无源毫米波成像

September 2003 IEEE microwave magazine 39 无源毫米 波成像 无源毫米波（PMMW）成像是一种通过对场景自然辐射 的毫米波采用无源检测来完成成像的方法。虽然这种成 像技术已经使用了几十年了（如果将微波辐射成像包括 进来，甚至会更长），毫米波领域中新型的传感器技术 使得能够以视频速度来完成毫米波成像，并且这已重新 激发了人们对该领域的兴趣。这个兴趣被激发的部分原 因是由于可在白天或夜晚，在晴朗的天气下或在低能见 度条件下，如在烟霞，雾，多云，烟雾或沙尘暴时，甚 至可穿透衣服来进行成像；毫米波成像具有能在通常会 “弄瞎”可见光或红外传感器的低能见度条件下“看见” 的能力，它可以潜在地转换低能见度条件的处理方式。 对于军事应用来说，低能见度是一种优势而不是累赘。 在商业领域，被大雾环绕的机场不再成为航班延误或绕 飞的原因。从安全角度上讲，可以通过 PMMW 成像技 术这种非入侵的方式来完成对藏匿武器的成像。 与红外和可见光传感器一样，基于 PMMW 传感器 的摄像机可以用完全隐蔽的方式生成一目了然的图像； 没有可察觉的辐射排放，这与雷达和激光雷达有所不同。 然而，与雷达相同的是，PMMW 传感器具有可穿透各 种各样低能见度的能力（中等/大的降雨除外）。此外， 控制 PMMW 图像形成的固有原理具有两个重要的特征。 首先，金属物体的识别特征与自然的和其它背景的特征 是很不相同的。其次，PMMW 图像中的杂波变异比其 它传感器图像中的要小得多。 这两个特点都会使得具有 _______________________________________________________________________________________________ Larry Yujiri (larry.yujiri@ngc.com), Merit Shoucri, and Philip Moffa are with Northrop Grumman Space Technology in Redondo Beach, California, USA. B A C K G R O U N D C O LL A G E: @ 19 99 C O R B IS C O R P. A N D D IG IT A L V IS IO N , L TD . B R IE FC A SE A N D B O M B :© EY EW IR E IEEE microwave magazine September 2003 40 图 1 毫米波在大气，雨，以及雾中的衰减。 较小误报警的自动目标探测变得比较容易。 大范围的军事成像任务可以受益于在低能见度条件 下的成像能力，再加上其自身固有的隐蔽性，这些任务 包括监测，精确目标瞄准，导航，飞机着陆，在云层中 加油，搜索和救援，在有散射的环境下探测金属，以及 雾中的港口导航/监测。同样，许多民用任务也可以从中 受益，包括雾天的民用飞机着陆，雾中的机场操作，港 口监测，雾天的高速公路交通监测，以及对机场和其它 地方所藏匿武器的探测。 本文介绍了 PMMW 成像的概念，描述了定义其性 能的基础原理，解释了将这些系统变为现实的技术进展， 介绍了使用这些传感器所能完成的任务。这里所介绍的 所有工作都是过去 15 年中由 Northrop Grumman Space Technology （NGST）的工作人员所完成的，可以代表 目前所能达到的一类技术水平。 毫米波辐射测量的回顾 人类能够看见的电磁频谱范围是太阳光的峰值部分（大 约 6,000K）：可见光部分。在这个范围内，人类眼睛对 散射光不同波长的反应是：看见不同的颜色。在没有太 阳光时，地球上物体的自然发射（大约 3,00K）都集中 在红外线（IR）范围内。在过去 30 年中，红外传感器 技术方面的进步已经可以制造出这个频率范围内灵敏的 探测器，使得夜视成为可能。在毫米波范围（定义在 30 到 300GHz 这个频率范围内，在对应的波长在 10 到 1mm 之间）内的开发以扩大我们的视野便自然而然地发 展起来。毫米波辐射的最大好处是它不仅可以在白天和 夜晚使用，还可以用在会限制可见光和 IR 传感器“视 觉”能力的雾天和其它能见度很差的条件下。有许多很 好的介绍这个范围内成像的参考文献，我们在此只进行 一个简单的概述[1]-[3]。 大气传播 毫米波的用处在于其在指定频率范围内大气衰减现象的 独特性。图 1 是在微波到可见光范围中，用每公里的 dB 数来表示电磁波信号在传播路径中的衰减 [4] 。这个频 率跨度是从 10GHz 到 1,000THz，对应的自由空间波长 从 3cm 到 0.3µm。这个频率范围内电磁波的传播受到不 同大气组成条件，包括蒸汽形态下的水和水滴形态下的 水，氧气，氮气，二氧化碳，臭氧等的连续介质吸收和 共振吸收。在干净，干燥天气下，IR 和可见光辐射传播 的衰减很小；然而，在雾状，云状和雨状的大气下的水 PMMW 成像有许多的应用，可以让 生活更加安全以及在低能见度条件下 为军事任务提供一个关键的优势。 September 2003 IEEE microwave magazine 41 份会极大地提高吸收和散射。在远红外和亚毫 米波范围内，由于水蒸气而使得衰减变得很明 显。 相反，在毫米波范围内，在 35，94，140 和 220 GHz 上有传播窗口，在这些窗口中的衰 减在晴天和雾气下相对比较适中。在红外和可 见光频率下，即使将高得多的黑体辐射考虑进 来，毫米波在雾中传播了用户所感兴趣的距离 后，仍然可以给出最强的信号（见图 2）。事实 上，毫米波辐射在云内，雾，烟，雪和沙尘暴 中的衰减比可见光和红外辐射的要小几百万倍。 这便是 PMMW 成像最突出的优点。此外，毫米 波成像受太阳或人为照明设备的影响极其微小。 因此，它在白天和黑夜，在晴天或低能见度条 件下都可以用等同的方式工作。正是这种能力 使得毫米波成为大多数低能见度条件下成像的 最佳候选者。 辐射和亮度温度 物体会在毫米波范围内对辐射进行反射和发射， 它们在红外线和可见光范围内也同样如此表现。 物体反射或发射的程度是由物体的辐射率（ɛ） 来表征的。一个完美的辐射器（吸收器）的 ɛ=1， 被称作是黑体。一个完美的反射器（非吸收器） 的 ɛ=0。物体的辐射率（取决于极化）是其组成 物质的介电常数，它的表面粗糙度，以及观察 角度的函数。表 1（基于 NGST 的工作基础之 上）是不同物质的抽样在不同频率下，正常入 射条件下，在一种极化下测量到的辐射率。 将一个物体的物理热力学温度 T0 与其辐射 率 ɛ 相乘，乘积被定义为物体的表面亮度（或 辐射度）温度 Ts。 Tୱ ൌ ε ଴ܶ                                                    ሺ1ሻ 如表 1 所示的同样场景下物体辐射度的变 化是产生场景图像的重要因素，它是通过引起场景不同 部分的辐射功率的变化来产生图像的。如果这是唯一的 因素，那么图像可以通过简单地将测量场景的 Ts 进行映 射而得到。然而，场景被照亮的方式对于场景实际的样 貌是非常关键的。例如，一块 ɛ=0 的金属板的 Ts=0，但 是由于其高度的反射性，会显示出具有所反射的辐射度 的温度。这个效应是通过表面散射辐射温度 Tsc 来获取 的，Tsc定义为物体反射密度 ρ 与任何照亮它的辐射温度 Tilluminator的乘积。 Tୱୡ ൌ ρ ூܶ௅௅௎ெூே஺்ைோ                                  ሺ2ሻ 将 Ts和 Tsc相结合则给出了物体的有效辐射温度 TE。 TE ൌ Tୱ ൅ Tୱୡ ൌ ε ଴ܶ ൅ ρ ூܶ௅௅௎ெூே஺்ைோ               ሺ3ሻ 在室外成像中，主要的光源是来自天空自身辐射的 下降流。当用辐射计（一种用来探测热辐射的仪器）指 向最高处时，辐射计不仅能探测到来自深空的残余辐射， 同样可以探测到来自大气本身的下降流的低度辐射，在 94GHz 时所测得的亮度温度为~60K 数量级[2]。因此， 一个具有 ɛ=0 和 ρ=1 的金属物体的 TE 为~60K，在图像 中显得很冷。可以通过测量 TE与位置的函数关系来生成 图像，这样便会形成一个场景的二维（2-D）图像。注 意，以上所述是经过了高度简化的，没有考虑到诸如视 角，表面方向，极化效应，空中温度与相对于高度的角 度的关系，以及大气辐射和测量中沿着直接视线（line of sight）测量的衰减。这些因素在仿真中都进行了准确 的建模[5] 。 图 2 雾对于太阳光下（6,000K）和地面物体（~300K）黑体辐射 密度的效应与波长的关系。曲线显示了在没有雾时和有 1Km雾时 的效应。 IEEE microwave magazine September 2003 42 成像原理 我们所观察到的一个场景的辐射温度是基于下列这些 因素的：场景的组成物质的辐射，场景对下降流的天 空辐射的反射，场景和观察者之间的上升大气流的辐 射，以及从场景到观察者之间的电磁波能量的传播。 图 3 展示了这些场景的组成。成像的对比度是由场景 的材料，温度和天空照明度的不同所决定的。天空照 明一般来说在高处是低度的，即为冷辐射，直到在水 平线上才上升到室温。注意，在产生毫米波辐射温度 基础上的场景成像是不需要太阳光照明的。 图 4 是辐射成像的一个例子。该图包含有一系列 的通过安装在直径为 48-英寸的扫描卡塞格伦 (Cassegrain)蝶形扫描天线焦点上的单个 94-GHz 辐射 计而获得的。这些在晴天（b）和雾天（d）（能见度 几乎为零）气候条件下得到的图像是驾驶员着陆前所 看到的机场跑道的情况。可见光图像（a）和（c）也 被加入进来以供比较。扫描过程中包括重复向上，向 下倾斜蝶形天线，同时缓慢地将整个蝶从左到右移动。 在这种方式下，天线在场景的辐射轨迹便会缓慢地移 动而经过整个场景。在这种辐射（或 PMMW）成像 中，不断增加的黑色阴影代表的是不断增高的更冷的 辐射温度，尽管为了美观起见或其它原因可将其反过 来。在跑道旁所放置的设备看起来是冷的。这是因为 它们的表面是金属的，几乎是全反射性的，可以将头 顶冰冷的天空反射。沥青跑道，对于掠入射来说是个 很好的反射器，在地平线上反射天空。它会比头顶的 天空温暖。跑道旁的脏物比沥青要冷，这是因为脏物 表面粗糙，会将从天空不同部分的反射相混合，实际 上降低了脏物的辐射温度。 图 4 中需要注意的特性是穿过雾的图像。除了较 近处外，视觉图像完全被遮蔽了，而 PMMW 图像在 雾中几乎不受影响。PMMW 图像的一个有趣特性是 对沥青跑道上安置的设备所产生的镜像反射。这是因 为沥青跑道现在所看到的是通过仪器上反射的天空较 冷的部分，而不是地平面上温暖的天空。注意，与雷 达图像不同，PMMW 图像具有视觉品质，但比可见 光图像的分辨率要低。 PMMW 成像的限制是图像的分辨率，即 图像锐度与可见光图像和红外图像相比比较劣 化。较低的分辨率是由与传感器收集镜片的孔 径相比而较长的波长所引起的。分辨率随着孔 径尺寸的增大而提高。在图 5 中，94GHz 下 （波长为 3.1mm）用三种不同的蝶形天线孔径 尺寸对此进行了 说明 关于失联党员情况说明岗位说明总经理岗位说明书会计岗位说明书行政主管岗位说明书 。正如我们所看到的，当 孔径直径增大时，图像变得更清晰。采用较高 的频率（较小的波长）可以达到同样的效果。 然而分辨率的限制总是会影响所能成像的 范围，这会比大气传播的制约更具有约束性。 例如，在图 5（b）中，就在图像的左上角的大黑棒， 即一个大的金属机库的右边是三个黑点。 这些是在大 图 3 所观察到的图像是各种辐射效应共同作用的结果。 图 4 在着陆前从滑翔道上所看到的跑道的 PMMW 图像： （a）和（c）是在晴天和雾天的可见光图像；（b）和（d） 是对应的 PMMW 图像。 September 2003 IEEE microwave magazine 43 图 5 飞机场的场景在可见光（a）具有不同孔径尺寸的 94GHz PMMW 扫描系统：（b）48,（c）24,和（d）12 英寸 的图像。 约 3,570 英尺处的校车。在图 5（d）中，这些点变得非 常模糊，几乎不存在了。因此，挑战是，比如说要构建 一个频率足够高的传感器，体积要足够小，使其能被安 装在飞机平台上，要同样可以提供足够的分辨率来允许 安全和准确的导航，着陆，监视，或其它所需要的功能。 PMMW 摄像机 图 6 在建筑物的屋顶俯视停车场和其它结构的全景图。 PMMW 图像（a）是通过使用（c）并且覆盖了水平 1800 和垂直 300 的视域。在图像中，白色是冷的温度。可见 光图像（b）是来自于摄像机图像帧的大杂烩。 图 7 PMMW 成像与可见光摄像机的成像方式类似。 PMMW 成像 正如前面所说的，所有物体都会在整个频谱内辐射或对 自然辐射进行反射。与可见光摄像机（探测可见光反射） 和红外摄像机（探测红外辐射）类似，PMMW 摄像机 探测在场景上的毫米波辐射，所有的摄像机由测量来自 场景的辐射水平的设备和成像设备所组成（将辐射引导 到测量工具上）。下面，将要简单描述毫米波范围内的 这些设备，并且大部分可以看作是微波领域所做工作的 一个延伸。 场景辐射可以通过多种方法来测量。一个典型的方 法是使用辐射计，它在本质上是一个经过校准的热辐射 接收机。辐射计有若干种配置，最普遍的两种是总功率 辐射计和 Dicke 辐射计[6]。顾名思义，总功率辐射计简 单地将接收机所接收到的功率集成，对所接收到的总功 率进行测量。类似地，Dicke 辐射计收集场景辐射，但 只花一半的时间。在另一半时间里，它观察参考负载， 通过在两个辐射源之间进行快速的切换，而得到对仪器 漂移不太敏感的接收功率水平。接收机本身，无论是设 置为总功率辐射计还是 Dicke 辐射计，都可以有很多构 建方法。最简单的是测辐射热计，在这个测量计中，入 射辐射被聚焦到探测单元，引起温度的升高，而被用来 推断入射功率水平。多多少少更复杂一些的是用电子方 式来直接将入射辐射放大，采用平方律检测器来测量所 得信号的能量值。最后，便是那些采用了传入辐射的幅 值和相位信息的接收机的设计。 还有许多方法来生成图像。正如前面所讲述的，一 个单个的聚焦接收机可以对场景进行光栅扫描来生成图 像。将辐射聚焦在接收机上的方式随着系统的不同而有 所不同，从无线电天文学家使用的蝶式天线，到准光技 术所使用的具有合适介电常数的塑料透镜。还设计和制 作出采用机械手段（自旋镜面或天线，旋转天线阵列等） 随着 PMMW 摄像机的出现，并且可 在毫米波范围内来观察世界，将会克 服低能见度条件给安全带来的威胁或 给旅行带来的障碍。 IEEE microwave magazine September 2003 44 来扫描一个小的聚焦接收机阵列的方法。其它的是通过 飞机的简单运动来扫描一行聚焦接收机阵列，这便是被 称作“推帚式” 配置，在这种配置中接收机阵列在地面 的足迹通过飞机运动而被席卷而过。这种“推帚式”摄 像机是由 NGST 为海军研究处而制作的，被用来产生图 6 所示的 1800×300 全景图像。在这里行阵列是垂直安装 的，摄像机在垂直轴上旋转来进行成像。最精细的方法 包括通过相控阵技术和干涉仪方法对整个场景进行天线 辐射图的电子扫描，这种方法采用的是在射电天文学和 其它监控系统中所使用的大间隔稀疏天线阵列。在全球 学术界，工业界和政府部门的研究小组已经采用了这些 和其它非常新型和有创意的方法来生成 PMMW 图像。 本文不会对这许多方法进行评论，但会在文章结束时向 读者推荐一个建议阅读资料清单。 为了产生类似视频的，实时的 PMMW 图像序列， 已在全世界范围内研究和开发出了若干种方法。这些方 法包括从已经被展示的对小型阵列进行的快速机械扫描 来产生类似视频信号的 PMMW 成像，到复杂的但却有 创新意义的利用频率手段的相控阵列技术来进行所需要 的快速扫描 [7] ， [8] 。第三个方法使用的是类似于在可 见光和红外摄像机中常用的配置，即二维探测阵列。 NGST 采用了这种方法，利用其已经开发出的接收机技 术来开发其 PMMW 成像技术。已基本上完成了芯片辐 射计的设计工作。 正如在图 7 中所描绘的，场景中的物体所辐射出的 毫米波被聚焦到毫米波接收机的焦点-平面阵列（FPA）。 通过测量和记录整个场景所探测到的功率或强度水平的 变化，便可以将连续的场景图像收集和显示来形成一个 具有视频速度的图像流。 图 8 NGST 的 PMMW 摄像机，在这里显示出了它的 FPA 单元，它是在白宫的联合双科技项目中由 NGST 领 导下，加上波音公司（ Boeing ）， Honneywell 和 Composite Optics 公司等财团的参与下联合进行设计，制 作和飞行测试的（从 1994-1999）。这个项目是由国防 高级研究计划署项目机构共同出资，由国家航空局航天 局-兰利研究中心管理的。 PMMW 摄像机 近来若干个技术上的进步使得毫米波技术开发成为可能。 毫米波集成电路（MMIC）的出现极大地提高了这个领 域的潜力。对毫米波辐射进行直接的，低噪声放大以及 检测已成为现实。在 GaAs 基片上使用伪形态高电子迁 移率晶体管（PHEMT）的低噪声放大器首先被开发出来， 随后与在片开关和高灵敏度检测二极管相结合，在一个 单个 2×7-mm 芯片上制成一个类似于 Dicke 接收机的完 整的，基于 MMIC 的，89GHz 接收机，具有~5.5dB 的 噪声系数（Noise Figure）和 10GHz 的带宽[9]-[12]。这 种能提供高灵敏度，低成本和低功率操作的 MMIC 器件 使得构建世界上第一个 FPA PMMW 摄像机成为可能， 见图 8[13]-[15]。MMIC 芯片显示出在左上角，四个这样 图 9 安装在飞机上的 PMMW 摄像机所拍摄的接近污物叠加的跑道和飞越过去时的图像序列（6-s 间隔）。 September 2003 IEEE microwave magazine 45 图 10 加利福尼亚长滩港口的玛丽皇后号（Queen Mary） 和从前的云杉鹅圆顶（Spruce Goose dome）的（a）可 见光和（b）PMMW 图像。成像系统中的船长 1,700 英 尺；黑色代表的是冷的温度。 图 11 Ziodac 充气船和其航迹的（a）可见光和（b） PMMW 图像。 的芯片放在 1×4 模块中来组成摄像机 FPA 的建造模块。 整个 FPA 含有 260 个这种 1×4 模块（1,040 个接收机）， 被安排在 26 个平面卡上，每个卡上有 40 个接收机。它 是按照图 7 所描述的概念来工作的。 图 8 所示的 PMMW 视频摄像机使用一个直径为 18- 英寸的塑料透镜来收集辐射并将其聚焦（摄像机内第二 级透镜是看不见的）以产生一个受到衍射制约的 0.50 的 角度分辨率。与光学透镜相耦合阵列的尺寸可产生一个 水平 150×垂直 100 的视野。一个 450 可移动的镜面将聚 焦的辐射导引到 FPA。这个镜面同样将高度抖动的图象 引导到 FPA，即它将图像推到 0.5×0.5 像素平方的四个 角的位置上，从而将点的总数增加四倍，实现对场景的 Nyquist 采样。摄像机可以达到速度为 17Hz（显示速率 为 30KHz）的图像更新，最小的温度分辨率为~2K[16]。 在地面，飞行中，和海上成功地对 PMMW 摄像机 进行了测试[17]。飞行测试开始于 1997 年 9 月，在美国 空军的 KC-135 飞机上进行的，该飞机飞行了无数个机 场进行跑道趋近成像。根据与海军研究处所签订的 合同 劳动合同范本免费下载装修合同范本免费下载租赁合同免费下载房屋买卖合同下载劳务合同范本下载 内容，PMMW 摄像机同样安装在 UH-1N 直升机和双獭 型飞机上沿着加利福尼亚的洛杉矶和圣地亚哥海岸线飞 行。对视频速度的图像序列在高度从 500 到 5, 000 英尺 的范围内，在晴天和阴天条件下，进行了收集。 应用 正如在下面将要指出的，PMMW 成像传感器对需要能 在所有天气条件下进行操作以及具有隐蔽性（摄像机本 事没有辐射）要求的范围很广的商业和军事应用都是很 有用的。此外，对金属物体，人造目标，和水面航迹极 高的灵敏度，以及对干扰所产生变化的低灵敏度，使得 PMMW 摄像机成为一个有效的传感器资源。所有的图 像要么是由 NGST PMMW 摄像机（这些只显示了视频 序列中单帧画面或一系列单帧画面图象）拍摄的，要么 是由安装在蝶形天线的单个光栅扫描 94-GHz 辐射计所 拍摄的，在本文前面均对这两种方法进行了描述。 飞机着陆和导航 直升飞机和其它飞机在雾天或烟雾中隐蔽，自动着陆和 滑行是与军事和民用操作紧密相关的主要任务。图 9 是 1999 年 2 月在加利福尼亚的沙漠地带拍摄的来自 PMMW 视频成像的一系列图像画面（间隔为 6-s，或每 个百幅间隔画面），显示出了接近污物叠加的跑道时的 情景。图像序列从跑道入口的 1.7nm 处开始的。山的距 离大约是在 12nm 处。驾驶员仅依靠这个抬头显示器的 图像，再加上一个高度计的读数，便可以在 50 英尺高 度上飞越这个跑道长度。注意这些图像中的白色是较冷 的温度。平滑跑道在地平线上反射天空，所以显得更温 暖一些。 低能见度导航和情境意识 一个 PMMW 成像系统可以被用于巡逻船只和两栖登陆 车辆（LCACS）以及其它地面和海上行驶的车辆来提供 用于导航，目标定位和其它增强视觉需求的隐蔽型的， 近乎全天候的能见度，特别是在雾天和海洋云层条件下。 图 10 显示了一个对加利福尼亚的长滩港口场景的光栅 扫描图像（在孔径为 48 英寸的蝶形天线的焦点上安装 了单个 94GHz 的辐射计），假如这个图像能被显示出来， 说明它没有被雾所阻挡。注意金属圆顶结构反射的冷的 天空。 周边监视 港口，码头和其它指定区域的近乎全天候监测可以由 PMMW 传感器来实现。此外，要监测出入一些特定场 所的交通流量也可以很容易的完成。在图 11，一个小的 可充气的橡胶船和它的航迹（显示出是温暖的）可以通 过在 300 英尺外的 PC 船的甲板上所安装的 PMMW 摄像 机检测出来。图 11（a）是可见光摄像机拍摄的，图 11 （b）是 PMMW 摄像机拍摄的一幅静态画面，其中白色 是较热的区域。这种类型的目标不太容易被雷达探测到。 侦察和监测 装备有 PMMW 摄像机的飞机或无人机可以用来执行全 天候的俯视侦察任务，例如探测船的航迹，低雷达散射 截面的船只，关键移动物体，或其它目标。在图 12 中， 由安装在双獭型飞机的 PMMW 摄像机所拍摄的图像序 IEEE microwave magazine September 2003 46 列中的一幅被叠加在对应的无线电瞄准摄像机所拍摄的 可见光静态画面上。在图 12（a）中，一架 C-17 飞机可 以在高度为 3,000 英尺距离处被分辨出来。在 PMMW 频 率范围内，它对金属的标识是非常独特的，从而可以自 动探测这类目标，如在图 12 中可以明显地反映出来, 其 图 12（a）PMMW 图像被叠加在一个在 C-17 飞机上用 可见光拍摄的滑行道的静态画面上，以及（b）PMMW 透过云层拍摄的道路和大楼的图像。 图 13 帆船的（a）可见光和（b）PMMW 图像。 图 14 在地面水平上拍摄的 2 辆汽车的（a）可见光和（b） PMMW 图像（图像中的白色是冷的温度）。 图 15 一只小的金属船和其极大的温暖航迹的（a）可见 光和（b）PMMW 图像。 图 16 PMMW 图像被叠加在拍摄 PMMW 信标的可见光 静止图像上（这种信标是不会被可见光探测到的），信 标很清楚地出现在透过云层拍摄的 PMMW 图像中。 September 2003 IEEE microwave magazine 47 图 17 1990 年拍摄的加利福尼亚 Hungtingtong 海滩溢油 的（a）可见光图像和（b）94GHz 的 PMMW 图像。 图 18 三个站在开放户外人的（a）可见光图像和（b） PMMW 图像。白色代表冷的温度。 中黑色代表的是冷的物体。图像的右边是在 1,900 英尺 高度的云层中所拍摄的道路和建筑物。 搜索和救援 PMMW 图像可以用于在低能见度条件下进行搜索和救 援或侦察活动。图 13 显示出在 350 英尺的高度下，在 500 英尺处的地面上几个小的玻璃纤维/木头帆船的图像。 图 13（a）是用可见光摄像机拍摄的。图 13（b）是用 PMMW 摄像机拍摄的，热的地方显示为白色。 地面导航 在雾中，烟或沙尘暴中行走的装甲车辆，可以受益于不 受这些条件限制的可以展现前方情况的摄像机，这可作 为一个没有模糊限制的例子。图 14 显示的是使用一个 安装在 24 英寸的蝶形扫描天线并且将其聚焦至大约 50 英尺处的单个 94GHz 辐射计所拍摄的两辆汽车。 毒品禁运 PMMW 图像可以很容易地探测到小的船只和它们在水 面上很大的航迹。这种能力可以极大地帮助探测和抓获 毒品贩子。长长的，拖尾的航迹在水中特别醒目，可以 被用来追溯到它们的源头。图 15 描绘出一个用可见光 和 PMMW 摄像机所拍摄的小的金属船的一幅静止画面 和它的拖尾航迹。这样的图像可以在雾中甚至在船和传 感器之间的海水层中得到。 信标探测 毫米波信标可以将 PMMW 摄像机的使用扩展来进行由 信标协助的搜索和救援以及探测滩头堡，中途站，卸货， 补货和集结处的位置。在图 16 中，可在 5, 000 英尺高度 上探测到一个功率很低的信标。同样，使用安装在双獭 型飞机上的 PMMW 摄像机所拍摄的图像序列中的单个 画面叠加在由摄像机所拍摄的可见光静止画面上，清楚 地表明可以透过云层看到信标。 油泄漏的探测 在水上的油可以通过一个与在镜片上涂敷防反射层的方 式相相似的干扰效应在毫米波范围内产生出一个可检测 到的辐射温度的变化。在毫米波情况下，油层会提高或 降低有油块区域的辐射温度，这是通过厚度的变化来改 变这些区域的有效辐射力来实现的。因此，所观察到的 温度可以用来推断油层的厚度。使用 PMMW 成像技术 来探测在水面上的油层的能力是 1990 年，在加利福尼 亚的 Huntington 海滩的油溢出时展示出来的。一个安装 在直升机小金属棒上的 94GHz 扫描辐射计随着直升机飞 行，产生出如图 17 所示的图像。扫描是通过一个旋转 镜子来完成的（图像的垂直轴从最低层的 100 开始，直 到上面的~600 处）。PMMW 图像将热的区域显示为白 色，这些区域对应的便是在水面上的油层位置。深色背 景处对应的是没有油层的开放的水面。没有对在扫描图 像和广角镜头可见光剪辑图片之间的失真进行修正。 人物成像和藏匿武器的探测 毫米波范围内对人类的成像多少有些怪诞，特别是在室 外拍摄时。毫米波可以很容易地穿透衣服和头发。一个 人物的图像看起来就像是模特儿一样。因为皮肤的反射 率在 10%这个数量级上，所探测到的毫米波辐射是人体 自然辐射和对周围物体的反射之和。当在室外时，人体 上半部不同组织结构的皮肤反射到天空，而热地面却身 体下半部反射。这在图 18 中进行了展示，这是通过一 个安装在 24 英寸蝶形扫描天线的聚焦在~25 英尺处的单 个 94GHz 辐射计拍摄得到的。 如果一个与皮肤介电常数不同的物体放置在衣服下， 毫米波图像将会显示出该物体引起的辐射温度的变化。 例如，一枝藏在衣服里的枪不仅会阻挡身体的自然辐射， 还会对周围物体的辐射产生反射。即使是非金属物体， 例如塑料和陶瓷，也会产生类似的效应。 如果在室内，房间有大约 295K 的辐射为人体照明， 身体的热辐射会被阻挡或衰减，则可用 PMMW 成像摄 像机发现物体。图 19 是收集的一套藏有不同武器的坐 在室内的人的 PMMW 图像。这些图像是由安装在 24 英 寸的蝶形扫描天线，焦点在~15 英尺处的一台 94GHz 辐 射计所生成的。在所有图像中，这个人穿了一件棉质的 外套来藏匿武器。正如我们所看到的， 金属手枪可以看 IEEE microwave magazine September 2003 48 图 19 一个将各种武器藏匿在外套里的人的可见光图像（上面一行）和对应的 PMMW 图像，下面一行图像的第一 幅是可见光图像。PMMW 图像是在室内通过一台安装在 24 英寸蝶形扫描天线的 94GHz 辐射计来获得的。在这些 图像中，白色是冷的温度。 得很清楚。左边的桔色塑料手枪是一只 练习 飞向蓝天的恐龙练习非连续性文本练习把字句和被字句的转换练习呼风唤雨的世纪练习呼风唤雨的世纪课后练习 枪支，而另 一只塑料手枪是具有金属枪管的格洛克手枪，这两者在 毫米波上都是可见的。陶瓷刀和来仿真自杀爆炸者的武 器的装在塑料袋中的子母弹同样可以被看见。 结论 PMMW 成像有许多应用，这些应用在低能见度条件下， 比如说在雾，云，烟火沙尘暴中，对生命安全的保障和 为军事部门提供了一个关键优势。这当中有些应用已通 过图像样品进行了展示，但在世界范围的研究员还在对 其它许多应用进行着研究。特别令人兴奋的是 MMIC 技 术的进展可以开发视频速度的 PMMW 摄像机，这里还 同样展示了大量的图像测试数据。近乎全天候的操作实 现了对民用飞机自主增强视线的着陆能力所持有的承诺， PMMW 对所感兴趣目标的隐藏方式和独特的标识使得 这个电磁波频谱中的窗口对军事领域各个分支的使用是 极其有前途的。随着 PMMW 摄像机的出现及其可在毫 米波范围内看世界的能力，使其可以解决低能见度所带 来的威胁安全或妨碍交通的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。 致谢 本文所描述工作的一部分是由NGST工业研究和发展基 金所支持的，这是一个由美国国防部高等研究计划局和 白宫联合技术双重用途项目共同出资的，由国家航空航 天管理局（NASA），兰利（Langley）研究中心为政府 所代管理的，在William Miceli 博士和Michael Pollock博 士进行的技术指导下，所执行的合作 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 NCCI-196和海 军研究处合同N00014-96-C-0431。这篇文章所介绍的工 作是许多人共同努力的结果，作者在此向所有人表示谢 意 ， 包 括 ： Hiroshi Agravante, Barry Allen, Mike Biedenbender, Ronson Chu, Giovanni DeAmici, Dave Dixon, G. Sam Dow, Martin Flannery, Steven Fornaca, Bruce Hauss, Talbot Jaeger, Ron Johnson, Karen Jordan, Mark Kolodner, Roger Kuroda, Paul Lee, Calvin Liang, Eric Lin, Dennis Lo, Karen Luebkemann, AliMarashi,Michael Mussetto, Bill Quon, Arlen Rowe, Jim Rupert, Tom Samec, Barry Stark, Alex Valles, Khoi Vu, KarenYokoyama, Marlowe White, 和其他许多人。 推荐读物 Proc. SPIE Conf. on Passive Millimeter-Wave Imaging Technology, 1997 to present. F.T. Ulaby, R.K. Moore, and A.K. Fung, Microwave Remote Sensing. Reading, MA: Addison-Wesley, 1981. September 2003 IEEE microwave magazine 49 J.C. Fisher, Ed., “Passive microwave observing from environmental satellites,” NOAA, Washington, DC, Tech. Rep. NESDIS 35, 1987. A.R. Thompson, J.R. Moran, and G.W. Swenson, Jr., Interferometry and Synthesis in Radio Astronomy. New York: Wiley, 1986. 参考文献 [1] F.T. Ulaby and K.R. Carver, “Passive microwave radiometry,” in Manual of Remote Sensing, R.N. Colwell, Ed. 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