物)的终边方向。表面S的法向量方位角平0定义 为：以z轴正方向为始边，以表面S的法向量在XOZ面上的投影向量为终边，顺时针方向跨 过的夹角，范围为〇 <(Pu< 360°。
[0039] 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;
[0040] 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，根据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。
[0041] 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。
[0042]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。
[0043]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于解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0044] 本发明涉及无源微波遥感与探测技术领域，具体涉及用于无源毫米波成像的目标 检测与识别。该方法可非接触、被动、高精度地获取目标表面的方位角信息，可用于安全检 查、地球遥感、目标探测等领域的目标识别。为了说明本发明实施例提供的获取目标表面法 向量方位角信息的方法，下面结合附图以及实施例对本发明实施例做详细的说明。
[0045] 实施例：一种六面体结构的立体石块的表面法向量方位角信息的获取。该实施例 中，如图1所示，将石块目标绘制于三维正交坐标系中。观测方向沿着y轴负方向，目标在 观测方向上被投影到xoz平面上（笛卡尔二维左手直角坐标系x〇z)。石块目标有5个面被 观测，分别是面0AB、0BC、0CD、0DE和0EA。天线极化旋转角度a定义在亮温图像所在的笛 卡尔正交坐标系X 0z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°彡a〈180°。表面S的法向量方位角Cpo定义为：以z轴正方向为始边，以表面S的 法向量在XOZ面上的投影向量为终边，顺时针方向跨过的夹角，（Po范围为OStpG< 360°。
[0046] 该实施例中，由于目标亮温的模拟技术相对成熟，因此利用仿真的亮温图像对表 面法向量方位角信息的获取方法进行说明。
[0047] 表面法向量方位角信息的获取方法具体实现步骤如下：
[0048] (1)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目标进行仿真成像。如图2所示，为仿真场景示意图，背景为 倾斜45°的金属板，用以反射正天空，金属板构成的空间比目标大，保证从观测点出发到目 标每个表面后的反射环境均为金属板或大气，毫米波频率为94GHz。
[0049] 本实施例中选择了 15°、45°和135°三种不同极化旋转角度，得到三幅亮温图 像F1、F2和F3,如图3所示。
[0050] (2)选择目标的第i表面S，如图4所示，选择面0BC。计算三幅亮温图中表面S上 所有点的算术平均亮温值T B，分别为273. 7K、263. 3K和289. 5K。
[0051] (3)分布将a = 15°、45°、135°三种天线极化旋转角度及其对应的表面S的算 术平均亮温值，代入余弦曲线方程％ = G〇S[2(a+_(p)]+ T7m中，可以得到3个方程组，该 方程组有3个未知数，分别是余弦曲线振幅Tw、表面S的表面方位信息角f和不随极化旋转 角度变化的亮温直流分量Tb。。
[0052] 解方程组可得到9的多个解，根据Tw> 0和-90° < (p 90°的限定条件，可得到 表面S的表面方位信息角Cp =路6'
[0053] (4)根据上述求得的(P，:以新的天线极化旋转角度:a = 90°-(p再对目标成像，得 到亮温图F4,如图4所示。
[0054] (5)提取亮温图F4中新的天线极化旋转角度a = -私对应的终边所在直线上 的亮温。由于亮温图F中的亮温像素是离散点，提取的原则是沿着X轴（或z轴）的像素 点编号，利用四舍五入的准则确定对应的z轴（或X轴）的像素点编号，把这个像素点的亮 温作为a = 90°-(p:对应的终边所在直线上上的亮温。如图5所示，为图4中的黑实线上目 标区域的像素亮温值，两条黑实线之间即为表面S区域内的亮温值。
[0055] (6)根据图5中亮温变化的趋势，结合判断原则：新的天线极化旋转角度 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的法向量方位角(po的 终边方向，得到表面S上的法向量指向图中的右上方向，即此时Cpo = a = 90-q> = 54.37°， 如图6所示，计算值与实际值差值为1.24°。
[0056] (7)其他表面0AB、0⑶、ODE和OEA的法向量方位角均可重复步骤（2)~（6)获得。
[0057] 本实施例中，利用本发明提供的方法得到的石块目标所有表面的法向量方位角计 算值与实际值的对比，如表1所示。可见本发明提供的基于极化毫米波辐射的获取目标表 面方位信息的方法能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 fg息。
[0058] 表 1
[0059]
[0060] 目标表面的方位角信息的获取，对目标识别具有重要意义。应用到人体隐匿违 禁物品的检测中，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。
[0061] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以 限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含 在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 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，其特征在于，包括下述 步骤： 51 :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 ; 52 :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 = 1 ; 53 :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Ψ; 54 :根据所述表面方位信息角_获得一个新的天线极化旋转角度α '，再根据新的天 线极化旋转角度α '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 ; 55 :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 56 :i = i+1，并判断i是否等于Ν，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。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S2中，当三个亮温平均值相等时，表 面S的法向量指向毫米波辐射计观测点方向。3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S3中，根据余弦曲线方程获得第i个表面S的表面方位信息角φ;: 其中，Tb为亮温平均值；TW为余弦曲线的振幅，Tw> 0 ; α为天线极化旋转角度；取为 表面方位信息角，< φ S 90°; Tb。为不随极化旋转角度变化的亮温直流分量。4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S4中，新的天线极化旋转角度 a = 90-φ〇5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S5中，所述法向量方位角φ〇为：以 Z轴正方向为始边，以表面S的法向量在XOZ面上的投影向量为终边，顺时针方向跨过的夹 角，φ〇范围为〇 < φ〇< 360°;在所述第四亮温图像F4中，新的天线极化旋转角度α '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Ψθ的终边方向。6. 如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，天线极化旋转角度α为： 0。彡 α〈180° 〇
【专利摘要】本发明公开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；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；然后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，进而结合表面方位信息角的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，为目标的检测与识别提供更多的有用信息。
【IPC分类】G01V3/12
【公开号】CN105068127
【申请号】CN201510426471
【发明人】胡飞, 程亚运, 贺锋, 桂良启, 田岩, 郎量, 苏金龙
【申请人】华中科技大学
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2015年7月20日