毫米波辐射计对金属目标的探测

毫米波辐射计对金属目标的探测
摘要：针对金属目标的探测问题，依据金属的毫米波辐射特性，提出一种基于毫米波辐射计 成像的金属目标探测方法。该方法首先利用毫米波辐射计扫描目标并成像，再用区域标记算 法标记成像图像，通过分析标记区域的面积排除干扰信息，最后检测出金属目标。实验表明， 该方法能够从各种背景中有效检测出金属目标，为下一步目标的识别、跟踪与定位提供了依 据。

1 引 言 金属目标的探测在军事侦察、遥感、安全检查等 方面有着重要的应用价值，而传统的探测手段如雷 达等，由于必须发射信号并根据接收的回波对目标 进行探测，不可避免存在隐蔽性差、对隐身目标无法 探测等缺点，而毫米波辐射计具有较强的区别金属 目标和周围环境的能力¨J，它依靠35、94、140、 220GHz的大气传播窗口[21接收地面或空中的物体 及背景热辐射能量，有较大的系统带宽，不发射任何 信号，可以实现全天候、全天时工作，并且设备简单， 隐蔽性好，因此利用毫米波辐射计对金属目标进行 探测具有独特优势。 糖度计| 盐度计| 酸碱度计| 电导计| 水分测定仪| 浊度计| 色度计| 粘度计| 折射计| 滴定仪| 密度计| 热流计| 毫米波辐射计目标探测方式主要有两种，一种 是非成像方式；另一种是成像方式。利用非成像方 式对金属目标的探测已有详细论述 -4 ，但提供的 信息量小，如目标的形状、大小和位置等；利用成像 方式探测金属目标则报道较少，即使有也是将重点 放在成像过程上并且背景单一l5 J，而对于有复杂背 景干扰情况下的金属目标检测则很少涉及。本文将 采用8mm辐射计对包含目标的场景进行扫描，获取 场景的图像，利用图像处理技术去除背景干扰信 息，检测出金属目标。

2 金属目标探测原理 在毫米波波段，不同物质的辐射温度差别很大， 一般来说，相对介电常数高的物质，发射率低，反射 系数大，因此在同样的物理温度下，高导电材料的辐 射系数小，辐射温度低，即比较冷，利用金属与其它 物质辐射温度的这种差异，即可探测出金属目标。 假设金属目标充满毫米波辐射计的整个扫描波 束，大气衰减忽略不计，当毫米波辐射计扫描到金属 目标时，天线附近的温度为¨ ： =pr +pr r (1) 式中，p 为金属目标的发射系数； 为天顶的毫米 波辐射温度； 为大气的毫米波辐射温度。地面和 金属目标的对比度为： △ = G(0， ，pi，△F)一 (2) 其中， 为天线扫描到背景时的天线温度，由于金 属与地面背景的视在温度差很大，对于3O。的观测 角，这一差值约为200～250K，因此当毫米波辐射计 天线波束扫过金属目标和地面背景时，天线温度或 者天线温度对比度的变化是很显著的，判断△ 即 可检测出金属目标。但是，如果存在辐射特性与金 属相似的背景，如天空等，由于辐射计的灵敏度及图 像的灰度级所限，根据成像结果很难将这些背景与 金属目标分开的，此时就需要采用图像处理技术排 除这些背景的干扰，进而检测出金属目标。

3 毫米波辐射计成像系统 如图1所示，毫米波辐射计成像系统由输入设 备、处理设备、输出设备三部分组成，其中输入设备 包括天线、毫米波辐射计和驱动装置，处理设备包括 Pc主机及安装在主机上的数据采集卡，输出设备主 要包括显示器和存储器。系统采用灵敏度较高的全 功率辐射计，采用Pc机对整个系统进行控制，可选 择扫描方式。探测系统的结构及各组成部分叙述如 下： PC 。一 一。一。-’ 主 — 驱—动J装== 置 机 — 一 I I 匾圆圈 图1 毫米波辐射计成像系统
(1)天线：采用直径为900mm多波束聚焦天 线，3dB波束宽度为0．6。，系统工作于机械圆锥扫 描，可预设一定角度控制转台旋转天线的范围。
(2)毫米波辐射计接收机：接收通道采用直接 检波式，中心工作频率为35GHz，系统带宽为5GHz， 积分时间为2ms，灵敏度为0．2K。
(3)扫描驱动装置：主机通过RS一232串行通 信端El对扫描装置进行控制，驱动负载天线、接收机 等，按照软件设定的参数作方位、俯仰运动，并实时 向主机提供方位、俯仰角度等参数信息。设备旋转 时，系统的天线通过正反两次扫描进行工作，在反向 扫描前，垂直移动天线0．24。，即俯仰面步进转动， 步进角为0．24。。

4 金属目标探测
4．1 目标的毫米波辐射图像采集 由图1可以看出，毫米波辐射计的输出信号直 接送人Pc主机，但由于辐射计输出为模拟电压信 号，需要转换为数字信号才能被计算机处理，因此选 用NI(National Instruments)公司PXI总线的高精度 NI6254数据采集卡对输出信号进行采集，并将采集 数据保存在硬盘上，同时根据辐射计定标方程： ( 一 )( 一 ) ． ， ¨ —— 『_ 式中， 表示天线温度；vo 表示辐射计输出电压； 与 表示高低温定标噪声源的噪声温度； 与 表示高低温噪声源对应的输出电压。对辐射计 输出数据进行校准，获得准确的天线温度值，最后将 天线温度数据按照图像格式转换为BMP灰度图像， 并在显示器上输出显示，实现扫描场景的成像。图 2给出了某场景的成像结果，其中高亮度区域表示 发射率低的目标，如金属、天空等，而图像中较暗的 部分对应发射率高的物体，如建筑物，大地等。 图2 毫米波辐射图像

4．2 毫米波辐射图像中金属目标检测 根据毫米波辐射图像的特点，从图2可以看出， 图像中较暗的部分为建筑物等背景，而较亮的部分 不仅包括需要探测的金属目标，也包含天空背景等 于扰信息。需要进一步分析以便检测金属目标，其 检测方法：首先通过图像的二值化去掉建筑物等背 景，再利用区域标记算法标记二值图像，并统计各个 目标的面积特征，据此排除天空等背景的干扰，最终 检测出金属目标。
(1)毫米波辐射图像二值化 由于金属目标与地物背景的天线温度差很大， 其灰度直方图具有双峰特性，故采用全局阈值对毫 米波辐射图像进行分割，本文采用Otsu法 一 计算 全局阈值，再对二值图像进行中值滤波，结果如图3 所示。 图3 中值滤波后的毫米波辐射二值图像
(2)二值图像区域标记 假设P和Q是图像中灰度值为1的目标像素， Po：P，P ：Q，V1 i n，如果存在路径(P0，P1⋯ P )，并且P 与P 相邻，则认为P和Q是连接的。 在区域标记中，如下所示： P g r P s g 如果目标像素 的标记由{P，q，r，s}确定，则称为8 一连接，如果 的标记由{P，q}确定，则称为4一连 接。为了快速标记图像，本文采用8一连接算法 J 进行区域标记，标记结果如图4所示。 图4 8一连接算法标记后的图像
(3)金属目标检测 为了从标记后的图像中排除天空背景等干扰信 息，需要根据毫米波辐射计的3dB波束宽度和探测 距离等判断金属目标的大小。在本实验中， D ． Ax：2×h×tan
(4) 二 式中，Ax为毫米波辐射计的空间分辨率；h为辐射 计到目标的垂直距离；B为3dB波束宽度；假设辐射 计的瞬时视场为圆形区域，则每个像素对应的面积 S为： ．s：手△ ： tan 譬
(5) 由于探测的金属目标一般都不大，因此计算出 白色区域的面积后，再根据面积特征即可排除干扰 背景，检测出金属目标。据此，分离出的天空等干扰 背景如图5所示，检测出的金属目标如图6所示，对 应原始毫米波辐射图像(图2)可以看出，主要的金 属目标均被检测到。 图5 天空等背景干扰信息 图6 毫米波辐射图像中的金属目标

5 结论 为了在各种环境下实现金属目标的探测，本文 依据金属的毫米波辐射特性，利用毫米波辐射计实 现了目标场景的成像，但由于存在发射率与金属接 近的背景干扰，于是采用图像处理算法去除了成像 结果中的各种干扰背景，成功检测出了探测场景中 的金属目标，为在军事应用中对各种金属目标进行 探测提供了理论和实验依据，为下一步目标的识别、 跟踪与定位奠定了基础。 感谢西南交通大学校基金资助!