被动毫米波极化成像机理模型与目标信息提取方法研究

Passive millimeter-wave (PMMW) imaging is characterized by no dependence on radiation sources, concealment, penetration of clouds and general coverings. It is the complementation of radar, infrared and other mainstream detection approaches. Then a new multi-source complex weapon can be developed, which can detect stealth targets, compensate the lack of detection distance and operate in all-weather and all-time. With the development of millimeter wave device and system technology, the capability of PMMW imaging detection has been fully verified. However, the previous work is confined to estimate the target existence and spatial orientation based on the brightness temperature difference. So it is difficult to meet the fundamental demands of target detection, especially target recognition. Based on the polarization characteristics of millimeter-wave radiation, the extraction method of target information will be investigated by using multi-polarization imaging. This project mainly studies the physical relationship of the target parameters (e.g., electromagnetic parameters, surface normal vectors, roughness), the observation elements (e.g., observation angle, environmental radiation) and polarized radiation signals; establishes the PMMW polarization imaging mechanism model; clarifies the intrinsic relationship between the material information and the polarization characteristics, and investigates the target classification method based on the inherent parameter features; analyzes the internal relationship between the surface normal vector and the polarization characteristics, and studies the reconstruction method of target three-dimension information based on the multi-polarization features.

被动毫米波（PMMW）成像具有不依赖照射源、自身隐蔽、能穿透云雾和一般覆盖物的特点，可与现有雷达、红外等主流探测手段互为补充，形成能够克服隐身、弥补探测距离不足、全天时全天候的多源复合新型武器装备。随着毫米波器件和系统技术的发展，PMMW成像探测能力已得到充分验证。然而，已有研究主要局限于利用与背景的亮温差异判断目标有无和空间方位，获取的目标信息不足，难以满足目标检测尤其是识别的根本需求。本项目基于毫米波辐射信号的极化特征，提出采用多极化PMMW成像实现获取更多目标信息的方法：研究电磁参数、表面法向量、粗糙度等目标固有参数和观测角度、环境辐射等观测要素与极化辐射信号间的物理关系及变化规律，建立PMMW极化成像机理模型；在此基础上，明晰材质信息与极化特征的内在关系，研究基于固有参数特征量的目标属类信息提取方法；剖析表面法向量与极化特征的内在关系，研究基于多极化特征量的目标三维形状重构方法。

被动毫米波（PMMW）成像具有全天时、准全天候、可穿透云雾和烟尘、全被动等特点，可与现有雷达、红外等主流探测手段互为补充，形成能够克服隐身、弥补探测距离不足的多源复合新型武器装备，在监控、安检、机器视觉等领域，都具有重大研究价值和迫切应用需求。然而，现有探测方法主要局限于利用目标与背景的亮温差异判断目标有无和空间方位，获取的目标信息不足，难以满足目标检测尤其是识别的根本需求。本项目基于毫米波辐射信号的极化特征，提出采用多极化PMMW成像实现获取更多目标信息的方法。在本项目的研究过程中，课题组对典型目标PMMW极化成像机理模型、基于固有参数的特征量构建、目标材质属类信息提取和分类、目标三维信息重构等方面开展了全面研究，在基于多极化PMMW成像获取目标信息的研究方向上取得了一系列重要的科研成果。如提出了基于被动毫米波辐射测量的目标复介电常数簇估计、介电常数提取方法，为介电常数测量提供了简便、经济的测量方案，为基于材质信息的目标分类奠定了基础；构建了极化特征量RDoP和EDoP，解决亮温值无法稳定表征目标材质信息的问题，并给出了他们的测量方法；实现了基于被动毫米波辐射测量的目标多分类，解决了当前单纯依靠目标亮温进行分类的不足，且不受入射角度、环境亮温和目标物理温度的影响，提高了利用毫米波辐射测量技术对被观测场景中的各类目标进行检测和识别的能力；重建了基于多观测角度和单一观测角度的目标表面法向量，获取了目标三维信息的关键组成部分，为目标三维重建奠定了基础。这一系列研究成果对未来将PMMW成像发展成为一种有效的目标信息获取手段提供了理论、方法和关键技术支撑。