文摘
太赫兹(太赫兹)调频连续波(FMCW)成像雷达系统开发的高分辨率三维成像。针对问题的长期数据采集时间和大样本大小发达成像系统,提出了一个算法基于压缩传感的太赫兹FMCW雷达三维成像。首先,FMCW雷达信号模型建立,和传统的范围迁移算法介绍了太赫兹FMCW雷达成像。压缩传感是延长了太赫兹FMCW雷达三维成像,和牛顿光滑L0-norm (NSL0)算法对稀疏测量数据重建。模拟和测量实验证明重建的可行性从测量太赫兹图像即使稀疏率为20%。
1。介绍
(太赫兹)太赫兹波位于红外波和毫米波之间,这是一种电磁波,尚未完全认识和利用人类。由于其材料渗透能力和对人体无害的电离辐射,太赫兹技术可以用来有效地识别隐形和欺骗性的措施,用传统方法无法区分在军事领域和识别隐藏对象由金属或无机材料进行安全检查。随着太赫兹波长更小的和更广泛的带宽将导致更高的分辨率,太赫兹成像已广泛应用于无损检测和医学诊断1,2]。信息的快速发展对策、antistealth目标搜索、跟踪,材料科学,太赫兹成像技术在过去的几十年中取得了很大的进步。
出于高分辨率太赫兹成像技术的巨大应用潜力,越来越有兴趣开发3 d成像雷达工作在太赫兹范围内。2007年,一个220 GHz实验调频连续波(FMCW)逆合成孔径雷达(SAR)的带宽8 GHz旨在确定高分辨率目标的散射中心分布3]。240 GHz 3 d FMCW雷达成像的最大带宽42 GHz讨论(4]。的成像雷达操作580 GHz频率实现全固态设计是开发的喷气推进实验室(JPL) [5]。第一个太赫兹雷达快速对峙与操作人员筛选675 GHz频率也由喷气推进实验室。快速扫描装置的目的是使图像的帧率1 Hz [6,7]。积极FMCW成像系统从514年到565年GHz(频率集中在540 GHz)研究了图像对象毫米的一项决议(8]。
它可以发现,太赫兹3 d成像通常用SAR技术来实现,而不是建造天线阵列。这是由于,昂贵的设备太赫兹政权将导致高成本的成像系统有多个收发器。太赫兹成像系统与SAR技术,单收发器移动网格状的方式产生一个图像处理方法。几个SAR成像算法在时域,频域,和波数域提出了太赫兹FMCW SAR,分别。一个典型的时域投影算法研究获得图像的二维孔径合成SynView太赫兹3 d成像系统(9]。投影成像的方法提出了在10]300 GHz成像系统的数据处理。然而,成像算法在时域计算有一个沉重的负担虽然他们能够处理SAR数据在各种各样的成像几何图形。修订range-Doppler FMCW SAR成像算法的补偿雷达迁移(11]。元等人提出的非线性频率调节算法实现FMCW SAR集中运用Doppler-range校正(12]。然而,range-Doppler在频域算法和非线性频率调节算法将导致偏差由于高阶相位误差。所以,范围迁移算法(RMA)为太赫兹波数域比FMCW SAR成像(8,13]。
正如上面提到的,一个收发器移动网格状的方式获取数据太赫兹FMCW SAR成像在大多数情况下。和机械扫描参数应该遵守Nyquist-Shannon抽样定理的RMA成像算法。然而,一个更小的波长在太赫兹政权需要一个较小的扫描步骤中,它会导致一个更大的收集点和一个更长的数据获取时间。太赫兹成像效率低的传统成像算法。减少图像数据获取时间和提高成像效率,提出了一个算法基于压缩传感的3 d成像太赫兹FMCW SAR。该算法依赖于压缩传感的优点,它可以重建信号的稀疏数据样本。
本文组织如下。发达220 GHz FMCW SAR成像系统介绍了部分2。太赫兹的RMA FMCW雷达成像节中给出3。部分4提出了基于压缩传感的3 d成像算法。给出了实验结果和分析5来验证提出的成像算法。最后一部分是结论。
2。太赫兹FMCW成像系统
2.1。系统简介
如图1摘要,FMCW太赫兹成像系统开发包括射频收发子系统、信号采集与处理子系统、平面扫描子系统。
当太赫兹FMCW成像系统的工作原理,通过生成一个x波段FMCW信号直接数字合成器作为驱动源的传输链路将输出一个太赫兹FMCW信号。然后,传输信号将反映目标,然后由天线接收。接收到的回波信号与参考信号混合得到的中频信号(如果)如果处理单元将被处理。最后,如果信号获取与数据采集处理单元。平面扫描控制的数据采集与处理子系统动作“stop-go-stop”的方式。响应信号在某些点是获得和存储处理软件和处理后生成3 d图像扫描的终结。发达的照片太赫兹FMCW成像系统呈现在图2。和规格参数见表1。
2.2。太赫兹FMCW信号建模
太赫兹的信号传输FMCW成像系统可以表示为 在哪里表示中心频率,意味着扫描时间和短促声波的频率。假设目标和雷达之间的距离 ,回波信号可以表示为 在哪里 回波信号延迟和吗表示目标反射系数。Dechirp发达成像系统采用信号处理技术来获得信号。如果输出信号混合传输信号和回波信号,它可以写成 在哪里剩余相位误差(RVP) dechirp之后。总的来说,这一项可以忽略成像。然后,方程(3)可以简化为 在哪里 ,因此上述表达式可以写成
3所示。为太赫兹范围偏移算法FMCW雷达成像
尽管几个算法开发了太赫兹FMCW雷达成像,RMA在波数域广泛使用是由于更高的效率。对太赫兹成像几何和RMA FMCW雷达将在这一节中介绍。
发达成像系统的成像几何是呈现在图3。收发器安装在平面扫描仪控制移动与栅格方式,这将导致一个2 d矩形合成孔径的形成e在平面平行XOY飞机。
为方便表达,方程(5)是写成 在哪里 和 测量点之间的距离吗 和散射中心 。然后,收到回应的总和信号测量的点 在成像区域内 在哪里表示和成像区域 代表目标的反射系数矩阵。
应用二维傅里叶变换得到回响信号沿扫描方向, 在哪里和代表的空间频率 - - - - - -和 - - - - - -方向和 。和 可以解决
考虑到 ,方程(8)可以写成
后乘函数的引用 ,我们可以获得以下表达式:
它可以找到从方程(11), 的傅里叶变换 ,因此,反射系数矩阵 对应于图像的目标可以通过应用傅里叶反变换。然而,测量数据中不均匀分布域由于非线性转换来 。通常,Stolt插值方法用于获得均匀分布的数据域。最后,反射系数矩阵 可以获得的
基于RMA的太赫兹FMCW SAR成像算法可以概括如下:(1)二维傅里叶变换应用于收集的数据平面扫描获得波数域配方 (2)引用函数乘以参考值范围(3)执行Stolt插值生成数据是均匀分布的域(4)最后,执行三维傅里叶反变换产生的形象目标。
4所示。基于压缩传感的成像算法
4.1。压缩传感原理
压缩感知是一种信号处理技术能够实现稀疏信号的恢复与更少的奈奎斯特采样定理要求的取样器。针对压缩传感的优点,这对太赫兹技术研究FMCW SAR成像技术来减少数据采集的要求,提高成像速度。
假设是离散信号的长度在时域中,它可以由一组标准正交基的线性表示 在哪里 稀疏变换基础和吗 的权重系数吗令人满意的, 。
它可以看到从方程(13),的等价表示吗 。如果只有非零元素 ,然后是 - - - - - -信号的稀疏表示 ,和信号稀疏 。
一般来说,收到了太赫兹FMCW雷达信号在时域nonsparse。因此,有必要将nonsparse时域信号的稀疏变换域。采用傅里叶变换在信号变换操作。实现压缩采样测量矩阵哪些项目高维信号在低维空间: 在哪里是原始高维信号的矢量的测量在一个随机矩阵 , 是基稀疏矩阵, 传感矩阵的维度 。
的 - - - - - -维的信号可以恢复吗米维测量数据通过信号重建。和信号重建是解决而实现的 - - - - - -范数最小化问题表示为
尽管上述最低 - - - - - -规范是一个np难问题,无法直接解决一个最优的解决方案可以实现与贪婪搜索或凸优化算法。
4.2。基于压缩传感的太赫兹FMCW雷达成像算法
因为贪婪搜索重建算法的恢复精度像正交匹配追踪(OMP)14,15),级间正交匹配追踪(踩)[16),正则化正交匹配追踪(ROMP) [17),压缩采样匹配追踪(CoSaMP) [18)是较低的可怜的信号噪声比(信噪比),一种改进平滑l0范数最小化(SL0)提出了基于凸优化算法。
SL0算法,目标函数是定义如下19,20.]: 在哪里是一个平滑函数,它可以被看作是吗当接近0。很明显,平滑函数将近似最优解,通过选择一个合适的吗 。和被定义为
与高斯平滑函数,提出了平滑函数会得到一个更好的性能在信号重建导致接近 。
最陡下降算法通常被应用于解决方程(16)。但是,它是很难估计的最优搜索算法步骤,这将导致收敛速度慢。修正后的牛顿法(21]本文利用更高效地解决优化问题。是修正的牛顿方向 在哪里 , , 是单位矩阵,是正的,以确保对角线的值也有积极的。在这里,是设置为
因此,修改后的牛顿方向可以写成
提出了稀疏信号重建算法的实现步骤基于牛顿光滑 - - - - - -规范(NSL0)总结在表2。
基于上述稀疏信号重建算法,3 d成像算法的太赫兹FMCW SAR本文提出的基于压缩传感可以概括如下:(1)设计一个测量矩阵这是能够满足数据采集的要求吗(2)收集太赫兹FMCW SAR回波信号在相应的位置,设计了测量矩阵获得测量信号(3)重构原始信号从显示的稀疏测量数据使用NSL0算法(4)应用二维傅里叶变换对重构信号(5)执行参考函数相乘(RFM)(6)执行Stolt插值(7)执行三维傅里叶反变换生成图像
拟议的太赫兹FMCW SAR成像算法基于压缩传感如图4。
5。实验结果
执行模拟和测量实验验证了太赫兹FMCW SAR成像算法。
5.1。点目标仿真
的太赫兹FMCW SAR成像模型是建立与MATLAB模拟和6点目标成像。目标的坐标 , , , , ,和 。仿真中使用的成像雷达系统参数表中列出3。仿真中使用的测量矩阵是稀疏随机矩阵,和稀疏采样率是50%。
稀疏模拟数据与压缩传感首先恢复。然后,恢复信号处理RMA产生一个三维图像,如图5(一个)。同时,使用RMA的完整数据的成像结果呈现在图5 (b)进行比较。
(一)
(b)
从这些数据可以看出,产生3 d图像几乎是相同的。,这表明了太赫兹FMCW SAR成像算法的稀疏测量。
5.2。测量实验
为了进一步验证该3 d成像算法太赫兹FMCW SAR,实验是进行与发达太赫兹FMCW成像雷达系统。系统的操作频率范围是170 - 220 GHz。目标成像被放置在一个泡沫列0.5米的距离的平面扫描平面,和扫描面积151毫米×151毫米。平面扫描动作与“stop-go-stop”的方式扫描步骤1毫米。收集完整的数据来重建图像处理与RMA的第一目标。重建图像的阀瓣和一把剪刀,如图6提出了在图7。然后,10%,20%,30%,50%的收集的数据是根据测量矩阵中提取 。然后提取的稀疏数据处理提出了压缩传感成像算法。重建图像在不同稀疏率数据所示8和9。
(一)
(b)
(一)
(b)
(一)
(b)
(c)
(d)
(一)
(b)
(c)
(d)
从实验结果可以看出,重建的三维图像质量很差的数据稀疏率10%,,很难确定具体目标。然而,图像可以重建好了即使在数据稀疏率20%。和一个更大的数据将导致一个更好的形象。此外,重建误差介绍了评价图像的质量与不同的重建算法重建: 在哪里 重建信号吗 表示原始信号。一个更大的代表一个重大偏差的原始信号的重构信号,从而意味着重建算法的性能降低。重建误差对比SL0和NSL0在不同稀疏率表中列出4。
此外,表中给出的算法的计算时间5。中央处理器是英特尔酷睿i5 - 4210 M @ 2.6 GHz,和8 GB的内存。
上述结果表明,呈现NSL0重建算法有较小的误差和计算速度快而SL0重建算法。这是由牛顿法在NSL0算法。
6。结论
一种算法对太赫兹FMCW SAR成像研究基于压缩传感。发达220 GHz FMCW成像雷达系统介绍,首先是建立和信号模型。RMA发达太赫兹FMCW SAR然后派生。压缩传感是描述,NSL0重建算法重建信号稀疏的样本。和基于压缩感知算法开发的太赫兹FMCW SAR进行了总结。实验验证了成像算法执行。实验结果表明,它能够重建图像即使在稀疏率为20%。介绍了3 d成像算法的太赫兹FMCW成像雷达系统可以提高成像效率降低空间数据采集的要求。
发达220 GHz FMCW SAR成像系统已被用于无损检测的复合材料在航空航天和关键结构的应用程序。只有一个收发器是集成系统中,必须采用网状机械扫描占地面积和结果在一个较高的时间成本。成像系统可以升级到多个收发器将有更快的成像速度。提出了压缩传感图像重建算法也可以申请稀疏阵列收发器配置就是能实现降低减少太赫兹成像系统成本的接收机。
数据可用性
支持本研究使用的数据都包含在这个文章表。如果有需要任何其他信息,相应的作者可能会通过电子邮件联系。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项工作科学基金会支持的部分中国江苏高等教育机构(18 kjb413003),金陵科技学院的高级人才基础(jit - b - 201713号,jit - b - 202029, jit - b - 201816和jit - b - 201628),金陵科技学院的研究基金孵化项目(没有。jit - fhxm - 201705),上海科技创新行动计划(19511108400),和江苏省“333高层次人才培养工程”第五第二级资助研究项目(2019号)。