毫米波探测技术

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8.3 辐射模型及被动金属目标识别
8.3.1 辐射方程 当电磁辐射以平面波的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,剩下部分则渗入内层或浅表层。根据能量守恒 定律,入射功率Wi 的平衡条件为 8.3.2 辐射温度模式 当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时,假设已包括了粗糙度、周 期结构和电学性质的变化在内的表面函数,则天线附近的辐射温度可用以 下模型表示:
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
探测距离为30~200m 的毫米波探测器可采用小口径喇叭天线、透镜天 线,以获得目标距离、角度、速度信息。探测距离在30m 以内的近程毫 米波探测器要用体积小、可靠性好的介质棒天线、缝隙天线、小口径透 镜天线,能获得目标距离和速度信息。
(1)喇叭天线 喇叭天线由矩形波导开口扩大而成。它馈电容易,方向图容易控制,副瓣
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8.3 辐射模型及被动金属目标识别
8.3.4 利用辐射差异来识别金属目标 自然界各种物质的辐射特性都不相同。一般来说,相对介电系数高的物质,
发射率较小,反射率较高。在相同的物理温度下,高导电材料比低导电材 料的辐射温度低。图8-4所示为各种物质35GHz频率的表面辐射温度。 1. 地面金属目标的识别 为分析方便,假设目标正好充满整个波束,大气衰减忽略不计。 当辐射计天线扫描到地面时,可计算出天线附近的温度,当天线波束扫描 到金属目标时,天线附近的温度为TBg (θ,φ,pi,Δf)。
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8.1 毫米波探测的物理基础
大气中水汽的吸收范围也是十分广泛的,从可见光、红外线直至微波,到 处可发现H2O 的吸收峰。大气中水的含量一般随时间、地点变化 0.1%~3%。由于水汽的转动能级跃迁的吸收,使水对微波波段呈现出几 个吸收峰:0.94mm (317GHz)、1.63mm (183GHz)及13.5mm (22.235GHz)。综上所述,大气中对毫米波出现多个吸收峰,大气窗口是指 毫米波在某些波段穿透大气的能力较强。取4个毫米波大气窗口的中心 频率及其带宽列入表8-1。
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8.2 毫米波探测的特点
由式(8-2)可见,即使是处于同一温度的不同物体,也会因不同辐射率而有 不同的辐射能量。金属目标的亮度温度比非金属目标的亮度温度低得多, 因而即使在物质绝对温度相同的情况下,毫米波辐射计也可以明确地区分 出金属目标和非金属目标。
8.2.2 毫米波近感技术的特点 毫米波近炸引信所采用的毫米波近感技术是研究几十厘米至几百米范围
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8.1 毫米波探测的物理基础
1. 大气成分 大气中绝大部分气体(如N2、O2、CO2)的含量随着离地面高度升高以指
数规律衰减,每升高15km 约减小9/10。大气中的水汽主要分布在5km 以 下,在12km 以上几乎不存在水汽,大气中的水汽也是造成天气现象的主 要因素,它以汽、云、雾、雨、冰等各种形态出现。大气中水的含量随气 候、地点变化很大。 2. 大气吸收及选择窗口 地球大气中99%的成分是N2 和O2。由于偶极子的作用,O2 在5mm (60GHz)及2.5mm (118.8GHz)处有两个强的吸收峰。CO2 对紫外线及红 外线有强的吸收峰出现,但对毫米波影响不大。
2. 毫米波近感探测器天线类型 毫米波天线有抛物面天线、喇叭天线、透镜天线,还有尺寸更小的缝隙天
线、漏波天线、介质棒天线、微带天线和天线阵。毫米波天线主瓣波束 要窄,而工作频带要宽,以提高灵敏度,另外,要求副瓣电平在-20dB以下。 探测距离为200~300m 的主动式毫米波探测器,采用大口径抛物面天线、 透镜天线和微带天线阵。
8.2 毫米波探测的特点
8.2.1 毫米波探测的特点 毫米波探测的主要特点包括以下几方面。 ①穿透大气的损失较小,具有穿透烟雾、尘埃的能力,基本可以全天候工
作。红外、激光和可见光在大气中的衰减比较大,在光电波段的某些区域 内,通过大气的衰减量可达到每千米40~100dB,也就是说,每通过1km 后 信号强度只剩下1/100~1/10。 ②抗干扰能力强。毫米波在其相应于35GHz、94GHz、140GHz和 220GHz的4个主要大气窗口的带宽分别为16GHz、23GHz、26GHz和 70GHz,说明它无论是大气窗口还是吸收带,都有相当宽的频率范围,这样 选择工作频率的范围较大,因而探测器设计灵活,抗干扰能力强。 ③波束窄,测量精度高,方向性好,分辨能力强。雷达分辨目标的能力取决 于天线波束宽度,波束越窄,则分辨率越高,天线波束宽度(波束主瓣半功率 点波宽)为
任何物体在一定温度下都要辐射毫米波,可从用被动方式探测物体辐射毫 米波的强弱来识别目标。毫米波的频带极宽,在4个主要大气窗口35GHz、 94GHz、140GHz和220GHz中,可利用的带宽分别为16GHz、23GHz、 26GHz和70GHz,每个窗口宽度都接近或大于整个厘米波段的频带;3个 60GHz、119GHz和183GHz的吸收带,也具有相当宽的频带。
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8.3 辐射模型及被动金属目标识别
8.3.3 物体的毫米波反射率和发射率 以空气与沙漠界面为例,沙漠的复介电常数为ε=3.2+j0,是实数并且无损
耗,其真实温度为275K。 根据菲涅耳公式,在水平和垂直情况下,空气-沙漠界面电压反射系数R 与
入射角θ的关系如图8-2所示。空气-沙漠界面发射率ε 与入射角θ 的关系 如图8-3所示。 功率反射系数或反射比为
波。透镜天线如图8-9所示。透镜天线面上相位一致。 (4)介质棒天线 介质棒天线利用一定形状介质棒做辐射源。该天线的性能取决于介质棒
的尺寸(电长度和直径)、介电常数、损耗等。
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
介质棒天线如图8-10 所示,一个工作在81.5GHz的介质棒天线的H 面辐 射方向图如图8-11所示,其介质棒材料为介电系数εr=2.1的聚四氟乙烯,其 长度为20mm。
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
可见,对于一般积分时间大于1s的辐射计,当ΔG/G>10-3时,采用迪克式辐 射计较为合适。但迪克式辐射计结构比较复杂,目前,由于元器件及系统 设计的改进,系统增益起伏ΔG/G<10-4是完全可以做到的,因此越来越多 地采用全功率辐射计。
当积分时间τ<10ms时,由于积分时间对灵敏度的影响比增益起伏的大,此 时采用迪克式辐射计和全功率辐射计的灵敏度均相近,可选用简单的全功 率辐射计,如高速扫描的弹载近距离辐射计。
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8.2 毫米波探测的特点
(3)容易实现极近距离探测 近程引信回波的延迟时间一般为几十至几百纳秒,测距较困难。例如,调
频引信的最小探测距离与调制频偏成反比,当最小作用距离为几米时,其 频偏应为几百兆赫。这样宽的频偏,对于一般米波引信是难以实现的,对 于一般厘米波引信也较难实现,但在毫米波段实现则比较方便。 (4)信号处理时间短 各种毫米波引信工作时,由于目标和弹丸之间的相对速度极快,弹目相遇 时间很短,其信号处理的时间仅几毫秒,从而给信号处理带来较大困难。 (5)体积小,质量轻,结构简单,成本低 近程毫米波探测器应用广泛,应用的数量较多,根据现已达到的技术水平, 可以使系统满足体积小、质量轻、结构简单、性能好和成本低的要求。
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8.4 毫米波辐射计的距离方程
用被动探测方式检测目标毫米波辐射的探测器叫毫米波辐射计。 超外差式辐射计的系统温度为 在全功率辐射计中,信号功率就是输出功率的交流部分,它是在2BN 输出
双边带内的噪声变化部分。2表示考虑镜像边带影响。全功率辐射计的 信噪比为
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
(2)目标闪烁效应严重 当作用距离为几百米以内时,金属目标对毫米波产生严重的闪烁效应,使
引信测角的精度下降,难以识别目标中心。因此,在近程范围内,为提高探 测精度,往往利用毫米波辐射计作为探测器,由于辐射计接收的是目标及 背景辐射的毫米波噪声,目标闪烁效应影响可以忽略,可利用角度信息准 确识别目标的几何中心。
图8-1示出了大气衰减和频率的关系。图中实线表示在压强 p=101.325kPa、温度T =20℃、水汽密度=7.5g/m3 时的吸收曲线;虚线 表示在4000m 高空,T =0℃、水汽密度=1.0g/m3 下的吸收曲线。从图81可见,大气吸收除与频率有关外,还与气压、温度和绝对温度有关。
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8.3 辐射模型及被动金属目标识别
2. 水面金属目标识别 当天线在水面和金属目标之间扫描时,同样可得 3. 空中金属目标识别 当天线波束扫描天空金属目标时,同样可得
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8.3 辐射模型及被动金属目标识别
8.3.5 主动式毫米波探测器对金属目标的识别 主动式探测系统除了可测角度信息外,也可测目标的距离、速度等信息,
低、频带宽、使用方便。各种毫米波喇叭天线如图8-7所示。 (2)抛物面天线 抛物面天线的增益近似为
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
抛物面天线还可分为旋转抛物面、切割抛物面、柱形抛物面、球面等。 抛物面毫米波天线如图8-8所示。
旋转抛物面主瓣窄,副瓣低,增益高,方向图为针状。 (3)透镜天线 透镜天线利用光学透镜原理,在焦点处的点光源经透镜折射后能成为平面
第8章 毫米波探测技术
1 ８.１ 毫米波探测的物理基础 2 ８.２ 毫米波探测的特点 3 ８.３ 辐射模型及被动金属目标识别 4 ８.４ 毫米波辐射计的距离方程 5 ８.５ 毫米波辐射计的探测原理 6 ８.６ 毫米波探测技术的应用
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8.1 毫米波探测的物理基础
毫米波通常是指波长为1~10mm 的电磁波,其对应的频率范围为 30~300GHz。毫米波是介于微波到光波之间的电磁频谱,它位于微波与 远红外波相交叠的波长范围,因而兼有两种波谱的特点。毫米波的理论和 技术分别是微波向高频的延伸与光波向低频的发展。
(5)微带天线 微带天线如图8-12所示。它是在微带基片上制作一片金属环或线,用来辐
射毫米波。该天线截面积小,适合用于与飞行器共形的探测器,如在毫米 波引信上使用。微带天线可以设计成各种形状以调整天线方向。
还可检测目标的辐射亮度、目标大小、速度、波的偏振效应、调制情况 及分辨率等。其中,亮度、大小和速度是最主要的识别特征。 通过扫描探测,在出现目标的地方会得到脉冲信号。该信号的宽度可以用 标准脉冲来测定。如一个脉冲代表目标5m,则2个脉冲即为10m 宽,方位 及尺寸探测示意图如图8-5所示。 一般弹载对地面目标的探测装置均采用非相干体制。绝大多数活动目标 的探测都采用杂波基准技术,图8-6为典型的以杂波为基准的活动目标指 示器处理机的原理框图。
目标的探测与识别技术。与远程探测器相比,毫米波近感技术具有如下特 点。 (1)存在体目标效应
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8.2 毫米波探测的特点
在近程条件下,特别是作用距离与目标的尺寸可以相比拟时,不能将目标 看作点目标来分析,应考虑目标区存在的散射效应的影响。此时,目标的 近区散射极为复杂,多普勒频率不能看作单一频率,应按一定带宽的频谱 来分析。
由前述已知,辐射计就是一台超外差接收机,但辐射计与一般超外差接收 机有着十分明显的差别。例如,一般标准的外差接收机只覆盖一个很窄的 瞬时带宽,在一个有限的频率范围内调谐,而典型的辐射计的带宽很宽。
8.5.1 辐射计体制的选择 典型的辐射计有全功率辐射计和迪克比较辐射计,二者的灵敏度分别见式
(8-28)和式(8-29)。 全功率辐射计
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
8.5.2 毫米波天线 1. 天线的选择 辐射计接收的信号相当于天线温度Ta ,它由主瓣和旁瓣的相应分量构成,
即
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8.5 毫米波辐射计的探测原理
天线波束的特性对辐射计系统的分瓣起主要作用,当作用距离为几米至几 百米时,某些应用所要求的距离很短,不能达到天线所要求分瓣单元的远 区场范围。标准远区场的距离为