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

1 引 言 金屬目標的探測在軍事偵察、遙感、安全檢查等 方面有著(zhù)重要的應用價(jià)值，而傳統的探測手段如雷 達等，由于必須發(fā)射信號并根據接收的回波對目標 進(jìn)行探測，不可避免存在隱蔽性差、對隱身目標無(wú)法 探測等缺點(diǎn)，而毫米波輻射計具有較強的區別金屬 目標和周?chē)�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，有較大的系統帶寬，不發(fā)射任何 信號，可以實(shí)現全天候、全天時(shí)工作，并且設備簡(jiǎn)單， 隱蔽性好，因此利用毫米波輻射計對金屬目標進(jìn)行 探測具有獨特優(yōu)勢。 糖度計| 鹽度計| 酸堿度計| 電導計| 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 式對金屬目標的探測已有詳細論述 -4 ，但提供的 信息量小，如目標的形狀、大小和位置等；利用成像 方式探測金屬目標則報道較少，即使有也是將重點(diǎn) 放在成像過(guò)程上并且背景單一l5 J，而對于有復雜背 景干擾情況下的金屬目標檢測則很少涉及。本文將 采用8mm輻射計對包含目標的場(chǎng)景進(jìn)行掃描，獲取 場(chǎng)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。

2 金屬目標探測原理 在毫米波波段，不同物質(zhì)的輻射溫度差別很大， 一般來(lái)說(shuō)，相對介電常數高的物質(zhì)，發(fā)射率低，反射 系數大，因此在同樣的物理溫度下，高導電材料的輻 射系數小，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。 假設金屬目標充滿(mǎn)毫米波輻射計的整個(gè)掃描波 束，大氣衰減忽略不計，當毫米波輻射計掃描到金屬 目標時(shí)，天線(xiàn)附近的溫度為¨ ： =pr +pr r (1) 式中，p 為金屬目標的發(fā)射系數； 為天頂的毫米 波輻射溫度； 為大氣的毫米波輻射溫度。地面和 金屬目標的對比度為： △ = G(0， ，pi，△F)一 (2) 其中， 為天線(xiàn)掃描到背景時(shí)的天線(xiàn)溫度，由于金 屬與地面背景的視在溫度差很大，對于3O。的觀(guān)測 角，這一差值約為200～250K，因此當毫米波輻射計 天線(xiàn)波束掃過(guò)金屬目標和地面背景時(shí)，天線(xiàn)溫度或 者天線(xiàn)溫度對比度的變化是很顯著(zhù)的，判斷△ 即 可檢測出金屬目標。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，根據成像結果很難將這些背景與 金屬目標分開(kāi)的，此時(shí)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。

3 毫米波輻射計成像系統 如圖1所示，毫米波輻射計成像系統由輸入設 備、處理設備、輸出設備三部分組成，其中輸入設備 包括天線(xiàn)、毫米波輻射計和驅動(dòng)裝置，處理設備包括 Pc主機及安裝在主機上的數據采集卡，輸出設備主 要包括顯示器和存儲器。系統采用靈敏度較高的全 功率輻射計，采用Pc機對整個(gè)系統進(jìn)行控制，可選 擇掃描方式。探測系統的結構及各組成部分敘述如 下： PC 。一 一。一。-’ 主 — 驅—動(dòng)J裝== 置 機 — 一 I I 匾圓圈 圖1 毫米波輻射計成像系統
(1)天線(xiàn)：采用直徑為900mm多波束聚焦天 線(xiàn)，3dB波束寬度為0．6。，系統工作于機械圓錐掃 描，可預設一定角度控制轉臺旋轉天線(xiàn)的范圍。
(2)毫米波輻射計接收機：接收通道采用直接 檢波式，中心工作頻率為35GHz，系統帶寬為5GHz， 積分時(shí)間為2ms，靈敏度為0．2K。
(3)掃描驅動(dòng)裝置：主機通過(guò)RS一232串行通 信端El對掃描裝置進(jìn)行控制，驅動(dòng)負載天線(xiàn)、接收機 等，按照軟件設定的參數作方位、俯仰運動(dòng)，并實(shí)時(shí) 向主機提供方位、俯仰角度等參數信息。設備旋轉 時(shí)，系統的天線(xiàn)通過(guò)正反兩次掃描進(jìn)行工作，在反向 掃描前，垂直移動(dòng)天線(xiàn)0．24。，即俯仰面步進(jìn)轉動(dòng)， 步進(jìn)角為0．24。。

4 金屬目標探測
4．1 目標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，但由于輻射計輸出為模擬電壓信 號，需要轉換為數字信號才能被計算機處理，因此選 用NI(National Instruments)公司PXI總線(xiàn)的高精度 NI6254數據采集卡對輸出信號進(jìn)行采集，并將采集 數據保存在硬盤(pán)上，同時(shí)根據輻射計定標方程： ( 一 )( 一 ) ． ， ¨ —— 『_ 式中， 表示天線(xiàn)溫度；vo 表示輻射計輸出電壓； 與 表示高低溫定標噪聲源的噪聲溫度； 與 表示高低溫噪聲源對應的輸出電壓。對輻射計 輸出數據進(jìn)行校準，獲得準確的天線(xiàn)溫度值，最后將 天線(xiàn)溫度數據按照圖像格式轉換為BMP灰度圖像， 并在顯示器上輸出顯示，實(shí)現掃描場(chǎng)景的成像。圖 2給出了某場(chǎng)景的成像結果，其中高亮度區域表示 發(fā)射率低的目標，如金屬、天空等，而圖像中較暗的 部分對應發(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檢測 根據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，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，其 檢測方法：首先通過(guò)圖像的二值化去掉建筑物等背 景，再利用區域標記算法標記二值圖像，并統計各個(gè) 目標的面積特征，據此排除天空等背景的干擾，最終 檢測出金屬目標。
(1)毫米波輻射圖像二值化 由于金屬目標與地物背景的天線(xiàn)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)二值圖像區域標記 假設P和Q是圖像中灰度值為1的目標像素， Po：P，P ：Q，V1 i n，如果存在路徑(P0，P1⋯ P )，并且P 與P 相鄰，則認為P和Q是連接的。 在區域標記中，如下所示： P g r P s g 如果目標像素 的標記由{P，q，r，s}確定，則稱(chēng)為8 一連接，如果 的標記由{P，q}確定，則稱(chēng)為4一連 接。為了快速標記圖像，本文采用8一連接算法 J 進(jìn)行區域標記，標記結果如圖4所示。 圖4 8一連接算法標記后的圖像
(3)金屬目標檢測 為了從標記后的圖像中排除天空背景等干擾信 息，需要根據毫米波輻射計的3dB波束寬度和探測 距離等判斷金屬目標的大小。在本實(shí)驗中， 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 計到目標的垂直距離；B為3dB波束寬度；假設輻射 計的瞬時(shí)視場(chǎng)為圓形區域，則每個(gè)像素對應的面積 S為： ．s：手△ ： tan 譬
(5) 由于探測的金屬目標一般都不大，因此計算出 白色區域的面積后，再根據面積特征即可排除干擾 背景，檢測出金屬目標。據此，分離出的天空等干擾 背景如圖5所示，檢測出的金屬目標如圖6所示，對 應原始毫米波輻射圖像(圖2)可以看出，主要的金 屬目標均被檢測到。 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

5 結論 為了在各種環(huán)境下實(shí)現金屬目標的探測，本文 依據金屬的毫米波輻射特性，利用毫米波輻射計實(shí) 現了目標場(chǎng)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 結果中的各種干擾背景，成功檢測出了探測場(chǎng)景中 的金屬目標，為在軍事應用中對各種金屬目標進(jìn)行 探測提供了理論和實(shí)驗依據，為下一步目標的識別、 跟蹤與定位奠定了基礎。 感謝西南交通大學(xué)�；�金資助!