毫米波輻射計對金屬目標(biāo)的探測

毫米波輻射計對金屬目標(biāo)的探測
摘要：針對金屬目標(biāo)的探測問題，依據(jù)金屬的毫米波輻射特性，提出一種基于毫米波輻射計 成像的金屬目標(biāo)探測方法。該方法首先利用毫米波輻射計掃描目標(biāo)并成像，再用區(qū)域標(biāo)記算 法標(biāo)記成像圖像，通過分析標(biāo)記區(qū)域的面積排除干擾信息，最后檢測出金屬目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明， 該方法能夠從各種背景中有效檢測出金屬目標(biāo)，為下一步目標(biāo)的識別、跟蹤與定位提供了依 據(jù)。

1 引 言 金屬目標(biāo)的探測在軍事偵察、遙感、安全檢查等 方面有著重要的應(yīng)用價值，而傳統(tǒng)的探測手段如雷 達(dá)等，由于必須發(fā)射信號并根據(jù)接收的回波對目標(biāo) 進(jìn)行探測，不可避免存在隱蔽性差、對隱身目標(biāo)無法 探測等缺點(diǎn)，而毫米波輻射計具有較強(qiáng)的區(qū)別金屬 目標(biāo)和周圍環(huán)境的能力¨J，它依靠35、94、140、 220GHz的大氣傳播窗口[21接收地面或空中的物體 及背景熱輻射能量，有較大的系統(tǒng)帶寬，不發(fā)射任何 信號，可以實(shí)現(xiàn)全天候、全天時工作，并且設(shè)備簡單， 隱蔽性好，因此利用毫米波輻射計對金屬目標(biāo)進(jìn)行 探測具有獨(dú)特優(yōu)勢。 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導(dǎo)計| 水分測定儀| 濁度計| 色度計| 粘度計| 折射計| 滴定儀| 密度計| 熱流計| 毫米波輻射計目標(biāo)探測方式主要有兩種，一種 是非成像方式；另一種是成像方式。利用非成像方 式對金屬目標(biāo)的探測已有詳細(xì)論述 -4 ，但提供的 信息量小，如目標(biāo)的形狀、大小和位置等；利用成像 方式探測金屬目標(biāo)則報道較少，即使有也是將重點(diǎn) 放在成像過程上并且背景單一l5 J，而對于有復(fù)雜背 景干擾情況下的金屬目標(biāo)檢測則很少涉及。本文將 采用8mm輻射計對包含目標(biāo)的場景進(jìn)行掃描，獲取 場景的圖像，利用圖像處理技術(shù)去除背景干擾信 息，檢測出金屬目標(biāo)。

2 金屬目標(biāo)探測原理 在毫米波波段，不同物質(zhì)的輻射溫度差別很大， 一般來說，相對介電常數(shù)高的物質(zhì)，發(fā)射率低，反射 系數(shù)大，因此在同樣的物理溫度下，高導(dǎo)電材料的輻 射系數(shù)小，輻射溫度低，即比較冷，利用金屬與其它 物質(zhì)輻射溫度的這種差異，即可探測出金屬目標(biāo)。 假設(shè)金屬目標(biāo)充滿毫米波輻射計的整個掃描波 束，大氣衰減忽略不計，當(dāng)毫米波輻射計掃描到金屬 目標(biāo)時，天線附近的溫度為¨ ： =pr +pr r (1) 式中，p 為金屬目標(biāo)的發(fā)射系數(shù)； 為天頂?shù)暮撩?波輻射溫度； 為大氣的毫米波輻射溫度。地面和 金屬目標(biāo)的對比度為： △ = G(0， ，pi，△F)一 (2) 其中， 為天線掃描到背景時的天線溫度，由于金 屬與地面背景的視在溫度差很大，對于3O。的觀測 角，這一差值約為200～250K，因此當(dāng)毫米波輻射計 天線波束掃過金屬目標(biāo)和地面背景時，天線溫度或 者天線溫度對比度的變化是很顯著的，判斷△ 即 可檢測出金屬目標(biāo)。但是，如果存在輻射特性與金 屬相似的背景，如天空等，由于輻射計的靈敏度及圖 像的灰度級所限，根據(jù)成像結(jié)果很難將這些背景與 金屬目標(biāo)分開的，此時就需要采用圖像處理技術(shù)排 除這些背景的干擾，進(jìn)而檢測出金屬目標(biāo)。

3 毫米波輻射計成像系統(tǒng) 如圖1所示，毫米波輻射計成像系統(tǒng)由輸入設(shè) 備、處理設(shè)備、輸出設(shè)備三部分組成，其中輸入設(shè)備 包括天線、毫米波輻射計和驅(qū)動裝置，處理設(shè)備包括 Pc主機(jī)及安裝在主機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡，輸出設(shè)備主 要包括顯示器和存儲器。系統(tǒng)采用靈敏度較高的全 功率輻射計，采用Pc機(jī)對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，可選 擇掃描方式。探測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及各組成部分?jǐn)⑹鋈?下： PC 。一 一。一。-’ 主 — 驅(qū)—動J裝== 置 機(jī) — 一 I I 匾圓圈 圖1 毫米波輻射計成像系統(tǒng)
(1)天線：采用直徑為900mm多波束聚焦天 線，3dB波束寬度為0．6。，系統(tǒng)工作于機(jī)械圓錐掃 描，可預(yù)設(shè)一定角度控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)天線的范圍。
(2)毫米波輻射計接收機(jī)：接收通道采用直接 檢波式，中心工作頻率為35GHz，系統(tǒng)帶寬為5GHz， 積分時間為2ms，靈敏度為0．2K。
(3)掃描驅(qū)動裝置：主機(jī)通過RS一232串行通 信端El對掃描裝置進(jìn)行控制，驅(qū)動負(fù)載天線、接收機(jī) 等，按照軟件設(shè)定的參數(shù)作方位、俯仰運(yùn)動，并實(shí)時 向主機(jī)提供方位、俯仰角度等參數(shù)信息。設(shè)備旋轉(zhuǎn) 時，系統(tǒng)的天線通過正反兩次掃描進(jìn)行工作，在反向 掃描前，垂直移動天線0．24。，即俯仰面步進(jìn)轉(zhuǎn)動， 步進(jìn)角為0．24。。

4 金屬目標(biāo)探測
4．1 目標(biāo)的毫米波輻射圖像采集 由圖1可以看出，毫米波輻射計的輸出信號直 接送人Pc主機(jī)，但由于輻射計輸出為模擬電壓信 號，需要轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號才能被計算機(jī)處理，因此選 用NI(National Instruments)公司PXI總線的高精度 NI6254數(shù)據(jù)采集卡對輸出信號進(jìn)行采集，并將采集 數(shù)據(jù)保存在硬盤上，同時根據(jù)輻射計定標(biāo)方程： ( 一 )( 一 ) ． ， ¨ —— 『_ 式中， 表示天線溫度；vo 表示輻射計輸出電壓； 與 表示高低溫定標(biāo)噪聲源的噪聲溫度； 與 表示高低溫噪聲源對應(yīng)的輸出電壓。對輻射計 輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，獲得準(zhǔn)確的天線溫度值，最后將 天線溫度數(shù)據(jù)按照圖像格式轉(zhuǎn)換為BMP灰度圖像， 并在顯示器上輸出顯示，實(shí)現(xiàn)掃描場景的成像。圖 2給出了某場景的成像結(jié)果，其中高亮度區(qū)域表示 發(fā)射率低的目標(biāo)，如金屬、天空等，而圖像中較暗的 部分對應(yīng)發(fā)射率高的物體，如建筑物，大地等。 圖2 毫米波輻射圖像

4．2 毫米波輻射圖像中金屬目標(biāo)檢測 根據(jù)毫米波輻射圖像的特點(diǎn)，從圖2可以看出， 圖像中較暗的部分為建筑物等背景，而較亮的部分 不僅包括需要探測的金屬目標(biāo)，也包含天空背景等 于擾信息。需要進(jìn)一步分析以便檢測金屬目標(biāo)，其 檢測方法：首先通過圖像的二值化去掉建筑物等背 景，再利用區(qū)域標(biāo)記算法標(biāo)記二值圖像，并統(tǒng)計各個 目標(biāo)的面積特征，據(jù)此排除天空等背景的干擾，最終 檢測出金屬目標(biāo)。
(1)毫米波輻射圖像二值化 由于金屬目標(biāo)與地物背景的天線溫度差很大， 其灰度直方圖具有雙峰特性，故采用全局閾值對毫 米波輻射圖像進(jìn)行分割，本文采用Otsu法 一 計算 全局閾值，再對二值圖像進(jìn)行中值濾波，結(jié)果如圖3 所示。 圖3 中值濾波后的毫米波輻射二值圖像
(2)二值圖像區(qū)域標(biāo)記 假設(shè)P和Q是圖像中灰度值為1的目標(biāo)像素， Po：P，P ：Q，V1 i n，如果存在路徑(P0，P1⋯ P )，并且P 與P 相鄰，則認(rèn)為P和Q是連接的。 在區(qū)域標(biāo)記中，如下所示： P g r P s g 如果目標(biāo)像素 的標(biāo)記由{P，q，r，s}確定，則稱為8 一連接，如果 的標(biāo)記由{P，q}確定，則稱為4一連 接。為了快速標(biāo)記圖像，本文采用8一連接算法 J 進(jìn)行區(qū)域標(biāo)記，標(biāo)記結(jié)果如圖4所示。 圖4 8一連接算法標(biāo)記后的圖像
(3)金屬目標(biāo)檢測 為了從標(biāo)記后的圖像中排除天空背景等干擾信 息，需要根據(jù)毫米波輻射計的3dB波束寬度和探測 距離等判斷金屬目標(biāo)的大小。在本實(shí)驗(yàn)中， D ． Ax：2×h×tan
(4) 二 式中，Ax為毫米波輻射計的空間分辨率；h為輻射 計到目標(biāo)的垂直距離；B為3dB波束寬度；假設(shè)輻射 計的瞬時視場為圓形區(qū)域，則每個像素對應(yīng)的面積 S為： ．s：手△ ： tan 譬
(5) 由于探測的金屬目標(biāo)一般都不大，因此計算出 白色區(qū)域的面積后，再根據(jù)面積特征即可排除干擾 背景，檢測出金屬目標(biāo)。據(jù)此，分離出的天空等干擾 背景如圖5所示，檢測出的金屬目標(biāo)如圖6所示，對 應(yīng)原始毫米波輻射圖像(圖2)可以看出，主要的金 屬目標(biāo)均被檢測到。 圖5 天空等背景干擾信息 圖6 毫米波輻射圖像中的金屬目標(biāo)

5 結(jié)論 為了在各種環(huán)境下實(shí)現(xiàn)金屬目標(biāo)的探測，本文 依據(jù)金屬的毫米波輻射特性，利用毫米波輻射計實(shí) 現(xiàn)了目標(biāo)場景的成像，但由于存在發(fā)射率與金屬接 近的背景干擾，于是采用圖像處理算法去除了成像 結(jié)果中的各種干擾背景，成功檢測出了探測場景中 的金屬目標(biāo)，為在軍事應(yīng)用中對各種金屬目標(biāo)進(jìn)行 探測提供了理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，為下一步目標(biāo)的識別、 跟蹤與定位奠定了基礎(chǔ)。 感謝西南交通大學(xué)校基金資助!