一种基于MIMO体制的大通量太赫兹成像系统

尹伟 鲁振兴 李宝莲

（中国电子科技集团公司第五十四研究所 河北省石家庄市 050081）

随着近年来国内外安全局势的发展，在公共场所对行人进行安检成像的需求逐渐增长[1]。现有的安检手段依赖于人工检查，通过效率低，因此大通量成像安检设备一直是公共安全技术领域的一个研究热点。

太赫兹(Terahertz, THz)频段穿透特性好与辐射能量低，因此极为适合进行无损透视检测[2]。目前，美国喷气推进实验室、西北太平洋国家实验室等研究机构进行了多种频率与体制的太赫兹成像实验系统的研制，在实验室条件下获得了极高的分辨率[3,4]。国内的电子科技大学、中国工程物理研究院等研究机构也进行了相关实验系统研制[4,5]。但是太赫兹安检设备仍面临硬件成本高、成像速度慢的问题。

针对以上问题，本文提出一种基于多输入多输出（multiple input multiple output, MIMO）体制的大通量太赫兹成像系统。MIMO技术利用发射接收正交信号，形成较大的虚拟阵列，从而降低发射接收信道数量，从而降低硬件成本。采用了二维阵列体制，极大缩短录取时间，适合大通量场景。

本文首先进行了太赫兹成像系统体制的论证，对系统频段、扫描方式进行了分析。然后，进行了天线阵列设计、波形设计，给出了基于MIMO体制太赫兹成像算法。最后，采用计算机仿真验证了MIMO雷达单点目标的成像。

1 太赫兹成像系统论证

1.1 频段选择

太赫兹系统不同频率的特性差异主要体现在大气衰减与距离分辨能力等方面。

水蒸汽和氧气导致的电磁波传播衰减在太赫兹频段的影响十分严重。适合应用的太赫兹频率主要集中在几个衰减较低的大气窗口，主要包括140GHz、220GHz、350GHz与600GHz。

太赫兹穿透成像系统需要较高的分辨率以区别遮挡物、目标的回波。距离分辨率需要不超过≤1cm量级，需要信号带宽≥15GHz。信号载频通常为信号带宽的10倍，因此载频至少在150GHz以上。

综合考虑大气衰减窗口与距离分辨特性，太赫兹安检成像适合采用220GHz、350GHz、640GHz频率。

1.2 孔径体制对比

太赫兹成像系统利用方位与俯仰向孔径实现方位-俯仰分辨，包括多种实现方式。

（1）两维运动方式：单个收发通道通过在方位-俯仰面中运动形成两维孔径。

（2）一维阵列结合一维运动的方式：垂直方向阵列通过电扫描形成多个垂直方向窄波束，阵列在水平方向移动形成虚拟阵列。

（3）两维阵列方式：垂直、水平两个方向设置两维阵列。比较不同孔径实现方式，两维阵列不需要阵列运动，成像时间极短，因此十分适合大通量安检成像。

2 基于MIMO体制的太赫兹安检成像系统

2.1 天线设计

两维阵列方式可以在较短时间的完成数据录取，但是其所需的阵元数目极大，因此通常结合MIMO技术降低阵元数量。

雷达阵列长度与分辨率的关系可以近似表示为：

其中，λ为波长；ρ为分辨率，R为成像距离。若在2m位置达到1cm分辨率，220GHz需要约0.273m尺寸阵列。阵列中的阵元间距通常满足：

其中，L为成像区域的大小。若在2m位置达到1m尺寸的成像区域，则阵元间距不超过2.7mm，可取阵元间距为1.8mm。

图1展示了一种MIMO两维阵列排布，阵列形成口字型，口字型上下边缘为发射阵列，口字型的左右边缘为接收阵列。口字型每个边缘为75个阵元，发射与接收阵元总数为300个，虚拟阵元数目可达到22500个。MIMO技术降低了75倍的阵元数目，极大降低的硬件的复杂度。

图1：MIMO两维收发阵列

2.2 波形设计

MIMO技术可采用成熟度较高的时分方式，发射阵元分时发射。若脉冲重复间隔T为1us，对应的最大探测距离为150m。发射阵元数M=150，则完成一次探测的时间为MT=150us，成像时间极短。另外，根据系统分辨率与信号带宽的关系，可取20GHz带宽、220GHz载频，对应的距离分辨率约为1cm。

2.3 成像算法

太赫兹安检成像系统采用时分MIMO体制，发射单元分时发射信号，接收单元同时接收信号，信号处理的流程主要包括信号Dechirp、数据重整、脉冲压缩与后向投影成像处理。

安检成像系统的第m个发射通道的发射信号为：

其中，t为时间序列，T为脉冲重复间隔，fc为载频，Kr为调频率。第n个接收通道的回波信号可表示为：

其中，τmn为第m个发射通道与第n个接收通道对应的目标时延，M为发射通道数量，N为接收通道数量。进行Dechirp处理并对接收信号按照脉冲重复时间进行数据重整后，可形成MN路信号。第m个发射通道与第n个接收通道的信号可以表示为：

进行脉冲压缩后第m个发射通道与第n个接收通道对应的信号为：

其中，B为信号带宽，fd为目标的多普勒频率，可以表示为fd=-2v/l，v为等效径向速度。

由于脉冲压缩后目标存在距离徙动，同时距离徙动量会随目标位置发生变化，很难进行统一的校正。借鉴合成孔径雷达信号处理思路，可以采用后向投影算法[6]。

3 仿真验证

基于上节天线设计的结果与信号处理流程，进行太赫兹安检成像仿真，采用220GHz载频、20GHz带宽、1us脉冲宽度，目标位置设定为2m距离、0.4m俯仰、0.3m方位。目标位置设置为偏离阵面法向，距离徙动更明显。

图2展示了脉冲压缩后不同发射与接收通道的信号。可以看到目标在不同通道上聚焦在不同的距离位置，即存在距离徙动。图3展示了进行后向投影算法成像后方位-俯仰面的成像结果。后向投影算法精确校正了目标与阵元位置差异导致的距离徙动，完成了目标的精确聚焦。经评估分辨率满足1cm的指标要求，验证了天线阵列设计的有效性。

图2：脉冲压缩后信号

图3：方位-俯仰面成像结果

4 总结

针对大通量安检需求，本文介绍了一种MIMO体制太赫兹成像系统。首先对太赫兹成像系统的频段选择、孔径体制进行了对比，选定220GHz以上频率、两维阵列结合MIMO技术的系统体制。进行了天线设计，采用150个发射阵元与150个接收阵元形成了22500个虚拟阵元，极大降低了硬件通道数量。在此基础上推导了信号处理流程，并进行计算机仿真验证了，给出了距离徙动图像与方位-俯仰成像结果，验证了天线设计与信号处理算法的有效性。

MIMO体制太赫兹成像系统充分利用了太赫兹频段的穿透能力，并结合MIMO技术极大降低了通道数量，具有辐射功率低、成像录取时间短的优势，有利于机场、火车站等关键场所的大通量安检成像。