摘要
太赫兹波在电磁波谱上处于宏观电子学与微观光子学的过渡阶段，其一般指频率范围在0.1THz至10THz之间的电磁波。太赫兹波的特殊频谱位置决定了它具有独特的特性，展示出丰富的科学内涵与应用前景，是电磁波谱上待开发的重要频谱资源。与微波相比，太赫兹波具有频率高、波长短、带宽大等优势，因此太赫兹成像能够获得更好的图像分辨率与更高的成像帧率。与光波相比，太赫兹波具有更好的穿透性，能够穿透塑料、衣物、纸板等非极性遮光材料，能够在沙尘和烟雾等环境中工作，可不依赖于外界辐射源工作，具有全天时与全天候的成像能力。太赫兹成像作为太赫兹科学与技术的一个重要研究方向，在雷达遥感，安防监测，无损探测，生物医学检测等领域具有巨大的应用潜力，得到国内外研究学者的广泛关注。 对运动目标的跟踪与成像一直是雷达探测领域的重要研究方向，在军事侦查、空间探测以及民事应用中都具有现实的应用需求。随着战场环境与武器装备技术的发展，现代武器逐渐向无人化、小型化、隐身化发展，亟需研究有效的方法对敌方目标进行高精度成像，在此基础上对其进行准确识别，从而实施精确打击。在空间探测应用中，由于飞行器的损坏、废弃或碰撞产生的空间碎片对空间飞行安全造成了巨大的安全隐患，如何有效地对空间碎片进行识别与监测，保障在轨飞行器的安全是一个迫切的需求。 太赫兹雷达能够实现较高的跟踪精度与成像分辨率，其系统便于小型化与集成化，是解决上述应用需求的最佳选择。然而，现有的太赫兹成像系统主要对静止目标或合作式运动目标成像，尚不具备对非合作式运动目标进行成像的能力。随着军事与民用领域中对运动目标进行高分辨成像的需求日益增长，基于太赫兹雷达开展运动目标跟踪与成像方法研究具有重要的研究意义与应用价值。 本论文在军委科技委重点预研项目的支持下，面向实际应用需求，研究和探索太赫兹雷达成像的新体制与新方法。围绕非合作式运动目标跟踪与成像这一主题，在太赫兹雷达系统设计、天线设计与测试、目标定位与跟踪以及运动目标高分辨成像等方面深入开展理论与实验研究，以期为太赫兹雷达成像技术的实用化发展与推广奠定理论与技术基础。论文的主要工作与创新性成果总结如下: （一）对太赫兹成像技术在国内外的发展现状进行深入调研，总结现有成像系统的优势与不足。对运动目标跟踪与成像技术的发展趋势进行全面分析，在此基础上明确本文的研究方向与目标，即开展基于太赫兹雷达的非合作式运动目标跟踪与成像方法研究。 （二）面向实际应用需求，提出一种基于多波束体制的太赫兹雷达运动目标跟踪与成像系统方案，并开展相关的系统集成与测试工作。设计并搭建一套多通道太赫兹雷达系统样机，并在此基础上建立起运动目标跟踪与成像实验系统。主要工作与创新包括: (1)提出基于多波束太赫兹雷达的运动目标跟踪与成像体制。同时利用多个波束接收目标回波，基于单脉冲技术进行准确定位与跟踪，实现对运动目标的连续观测，最后基于等效逆合成孔径雷达成像技术实现对非合作式运动目标的高分辨成像。 (2)设计并搭建一套多通道太赫兹雷达系统样机与实验系统。系统包括一个发射通道与四个接收通道，基于倍频技术与超外差接收技术设计了多通道收发链路。基于馈源横向偏焦原理与准光隔离技术设计了一款多波束Cassegrain天线，通过近场扫描-近远场外推技术对天线的辐射特性进行测量。测试结果表明所设计的天线具有良好的波束聚焦特性以及旁瓣性能，能够满足实际应用需求。基于雷达样机搭建一套运动目标跟踪与成像实验系统，可工作于比幅跟踪与比相跟踪模式，可基于导轨平台与无人机平台开展运动目标跟踪实验。 (3)为了对天线方向系数进行高效测量，提出一种基于平面近场扫描测量的天线方向系数快速估计方法。该方法直接对平面近场响应处理得到波数域的波谱函数，通过引入积分变换实现方向图积分的快速计算，提高方向系数估计的计算效率与准确度。 （三）深入开展太赫兹雷达运动目标跟踪方法研究。结合太赫兹雷达的优势，提出一种高精度定位与跟踪方法。针对复杂目标跟踪实验中出现的跟踪不稳定与跟踪丢失问题，提出改进的目标跟踪方法，有效地消除了跟踪中的不利因素，提升了太赫兹雷达的跟踪性能。主要工作与创新包括: (1)针对多波束测角中的系统标定问题，建立了适合多波束太赫兹雷达的鉴角模型，提出一种基于波束扫描的闭环响应标定方法。通过波束扫描的方式获得不同扫描角度下的雷达闭环响应，利用不同波束的闭环响应差异与扫描角度的关系确定模型参数，为实际目标的测角与跟踪提供准确的鉴角模型。 (2)提出一种基于几何中心的运动目标跟踪方法。利用太赫兹雷达的高距离分辨优势，在高分辨距离像上检测出目标上的多个散射中心，根据多个散射中心的坐标合成目标的几何中心并对其进行跟踪。仿真与实验结果表明该方法能够获得良好的跟踪性能。 (3)针对目标跟踪中由于目标环境或系统误差引起的跟踪不稳定与跟踪丢失的问题，提出优化的目标跟踪方法。提出一种基于不稳定散射中心剔除的角闪烁抑制方法，以归一化幅度方差作为判别标准，对发生角闪烁的散射中心进行鉴别与剔除，消除不稳定测量值对目标中心定位结果带来的误差。提出一种基于非线性鉴角函数的多波束测角方法，对测角过程中出现的通道间异常响应差异进行压制，提高鉴角函数的鲁棒性。实验结果表明，优化的跟踪方法能够显著提升太赫兹雷达对复杂目标的跟踪精度与稳定性。 （四）深入开展太赫兹雷达运动目标成像方法研究。对多种场景下的运动目标成像方法进行理论与实验研究，研究并完善太赫兹雷达成像中的自聚焦成像方法，探索运动目标三维成像与动态成像方法，首次基于太赫兹雷达实现对非合作式运动目标的高分辨成像。主要工作与创新包括: (1)针对非合作式运动目标的成像，提出了基于稳定跟踪的等效逆合成孔径雷达成像方案。建立非合作式运动目标的雷达信号模型，研究相应的成像方法及处理流程。利用实际雷达系统开展运动目标成像实验，获得了高质量的成像结果，首次基于太赫兹雷达实现对非合作式运动目标的高分辨成像。 (2)为了提高对复杂目标的成像质量，研究并改进了逆合成孔径雷达成像中的自聚焦成像方法。研究并推导了快速最小熵自聚焦算法，提高算法的收敛速度。提出一种修正的相位梯度自聚焦算法，使用归一化幅度方差在距离像上筛选出稳定距离单元，提高相位误差的估计精度。基于实验数据验证了两种自聚焦成像方法的有效性。 (3)基于干涉技术研究了非合作式运动目标的太赫兹雷达三维成像方法，提出一种基于联合运动补偿的干涉式逆合成孔径雷达成像方法。在使用比相测角技术对运动目标进行稳定跟踪的基础上，利用多个接收通道的观测信号合成虚拟和信号，基于虚拟和信号对各个通道实施联合运动补偿，提高图像聚焦效果与干涉处理的质量。通过实验获得了高质量的三维成像结果，并进一步实现了动态三维成像，首次基于太赫兹雷达实现对非合作式运动目标的三维成像。 （五）面向空间目标监测与识别的需求，在本文提出的成像体制得到理论与实验验证的基础上，提出一种基于星载多基线太赫兹雷达的空间目标成像系统方案。通过设计合理的多基线天线阵列，利用多基线测量方法实现对空间运动目标的定位与跟踪，利用本文研究的成像方法开展二维与三维成像。针对太赫兹雷达远距离探测场景下的低信噪比问题，提出一种基于双频共轭-Keystone变换的长时间相干积累方法，提高脉冲积累增益，提升目标检测性能。通过仿真验证了所提出方案与方法的可行性与有效性。
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