双极化被动式太赫兹遥感成像

2021-11-05博微太赫兹信息科技有限公司安德越

电子世界 2021年17期

博微太赫兹信息科技有限公司安德越

被动式太赫兹遥感技术具有全天候、全天时、穿透性强的优点，在对地观测、气象、军事及科学研究等领域均有着重要的应用前景，通过接收不同极化方向太赫兹信号以增加获取信息，提升遥感探测能力，成为研究热点方向。本文总结了被动式太赫兹遥感探测国内外发展现状，报道了一种双极化被动式太赫兹遥感探测系统，并给出其遥感探测成像结果。

遥感成像是一种远距离检测和探测手段，目前光学和红外遥感发展较为成熟，具有分辨率高、图像清晰等优点，在地球科学及特定区域观测等领域均有广泛应用，然而光学和红外遥感存在穿透性差、容易受到恶劣天气影响等缺点，在雨雾沙尘环境下其分辨率容易受到干扰甚至不能工作。微波遥感作为上世纪60年代以来发展迅速的新型遥感技术，具有全天候、全天时、穿透性强的优点，但是也存在图像分辨率低、清晰度差、难以区分目标材质等问题。为了进一步提高遥感分辨率，提升探测性能，近些年来，探测频段逐渐提升到太赫兹频段。被动式太赫兹遥感成像是指通过接收目标辐射或散射太赫兹信号绘制目标区域太赫兹强度分布图的技术，通过对地表或水面目标不同极化角度毫米波测量，可以获得幅度之外更多信息，有利于进一步提升图像信息获取能力。因此，毫米波遥感及其极化特性成为近年来的研究热点。

1 国内外发展现状

国际上美国是最早开始太赫兹遥感成像研究的国家之一。2009年，美国空军研究实验室资助美国特拉华州纽瓦克的相敏创新公司(Phase Sensitive Innovations)开展了毫米波遥感成像相关研究工作，基于光学上变频原理实现对94GHz信号相位调制检测，实现了对海面舰船单像素毫米波成像。但该系统将毫米波信号相位调制到连续激光上，完成对毫米波信号相位的间接测量，系统复杂度高、成本较高，制约了其实际应用前景。2013年，美国西北太平洋国家实验室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）发明了一种全极化W波段太赫兹辐射计，该辐射计采用Dicke开关式外差技术，具有灵敏度高、可接收全极化信息的特点，PNNL利用该辐射计对一个开阔空间进行了被动式太赫兹遥感成像，成像结果显示出太赫兹遥感探测在复杂自然环境中可以轻易发现人造物品，证实了被动式太赫兹遥感探测的应用前景。2010年，瑞士尼泊尔大学利用半导体链路搭建了一套全极化W波段辐射计，其核心部分是一个正交模耦合器（OMT结构）和两个超外差辐射计，实现了91GHz中心频率下2GHz带宽被动式太赫兹辐射计，尼泊尔大学对草地上的汽车、推土机及不同材质板材进行了太赫兹成像，并且与红外成像进行对比，证实了多极化被动式太赫兹遥感成像对物质材质的区分能力。

国内太赫兹技术总体起步较晚，近年来也对太赫兹遥感成像进行了深入研究，华中科技大学建立了一套双极化太赫兹遥感成像测试系统，成功实现对92～96GHz频段单像素扫描遥感成像，基于I、Q、U、V四个参量进一步计算得到LPR等参量成功实现对物质材质的区分测量，建立了相关物理模型，证实了基于极化特性实现遥感目标材质区分的可行性，奠定了该领域的研究基础。

2 双极化被动式太赫兹遥感探测系统

本文公开了一种双极化被动式太赫兹遥感探测系统，系统照片如图1所示，其准光系统主要由一个同轴卡塞格林双面反射天线构成，主反射镜为口径600mm的抛物面反射镜，物方焦距在无穷远处，像方焦点与副反射镜焦点重合，副反射镜为双曲面镜，将接收到的太赫兹信号聚焦到探测器喇叭天线中。两个步进电机用于控制天线俯仰和水平扫描，最大扫描速度可达15°/s，最高位置精度达到0.0005°，最大扫描范围水平方向-120°到120°、竖直方向-60°到90°，步进电机通过RS232串口与上位机通信，可通过上位机编程控制。探测器采用W波段双极化肖特基检波器，可同时接收两个相互垂直极化方向太赫兹信号，并将对应极化方向太赫兹功率转化为电压信号，输出电压经USB-1806G采集卡进行数字化采集，该采集卡可实现对8路16位差分信号最高合计500KS/s采样，并通过USB3.0与上位机连接。

图1 双极化被动式太赫兹遥感探测系统照片：(a)背面 (b)正面

双极化被动式太赫兹遥感探测系统总体采用编程控制，程序界面如图2所示，总体来说程序分为参数设置区、控制区、参数显示区、图像显示区四个区域，可对扫描范围、扫描速度、数据采集参数等进行设置和控制，并对采集到的数据进行实时处理绘制图像，原始数据会保存到硬盘上，以方便后续进行更加复杂的数据处理和绘图，参数显示区可以对当前扫描过程中的多个状态进行实时更新和显示。

图2 双极化被动式太赫兹遥感探测系统上位机程序界面

3 双极化被动式太赫兹遥感探测成像结果

利用本文所述双极化被动式太赫兹遥感探测系统进行了被动式太赫兹遥感探测试验，试验结果如图3所示。其中图a为成像区域光学照片，图b为水平极化方向成像结果，图c为竖直极化方向成像结果，图中黑色表示太赫兹辐射强度低，白色表示太赫兹辐射强度高。图中偏下方8个黑色区域为停在停车位上的8辆汽车，汽车为金属制品，其主要反射来自天空的太赫兹辐射，而天空在太赫兹波段为典型的“冷源”，因此在图中变现为明显的黑色。图片右上角小型黑色区域也是路边的汽车及空调等金属制品，只是因为距离较远，因此呈现出面积较小。柏油马路、石板路和混凝土墙面在阳光照射下温度较高，且自身辐射系数较高，表现为“热源”，因此在图像中比较白。绿色植被辐射系数也较高，但是相对地面其温度略低，因此树叶等区域与地面呈现出明显的区域。这里比较特殊的是对面建筑物的窗户，这里窗户分为两种，一种外侧具有斜45°的挡板，如图中黑色区域，这些挡板将天空的冷源反射进入遥感探测系统，因此呈现为“冷源”，另一种则是竖直关闭的玻璃窗口，其太赫兹辐射主要来自窗户本身及其反射得其它建筑物辐射，因此同样表现为“热源”，在图像中无法与混凝土墙壁区分开来。