基于Sinclair散射矩阵重构的全极化太赫兹高分辨成像研究

Polarization involving the essential attributes rather than common structure information of objects is indispensable to make a fine imaging of Terahertz imager. However, there are still deficiencies in polarization information detection and resolution capability in the current polarimetric THz imaging. In this project, we intend to introduce fully polarimetric measurement into THz imaging system, and present a novel method to realize high resolution THz imaging based on full-polarization detection and polarimetric image fusion. Motivated by THz synthesized aperture imaging technique, high-resolution reconstruction algorithms towards a two-order Sinclair scattering matrix of objects will be closely investigated. Reconstruction conducting in a new polarization-space-frequency-domain joint way will guarantee the completion of polarization detection. Besides, the polarization information scattered among multiple polarimetric images will be integrated inspired by the pixel-level image fusion, which will further improve the resolution. The accomplishment of this project will be significant for the development of the polarimetric THz imaging theory, and provide strong technical support for promoting its wide application in the security checkpoints for personnel surveillance.

极化测量能够为太赫兹成像系统提供目标结构特征外的属性信息，是精细刻画目标不可或缺的。但是现有极化太赫兹成像方法在目标极化信息量获取和成像分辨能力等方面还存在不足。本项目拟将全极化测量引入太赫兹成像系统，提出一种基于目标极化信息完备获取和多源极化图像融合来实现提高太赫兹成像分辨力的新方法。从太赫兹合成孔径成像机理出发，立足于目标2阶相干散射模型Sinclair矩阵，选择和设计基于“极化域-空域-频域”关联回波的目标Sinclair矩阵高分辨重构算法，能够通过多源极化通道的联合处理保证获取目标极化信息的完备性；同时，采用基于像素级图像融合思想的多源极化图像融合方法将包含在重构Sinclair矩阵内的目标全极化信息有机融合起来，进一步提高了太赫兹目标的成像分辨能力。项目成果不仅对极化太赫兹成像技术的理论研究具有重要的学术价值，更为太赫兹技术在人体安检领域的广泛应用提供了一条新的技术途径。

太赫兹波与微波相比属于超高频波段，应用于成像领域能够得到极高的空间分辨率。而与红外波相比，太赫兹波可以穿透衣物等材质且对人体无害。极化合成孔径雷达成像技术相比于一般合成孔径雷达成像技术能够获取目标更多的极化散射信息，这对研究人员研究目标的散射机理有着极大的优势。无论是太赫兹技术还是极化合成孔径雷达成像技术都有着广泛的学术价值和应用前景。本研究提出的太赫兹近场全极化合成孔径雷达成像系统有效的将两者的优势进行了融合，主要研究进展和研究成果如下：.（a）傅里叶变换（FT）基础算法是通过二维合成孔径雷达（SAR）技术在太赫兹领域进行二维成像的常用方法。经典FT基础算法因受到次波长采样间隔的限制，因此需要进行大量的空间采样从而增加了系统的采样时间。然而，当空间采样低于奈奎斯特频率或成像场景中存在脱离网格的散射点时，FT基础算法会受到性能损失。针对上述问题，本研究在二维SAR系统下提出了一种基于多重信号分类（MUSIC）算法的高分辨率稀疏成像方法，实现了太赫兹近场二维方位向的目标重构。.（b）针对宽频线阵维成像系统中由于系统误差引入的相位失配问题。首先建宽频线阵的回波信号模型，分析出相位失配是由于发射机与接收机的本振信号源之间存在相位同步造成的。提出一种添加一路参考信号的方式消除由于本振源非同步造成的相位失配问题。算法仿真对所提出的宽频线阵同步算法性能进行了验证。.（c）搭建了一套太赫兹近场全极化合成孔径雷达成像系统。系统基于单站ISAR成像原理设计，融合了太赫兹波的特性和极化合成孔径雷达成像的优点。克服了近场多站SAR成像情况下，受器件物理尺寸，高增益天线窄波束和天线之间耦合等造成的成像困难的问题。系统工作于75GHz～110GHz频段，方位维的成像分辨率可达到3mm， 距离维分辨率可达到4mm。并深入分析了系统中存在的测量误差，并针对系统误差提出了一种系统校准方案，最终使用成像系统对标准体进行了成像实验。成像及校准结果验证了系统校准方案的有效性和可靠性。.（d）使用成像系统对非标体进行了成像实验，对系统成像的效果进行了实测。对系统成像的效果进行了实测。通过对表面带有同种材质碎片的塑料板和表面贴有塑料碎片的金属板进行成像，并通过对实验所得的极化SAR图像进行Pauli分解，说明了系统所获得的极化SAR图像的质量良好，以及成像系统的可靠性。