第六章毫米波探测技术

Pi = Pρ + Pα + P τ
下标ρ、 、 、分别表示反射、吸收和透射。 下标 、α、τ、分别表示反射、吸收和透射。
将上式用Pi归一化得： 将上式用 归一化得：
反射率 ρr = P / P ρ i
1 = ρr + α + τ i
吸收率
α = Pα / Pi
透射率
τ i = Pτ / Pi
如果忽略透入地下的功率，可以得到： 如果忽略透入地下的功率，可以得到： 根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于吸收率， 根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于吸收率，即 α
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第六章 毫米波探测技术 典型应用之二—毫米波武器 典型应用之二 毫米波武器
毫米波武器系统样机 毫米波武器外表像碟形卫星天线，能发射出一种高能毫米波， 毫米波武器外表像碟形卫星天线，能发射出一种高能毫米波，人被射中 后瞬间产生剧烈灼痛感，从而被迫放下武器，或者立即逃离。 后瞬间产生剧烈灼痛感，从而被迫放下武器，或者立即逃离。这种武器的有 效射程为455米。 效射程为 米 这种武器如在战乱地区使用，将会有效避免人员伤亡。 主动压制系统” 这种武器如在战乱地区使用，将会有效避免人员伤亡。“主动压制系统” 使用的是毫米波，对人体皮肤的穿透深度约为0.4毫米 毫米， 使用的是毫米波，对人体皮肤的穿透深度约为 毫米，足以造成强烈痛感而 实际伤害较小。 实际伤害较小。
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
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一般认为， 一般认为，外来的电磁辐射以平面波前形式传播到一平坦 的表面时，一部分电磁波被反射或散射 另一部分被吸收 反射或散射， 吸收， 的表面时，一部分电磁波被反射或散射，另一部分被吸收， 剩下部分透入地下或浅表层。根据能量守恒定律， 剩下部分透入地下或浅表层。根据能量守恒定律，入射功率 Pi的平衡条件是： 的平衡条件是：
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第六章 毫米波探测技术 典型应用之三—毫米波雷达 典型应用之三 毫米波雷达
毫米波雷达主要作用是测量与车辆前方100米左 米左 毫米波雷达主要作用是测量与车辆前方 右的障碍物间的相对速度。 右的障碍物间的相对速度。 追踪监视器将在监视器中显示与前车及对面车辆 的距离。除雨天、 的距离。除雨天、雾天及降雪等视线较差时能了解间 距外， 距外，还可以当车速超过一定数值接近前车时发出警 报通知驾驶员。但此装置只在日本本土的车型上配备， 报通知驾驶员。但此装置只在日本本土的车型上配备， 卖到中国的车型此位置是物品格。 卖到中国的车型此位置是物品格。
t Bg (θ ,ϕ , pi , ∆f ) = ts (θ ) + ξ at (θ )tat + ρ at (θ )t gξ g
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
3、利用辐射差异来识别目标
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自然界各种物质的辐射特性不相同，一般来说， 自然界各种物质的辐射特性不相同，一般来说，相对介 电系数较高或导电率较高的物质发射率较小， 的物质发射率较小 电系数较高或导电率较高的物质发射率较小，而反射系数较 在相同温度下， 大。在相同温度下，高导电率材料较低导电材料的辐射温度 即较冷。如图几种物质35GHz时的表面辐射温度 低，即较冷。如图几种物质 时的表面辐射温度
探测与识别技术
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第六章、 第六章、毫米波探测技术
本章学习要求： 本章学习要求：
1．理解毫米波探测的理论基础 ． 2. 毫米波天线理论基础 3．熟练掌握毫米波辐射计的探测原理 ．
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第六章 毫米波探测技术 典型应用之一—毫米波芯片 典型应用之一 毫米波芯片
IBM silicon germanium芯片组 芯片组 IBM的科学家近日晚宣布，他们发明出一种小巧、廉价的芯片组，能够 的科学家近日晚宣布，他们发明出一种小巧、廉价的芯片组， 的科学家近日晚宣布 以十倍于目前高级WiFi网络的速度在无线电子设备间传送数据。这种领先的 网络的速度在无线电子设备间传送数据。 以十倍于目前高级 网络的速度在无线电子设备间传送数据 IBM芯片制造工艺名为 芯片制造工艺名为silicon germanium，使用它的芯片组能够在一部分无 芯片制造工艺名为 ， 线频谱之中传递更多信息。这种产品的运用将促使高容量数字媒体格式（ 线频谱之中传递更多信息。这种产品的运用将促使高容量数字媒体格式（如 HDTV）的普及。 IBM的silicon germanium技术可实现设备高度的集成化， 技术可实现设备高度的集成化， ）的普及。 的 技术可实现设备高度的集成化 使用嵌入式天线更进一步节省了系统成本。 使用嵌入式天线更进一步节省了系统成本。 一个芯片组原型产品包括发射器、接收机以及两个天线，仅占到一个10 一个芯片组原型产品包括发射器、接收机以及两个天线，仅占到一个 美分硬币的面积。 美分硬币的面积。
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第六章 毫米波探测技术 6.1 毫米波理论基础
6.1.1 毫米波的概念 什么是毫米波？ 1、 什么是毫米波？ 毫米波是介于微波与光波之间，通常是 毫米波是介于微波与光波之间，通常是30~300GHz频 微波 之间 频 率范围，相应波长为1cm~1mm的电磁波谱。 率范围，相应波长为 的电磁波谱。 2、 毫米波的特点 波长短 在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄的 降低部件、系统体积和重量；提高分辨率， 多。降低部件、系统体积和重量；提高分辨率，有利于探 测相距更近的小目标或更为清晰的观察目标的细节； 测相距更近的小目标或更为清晰的观察目标的细节；（优 点） 天线尺寸小，截获能量小，不适合大范围内探测搜索； 天线尺寸小，截获能量小，不适合大范围内探测搜索；
∆tT = ρ w (θ )t s + ξ w (θ )t w + ρ w (θ )ξ at (θ )t at − ρT t s − ρT t atξ at (θ )
（3）空中金属目标的识别 ） 当天线波束扫描空中金属目标时，利用前式可得到天 当天线波束扫描空中金属目标时， 空和天空中金属目标的对比度： 空和天空中金属目标的对比度：
∆tT = t s (θ ) + ξ at (θ )t at + ρ at (θ )t g ξ g (θ ) − ρT t g − ρT t atξ at (θ )
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
表 毫米波大气窗口
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窗口频率/GHz 窗口频率 相应波长/mm 相应波长 带 宽/GHz
35 8.5 16
94 3.2 23
140 2.1 26
220 1.4 70
注：大气窗口是指在某些波段穿透大气的能力较强。 大气窗口是指在某些波段穿透大气的能力较强。 大气除对毫米波有吸收作用外，还存在散射和折射， 大气除对毫米波有吸收作用外，还存在散射和折射，在 散射 衰减主要由散射损失引起 大气窗口内，毫米波的衰减主要由散射损失引起。 大气窗口内，毫米波的衰减主要由散射损失引起。 6.1.3 辐射模型及被动式目标识别 1、辐射方程 任何物体在一定温度下都要辐射电磁波， 任何物体在一定温度下都要辐射电磁波，或主动式辐射 一定温度下都要辐射电磁波 源通过天线向外也辐射电磁波。 源通过天线向外也辐射电磁波。当这些辐射的电磁波碰到地 面或空中其它物体时，将产生反射、散射、吸收、折射等。 面或空中其它物体时，将产生反射、散射、吸收、折射等。
入射角； 方位角； 极化（包括水平极化和垂直极化） 入射角 ϕ 方位角 极化 θ —入射角； —方位角；pi —极化（包括水平极化和垂直极化） 天空、 天空 地面、大气的真实温度。 t s 、t g 、 at —天空、地面、大气的真实温度。 t
注：本模式没有包括电磁波穿过大气的吸收效应。如避开水 本模式没有包括电磁波穿过大气的吸收效应。 蒸汽和氧的吸收区，假设大气层均无湍流。这种模式在所观 蒸汽和氧的吸收区，假设大气层均无湍流。 测的地面研究和计算有效。 测的地面研究和计算有效。 相应地，当接收天线指向天空， 相应地，当接收天线指向天空，接收天空温度及大气温 度时，如忽略大气衰减，在一定条件下， 度时，如忽略大气衰减，在一定条件下，可得天线附近的温 度为： 度为：
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
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t Bg (θ , ϕ , pi , ∆f ) = ρ g (θ )t s + ξ g (θ )t g + ξ at (θ )tat + ρ g (θ )t atξ at
∆f —接收机的带宽；ρ g —地面反射系数； ξ g 、 at —地面和大气发射率； 接收机的带宽； 地面反射系数； 地面和大气发射率； 接收机的带宽 地面反射系数 ξ 地面和大气发射率
t BT = ρT t s + ρT tatξ at (θ )
ρT—金属目标的反射系数 金属目标的反射系数
地面和金属目标的对比度为： 地面和金属目标的对比度为：
∆tT = t Bg (θ ,ϕ , pi , ∆f ) − t BT
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
（2）水面上金属目标的识别 ）
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激光近炸引信
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
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对于理想导电的光滑表面，如汽车、坦克等。 对于理想导电的光滑表面，如汽车、坦克等。其反射率接 近1。利用反射率和发射率的差异能识别不同的目标。 。利用反射率和发射率的差异能识别不同的目标。 （1）地面金属目标的识别 ） 假设目标正好充满整个波束，大气衰减忽略。 假设目标正好充满整个波束，大气衰减忽略。当辐射天线 扫描到地面时，根据辐射温度公式可以计算出天线附近的温度。 扫描到地面时，根据辐射温度公式可以计算出天线附近的温度。 当天线波束扫描到金属表面时，天线附近的温度为： 当天线波束扫描到金属表面时，天线附近的温度为：
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1 = ρτ + α
=ξ
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
则上式变为： 则上式变为： 1 − ρ r = ξ 2、辐射温度模式
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广义上，任何一个物体都是一个辐射源， 广义上，任何一个物体都是一个辐射源，在一定温度 下物体要发射电磁波， 下物体要发射电磁波，同时也被别的物体发射的电磁波所 照射。 照射。 对于各种目标，辐射的电磁波来自两部分：一部分是 对于各种目标，辐射的电磁波来自两部分： 目标自身的热辐射 另一部分是目标反射其它辐射源的辐 自身的热辐射， 目标自身的热辐射，另一部分是目标反射其它辐射源的辐 辐射计通过观测天线温度的变化而检测目标。因此， 天线温度的变化而检测目标 射。辐射计通过观测天线温度的变化而检测目标。因此， 计算天线温度十分重要。 计算天线温度十分重要。 二维模式 当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时，假设 当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时， 此模式包括了粗糙度、 此模式包括了粗糙度、周期结构和电学性质的变化在内的 表面函数，在天线附近的辐射温度可表示为： 表面函数，在天线附近的辐射温度可表示为：
（缺点） 缺点）
6.1毫米波理论基础 毫米波理论基础
频带极宽
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容许大量系统在此频带内工作而不相互干扰； 优点） 容许大量系统在此频带内工作而不相互干扰；（优点） 要求接收机带宽增大，接收机系统灵敏度降低； 缺点） 要求接收机带宽增大，接收机系统灵敏度降低； （缺点） 从传输特性看 大气窗口内与光 红外比大气衰减较小； 优点） 内与光、 在大气窗口内与光、红外比大气衰减较小； （优点） 在雨、 雾等恶劣气候 通信距离降低； 缺点） 恶劣气候下 在雨、雪、雾等恶劣气候下通信距离降低； （缺点） 6.1.2 大气对毫米波传播的影响 1、大气吸收 大气衰减的极值出现在60Hz，196Hz（这是氧分子的吸收 大气衰减的极值出现在 ， （ 谱线） 谱线）和183GHz（水蒸气的吸收）。 （水蒸气的吸收）。 原因：分子极化。水蒸气是电极化分子，氧气是磁极化分 原因：分子极化。水蒸气是电极化分子， 这些极化分子与入射波作用产生强烈吸收。由于氮、 子。这些极化分子与入射波作用产生强烈吸收。由于氮、氧和 水对毫米波的吸收作用，使大气对毫米波有多个吸收峰。 水对毫米波的吸收作用，使大气对毫米波有多个吸收峰。