一種基于MIMO體制的大通量太赫茲成像系統(tǒng)

尹偉 魯振興 李寶蓮

（中國電子科技集團公司第五十四研究所 河北省石家莊市 050081）

隨著近年來國內(nèi)外安全局勢的發(fā)展，在公共場所對行人進行安檢成像的需求逐漸增長[1]。現(xiàn)有的安檢手段依賴于人工檢查，通過效率低，因此大通量成像安檢設(shè)備一直是公共安全技術(shù)領(lǐng)域的一個研究熱點。

太赫茲(Terahertz, THz)頻段穿透特性好與輻射能量低，因此極為適合進行無損透視檢測[2]。目前，美國噴氣推進實驗室、西北太平洋國家實驗室等研究機構(gòu)進行了多種頻率與體制的太赫茲成像實驗系統(tǒng)的研制，在實驗室條件下獲得了極高的分辨率[3,4]。國內(nèi)的電子科技大學(xué)、中國工程物理研究院等研究機構(gòu)也進行了相關(guān)實驗系統(tǒng)研制[4,5]。但是太赫茲安檢設(shè)備仍面臨硬件成本高、成像速度慢的問題。

針對以上問題，本文提出一種基于多輸入多輸出（multiple input multiple output, MIMO）體制的大通量太赫茲成像系統(tǒng)。MIMO技術(shù)利用發(fā)射接收正交信號，形成較大的虛擬陣列，從而降低發(fā)射接收信道數(shù)量，從而降低硬件成本。采用了二維陣列體制，極大縮短錄取時間，適合大通量場景。

本文首先進行了太赫茲成像系統(tǒng)體制的論證，對系統(tǒng)頻段、掃描方式進行了分析。然后，進行了天線陣列設(shè)計、波形設(shè)計，給出了基于MIMO體制太赫茲成像算法。最后，采用計算機仿真驗證了MIMO雷達單點目標(biāo)的成像。

1 太赫茲成像系統(tǒng)論證

1.1 頻段選擇

太赫茲系統(tǒng)不同頻率的特性差異主要體現(xiàn)在大氣衰減與距離分辨能力等方面。

水蒸汽和氧氣導(dǎo)致的電磁波傳播衰減在太赫茲頻段的影響十分嚴(yán)重。適合應(yīng)用的太赫茲頻率主要集中在幾個衰減較低的大氣窗口，主要包括140GHz、220GHz、350GHz與600GHz。

太赫茲穿透成像系統(tǒng)需要較高的分辨率以區(qū)別遮擋物、目標(biāo)的回波。距離分辨率需要不超過≤1cm量級，需要信號帶寬≥15GHz。信號載頻通常為信號帶寬的10倍，因此載頻至少在150GHz以上。

綜合考慮大氣衰減窗口與距離分辨特性，太赫茲安檢成像適合采用220GHz、350GHz、640GHz頻率。

1.2 孔徑體制對比

太赫茲成像系統(tǒng)利用方位與俯仰向孔徑實現(xiàn)方位-俯仰分辨，包括多種實現(xiàn)方式。

（1）兩維運動方式：單個收發(fā)通道通過在方位-俯仰面中運動形成兩維孔徑。

（2）一維陣列結(jié)合一維運動的方式：垂直方向陣列通過電掃描形成多個垂直方向窄波束，陣列在水平方向移動形成虛擬陣列。

（3）兩維陣列方式：垂直、水平兩個方向設(shè)置兩維陣列。比較不同孔徑實現(xiàn)方式，兩維陣列不需要陣列運動，成像時間極短，因此十分適合大通量安檢成像。

2 基于MIMO體制的太赫茲安檢成像系統(tǒng)

2.1 天線設(shè)計

兩維陣列方式可以在較短時間的完成數(shù)據(jù)錄取，但是其所需的陣元數(shù)目極大，因此通常結(jié)合MIMO技術(shù)降低陣元數(shù)量。

雷達陣列長度與分辨率的關(guān)系可以近似表示為：

其中，λ為波長；ρ為分辨率，R為成像距離。若在2m位置達到1cm分辨率，220GHz需要約0.273m尺寸陣列。陣列中的陣元間距通常滿足：

其中，L為成像區(qū)域的大小。若在2m位置達到1m尺寸的成像區(qū)域，則陣元間距不超過2.7mm，可取陣元間距為1.8mm。

圖1展示了一種MIMO兩維陣列排布，陣列形成口字型，口字型上下邊緣為發(fā)射陣列，口字型的左右邊緣為接收陣列。口字型每個邊緣為75個陣元，發(fā)射與接收陣元總數(shù)為300個，虛擬陣元數(shù)目可達到22500個。MIMO技術(shù)降低了75倍的陣元數(shù)目，極大降低的硬件的復(fù)雜度。

圖1：MIMO兩維收發(fā)陣列

2.2 波形設(shè)計

MIMO技術(shù)可采用成熟度較高的時分方式，發(fā)射陣元分時發(fā)射。若脈沖重復(fù)間隔T為1us，對應(yīng)的最大探測距離為150m。發(fā)射陣元數(shù)M=150，則完成一次探測的時間為MT=150us，成像時間極短。另外，根據(jù)系統(tǒng)分辨率與信號帶寬的關(guān)系，可取20GHz帶寬、220GHz載頻，對應(yīng)的距離分辨率約為1cm。

2.3 成像算法

太赫茲安檢成像系統(tǒng)采用時分MIMO體制，發(fā)射單元分時發(fā)射信號，接收單元同時接收信號，信號處理的流程主要包括信號Dechirp、數(shù)據(jù)重整、脈沖壓縮與后向投影成像處理。

安檢成像系統(tǒng)的第m個發(fā)射通道的發(fā)射信號為：

其中，t為時間序列，T為脈沖重復(fù)間隔，fc為載頻，Kr為調(diào)頻率。第n個接收通道的回波信號可表示為：

其中，τmn為第m個發(fā)射通道與第n個接收通道對應(yīng)的目標(biāo)時延，M為發(fā)射通道數(shù)量，N為接收通道數(shù)量。進行Dechirp處理并對接收信號按照脈沖重復(fù)時間進行數(shù)據(jù)重整后，可形成MN路信號。第m個發(fā)射通道與第n個接收通道的信號可以表示為：

進行脈沖壓縮后第m個發(fā)射通道與第n個接收通道對應(yīng)的信號為：

其中，B為信號帶寬，fd為目標(biāo)的多普勒頻率，可以表示為fd=-2v/l，v為等效徑向速度。

由于脈沖壓縮后目標(biāo)存在距離徙動，同時距離徙動量會隨目標(biāo)位置發(fā)生變化，很難進行統(tǒng)一的校正。借鑒合成孔徑雷達信號處理思路，可以采用后向投影算法[6]。

3 仿真驗證

基于上節(jié)天線設(shè)計的結(jié)果與信號處理流程，進行太赫茲安檢成像仿真，采用220GHz載頻、20GHz帶寬、1us脈沖寬度，目標(biāo)位置設(shè)定為2m距離、0.4m俯仰、0.3m方位。目標(biāo)位置設(shè)置為偏離陣面法向，距離徙動更明顯。

圖2展示了脈沖壓縮后不同發(fā)射與接收通道的信號。可以看到目標(biāo)在不同通道上聚焦在不同的距離位置，即存在距離徙動。圖3展示了進行后向投影算法成像后方位-俯仰面的成像結(jié)果。后向投影算法精確校正了目標(biāo)與陣元位置差異導(dǎo)致的距離徙動，完成了目標(biāo)的精確聚焦。經(jīng)評估分辨率滿足1cm的指標(biāo)要求，驗證了天線陣列設(shè)計的有效性。

圖2：脈沖壓縮后信號

圖3：方位-俯仰面成像結(jié)果

4 總結(jié)

針對大通量安檢需求，本文介紹了一種MIMO體制太赫茲成像系統(tǒng)。首先對太赫茲成像系統(tǒng)的頻段選擇、孔徑體制進行了對比，選定220GHz以上頻率、兩維陣列結(jié)合MIMO技術(shù)的系統(tǒng)體制。進行了天線設(shè)計，采用150個發(fā)射陣元與150個接收陣元形成了22500個虛擬陣元，極大降低了硬件通道數(shù)量。在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了信號處理流程，并進行計算機仿真驗證了，給出了距離徙動圖像與方位-俯仰成像結(jié)果，驗證了天線設(shè)計與信號處理算法的有效性。

MIMO體制太赫茲成像系統(tǒng)充分利用了太赫茲頻段的穿透能力，并結(jié)合MIMO技術(shù)極大降低了通道數(shù)量，具有輻射功率低、成像錄取時間短的優(yōu)勢，有利于機場、火車站等關(guān)鍵場所的大通量安檢成像。