毫米波焦平面阵列成像技术_章勇

、
,
。
,
,
所 以 毫 米 波段 实 现 焦
1
;
实 现 大波 束 扫 描 角 低 增 益 损 失 低 旁 瓣 电
、
平 面 成像 其聚 焦系 统 的 F 值 最 好为
,
可以
平 及窄波 束 半 功 率 角 应 选 择 大 的 F / D (即
长焦 距 ) 此 外 还 要 求 天 线 的 边 缘 照 射 电 平
就 会 太大 没 有 摄 像 机 的 感觉 了
2 3 偏 位 抛 物反 射 面 天线
.
,
“
”
。
( 抛 物 面 天 线 或 透 镜天 线 ) 的 直 径为 D 时 其
波束 宽就 等于 材D 相 应 之 下 像 面 上 象 元
的大 小 等 于 F 入 这 里 F 是 焦 距 f 与 D 之 比 即所谓 的 F 数
,
点而 倍 受人 们关 注
,
。
2
鑫 米波焦平面阵 列 多波束果焦 系统
.
、
2 1
成 像 的一 般 描 述 毫米 波 焦 平 面 阵 列 成 像 与 红 外 焦 平 面
, 、
,
、
阵列 成 像相 类 似 属 于 非 相 干 直 接 成 像 体
研 究等 领 域进 入 实 用 化 阶 段
。
制
。
系 统 结构 见 图
或者透 镜 天 线 的 焦 面 利 用 该 像 阵 列 的 偏 焦 把收 集 到 的 目 标 背 景 的 毫 米 波 辐 射 能
t 聚焦 于 二 维 馈源 阵列 上 这 样 可 以 产 生 多
个不 同指 向的高 增 益 团 定 波 束 扭 盖 视场 实
聚 焦 仁欺 物 面 或透 该 ) 天 钱
,
,
现 在 同 一时 间 内 比 较 多 个 波 束 接 收 能 t 的 差 异 从而极 大 地 提 高 了 辐 射 计 的 温 度 灵 敏
3
。
As
FE T
毫米 波
放 大 器 的 发 展 可取 代 超 外 差 式 的 一 个 系 统
是 用 直 接 检 波 接 收 机 它 主 要 由一 个 高 增 益 低 噪声 放大 器 和 一 个 检 波 器 电路 组 成 如 图
3
,
,
2 2
.
节所 述
所示
。
) 低 系 统温 度 ; b 其 优点 在 于 a ) 无
,
) 给 出 了 在衍 射 范 围 内 可 以 获 得 最 式( 1
大分 辨 率 的 条 件 这 些 值 与 设 置 在 像 面 的各
探 测 馈 源大小 相对 应
聚焦 天 线 F 超过 对 2
:
。
,
Fra Baidu bibliotek
的波 束 倾斜 波 束倾斜 本 来 是 圆 极 化 偏 馈 抛
物 面 天 线 的缺 点 而 多 波 束 天 线 却 把 这 种 缺
,
也 可 以 是 准 光学 透 镜 ) 的相 位 分 布 是 采用 口
面场 平 方 律 相 位 差 特 性 来 近 似 的
, , 。
。
若馈源
,
在一 个 模 块 中 通 常 只 有 一 个 振 荡 器 馈 给 数 个 混 频器
、
,
采 用 喇 叭天 线 则 要 做 得 足 够 长 才 能 保 证
口 面 场 的 等相 位 分 布
。
振荡 器 通 过 一 个 匹 配 T 型 波 导 功 率分 配 器
。
在 实 际 情 况 这通 常
口
混 频 器 必 须 具 有低 噪 固
,
、
是不 允 许 的
。
所以 常在
。
面 装 一类 似 于 光
定调 谐 ( 本 振 频 率 改 变 但 是 M i x e
, ,
:
调 谐保
透 镜 的介 质 透 镜 来 校 正 喇 叭 天 线 口 面 场 的 平方律 相 位 误 差
。 , ,
奄 米波 焦 平 面阵 列 成 像 系 统 一 般 利 用
抛 物 反射 面 或 者 准光 学 透 镜 汇 聚 电 磁 波 其
,
中又 以 偏 债 抛 物 反 射 面 最 为 理 想
, , ,
。
偏馈 抛
衍 射受 限 相 千 光 学 系 统 的空 间 截 止 频 率等 于 1 / ( 2 凡 ) 依 据取样 定 理 图象不 失 X
l
二
D
值(
3〕 。。s a
即探 测 单 元 与轴 的 距离 移位 时 阵
2
, 。
为 探测单 元 轴向
F /D =
+
s
。。 s
口
,
4 i
,
n a
(
4
)
根据 式 ( 2 )
。 =
,
当 F
=
0 5
.
时
,
n =
6 ;F
=
0 8
.
由于 债 源必 须 倾斜 当 F / D 变 小时 偏 里 结
构 将 引 起 天 线 增 益 下 降 波 束 变宽 及 旁 瓣 抬
以 消 除 由 于 遮挡 造 成 的 旁 瓣 电 平 上 升 并 且
同样 地 对 于 衍 射 受 限 非相 干 光 学 系统 最
,
大采 祥 间 隔 为
T`
=
能 够 改 善馈 源 的输 入 电 压 驻 波 比 但偏 置 结
几 F
,
/2
(1 b)
一
构破 坏 了 天 线 几 何 结 构 的对 称 性 造 成 线 极 化 使 用 时 的 交 叉 极 化 上 升 与 回 极 化使 用 时
美国的
T RW
,
。
元 组 合 而成 形 成 高 分 辨 图 象
, , ,
1
。
其 中 的毫 米
、
波焦 平 面 阵 列 ( h 任 P A ) 成 像 以 其 不 需 要 机 械 扫 描 即 可 得 到 高 分 辨 率 图象 积 分 时 间 不
毫 米 波 焦 平 面 阵列 成 像 是 将 多 元 单 片
式 探测 器 阵 列 置 于 较 大
, , 、
.
口径
的 抛物 反 射 面
引言
八 十年 代 以来 随 着 奄米 波 集 成 电 路 尤
其 是 M M I C ( 毫 米波 单 片 集 成 电路 ) 的 日 趋 成 熟 高 速 V L S I 器 件 以 及信 号 处 理 新方 法 的 不 断 涌 现 被动毫 米 波 成 像 技 术 正 引 人 肠 目地 由过 去 的 机械 扫 描 成 像 朝 高 性 能 的 多 波束 成 像 发 展 并 开始 在 军 事 民用 和科学
由 多 个 单 片接 收 机 电 路 组 合 成 为 一 个 模 块
,
毫米波 低 噪 声 放 大 器 一 般 由 多 级 级 联 构
( 讯艇月 D 成 L N A ( 低 噪声 放大 器 ) 常 用 1n
单 元 整 个 焦 平 面 阵 列 系 统 可 由 多 个 模 块单
,
M 飞 制 成 检波 器 由 肖特 基 垒二级 管 来构 成
制 导 与 引信
199 8
年第
3
期
毫 米 波 焦平 面 阵列 成像 技术
章
勇 李兴 国
、
王 华力
南京 1 0 94 2 )
( 南京 理 工 大 学 毫来波 充波近 感 技未研 宪 所
文
摘
奄来波 焦平 面 阵 列 成像 水 眺 是 毫来 波被 动 成像 饭 城 王 断 岌 展 起 来 的
,
一 种 重 要 体 制 其应 用 已 从 一般 民 用 向 军 事 上 的 式界 刹 导 系 统 发 展
。 。
一个 探 测 单 元 及 其
,
}视 频 放 大 器 }
困 3
—
}低 噪 声 射 频放 大 器 日
毫 米 波检 波 器
后 的 信 号 电路 组 成一 个通 道 其 信 号 最 终 即
随 着毫 米 波 固 态 器 件 的
,
直接检 沈 式 接 收 机 结 构
发 展 已 形 成 了 许多单 片 接 收 机 电 路 而 且 已
,
,
。
在 毫 米波 波 段 如 果
,
=
1 0
.
,
焦 面 馈 源 阵 列 间隔 不应
点 变为 可 利 用 的 因 素 来 实 现 多 波 束 如 图 所示
。
,
2
一般 成 像 时 同 时 应 考 虑到 以 下 两个 问
) 在规 定 的 口 径 内 可 以 得 到 几 条 ( 与象 题 a 元 数相对 应 ) 定 向性 波 束 焦天线采 用 旋 转抛 物 面
ǐ ú 一|l
,
焦 平 面 阵列
度和 成 像 的 数 据 速 率
,
。
接 收 到 的信 号 经过
,
C 1
日
C 1
多通 道 的 辐 射 计 探 测 器 转 换 成 视 频 信 号 经
二 二三 : 巨兰 工 二 艺竺 三
信 号 成 像 处 理 电路
成像 处 理箱 出 能 够 实 时 地 显 示 场景 的 毫 米 波 热辐 射 图 象 给 人 的 感 觉 极 象 光 学 摄 象 机
面 波波 前 从 而 消 除 对 喇 叭 最 大 张 角 的 限 制 允许 使 用 较大的
,
口
,
面 来 增 加 方 向性
。
若
超 外 差 接 收 机 由 于 馈 电 信号 未 经 放 大 即 直接 混频 会 产 生 很 大 噪 音 而 且 附 加 了 多 路功 率 分 配器 电路 较 为夏 杂
, , 。
再 现 时 所 需 的 取样 间 隔 c T 为 T ` c
,
物 反射 面天 线 是 一 种 典 型 的 多 波 束 天 线 结
构 常 用 在毫 米波 焦 平 面 阵 列 成 像 系统 中作
能 童 聚 焦 天 线 lt
`〕 ;
它 利用 对称抛 物 反射面
,
,
又 F
(1
一
a
)
的 一 部分 而 避 开 馈 源 及 支 杆 的遮 挡 这 样 可
用 光 电二 极 管探 测 器 由 于 各个 二 极 管 接 收
毫 米 波辐 射 的 非 均 匀 性 和 二 极 管 响 应 的 非 均 匀 性 在 最 后 图 像处 理 中 应 进行 校 正
,
本 振源 也 使
。
,
。
直流功 耗 增 大 产生高 系 统 温度
a 随着 近 几 年 低 噪 声 G
,
由于 聚 焦 天 线 系 统 的 性 质 要 求 探 测 阵 列 不 在 平 面 内 线 性 排 列 所 以 需 用 多模 块 子 阵 来 构 成 所 需 的 曲面 大 阵 ( 参 见 内容 )
,
持 固 定 ) 宽 带 的 特 点 中放 常采 用 多 级 串 联 来实 现 放 大器 和 本 振 后 面 用 铜 条 控 制 温 度
( 通过焦 平 面板 循 环 冷 液 体 ) (2 ) 直 接 检波 接 收 机
, 。
由 于 透 镜 具 有 移相 特 性
可 以 补 偿 不 同 途 径 上 的相 差 而 获 得 等 相 平
l
二
,
偏债 椒 物 面 天 线 几 何 示 意 图
。
图中
,
是 抛物 面 轴 线与 焦 点 到 反 射 面
, ,
中 心 联 线 的夹 角 反 射 面 在 这 条 中 心 线 两 旁
=
x /2 l f
,
(3 )
,
。 张成 2 的 角度 偏 债 角 改 变 了 反 射 面 的 F /
式中
,
l
二
为相 对 于 反 射 天 线轴 的 横 向 移 位
,
14
。
可 以 制成 2 8 个 探 测器 的 一 维 列
l m 入= 3
=
。
,
,
。
这时 如 果 f =
。
,
等于 所 预 想 的 波长
, ,
~
另外 当 F
,
1
时 象 元 的大 小 凡 就
,
,
~
那么
l
二
`
高
围
。
同 时 增 益 下 降 又 限 制 了 波 束扫 描 范 所 以 对 于 馈 漂偏 焦 的 反 射 面 天 线 要
.
,
。
2 2
圈 1
焦 平面 成 像 机 理 对 于 衍 射 受 限 的 相 干 光 学成像 系 统 如
,
奄来 波 汰平 面 阵 列 成 . 的 苏 本 结 构
.
: 来摘 日 翻 1 9 冬 0 4 2 8
9
8
年第
期
入的
,
制 导 与 引信
电磁波成 像 当 聚 焦 天 线
, , ,
果采 用 波 长 为
:
焦 平 面 成像 的 电 路 结 构
经 聚 焦 系 统 后 实 际 辐 射 能 由许 多 集 成
,
需 L O 振荡 器 ; c ) 低 直 流功率 消耗 ; ) d 的部 件
。
更少
射频 信 号
在 一 起 的 馈 源 探 测 器 阵 列 ( 小喇 叭 夭 线 或 新 型 光 电二 极 管 ) 来 接 收 可形 成 一 个 象 素
, ,
。
本 文在分 析
其 成 像 原 理 的 基拙 上 给 出 T 这 一 体 制 的 木统 结 构 和 电 路 组 成 并 对 其 应 用 及 意 义 作 丁 其 体介 绍
。
主肠 词
笼 未 波放 动 成 `
焦平 面 阵列
粱 焦 系统
单 片电路
、
受天线扫 描 速 度 限 制 可实 时 成 像等 突 出优
,
,
看出 波 长 一 旦 延 伸 至 微波 波段 整 个 装 置
制导 与引 信
比 较低
。
1
8
年第
期
由一 个 G
作 为 聚 焦 反 射 系统 的 抛物 面 天 线 当 然
接 收 到 的 辐射 信号 进 行(混 频 然 后 再 进行 中
频 信号 放 大 最 后 进 行 检波
, ,
n u
二 级管振 荡 器 和 由端 射槽 天 线
。 。 ,
,
) 关 于 象差 聚 b
,
文献 4 [ ) 利 用 数值 形 式 计 算 出 辐 射 电磁 场单 测 可 离 轴 使 用 的 波 束 的 条 数
n n
、
.
0 44
,
+
2护
(2)
图 2
如 果 希望 大 视 场 又 要 避 免 过 大 的 象
差 可利 用 下式 所表 示 的拍 兹 可 以 得 到 消 除 了像 面 弯曲的 像 面