一种基于极化毫米波辐射的获取目标表面方位信息的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无源微波遥感与探测技术领域，更具体地，涉及一种基于极化毫米波 辐射的获取目标表面方位信息的方法。
【背景技术】
[0002] -切自然和人造物质在物理温度高于绝对零度时都会以电磁波的形式自发地向 空间辐射电磁能量，毫米波辐射计通过接收这种电磁信号来实现对目标的遥感与探测，这 种技术通常被称为无源毫米波辐射测量技术。毫米波辐射测量具有全天时、准全天候工作、 隐蔽性和一定程度上穿透衣物的优点，因此已应用到诸如大气遥感、海洋监测、土壤和植被 遥感、农业检测、安检等领域。
[0003] 毫米波辐射计通过天线接收感兴趣场景的毫米波辐射，并将其强度按比例直观地 显现出来，即实现毫米波辐射测量成像。影响场景中物质的自发毫米波辐射的因素是多方 面的，物质的属性、结构和尺寸等均影响其自发辐射出来的电磁波状态。这些因素的差异导 致辐射电磁波的差异，在毫米波辐射亮温图像中显现出来，从而实现对感兴趣目标的检测 与识别。
[0004] 对于被测物体信息的获取是当前研究的热点也是难点。通常利用毫米波辐射图像 中物质毫米波辐射信号的差异可得到感兴趣目标的形状。例如，由于毫米波能一定程度上 穿透衣物，因此已逐渐应用到安检领域，无源毫米波辐射测量手段用于人体隐匿违禁物品 的检测已具备足够的理论和实验验证。然而，进一步获取描述目标形状结构特征的目标表 面方位等目标信息却尤为困难。由于影响物质毫米波辐射信号的因素繁杂，从单一的毫米 波辐射图像中难以进一步获取这类信息。毫米波辐射图像中的极化信息包含了目标的更多 信息，因此，利用极化信息进行毫米波辐射测量逐渐受到重视，如海面风场的遥感中通过全 极化测量获取海面风速和风向等信息，对地遥感中通过多频段多极化的测量获取地表温度 分布等。
【发明内容】
[0005] 针对当前的应用需求以及现有技术的不足，本发明提供了一种基于极化毫米波辐 射的获取目标表面方位信息的方法，目的在于从极化毫米波辐射信号中提取立体目标表面 方位信息，由此提高利用无源毫米波辐射测量技术对被观测场景中的立体目标进行检测和 识别的能力。
[0006] 本发明提供了一种基于极化毫米波辐射的获取目标表面方位信息的方法，包括下 述步骤：
[0007] Sl :以三种不同的天线极化旋转角度分别对置于无极化辐射环境中的立体目标进 行成像，获得第一亮温图像F1、第二亮温图像F2和第三亮温图像F3 ;
[0008] S2 :获得所述第一亮温图像Fl中目标的第i个表面S上所有点的亮温第一平均 值；获得所述第二亮温图像F2中目标的第i个表面S上所有点的亮温第二平均值；获得所 述第三亮温图像F3中目标的第i个表面S上所有点的亮温第三平均值；初始值i = I ;
[0009] S3:根据三种不同的天线极化旋转角度以及所述亮温第一平均值、所述亮温第二 平均值和所述亮温第三平均值获得第i个表面S的表面方位信息角爭；
[0010] S4 :根据所述表面方位信息角9获得一个新的天线极化旋转角度a '，再根据新的 天线极化旋转角度a '对置于无极化辐射环境中的目标进行成像，获得第四亮温图像F4 ;
[0011] S5 :获得所述第四亮温图像F4中目标的第i个表面S的法向量方位角
[0012] S6:i = i+1，并判断i是否等于N，若是，则结束，若否，则返回至步骤S2;其中，i 为亮温图像中目标的表面的序号，N为目标的表面的数目。
[0013] 更进一步地，天线极化旋转角度a定义在亮温图像所在的笛卡尔二维左手直角 坐标系XOZ中，表示为天线口面的磁场H方向所在的直线与z轴正方向的夹角；为了避免重 复，需满足0° < a〈180°。
[0014] 更进一步地，在步骤S2中，若三个平均亮温值均相等，则认为表面S的法向量指向 毫米波辐射计观测点方向。
[0015] 更进一步地，在步骤S3中，根据余弦曲线方程Tfl= cos[2(a_+_ (p)]+心0获得第 i个表面S的表面方位信息角奶其中，Tb为亮温平均值Jw为余弦曲线的振幅，T 0;a 为天线极化旋转角度；平:为表面方位信息角，f玄90°; Tb。为不随极化旋转角度变 化的亮温直流分量。
[0016] 更进一步地，在步骤S4中，为了准确地从第四亮温图像F4中判断表面S的方位信 息，新的天线极化旋转角度规定为：Ct. _= 90-cp。
[0017] 更进一步地，在步骤S5中，所述法向量方位角％!为：以z轴正方向为始边， 以表面S的法向量在 X〇Z面上的投影向量为终边，顺时针方向跨过的夹角，中〇:范围为 0 < CPo < 360°;在所述第四亮温图像F4中，新的天线极化旋转角度a '对应的终边所在的 直线上的亮温减小的方向即为表面S的法向量方位角屯〇的终边方向。
[0018] 本发明提供的获取目标表面法向量方位角信息的方法通过在无极化辐射环境中 分别以三种不同的天线极化旋转角度对包含目标的场景进行成像，得到目标的亮温图像； 再计算每个表面的平均亮温值，将每个表面的三种不同天线极化旋转角度及其相应的平均 亮温值代入余弦曲线方程中，求解出每个表面的表面方位信息角；最后根据表面方位信息 角再次对目标进行成像，得到新的亮温图像，结合表面方位信息角终边方向上的亮温变化 趋势以及判断原则，得到每个表面的法向量的方位角。本发明可适用于任何毫米波辐射计 对立体目标表面方位信息的获取，能非接触、被动、高精度地获取目标表面的方位角信息， 为目标的识别提供更多的有用信息。
[0019]目标表面的方位角信息的获取，对目标识别具有重要意义。例如在人体隐匿违禁 物品检测中，主动有源的检测方式（如X射线）理论上能有效地检测识别目标，但对人体有 辐射伤害；常见的手持金属探测器尽管对人体无害，但需要被检人员依次配合检查，检测效 率很低，在人群密集地点很难适用，而且只能检测物品是否存在，而无法进一步获得物品更 多的信息。本发明提供的一种基于极化毫米波辐射的目标信息获取的新方法，依托于无源 毫米波成像手段，具有对人体无辐射、功耗低等优势，符合公共场所人群的非协作特点，并 且不仅能检测出目标是否存在，还能利用目标的极化辐射特性进一步获得描述目标形状结 构特征的目标表面的方位信息，从而得到更多的目标三维结构特征信息。
【附图说明】
[0020] 图1为一种六面体结构的石块目标的示意图，观测方向沿着y轴负方向，目标在观 测方向上被投影到XOZ面上；
[0021] 图2为无极化辐射环境中的仿真成像场景示意图，场景中石块目标的5个观测表 面的反射环境亮温均为无极化；
[0022] 图3为利用15°、45°和135°三种不同极化旋转角度a对均匀辐射环境中的目 标成像的亮温图，（a)亮温图Fl，（b)亮温图F2,（c)亮温图F3 ;
[0023]图4为以?=(90°-(p)的天线极化旋转角度对均匀辐射环境中的目标成像的新 亮温图F4,黑色斜直线表示表面S对应的法向量方位信息角终边所在的直线；
[0024] 图5为图4新亮温图F4中的黑线上目标区域的像素亮温值，两条黑实线之间的为 表面S区域内的亮温值；
[0025] 图6为目标表面法向量示意图，为利用所述方法而得到的表面S的法向量方位 角。
【具体实施方式】
[0026] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0027] 大多数自然和人造物体具有复杂的立体结构，一般而言，可看成很多个具有不同 方位的平面的组合。三维立体信息的获得能为这种目标的检测与识别提供更多的有用信 息。目标的不同方位辐射出的电磁波是有所差异的，这种差异一部分是由极化引起的。因 此，利用极化无源毫米波辐射测量是获取目标部分三维信息的一种途径。
[0028] 为了获取被测物体更多的三维结构特征信息，本发明提供了一种基于极化毫米波 辐射的获取目标表面方位信息的方法，其目的在于从极化毫米波辐射信号中提取立体目标 表面方位信息，由此提高利用无源毫米波辐射测量技术对被观测场景中的立体目标进行检 测和识别的能力。
[0029] 为实现上述目的，本发明提供了一种基于极化毫米波成像的获取目标表面方位信 息的方法，包括下述步骤：
[0030] Sl:在无极化的辐射环境中利用线极化毫米波辐射计以三种不同天线极化旋转角 度对置于无极化辐射环境中的立体目标成像，得到3幅亮温图Fl、F2和F3 ;
[0031] 其中，无极化的辐射环境中，目标表面上反射的环境亮温是无极化的，如大气辐 射亮温是无极化的。天线极化旋转角度a定义在亮温图像所在的笛卡尔二维左手直 角坐标系xoz中，表示为天线口面的磁场H方向所在的直线与z轴正方向的夹角，满足 0° < a〈180°。立体目标的表面在观测方向上可看成N个不同方位的平面组合。
[0032]S2:选择亮温图Fl中目标的第i个表面S (初始值i=I)，计算该亮温图中第i个 表面S上所有点的亮温平均值，亮温F2和F3同理，3幅亮温图获得3个亮温平均值；
[0033] 其中，若三个平均亮温值均相等，则认为表面S的法向量指向毫米波辐射计观测 点方向。
[0034]S3:根据三种天线极化旋转角度及其对应的亮温平均值，获得第i个表面S的表面 方位信息角9;
[0035] 其中，可以采用余弦曲线方程获得表面方位信息角，余弦曲线方程为 心=7；.cos[2(cc+(p)]+ 。其中，Tb为算术平均亮温值；Tw为余弦曲线的振幅，要求 Tw>0 ;a天线极化旋转角度；咿为表面方位信息角，要求<qx90°;Tb。为不随极化 旋转角度变化的亮温直流分量。1；、警和Tb。为待求量，T8和a从测量中获得。
[0036]S4:根据获得的表面方位信息角(p谪定一个新的天线极化旋转角度a = 9〇導， 再以a '对置于无极化辐射环境中的目标进行成像，获得新的亮温图F4;
[0037]S5:根据亮温图F4中表面S的判断原则，确定第i个表面S的法向量方位角％;:
[0038]其中，判断原则：新的天线极化旋转角度a = 90-(p:对应的终边所在的直线上的亮 温减小的方向即为表面S的法向量方位角