雙極化被動式太赫茲遙感成像

博微太赫茲信息科技有限公司 安德越

被動式太赫茲遙感技術具有全天候、全天時、穿透性強的優點，在對地觀測、氣象、軍事及科學研究等領域均有著重要的應用前景，通過接收不同極化方向太赫茲信號以增加獲取信息，提升遙感探測能力，成為研究熱點方向。本文總結了被動式太赫茲遙感探測國內外發展現狀，報道了一種雙極化被動式太赫茲遙感探測系統，并給出其遙感探測成像結果。

遙感成像是一種遠距離檢測和探測手段，目前光學和紅外遙感發展較為成熟，具有分辨率高、圖像清晰等優點，在地球科學及特定區域觀測等領域均有廣泛應用，然而光學和紅外遙感存在穿透性差、容易受到惡劣天氣影響等缺點，在雨霧沙塵環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60年代以來發展迅速的新型遙感技術，具有全天候、全天時、穿透性強的優點，但是也存在圖像分辨率低、清晰度差、難以區分目標材質等問題。為了進一步提高遙感分辨率，提升探測性能，近些年來，探測頻段逐漸提升到太赫茲頻段。被動式太赫茲遙感成像是指通過接收目標輻射或散射太赫茲信號繪制目標區域太赫茲強度分布圖的技術，通過對地表或水面目標不同極化角度毫米波測量，可以獲得幅度之外更多信息，有利于進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。

1 國內外發展現狀

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，美國空軍研究實驗室資助美國特拉華州紐瓦克的相敏創新公司(Phase Sensitive Innovations)開展了毫米波遙感成像相關研究工作，基于光學上變頻原理實現對94GHz信號相位調制檢測，實現了對海面艦船單像素毫米波成像。但該系統將毫米波信號相位調制到連續激光上，完成對毫米波信號相位的間接測量，系統復雜度高、成本較高，制約了其實際應用前景。2013年，美國西北太平洋國家實驗室（Pacific Northwest National Laboratory，PNNL）發明了一種全極化W波段太赫茲輻射計，該輻射計采用Dicke開關式外差技術，具有靈敏度高、可接收全極化信息的特點，PNNL利用該輻射計對一個開闊空間進行了被動式太赫茲遙感成像，成像結果顯示出太赫茲遙感探測在復雜自然環境中可以輕易發現人造物品，證實了被動式太赫茲遙感探測的應用前景。2010年，瑞士尼泊爾大學利用半導體鏈路搭建了一套全極化W波段輻射計，其核心部分是一個正交模耦合器（OMT結構）和兩個超外差輻射計，實現了91GHz中心頻率下2GHz帶寬被動式太赫茲輻射計，尼泊爾大學對草地上的汽車、推土機及不同材質板材進行了太赫茲成像，并且與紅外成像進行對比，證實了多極化被動式太赫茲遙感成像對物質材質的區分能力。

國內太赫茲技術總體起步較晚，近年來也對太赫茲遙感成像進行了深入研究，華中科技大學建立了一套雙極化太赫茲遙感成像測試系統，成功實現對92～96GHz頻段單像素掃描遙感成像，基于I、Q、U、V四個參量進一步計算得到LPR等參量成功實現對物質材質的區分測量，建立了相關物理模型，證實了基于極化特性實現遙感目標材質區分的可行性，奠定了該領域的研究基礎。

2 雙極化被動式太赫茲遙感探測系統

本文公開了一種雙極化被動式太赫茲遙感探測系統，系統照片如圖1所示，其準光系統主要由一個同軸卡塞格林雙面反射天線構成，主反射鏡為口徑600mm的拋物面反射鏡，物方焦距在無窮遠處，像方焦點與副反射鏡焦點重合，副反射鏡為雙曲面鏡，將接收到的太赫茲信號聚焦到探測器喇叭天線中。兩個步進電機用于控制天線俯仰和水平掃描，最大掃描速度可達15°/s，最高位置精度達到0.0005°，最大掃描范圍水平方向-120°到120°、豎直方向-60°到90°，步進電機通過RS232串口與上位機通信，可通過上位機編程控制。探測器采用W波段雙極化肖特基檢波器，可同時接收兩個相互垂直極化方向太赫茲信號，并將對應極化方向太赫茲功率轉化為電壓信號，輸出電壓經USB-1806G采集卡進行數字化采集，該采集卡可實現對8路16位差分信號最高合計500KS/s采樣，并通過USB3.0與上位機連接。

圖1 雙極化被動式太赫茲遙感探測系統照片：(a)背面 (b)正面

雙極化被動式太赫茲遙感探測系統總體采用編程控制，程序界面如圖2所示，總體來說程序分為參數設置區、控制區、參數顯示區、圖像顯示區四個區域，可對掃描范圍、掃描速度、數據采集參數等進行設置和控制，并對采集到的數據進行實時處理繪制圖像，原始數據會保存到硬盤上，以方便后續進行更加復雜的數據處理和繪圖，參數顯示區可以對當前掃描過程中的多個狀態進行實時更新和顯示。

圖2 雙極化被動式太赫茲遙感探測系統上位機程序界面

3 雙極化被動式太赫茲遙感探測成像結果

利用本文所述雙極化被動式太赫茲遙感探測系統進行了被動式太赫茲遙感探測試驗，試驗結果如圖3所示。其中圖a為成像區域光學照片，圖b為水平極化方向成像結果，圖c為豎直極化方向成像結果，圖中黑色表示太赫茲輻射強度低，白色表示太赫茲輻射強度高。圖中偏下方8個黑色區域為停在停車位上的8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”，因此在圖中變現為明顯的黑色。圖片右上角小型黑色區域也是路邊的汽車及空調等金屬制品，只是因為距離較遠，因此呈現出面積較小。柏油馬路、石板路和混凝土墻面在陽光照射下溫度較高，且自身輻射系數較高，表現為“熱源”，因此在圖像中比較白。綠色植被輻射系數也較高，但是相對地面其溫度略低，因此樹葉等區域與地面呈現出明顯的區域。這里比較特殊的是對面建筑物的窗戶，這里窗戶分為兩種，一種外側具有斜45°的擋板，如圖中黑色區域，這些擋板將天空的冷源反射進入遙感探測系統，因此呈現為“冷源”，另一種則是豎直關閉的玻璃窗口，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，因此同樣表現為“熱源”，在圖像中無法與混凝土墻壁區分開來。

圖3 雙極化被動式太赫茲遙感探測成像結果

本文總結了被動式太赫茲遙感探測國內外發展現狀，報道了一種雙極化被動式太赫茲遙感探測系統，并給出其遙感探測成像結果。成像結果顯示，金屬制品、混凝土墻壁及道路、綠色植被等不同材質物品表現出明顯的區別，尤其是汽車等金屬制品在太赫茲圖像中區分明顯。