CN105068127A - 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 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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

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

一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。

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。

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

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。

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：

S1：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；

S2：获得所述第一亮温图像F1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；

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

S4：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；

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

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。

更进一步地，天线极化旋转角度α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°≤α<180°。

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。

更进一步地，在步骤S3中，根据余弦曲线方程获得第i个表面S的表面方位信息角其中，T_B为亮温平均值；T_w为余弦曲线的振幅，T_w≥0；α为天线极化旋转角度；为表面方位信息角， T_B0为不随极化旋转角度变化的亮温直流分量。

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：

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xoz面上的投影向量为终边，顺时针方向跨过的夹角，范围为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的法向量方位角的终边方向。

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。

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

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；

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；

图3为利用15°、45°和135°三种不同极化旋转角度α对均匀辐射环境中的目标成像的亮温图，(a)亮温图F1，(b)亮温图F2,(c)亮温图F3；

图4为以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；

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；

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

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。

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。

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。

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：

S1：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F1、F2和F3；

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α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°≤α<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。

S2：选择亮温图F1中目标的第i个表面S(初始值i＝1)，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；

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。

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

其中，可以采用余弦曲线方程获得表面方位信息角，余弦曲线方程为其中，T_B为算术平均亮温值；T_w为余弦曲线的振幅，要求T_w≥0；α天线极化旋转角度；为表面方位信息角，要求 T_B0为不随极化旋转角度变化的亮温直流分量。T_w、和T_B0为待求量，T_B和α从测量中获得。

S4：根据获得的表面方位信息角确定一个新的天线极化旋转角度 再以α’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；

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

其中，判断原则：新的天线极化旋转角度对应的终边所在的直线上的亮温减小的方向即为表面S的法向量方位角的终边方向。表面S的法向量方位角定义为：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

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；

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。

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。

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。

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。

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。

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xoz)。石块目标有5个面被观测，分别是面OAB、OBC、OCD、ODE和OEA。天线极化旋转角度α定义在亮温图像所在的笛卡尔正交坐标系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°≤α<180°。表面S的法向量方位角定义为：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

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。

表面法向量方位角信息的获取方法具体实现步骤如下：

(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。

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。

(2)选择目标的第i表面S，如图4所示，选择面OBC。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。

(3)分布将α＝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T_w、表面S的表面方位信息角和不随极化旋转角度变化的亮温直流分量T_B0。

解方程组可得到的多个解，根据T_w≥0和的限定条件，可得到表面S的表面方位信息角

(4)根据上述求得的以新的天线极化旋转角度再对目标成像，得到亮温图F4，如图4所示。

(5)提取亮温图F4中新的天线极化旋转角度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。

(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，即此时如图6所示，计算值与实际值差值为1.24°。

(7)其他表面OAB、OCD、ODE和OEA的法向量方位角均可重复步骤(2)～(6)获得。

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信息。

表1

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。

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。

Claims (6)

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：

S1：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；

S2：获得所述第一亮温图像F1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；

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

S4：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；

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

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。

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

其中，T_B为亮温平均值；T_w为余弦曲线的振幅，T_w≥0；α为天线极化旋转角度；为表面方位信息角，T_B0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

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°≤α<180°。