被动毫米波成像可用于人体安检、军事探测、火灾消防等诸多领域。除了频率、幅度和相位，极化是电磁波的另一个重要特征，极化成像可获取场景更多物理信息。本书针对被动毫米波极化成像探测技术应用，系统梳理了毫米波极化成像理论基础、建模与仿真技术、系统研制和信息处理方法，主要介绍了毫米波极化成像探测技术及现状、毫米波极化成像理论基础、毫米波极化成像建模与仿真技术、毫米波极化成像系统与实验、基于极化特征融合的成像增强技术、基于全局极化特征的成像探测技术和基于区域极化特征的成像探测技术七

个方面内容。

本书可供电子信息类专业高年级本科生和研究生，以及雷达、遥感、电子对抗、毫米波技术等领域的工程技术人员学习和参考。

目录

第 1 章 绪论

1.1 被动毫米波成像技术的发展现状

1.1.1 被动毫米波成像应用

1.1.2 被动毫米波成像系统

1.1.3 被动毫米波极化成像

1.2 毫米波极化成像系统的研究现状

1.2.1 极化辐射测量的起源

1.2.2 极化成像系统的发展

1.3 毫米波极化信息处理的研究现状

1.3.1 红外光学成像领域

1.3.2 毫米波成像领域

1.4 本书结构

参考文献

第 2 章 毫米波极化成像理论基础

2.1 概述

2.2 热辐射基本概念与定律

2.2.1 热辐射量子理论解释

2.2.2 普朗克黑体辐射定律

2.2.3 辐射亮温概念

2.3 毫米波辐射亮温模型

2.3.1 一般情形

2.3.2 光滑表面情形

2.3.3 粗糙表面情形

2.4 毫米波辐射极化模型

2.4.1 电磁波的极化

2.4.2 斯托克斯参数

2.4.3 极化特征量

2.5 本章小结

参考文献

第 3 章 毫米波极化成像建模与仿真技术

3.1 概述

3.2 极化成像仿真框架

3.2.1 辐射信号流图

3.2.2 仿真模块划分

3.3 极化成像仿真建模

3.3.1 大气辐射建模

3.3.2 亮温计算建模

3.3.3 射线追踪建模

3.4 极化成像仿真案例

3.4.1 典型结构目标成像仿真

3.4.2 室内多姿态人体成像仿真

3.4.3 室内温度非均匀成像仿真

3.4.4 室外典型油罐车成像仿真

3.5 本章小结

参考文献

第 4 章 毫米波极化成像系统与实验

4.1 概述

4.2 近场毫米波极化成像系统与实验

4.2.1 成像系统设计

4.2.2 极化成像实验

4.3 远场毫米波极化成像系统与实验

4.3.1 成像系统设计

4.3.2 极化成像实验

4.4 本章小结

参考文献

第 5 章 基于极化特征融合的成像增强技术

5.1 概述

5.2 基于完全垂直极化变换的目标增强方法

5.2.1 极化亮温模型与特性

5.2.2 目标对比度增强方法

5.2.3 仿真与实测实验验证

5.3 基于斯托克斯区域融合的目标增强方法

5.3.1 斯托克斯模型与特性

5.3.2 子区域融合增强方法

5.3.3 仿真与实测实验验证

5.4 本章小结

参考文献

第 6 章 基于全局极化特征的成像探测技术

6.1 概述

6.2 基于正交线极化比的金属目标检测方法

6.2.1 正交线极化比及其特性

6.2.2 金属目标分类检测方法

6.2.3 仿真与实测实验验证

6.3 基于可调线极化比的目标轮廓标记方法

6.3.1 目标轮廓边缘特点

6.3.2 可调线极化比特性

6.3.3 目标轮廓标记方法

6.3.4 仿真与实测实验验证

6.4 本章小结

参考文献

第 7 章 基于区域极化特征的成像探测技术

7.1 概述

7.2 联合正交极化与显著特征的倒影去除方法

7.2.1 倒影物理模型与特性

7.2.2 倒影检测与去除方法

7.2.3 实测实验验证

7.3 联合极化与费雪向量特征的目标检测方法

7.3.1 多极化图像对比度特性

7.3.2 区域特征目标检测方法

7.3.3 实测实验验证

7.4 基于极化角局部统计特征的目标分割方法

7.4.1 极化角物理模型与特性

7.4.2 局部统计目标分割方法

7.4.3 实测实验验证

7.5 本章小结

参考文献

展望

主要符号表

前言

任何物质在物理温度高于 0K（

?273.15 

°

 C

）时都会以电磁波的形式自发地向空间辐射电磁能量（热辐射），辐射频段覆盖微波、太赫兹波、红外、可见光等全频段，普朗克黑体辐射定律衡量了不同频率和不同温度下热辐射强度分布规律。毫米波（频率

30～300GHz

，波长

1～10mm

）处于微波最高段、太赫兹波最低段，是微波向太赫兹波过渡的重要频段。毫米波辐射计通过被动地接收物体自发、反射 / 散射和透射的毫米波热辐射进行功率测量，故称为被动 / 无源毫米波（PMMW）辐射测量。若对场景进行成像，则称为被动毫米波成像，所获图像经过定标后称为亮温图。

毫米波在氧气和水汽的谐振频率之间存在若干个大气窗口，如

、

、

和

220GHz

，还能在一定程度上穿透云雾、烟雾、微雨、雾霾和大多数衣物。被动毫米波成像已广泛应用于射电天文、地球遥感、月球与深空探测等远距离观测领域。美国国家航空航天局（NASA）的国防气象卫星计划（DMSP）系列，欧洲航天局（SMOS）卫星，中国用于气象观测的 “风云” 系列、用于月球遥感的 “嫦娥” 系列、用于海洋遥感的海洋系列等卫星均搭载了各种毫米波辐射计，可获得大气温湿度分布、地表温度、月表温度、海面风速风向、海水盐度、积雪分布特征等物理参数。自 20 世纪末以来，被动毫米波成像作为一种新的目标探测手段，用于人体安检、军事探测、监视成像、地形测绘、火灾消防等中近距离观测领域。

毫米波热辐射是似噪的、能量微弱的随机信号，材料属性、物理温度、几何结构等因素差异均体现在亮温差异中。传统单一极化图像包含的信息极为有限，制约了该技术的发展应用。极化表征了电磁波电场矢端在传播截面上随时间变化的轨迹特性，是除频率、幅度和相位以外，描述电磁波本质的重要特征。电磁波在物体表面和内部发生反射 / 散射和透射时会改变极化特性，因而反射场 / 散射场和透射场的极化特性包含目标表面和内部的特征信息。被动毫米波极化成像可从不同极化维度获取多种亮温分布，目前已有卫星搭载全极化毫米波辐射计用于获取海面风场风速风向、雪地海冰分布特征等参数。近年来，在中近距离目标探测应用，通过极化成像增强目标对比度、提升目标检测识别能力、获取电磁参数和三维信息等方面的研究，受到国内外广泛关注，积累了大量研究成果。

到目前为止，还未有书籍全面介绍被动毫米波成像领域的极化成像探测技术，对该技术的了解仅限于学术论文和专利。本书作者在近 10 年从事被动毫米波极化成像探测技术研究的基础上，精选取得的研究成果，参考多方研究资料，汇集成书。本书旨在总结梳理被动毫米波极化成像探测技术的最新理论成果与经验，期望能起到抛砖引玉、共享促进的作用。为了便于理解与表达，本书将 “被动毫米波极化成像” 简称为 “毫米波极化成像”，这与红外成像领域的表述习惯一致。

本书共 7 章，第 1 章概述毫米波成像及毫米波极化成像技术的国内外发展研究现状；第 2 章介绍毫米波极化成像理论基础，涉及热辐射基本概念与定律、毫米波辐射亮温模型与极化模型；第 3 章介绍毫米波极化成像建模与仿真技术，包括极化成像仿真框架、极化成像仿真建模、极化成像仿真案例；第 4 章介绍毫米波极化成像系统与实验，涉及透射镜聚焦式近场和远场两类极化成像系统，并展示分析典型场景成像实验结果；第 5 章介绍基于极化特征融合的成像增强技术，提出基于完全垂直极化变换和基于斯托克斯区域融合的两类增强方法；第 6、7 章介绍基于极化特征的成像探测技术，分别基于全局和区域两类特征提出目标分割、检测和识别方法。

本书的研究工作主要由程亚运、赵自然、邱景辉完成，田迅、张力、吴怀新、祁嘉然、王楠楠、朱冬、Harvey Rutt、王迎新、乔灵博、胡飞、戚博等老师和学生参与了部分研究工作。程亚运负责全书内容撰写，课题组吴怀新、黄堃森、徐梓翔、马航、张力、王毅非、吴泽非、李士钦、熊慧敏等学生基于程亚运博士后出站报告、相关期刊论文、学生学位论文成果参与了大量整理工作，在此表示衷心的感谢。本书得以出版，还要感谢哈尔滨工业大学、清华大学、华中科技大学、英国南安普顿大学等单位及国内外众多专家学者的大力支持。

本书涉及学科较多，内容较广泛，加之作者学识有限，书中难免存在不妥之处，敬请读者批评指正。

程亚运、赵自然、邱景辉

2025 年 6 月