一种用于三维成像的太赫兹双目ISAR系统和方法

一种用于三维成像的太赫兹双目isar系统和方法
技术领域
1.本发明属于成像技术领域，具体地，涉及一种用于三维成像的太赫兹双目isar((inverse-synthetic-aperture-radar，逆合成孔径雷达)系统和方法。


背景技术：

2.太赫兹(terahertz，thz)的频率位于0.1～10thz之间，波长介于0.03～3mm之间，是一种处于微波波段和红外波波段之间的电磁波。由于其在电磁波谱中的位置特殊，太赫兹波具有很多独特的性质和优势。就能量角度而言，太赫兹波的能量处于光子和电子的交界处，兼具光子和电子特性。一直以来，由于大赫兹波的产生手段和检测技术不够成熟，研究人员对太赫兹波段的了解和利用十分有限，因此太赫兹波段也被称作“太赫兹间隙”。在过去几年里，太赫兹频段的相关研究取得了一些进步，使得太赫兹相关技术也得到很快发展，相关应用也日渐明确，其中典型的应用包括大赫兹高速无线通信、太赫兹高分辨率成像等。
3.经文献检索发现，来自中国的dexin wu等人于2018年在optic express期刊上发表论文“photonics based microwave dynamic 3dreconstruction of moving targets”。该文献提出了一种基于光子学的运动目标微波动态三维重建方法。该方法利用基于光子数模转换(pdac)的光任意波形发生器(oawg)产生宽带线性调频(lfm)微波信号。目标反射的回波被放置在不同高度的两个天线接收。采用偏振复用双并联马赫-曾德尔调制器(pm-dpmzm)与偏振分束器(pbs)和两个光电探测器(pd)同时或分别对两个接收信号和发射信号进行混频。结合二维逆合成孔径雷达(isar)成像处理，对得到的两幅复二维图像进行干涉，实现了运动目标的动态三维重建。由于oawg与微波光子平行混频的结合，该系统可以在宽频带和高频点下工作。此外，它具有较高的频率调谐范围，能灵活适应各种环境条件。然而，由于图像干涉的需要两路接收，该系统的接收端较为复杂。
4.又经文献检索发现，来自中国的jingwen dong等人于2020年在optic express期刊上发表论文“microwave photonic radar with a fiber-distributed antenna array for three-dimensional imaging”，该文献提出并演示了一种基于光纤分布天线阵列的三维成像微波光子雷达。光子倍频、波分复用和光纤无线电技术被用于雷达信号的产生、复制和分发。在中心处理单元(co)完成并行去啁啾处理，实现多通道二维isar成像和进一步的三维重建。在ku波段用一个发射机(tx)和16个等效接收机(rxs)进行了实验，实现了三个三面角反射器的三维成像。然而，系统的等效天线数量多，测试复杂，为了提高雷达信号的相干性还使用了补偿算法，系统的器件成本和时间成本高。


技术实现要素：

5.鉴于上述，本发明的目的是提供一种用于三维成像的太赫兹双目isar系统和方法，利用双目视觉的成像方式，可以简化雷达结构，使配置更加灵活，有助于太赫兹雷达系统成本的降低。
6.为实现上述发明目的，实施例提供的一种用于三维成像的太赫兹双目isar系统，包括发送链路、接收链路；
7.所述发送链路用于产生太赫兹信号并发射；
8.所述接收链路用于接收太赫兹信号相对于两次测量时处于两位姿的目标物体的两反射信号，并基于两反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。
9.优选地，所述接收链路包括太赫兹接收器、脉冲压缩模块以及双目isar信息处理模块；
10.所述太赫兹接收器用于接收太赫兹信号在空间中经目标物体反射的反射信号；
11.所述脉冲压缩模块用于对接收的反射信号进行压缩处理；
12.所述双目isar信息处理模块用于采用逆合成孔径雷达二维成像算法基于两反射信号恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。
13.优选地，基于两幅二维图像重建目标物体的高度，过程包括：
14.图像的校正：对两幅二维图像分别进行消除距离徙动、补偿残余相位以及去斜；
15.方位向的配准：选取标志物，然后配准两幅校正后图像的方位向，使两幅图像的标志物的方位向序号相同；
16.目标点的标定：设置阈值，筛选出方位向配准后的两幅图像中的目标点；
17.距离向的信息获取：从第一幅图像中具有峰值的距离门开始，在第二幅图像中的相同位置向前和向后搜索以找到具有相同峰值分布的最佳匹配距离门，直到最后一个具有峰值的距离门，如果一对匹配的距离门的序号相同，则应跳过该距离门，随后记录两个图像中峰值对应目标点的二维坐标；
18.高度的计算：根据两图像中目标点的二维坐标以及坐标旋转的公式，可以计算出目标点的高度，目标物体包含多个目标点，依据目标点的高度确定目标物体的高度。
19.优选地，所述逆合成孔径雷达二维成像算法包括距离多普勒算法、距离徙动算法、线性调频变标算法。
20.优选地，所述太赫兹接收器采用下变频接收太赫兹信号的反射信号，包括次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管或者量子阱光电探测器。
21.优选地，所述脉冲压缩模块采用硬件混频的脉冲压缩方式和/或软件匹配滤波的脉冲压缩方式。
22.优选地，所述发送链路采用基于电子学的太赫兹辐射源或基于光学的太赫兹辐射源产生太赫兹信号，其中，基于电子学的太赫兹辐射源包括基于真空电子技术的太赫兹辐射源、太赫兹量子级联激光器或太赫兹自由电子激光器；基于光学的太赫兹辐射源包括基于超快激光技术的太赫兹辐射源或基于光学拍频技术的太赫兹辐射源。
23.优选地，所述系统还包括太赫兹棱镜，设于所述接收链路的输入端，用于对反射信号进行准直和聚焦后输入至接收链路。
24.为实现上述发明目的，实施例还提供了一种三维成像方法，所述三维成像方法采用上述基于太赫兹双目isar系统，所述方法包括以下步骤：
25.利用发射链路产生太赫兹信号并发射；
26.调整目标物体处于第一位姿并进行第一次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第一位姿的目标物体的反射信号；
27.调整目标物体处于第二位姿并进行第二次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第二位姿的目标物体的反射信号；
28.利用接收链路基于两次测量时的反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。
29.与现有技术相比，本发明具有的有益效果至少包括：
30.本发明将双目视觉与太赫兹雷达系统相结合，接收端链路只需要一个通道，通过两次测量，就能够利用错开的两幅图像三维重建目标物体，这大大降低了对太赫兹雷达信号的相干性需求。
附图说明
31.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
32.图1是实施例提供的用于三维成像的太赫兹双目isar系统的结构示意图；
33.图2是实施例提供的两次测量示意图；
34.图3是实施例提供的以光学方式作为太赫兹发生源的系统结构示意图；
35.图4是实施例提供的三维成像方法的流程图。
具体实施方式
36.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
37.本发明的发明构思为：针对现有基于微波成像接收端结构复杂、成本高的技术问题，实施例提供了一种用于三维成像的太赫兹双目isar系统和方法，将双目视觉与太赫兹雷达系统相结合，接收端链路只需要一个通道，通过两次测量，就能够利用错开的两幅图像三维重建目标物体，这大大降低了对太赫兹雷达信号的相干性需求。
38.图1是实施例提供的用于三维成像的太赫兹双目isar系统的结构示意图。如图1所示，实施例提供的太赫兹双目isar系统，包括发送链路和接收链。其中，发送链路用于产生太赫兹信号并发射至自由空间，该太赫兹信号在自由空间中被目标物体反射形成反射信号。接收链路用于接收太赫兹信号相对于两次测量时处于两位姿的目标物体的两反射信号，并基于两反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。
39.如图1所示，发射链路包括太赫兹发射器，该太赫兹发射器采用基于电子学的太赫兹辐射源或基于光学的太赫兹辐射源产生太赫兹信号，其中，基于电子学的太赫兹辐射源包括基于真空电子技术的太赫兹辐射源、太赫兹量子级联激光器或太赫兹自由电子激光器；基于光学的太赫兹辐射源包括基于超快激光技术的太赫兹辐射源或基于光学拍频技术
的太赫兹辐射源。
40.如图1所示，接收链路包括太赫兹接收器、脉冲压缩模块以及双目isar信息处理模块；其中，太赫兹接收器用于接收太赫兹信号在空间中经目标物体反射的反射信号。具体地，采用下变频接收太赫兹信号的反射信号，包括次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管或者量子阱光电探测器等。为了更好地接收反射信号，系统还包括太赫兹棱镜，该太赫兹棱镜设于接收链路的输入端，即设于太赫兹接收器的输入端，用于对反射信号进行准直和聚焦后输入至太赫兹接收器，以减小自由空间传播损耗。
41.脉冲压缩模块用于对接收的反射信号进行压缩处理。具体地，采用硬件混频的脉冲压缩方式和/或软件匹配滤波的脉冲压缩方式。
42.双目isar信息处理模块用于采用逆合成孔径雷达二维成像算法基于两反射信号恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。其中，逆合成孔径雷达二维成像算法包括距离多普勒算法、距离徙动算法、线性调频变标算法。
43.基于两幅二维图像重建目标物体的高度，包括：
44.图像的校正：对两幅二维图像分别进行消除距离徙动、补偿残余相位以及去斜；
45.方位向的配准：选取标志物，然后配准两幅校正后图像的方位向，使两幅图像的标志物的方位向序号相同；
46.目标点的标定：设置阈值，筛选出方位向配准后的两幅图像中的目标点；
47.距离向的信息获取：从第一幅图像中具有峰值的距离门开始，在第二幅图像中的相同位置向前和向后搜索以找到具有相同峰值分布的最佳匹配距离门，直到最后一个具有峰值的距离门，如果一对匹配的距离门的序号相同，则应跳过该距离门，随后记录两个图像中峰值对应目标点的二维坐标；
48.高度的计算：根据两图像中目标点的二维坐标以及坐标旋转的公式，可以计算出目标点的高度，目标物体包含多个目标点，依据目标点的高度确定目标物体的高度。
49.实施例中，利用太赫兹双目isar系统两侧测量时，目标物体的角度不同，示例性地，如图2所示，第一次测量时，目标物体以第一位姿呈现，第二测量时，目标物体以第二位姿呈现。基于这两个位姿进行两次测量得到的两幅二维图像进行三维重建得到目标物体的高度以及空间位置。
50.当以光学方式作为太赫兹发生源时，如图3所示，提供的太赫兹双目isar系统中，发送链路包括可调谐激光器1、任意波形发生器、光调制器、光滤波器、光放大器、可调谐激光器2、耦合器以及太赫兹发射器；其中，可调谐激光器1输出的光信号输入至光电调制器，任意波形发生器的输出信号连接到电光调制器，以驱动电光调制器将信号调制到光信号上，调制后的光信号以及经过光滤波器和光放大器经滤波和放大后输入至耦合器，光放大器的输出信号与来自可调谐激光器2的光信号通过耦合器耦合成一路，可调谐激光器2的输出功率根据光放大器的输出功率设置，以实现功率匹配，合路后的信号输入到太赫兹发生器经过拍频产生超宽带太赫兹信号。太赫兹信号的频率取决于可调谐激光器1和2之间的频率差。其中，太赫兹发射器采用单行载流子光电探测器，拍频后产生的太赫兹信号经过发射天线发射到自由空间，经过目标物体反射后由太赫兹透镜聚焦到接收端的天线。
51.太赫兹接收器采用太赫兹混频器，两次测量接收到的信号在太赫兹接收器处进行
下变频处理，将中频的信号脉冲压缩，通过逆合成孔径雷达的算法，恢复出两幅错开的二维图像。利用这两幅图像重建目标点的高度，再根据两幅二维图像中的参考图重建该目标点的空间位置。
52.基于上述三维成像的太赫兹双目isar系统，实施例还提供了一种三维成像方法，包括以下步骤：
53.步骤1，利用发射链路产生太赫兹信号并发射；
54.步骤2，调整目标物体处于第一位姿并进行第一次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第一位姿的目标物体的反射信号；
55.步骤3，调整目标物体处于第二位姿并进行第二次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第二位姿的目标物体的反射信号；
56.步骤4，利用接收链路基于两次测量时的反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。
57.上述实施例提供的系统和方法，将双目视觉与太赫兹雷达系统相结合，接收端链路只需要一个通道，通过两次测量，就能够利用错开的两幅图像三维重建目标物体，这大大降低了对太赫兹雷达信号的相干性需求。
58.以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，包括发送链路、接收链路；所述发送链路用于产生太赫兹信号并发射；所述接收链路用于接收太赫兹信号相对于两次测量时处于两位姿的目标物体的两反射信号，并基于两反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。2.根据权利要求1所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述接收链路包括太赫兹接收器、脉冲压缩模块以及双目isar信息处理模块；所述太赫兹接收器用于接收太赫兹信号在空间中经目标物体反射的反射信号；所述脉冲压缩模块用于对接收的反射信号进行压缩处理；所述双目isar信息处理模块用于采用逆合成孔径雷达二维成像算法基于两反射信号恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。3.根据权利要求2所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，基于两幅二维图像重建目标物体的高度，包括：图像的校正：对两幅二维图像分别进行消除距离徙动、补偿残余相位以及去斜；方位向的配准：选取标志物，然后配准两幅校正后图像的方位向，使两幅图像的标志物的方位向序号相同；目标点的标定：设置阈值，筛选出方位向配准后的两幅图像中的目标点；距离向的信息获取：从第一幅图像中具有峰值的距离门开始，在第二幅图像中的相同位置向前和向后搜索以找到具有相同峰值分布的最佳匹配距离门，直到最后一个具有峰值的距离门，如果一对匹配的距离门的序号相同，则应跳过该距离门，随后记录两个图像中峰值对应目标点的二维坐标；高度的计算：根据两图像中目标点的二维坐标以及坐标旋转的公式，可以计算出目标点的高度，目标物体包含多个目标点，依据目标点的高度确定目标物体的高度。4.根据权利要求1所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述逆合成孔径雷达二维成像算法包括距离多普勒算法、距离徙动算法、线性调频变标算法。5.根据权利要求2所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述太赫兹接收器采用下变频接收太赫兹信号的反射信号，包括次谐波混频器、光电导天线、肖特基势垒二极管或者量子阱光电探测器。6.根据权利要求2所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述脉冲压缩模块采用硬件混频的脉冲压缩方式和/或软件匹配滤波的脉冲压缩方式。7.根据权利要求1所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述发送链路采用基于电子学的太赫兹辐射源或基于光学的太赫兹辐射源产生太赫兹信号，其中，基于电子学的太赫兹辐射源包括基于真空电子技术的太赫兹辐射源、太赫兹量子级联激光器或太赫兹自由电子激光器；基于光学的太赫兹辐射源包括基于超快激光技术的太赫兹辐射源或基于光学拍频技术的太赫兹辐射源。8.根据权利要求1所述的用于三维成像的太赫兹双目isar系统，其特征在于，所述系统还包括太赫兹棱镜，设于所述接收链路的输入端，用于对反射信号进行准直和聚焦后输入至接收链路。9.一种三维成像方法，其特征在于，所述三维成像方法采用权利要求1-8任一项所述的
基于太赫兹双目isar系统，所述方法包括以下步骤：利用发射链路产生太赫兹信号并发射；调整目标物体处于第一位姿并进行第一次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第一位姿的目标物体的反射信号；调整目标物体处于第二位姿并进行第二次测量，利用接收链路接收太赫兹信号相对于第二位姿的目标物体的反射信号；利用接收链路基于两次测量时的反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。

技术总结
本发明公开了一种用于三维成像的太赫兹双目ISAR系统和方法，包括发送链路、接收链路；其中，发送链路用于产生太赫兹信号并发射；接收链路用于接收太赫兹信号相对于两次测量时处于两位姿的目标物体的两反射信号，并基于两反射信号采用逆合成孔径雷达二维成像算法恢复得到错开的两幅二维图像后，基于两幅二维图像重建目标物体的高度以及空间位置。该系统和方法利用双目视觉的成像方式，可以简化雷达结构，使配置更加灵活，有助于太赫兹雷达系统成本的降低。本的降低。本的降低。


技术研发人员：杨作民 张鹿 余显斌
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/8/5