雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感成像

博微太赫茲信息科技有限公司 安德越

被動(dòng)式太赫茲遙感技術(shù)具有全天候、全天時(shí)、穿透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在對(duì)地觀測(cè)、氣象、軍事及科學(xué)研究等領(lǐng)域均有著重要的應(yīng)用前景，通過接收不同極化方向太赫茲信號(hào)以增加獲取信息，提升遙感探測(cè)能力，成為研究熱點(diǎn)方向。本文總結(jié)了被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，報(bào)道了一種雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)，并給出其遙感探測(cè)成像結(jié)果。

遙感成像是一種遠(yuǎn)距離檢測(cè)和探測(cè)手段，目前光學(xué)和紅外遙感發(fā)展較為成熟，具有分辨率高、圖像清晰等優(yōu)點(diǎn)，在地球科學(xué)及特定區(qū)域觀測(cè)等領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，然而光學(xué)和紅外遙感存在穿透性差、容易受到惡劣天氣影響等缺點(diǎn)，在雨霧沙塵環(huán)境下其分辨率容易受到干擾甚至不能工作。微波遙感作為上世紀(jì)60年代以來發(fā)展迅速的新型遙感技術(shù)，具有全天候、全天時(shí)、穿透性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，但是也存在圖像分辨率低、清晰度差、難以區(qū)分目標(biāo)材質(zhì)等問題。為了進(jìn)一步提高遙感分辨率，提升探測(cè)性能，近些年來，探測(cè)頻段逐漸提升到太赫茲頻段。被動(dòng)式太赫茲遙感成像是指通過接收目標(biāo)輻射或散射太赫茲信號(hào)繪制目標(biāo)區(qū)域太赫茲強(qiáng)度分布圖的技術(shù)，通過對(duì)地表或水面目標(biāo)不同極化角度毫米波測(cè)量，可以獲得幅度之外更多信息，有利于進(jìn)一步提升圖像信息獲取能力。因此，毫米波遙感及其極化特性成為近年來的研究熱點(diǎn)。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國際上美國是最早開始太赫茲遙感成像研究的國家之一。2009年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室資助美國特拉華州紐瓦克的相敏創(chuàng)新公司(Phase Sensitive Innovations)開展了毫米波遙感成像相關(guān)研究工作，基于光學(xué)上變頻原理實(shí)現(xiàn)對(duì)94GHz信號(hào)相位調(diào)制檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)海面艦船單像素毫米波成像。但該系統(tǒng)將毫米波信號(hào)相位調(diào)制到連續(xù)激光上，完成對(duì)毫米波信號(hào)相位的間接測(cè)量，系統(tǒng)復(fù)雜度高、成本較高，制約了其實(shí)際應(yīng)用前景。2013年，美國西北太平洋國家實(shí)驗(yàn)室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）發(fā)明了一種全極化W波段太赫茲輻射計(jì)，該輻射計(jì)采用Dicke開關(guān)式外差技術(shù)，具有靈敏度高、可接收全極化信息的特點(diǎn)，PNNL利用該輻射計(jì)對(duì)一個(gè)開闊空間進(jìn)行了被動(dòng)式太赫茲遙感成像，成像結(jié)果顯示出太赫茲遙感探測(cè)在復(fù)雜自然環(huán)境中可以輕易發(fā)現(xiàn)人造物品，證實(shí)了被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)的應(yīng)用前景。2010年，瑞士尼泊爾大學(xué)利用半導(dǎo)體鏈路搭建了一套全極化W波段輻射計(jì)，其核心部分是一個(gè)正交模耦合器（OMT結(jié)構(gòu)）和兩個(gè)超外差輻射計(jì)，實(shí)現(xiàn)了91GHz中心頻率下2GHz帶寬被動(dòng)式太赫茲輻射計(jì)，尼泊爾大學(xué)對(duì)草地上的汽車、推土機(jī)及不同材質(zhì)板材進(jìn)行了太赫茲成像，并且與紅外成像進(jìn)行對(duì)比，證實(shí)了多極化被動(dòng)式太赫茲遙感成像對(duì)物質(zhì)材質(zhì)的區(qū)分能力。

國內(nèi)太赫茲技術(shù)總體起步較晚，近年來也對(duì)太赫茲遙感成像進(jìn)行了深入研究，華中科技大學(xué)建立了一套雙極化太赫茲遙感成像測(cè)試系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)92～96GHz頻段單像素掃描遙感成像，基于I、Q、U、V四個(gè)參量進(jìn)一步計(jì)算得到LPR等參量成功實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)材質(zhì)的區(qū)分測(cè)量，建立了相關(guān)物理模型，證實(shí)了基于極化特性實(shí)現(xiàn)遙感目標(biāo)材質(zhì)區(qū)分的可行性，奠定了該領(lǐng)域的研究基礎(chǔ)。

2 雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)

本文公開了一種雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)照片如圖1所示，其準(zhǔn)光系統(tǒng)主要由一個(gè)同軸卡塞格林雙面反射天線構(gòu)成，主反射鏡為口徑600mm的拋物面反射鏡，物方焦距在無窮遠(yuǎn)處，像方焦點(diǎn)與副反射鏡焦點(diǎn)重合，副反射鏡為雙曲面鏡，將接收到的太赫茲信號(hào)聚焦到探測(cè)器喇叭天線中。兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)用于控制天線俯仰和水平掃描，最大掃描速度可達(dá)15°/s，最高位置精度達(dá)到0.0005°，最大掃描范圍水平方向-120°到120°、豎直方向-60°到90°，步進(jìn)電機(jī)通過RS232串口與上位機(jī)通信，可通過上位機(jī)編程控制。探測(cè)器采用W波段雙極化肖特基檢波器，可同時(shí)接收兩個(gè)相互垂直極化方向太赫茲信號(hào)，并將對(duì)應(yīng)極化方向太赫茲功率轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，輸出電壓經(jīng)USB-1806G采集卡進(jìn)行數(shù)字化采集，該采集卡可實(shí)現(xiàn)對(duì)8路16位差分信號(hào)最高合計(jì)500KS/s采樣，并通過USB3.0與上位機(jī)連接。

圖1 雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)照片：(a)背面 (b)正面

雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)總體采用編程控制，程序界面如圖2所示，總體來說程序分為參數(shù)設(shè)置區(qū)、控制區(qū)、參數(shù)顯示區(qū)、圖像顯示區(qū)四個(gè)區(qū)域，可對(duì)掃描范圍、掃描速度、數(shù)據(jù)采集參數(shù)等進(jìn)行設(shè)置和控制，并對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理繪制圖像，原始數(shù)據(jù)會(huì)保存到硬盤上，以方便后續(xù)進(jìn)行更加復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和繪圖，參數(shù)顯示區(qū)可以對(duì)當(dāng)前掃描過程中的多個(gè)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)更新和顯示。

圖2 雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)程序界面

3 雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)成像結(jié)果

利用本文所述雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。其中圖a為成像區(qū)域光學(xué)照片，圖b為水平極化方向成像結(jié)果，圖c為豎直極化方向成像結(jié)果，圖中黑色表示太赫茲輻射強(qiáng)度低，白色表示太赫茲輻射強(qiáng)度高。圖中偏下方8個(gè)黑色區(qū)域?yàn)橥Ｔ谕＼囄簧系?輛汽車，汽車為金屬制品，其主要反射來自天空的太赫茲輻射，而天空在太赫茲波段為典型的“冷源”，因此在圖中變現(xiàn)為明顯的黑色。圖片右上角小型黑色區(qū)域也是路邊的汽車及空調(diào)等金屬制品，只是因?yàn)榫嚯x較遠(yuǎn)，因此呈現(xiàn)出面積較小。柏油馬路、石板路和混凝土墻面在陽光照射下溫度較高，且自身輻射系數(shù)較高，表現(xiàn)為“熱源”，因此在圖像中比較白。綠色植被輻射系數(shù)也較高，但是相對(duì)地面其溫度略低，因此樹葉等區(qū)域與地面呈現(xiàn)出明顯的區(qū)域。這里比較特殊的是對(duì)面建筑物的窗戶，這里窗戶分為兩種，一種外側(cè)具有斜45°的擋板，如圖中黑色區(qū)域，這些擋板將天空的冷源反射進(jìn)入遙感探測(cè)系統(tǒng)，因此呈現(xiàn)為“冷源”，另一種則是豎直關(guān)閉的玻璃窗口，其太赫茲輻射主要來自窗戶本身及其反射得其它建筑物輻射，因此同樣表現(xiàn)為“熱源”，在圖像中無法與混凝土墻壁區(qū)分開來。

圖3 雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)成像結(jié)果

本文總結(jié)了被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，報(bào)道了一種雙極化被動(dòng)式太赫茲遙感探測(cè)系統(tǒng)，并給出其遙感探測(cè)成像結(jié)果。成像結(jié)果顯示，金屬制品、混凝土墻壁及道路、綠色植被等不同材質(zhì)物品表現(xiàn)出明顯的區(qū)別，尤其是汽車等金屬制品在太赫茲圖像中區(qū)分明顯。