时频分析、Radon变换和二值数学形态学相结合的运动速度估计及补偿方法。仿真实验验证了随机线性调频步进信号逆合成孔径雷达的性能及该文方法的有效性。     

幅度和相位估计的ISAR超分辨成像方法

传统距离多普勒(Range Doppler, RD)成像方法分辨率取决于发射信号的带宽和信号在方位向积累的多普勒带宽。超分辨成像可以在给定带宽条件下,获得比RD方法更优的分辨率。给出一种基于幅度和相位估计(Amplitude and Phase Estimation, APES)的逆合成孔径雷达(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)超分辨成像方法,该方法根据回波数据构造自适应滤波器对目标散射点进行重建,仿真和实测ISAR数据成像结果验证了基于APES的ISAR超分辨成像算法的有效性。相比其他超分辨成像方法,该方法重建的散射点幅度更为精确,副瓣更低,图像对比度和图像信噪比增加,整体成像效果较佳。     

太赫兹频段的近程ISAR成像系统

介绍了一种THz频段的近程逆向合成孔径雷达(ISAR)成像系统.该系统采用EIO作为THz功率源,工作频率345 GHz,探测距离5～20 km,探测精度可达3.75 m,并具有较小的波束宽度、较高的分辨率和突出的抗干扰能力.在此基础上,对ISAR成像系统的技术指标进行分析.包括天线增益与探测距离和雷达发射功率之间的关系.该近程ISAR成像系统,可以进一步改进低空目标探测技术,未来随着太赫兹技术的发展,将会在低空探测和近程反导方面得到广泛应用.     

基于并行PO/EEC的ISAR回波生成与成像仿真

为了满足基于模板的逆合成孔径雷达（ISAR）目标识别对海量高分辨模板图像的工程需求,提出了一种基于并行电磁散射特性计算技术的ISAR图像信号级仿真方法。首先,以OpenMP技术为基础采用并行物理光学和等效边缘电磁流对目标的电磁散射特性进行快速计算;其次,以步进频率波形为雷达发射波形结合目标的电磁散射特性生成了宽带雷达回波数据;最后,对使用距离多普勒算法对仿真回波数据进行处理生成ISAR像,并与点阵模型成像结果进行了对比分析。实现了对ISAR图像的信号级快速仿真,对ISAR系统设计与验证、ISAR图像解译和目标识别以及ISAR成像处理等具有重要意义。     

Enhanced resolution in Sar/ISAR imaging using iterative sidelobe apodization.

Resolution enhancement techniques in radar imaging have attracted considerable interest in recent years. In this work, we develop an iterative sidelobe apodization technique and investigate its applications to synthetic aperture radar (SAR) and inverse SAR (ISAR) image processing. A modified noninteger Nyquist spatially variant apodization (SVA) formulation is proposed, which is applicable to direct iterative image sidelobe apodization without using computationally intensive upsampling interpolation. A refined iterative sidelobe apodization procedure is then developed for image-resolution enhancement. Examples using this technique demonstrate enhanced image resolution in various applications, including airborne SAR imaging, image processing for three-dimensional interferometric ISAR imaging, and foliage-penetration ultrawideband SAR image processing.     

基于块稀疏的空间碎片群目标成像方法

针对星载雷达空间碎片群目标回波无法分离问题,该文利用回波在距离向表现出的块聚集特性,提出一种基于块稀疏的高分辨ISAR成像方法。基于块稀疏压缩感知理论,通过利用空间碎片群目标特性,抽取出各个碎片的高分辨1维距离像数据,并结合平动补偿和距离多普勒(RD)算法得到各碎片的ISAR像。在小样本条件下,该方法能够有效实现空间碎片的数据分离和高分辨ISAR成像。仿真实验表明,该方法的重构精度以及运算速度均优于非结构类的稀疏ISAR成像方法。     

基于雷达散射特性的高分辨率SAR图像自动目标识别

高分辨率SAR的迅速发展为自动目标识别提供了可能,为了克服存储海量模板带来的计算复杂性,发展基于模型的目标识别现已成为新的国际研究热点.先由目标的真实三维模型依据电磁波散射理论计算雷达散射截面(RCS),利用宽带合成孔径技术得出目标散射特性的空间分辨率图像,进而基于模拟图像实现目标的CFAR检测.最后利用我国机载高分辨率SAR图像对该方法进行实验,验证了本文提出的基于雷达散射特性目标识别的有效性.     

基于小波变换的一种ISAR雷达目标成像方法

基于小波变换的性质,提出了一种ISAR雷达目标成像方法.通过对ISAR回波的横向数据进行Morlet小波变换,搜索小波变换模的极大值和对应的极大值点,得到目标的时间-距离-多普勒三维像,然后按时间点进行采样,得到目标的距离-瞬时多普勒像.由实验结果得出:运用此方法,不仅能够得到目标高分辨的距离-瞬时多普勒像,而且能够观测到目标的运动姿态.     

提高0.14 THz 雷达成像质量的新方法

目前,国际上多个科研小组相继开展了太赫兹逆散射成像方面的研究,已开发出多个太赫兹逆散射成像系统。其电磁散射模型及成像处理方式多借鉴于其他辐射源已经成熟的研究成果,例如:雷达目标散射中心模型及ISAR/SAR, Born/Rytov 近似模型及层析成像。但上述方法直接应用于太赫兹波段将导致成像质量的下降。首先简要介绍了太赫兹雷达成像和太赫兹层析成像之间的关系,在分析两种成像方法特点的基础上,重点研究了大孔径、大带宽条件下的太赫兹逆散射成像,提出了一种基于Range-Doppler 算法的改进成像方法。最后,利用该方法对中物院研制的0.14 THz 雷达样机实验数据进行成像,并给出了典型目标的成像结果,验证了新成像方法的有效性。     

基于单脉冲窄带雷达ISAR多目标成像研究

针对窄带单脉冲雷达应用ISAR成像技术,合理利用多目标环境,提出了运用ISAR进行窄带多目标成像的新方法,并以我国陆上测量雷达为平台,就窄带二维成像系统设计进行了可行性研究.     

双基地ISAR成像分析

在建立远场条件下双基地ISAR转台模型的基础上,阐述了双基地ISAR的成像原理。针对双基地ISAR系统中相对转角计算复杂的问题,给出了一种利用合多普勒带宽计算双基地ISAR方位分辨率的方法。详细分析了双基地ISAR系统的收、发分置结构对目标成像的影响,针对双基地ISAR系统中机动目标多普勒频率信息的时变特性,将基于时频分析技术的距离-瞬时多普勒成像算法引入双基地ISAR目标像的重建过程中。最后,仿真实验验证了算法的有效性。     

L波段雷达电离层高速运动目标ISAR成像补偿方法

目标高速运动和电离层效应都会对低频段宽带线性调频雷达信号的相位产生调制现象,进而降低逆合成孔径雷达(ISAR)成像分辨率。为得到清晰的目标ISAR图像,需有效消除这两者对目标回波的影响。该文首先建立电离层高速运动目标回波的信号模型,再根据目标回波为高阶多项式相位信号的特点,提出基于离散多项式变换的高阶相位估计算法,利用高阶相位估计值进行回波信号相位调制分量补偿,实现ISAR成像的自聚焦。仿真实验表明,该算法可以准确估计回波信号高阶相位参数,提高ISAR成像质量。     

基于窄带步进频率的旋转目标三维ISAR成像

针对窄带发射信号,该文提出了基于步进频率的高速旋转目标三维成像方法。在运动补偿的前提下,首先利用单距离匹配滤波在子脉冲内进行二维逆合成孔径雷达像,然后结合CLEAN技术估计散射点参数,利用此参数在多个步进信号之间及多个距离单元内分别进行ISAR成像,最后利用频域距离合成技术在距离向实现高分辨,从而实现三维成像。该方法避免了旋转目标所引起的多普勒变化对距离合成的影响,能有效提高距离分辨率。多个散射点目标的仿真验证了该方法的有效性和可行性。     

辐射式仿真中脉冲雷达ISAR成像等效模拟方法

脉冲雷达信号广泛用于逆合成孔径雷达(ISAR)成像。在辐射式仿真中采用脉冲雷达信号进行ISAR成像时,由于脉宽对应的传播距离远大于微波暗室的空间长度,脉冲回波会在发射信号未被完全辐射之前返回接收机,使得收发信号相互耦合,难以得到ISAR图像。该文提出基于间歇收发的脉冲雷达ISAR成像等效模拟方法,通过将脉冲信号分段发射、分段接收,得到分段稀疏的目标回波。然后,结合压缩感知与间歇收发回波,重构得到ISAR图像。根据等效模拟的实现流程,对仿真与实测数据进行分析,结果表明,该等效模拟方法所得ISAR图像与完整脉冲回波所得图像基本一致,从而验证了等效模拟方法的有效性。     

一种微波光子雷达ISAR成像新方法

微波光子雷达发射信号带宽大、波长短,能够实现分辨率更高的逆合成孔径雷达(ISAR)成像。但带宽大、波长小的回波信号也导致传统成像算法对目标转动分量的近似不成立,使得传统算法无法应用。在微波光子雷达成像中,目标转动分量在回波包络中形成空变的距离弯曲项,在方位相位中形成空变的2次相位误差,导致ISAR图像散焦。该文针对微波光子雷达系统提出一种新的ISAR成像算法,该算法同时考虑了目标转动分量对回波包络和相位的影响,以包络相关值为目标函数值迭代估计目标转速,根据转速估计值,在距离向进行重采样对齐包络,在方位向构造空变的方位补偿函数校正转动相位。仿真和实测数据的处理结果证明了该算法的有效性。     

Editorial: Signal processing techniques for ISAR and feature extraction

Inverse synthetic aperture radar (ISAR) is a non-cooperative target recognition technique that has been investigated for target identification by the combat identification (ID) community for the past decade. Recently, ISAR imaging of moving targets has been an area of vigorous research. ISAR imaging is an effective way to acquire high resolution images of targets of interest at long range and as such is an irreplaceable tool in the task of non-cooperative target recognition. Its applications include detection, imaging, and classification of ships and aircraft with airborne, maritime, and land-based radar systems. Being radar-based, this imaging technique can be employed in all weather and day/night conditions.