1、探测原理,,北京理工大学宇航学院,第六章 毫米波探测技术,6.1. 毫米波探测的物理基础 6.2. 大气对毫米波传播的影响 6.3. 辐射模型及被动金属目标识别 6.4. 毫米波辐射计的测试方程 6.5. 毫米波辐射计的探测原理,6.1 毫米波探测的物理基础,现代物理学指出:自然界所有的物质，只要处在绝对零度以上，在整个电磁波谱上都会自发地向外辐射电磁能量(电磁波)。辐射电磁波的频谱与噪声类似，因而被称为热辐射。物质大量分子无规则的热运动是热辐射现象的原因，物质内部粒子不同的运动产生不同的电磁波。,毫米波是介于微波与光波之间，通常是30300GHz频率范围，相应波长为1cm1mm的电磁波谱。,
2、6.1 毫米波探测的物理基础,1、 什么是毫米波？,2、 毫米波的特点,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）,频带极宽,从传输特性看,在大气窗口内与光、红外比大气衰减较小； （优点）在雨、雪、雾等恶劣气候下通信距离降低； （缺点）,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；（优点）天线尺寸小，截获能量小，不适合大范围内探测搜索；（缺点）,6.1 毫米波探测的物理基础,毫米波是介于微波到光波之间的电磁频谱，这段电磁波与微波相比
3、，区别有：任何物体在一定温度下都要辐射毫米波，可通过用被动方式探测物体辐射毫米波的强弱来识别目标；与微波相比，毫米波的波束窄，方向性好，有极高的分辨率；多普勒频率高，测量精度高，与激光和红外波段相比，毫米波具有穿透烟雾、尘埃的能力，基本可以全天候工作；毫米波段的频率范围正好与电子回旋谐振加热（ECRH）所要求的频率相吻合，许多与分子转动能级有关的特性在 毫米波段没有相应的谱线，因而噪音小。,能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体，叫黑体。在毫米波段，黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的物体。它既是一个良好的吸收体，也是良好的发射体。如果
4、物体处于热平衡状态，则它辐射的能量等于它吸收的能量。理想的完全吸收体或辐射体“黑体”在所有方向上均匀辐射，其热辐射的谱亮度和温度的关系，以及按波长的分布，服从量子力学里的普朗克(Planck)黑体辐射定律。,物体的电磁辐射特性,黑体辐射,毫米波热辐射定律,普朗克证明，假设能量辐射仅以离散能量的量子出现。则一个黑体在温度为T，频率为f，其亮度为：,注：亮度定义是单位频率、单位黑体的发射面积、单位立体角的功率。亮度与频率和温度有关，与方向无关。,Bf：黑体谱亮度； h：普朗克常数=6.6310-34; f：频率，Hz; K：玻耳兹曼常数=1.38x10-23 J.K-1; 入：波长，m C：光速=
5、3x108 m/s; T：温度，K；,在毫米波频段以下区域，有hf/KT1，将普朗克黑体辐射强度公式用指数项级数展开取近似值并整理后得:,简化的瑞利-金斯(Ravleigh-Jeans)表达式,完全吸收并完全发射的绝对黑体实际不存在，它是一种理想的物体。为了与黑体这一术语相对应，实际的物体称为灰体。一个灰体辐射的功率，可用比该灰体实际温度更低的等效黑体所辐射的功率来代替。一般把此等效黑体的温度称为物体的表观温度，也叫亮度温度。物体表观温度与物体实际温度之比定义为该物体的频谱发射率。,表观温度,注：在毫米波探测装置中均将频谱发射率简称为发射率。,黑体的发射率为1，故黑体的表观温度与它的实际温度相
6、等。在毫米波段，吸收室的高吸收材料可以很好近似为黑体，在有限的入射角范围内可以得到高达0.99的发射率。而高导电金属板是良好的反射器，可以把它看作非发射体，其发射率为0。,注意： 红外辐射和微波辐射都属于热辐射； 红外热辐射属于分子光谱范围，红外辐射计记录物质热运动所产生的分子振动能量； 毫米波热辐射属于微波热辐射，常温下毫米波辐射的能量极少，可用高灵敏度的接收机毫米波辐射计进行记录。,功率-温度的对应关系,功率-温度的对应关系,在毫米波段，不同物体的发射率差异很大，发射率较低的物体，不论其温度如何，它自身辐射的能量都较少，而主要是反射周围环境的温度。这种机理使毫米波辐射计在探测金属目标时有一
7、个显著的优点:因为金属目标的发射率很低，它几乎仅仅是反射天空的温度，天空温度不仅较低，且在一定时空范围内基本不变，因而金属目标的毫米波辐射特征很稳定。毫米波辐射计对目标的探测和定位，就是通过对目标背景的毫米波辐射特性测量来进行的。,如一块金属板，发射率为0，常温T=300K，它的表观温度为0；当T=500K时，表观温度仍为0。,功率-温度的对应关系,从频率f到f+f的带宽f范围内，天线接收的总功率P是：,上式表明，在毫米波辐射性的研究中可以用温度(绝对温标K为单位)来表示毫米波辐射功率的大小。,例如，工作于中心频率为94GHz，接收机带宽2GHz的天线，在理想绝热封闭条件下，接收到300K温度
8、的黑体的毫米波辐射功率为:P=1.38x10-23x300x2x109=8.28x10-12w=-141dBm,6.1 毫米波探测的物理基础,由于有以上的特点，毫米波技术的应用范围极广，在雷达、 通信、精确制导等军事武器上有越来越重要的作用，在遥感、 射电天文学、医学、生物学等民用方面也有较广泛的应用。 因此，近几十年来毫米波技术的发展十分迅速。,毫米波有三个基本特点： 波长极短(频率极高) 带宽很宽 在空间传播与大气环境关系密切,毫米波技术 应用领域,毫米波通信毫米波雷达毫米波辐射计毫米波医学应用毫米波辐射治疗仪 毫米波电磁能武器,军事集团局域联网 城市内部局域联网 特殊环境应急通信及现场转
9、播 星间通信,战场侦察雷达 汽车防撞雷达 直升机防撞雷达 主动末制导导引头,目标成像 射电天文观测 被动末制导导引头,毫米波应用,典型应用之一毫米波芯片,IBM silicon germanium芯片组,IBM的科学家近日宣布，他们发明出一种小巧、廉价的芯片组，能够以十倍于目前高级WiFi网络的速度在无线电子设备间传送数据。这种领先的IBM芯片制造工艺名为silicon germanium，使用它的芯片组能够在一部分无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，使用嵌入式天线更进一步
10、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美分硬币的面积。,典型应用之二毫米波武器,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。这种武器的有效射程为455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”使用的是毫米波，对人体皮肤的穿透深度约为0.4毫米，足以造成强烈痛感而实际伤害较小。,毫米波武器系统样机,毫米波应用,毫米波应用,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
11、距离。除雨天、雾天及降雪等视线较差时能了解间距外，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，卖到中国的车型此位置是物品格。,近年来，毫米波制导技术有了惊人的发展，成为开发热点。 同微波雷达相比，毫米波雷达体积小、重量轻，提高了的机动性与隐蔽性；波束窄、分辩力高，能进行目标识别与成像，有利于低角跟踪；频、天线旁瓣低，有利于抗干扰。 同激光与红外制导反装甲武器相比，毫米波制导反装甲武器在其传输窗口的大气衰减和损耗低，穿透云层、雾、和战场烟雾能力强，能在恶劣的气象和环境中正常工作。 特别是毫米波制导和红外制导在使用和性能上互相补充，两者结合能取长补短，可
12、得到很好的作战效果。因此，毫米波/红外复合制导成了最有前途的制导模式之一。,毫米波应用,典型应用之四反坦克导弹,国外研制的毫米波制导反坦克导弹有以下几种： 美国的空地反坦克导弹 “沃斯普”(WASP)：“沃斯普”可由F-16飞机携带，每架载24枚。这种导弹可单枚发射，也可多达12枚成束发射。 美国正在研制的“幼畜(Maverick)AGM-65H”导弹，采用末段毫米波导引头。1991年9月进行了首次发射试验，而在其后进行的试验中，创造了4发4中的记录。美国的“海尔法”导弹的一种改进型，称之为“长弓海尔法”型，采用毫米波导引头，以使之具有“发射后不管”和在恶劣气候条件下作战的能力。,毫米波应用,
13、典型应用之四反坦克导弹,毫米波系统概述,毫米波(MMW)系统的工作体制主要分为主动和被动两种。 主动体制的毫米波雷达自身发射信号，依靠目标的回波进行目标探测和追踪； 被动体制的毫米波辐射计，自身不发射信号，依靠接收目标的毫米波辐射进行目标检测和定位。 被动毫米波探测是利用毫米波辐射计，接收目标、背景在毫米波波段内的自身电磁辐射能量，提取目标的毫米波辐射特征，进行目标识别的技术。,在军事应用中，毫米波辐射计不发射信号和宽带非相参的信号特性，显示出其高隐蔽性、高检测性的特点与很好的抗干扰能力，已广泛应用于多种反装甲毫米波导引头、末敏弹、各种机载及星载被动毫米波成像系统，对地面作战目标的生存能力产生
14、极大的威胁。各种大型人造目标，例如桥梁、导弹发射井、舰船、飞机等;小型人造目标，例如装甲车、卡车等，主要由金属结构组成，其毫米波辐射温度比周围环境低，是毫米波辐射计的主要探测与攻击对象。实践表明，被动毫米波系统能在晴天、阴天、雾天和沙尘环境下有效侦察地面目标，因此，各种地面目标不仅受到各种精确打击武器的主动毫米波雷达的威胁，而且受到毫米波辐射计制导与被动毫米波成像探测的严重威胁。,毫米波技术当前的应用热点和趋势之一是将毫米波系统与其他传感系统进行复合，充分发挥各自探测系统的优点，取长补短，更好地进行目标的探测和识别。多模复合制导是指由多种模式的导引头参与制导，共同完成对导弹的制导任务，其目的是
15、充分发挥各单一制导模式的优点，相互弥补不足，形成制导系统性能的综合优势，其制导精度优于单一模式的导引头，而且抗干扰性能、反隐身性能等也明显优于单一模式的制导系统。,弹载毫米波探测技术有主动式、被动式、半主动式及主被动复合式。主动式能探测到目标的距离、角度和速度，但它在近程时产生目标闪烁效应，使目标的反射特性变得复杂，其跟踪精度受到限制;被动式是靠被动的接受目标的毫米波辐射来工作的，因其频带宽，具有较强的抗干扰能力，隐蔽，无目标闪烁等优点，但其所获得的目标信息量少，且只能工作在很近的距离范围内;主被动复合式综合了精确制导中较为成熟的技术，它结合了主、被动两种工作模式的优点，具有精度高、抗干扰及反
16、隐身能力强、识别真假目标、精确定位等特点。,弹载毫米波探测系统目前常用的波段是Ka波段和W波段(3mm)。从末敏弹研究现状及发展动态来看，国外大多在smm波段的末敏弹研究进入工程研制、少量装备部队后，纷纷进行了3mm波段的末敏弹研制。现西方国家大多采用3mm波段体制。,近代毫米波系统优先选用的频谱分布,6.2 大气对毫米波传播的影响,复习：大气成分大气吸收及选择窗口,在晴朗天气下，大气对毫米波传播的影响包括大气对毫米 波的吸收、散射、折射等。其中，吸收往往是由于分子中电 子的跃迁而形成的，大气中各种微粒可使电磁波发生散射或 折射。这两类效应存在不同的物理性质。,大气成分,大气中绝大部分气体（如
17、 )的含量随着离地面高度升高按指数规律衰减，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。大气中水的含量随气候、地点变化很大。 大气中臭氧的总含量很少，分布也不均匀，主要集中于25km高空附近，在60km以上高空，臭氧的含量很少。 大气中还有一种称为气溶胶的固体，为液体悬浮物，一般有一个固体的核心，外层是液体，它具有不同的折射率和形状，气溶胶的核心可以是风吹起的尘埃、花粉微生物、流星的烧蚀物、海上的盐粒、火山灰等，直径为0.0130 的气溶胶主要分布在5km以下高空。,大气吸收及选择窗口,地球大气中99%的成分是 和 。由于偶极子的作用， 在5
18、mm（60GHz）及2.5mm（118.8GHz）处有两个强的吸收峰。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。大气中的水汽的吸收范围也是十分广泛的，由于水分子的 转动能级跃迁的吸收，使水对微波波段呈现出以下几个吸收峰：0.94mm（317GHz）、1.63mm（183GHz）及13.5mm（22.235GHz）。,大气对毫米波传播的影响,大气吸收：大气衰减的极值出现在60Hz，196Hz（这是氧分子的吸收谱线）和183GHz（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
19、波有多个吸收峰。 大气除对毫米波有吸收作用外，还存在散射和折射，在大气窗口内，毫米波的衰减主要由散射损失引起。,大气和降雨对毫米波传播的影响显著,“大气窗口”：35、94、140和220GHz四个频段上衰减较小 大气吸收频带：60，120，183GHz频段上衰减最大,13000ft海拔高度,海平面高度,大气中对毫米波出现多个吸收峰。,频带极宽 通常选用大气吸收以外的“窗口”表6.1给出了4个毫米波大气窗口的中心频率及其带宽。可见，毫米波频谱资源十分丰富，可用于“信息高速公路”。丰富的频带资源提供了抗干扰、抗截获的另一有效途径宽带扩频技术,表6.1 毫米波大气窗口,注意：大气吸收除与频率有关外，
20、还与气压、温度和绝对温度有关。,大气窗口是指毫米波在某些波段穿透大气的能力很强,大气和降雨对毫米波传播的影响,毫米波信号受降雨衰减较大缺点,与红外、激光相比：毫米波最突出的优点是对雾、云和尘埃等有较强的穿透能力，较少受复杂气象条件和人为干扰的影响，大气和降雨对毫米波传播的影响显著； 毫米波具有穿透等离子体的能力，故在等离子体环境中仍能保持高速飞行器再入大气层时的通信、测量和制导能力。,毫米波优点,6.3 辐射模型及被动金属目标识别,6.3.1. 辐射方程 6.3.2. 辐射温度模式 6.3.3. 物体的毫米波反射率和发射率 6.3.4. 利用辐射差异来识别金属目标 6.3.5. 主动式毫米波探
21、测器对金属目标的识别,6.3.1 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 的平衡条件是：下标 分别表示反射、吸收和透射。归一化可得：式中 反射率 吸收率透射率忽略透入地下的功率，则得：根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于吸收率，即 。则上式变为： 式中 -物体的电磁波发射率,6.3.1 辐射方程,典型地物表面的发射率如表所示。通常，发射率是一个多种因素的复杂函数，它决定于物体的介电常数，表面粗糙程度和实际物理温度等物理性质以及观测方向，波长，极化等条件。,6.3.1 辐射方程,一片干
22、沙，已知其发射率为0.9，当T分别为300K 和400K时，它的表观温度分别是多少？答案： 270K， 360K,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，同时也被别的物体发射的电磁波所照射。 对于各种目标，辐射的电磁波来自两部分：一部分是目标自身的热辐射，另一部分是目标反射其它辐射源的辐射。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。物体本身的毫米波辐射信号，取决于物体的几何特性和介电特性。,6.3.2 辐射温度模式,6.3.2 辐射温度模式,记亮度温度T(,)为描述物体自身的辐射温度，辐射计接收到的辐射主要包括物体自身的辐射、物体散射周围环境
23、及天空的辐射以及传播路径上大气的辐射，将这些辐射之和称为物体的视在温度TAP，它其实就是天线口面附近的亮度表征。在实际应用中，视在温度也即通常意义上的辐射温度。,6.3.2 辐射温度模式,图为辐射计与观测场景的几何关系图。辐射计离地面的高度为H。如图所示，辐射计在方向(,)观测到的地物的视在温度为:,在良好天气条件下，大气辐射的衰减作用可以忽略，La1，为分析方便，旁瓣的影响和天线的效率等因素均不考虑,6.3.2 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，假设已考虑了包括粗糙度、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：式中 入射角 方位角 极
24、化地面反射系数 接收机的带宽分别为天空、地面和大气的真实温度地面和大气的发射率,注意：本模型没有包括电磁辐射穿过大气时的吸收效应。如果避开水蒸气和氧的吸收区，假设大气层无湍流，这种模型在对所观测的地面进行研究是有效的。,6.3.2 辐射温度模式,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，可得天线附近的温度为：式中 大气的反射系数天空辐射温度为简单起见，设天空无云，上面二式可分别简化为：,6.3.3 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 ， 是实数并且无损耗(理想情况），其真实温度为275K。根据菲涅尔公式，在水平和垂直情
25、况下，空气和沙漠界面上的电压反射系数(Rv+RH)的幅值与入射角的关系如图所示。,R,图6.2 空气-沙漠界面电压反射系数R与入射角的关系,红外与毫米波辐射二者都属于电磁热辐射，都由物质内部微粒的运动产生。不同之处在于：因为波长的不同，红外辐射遵循维恩定律，毫米波辐射遵循瑞利一金斯定律，二者有很大的能量差异。地球辐射的能量分布在近红外到微波这一很宽的范围内，大部分能量集中在0-1000m，约占99.8%，而在1以上的毫米波波段只占0.2%。这也是人们通常将物质的热辐射等同于红外辐射的原因。,6.3.3 物体的毫米波反射率和发射率,发射率与入射角的关系如图所示。功率反射系数或反射比为：发射率为：
26、式中，下标H表示水平极化（实线）；下标V表示垂直极化（虚线）,图6.3 空气-沙漠界面电压发射率与入射角的关系,6.3.3 物体的毫米波反射率和发射率,（1）当入射角小于40时，无论是水平极化还是垂直极化，它们的发射系数和反射率随入射角变化较小。 （2）水平极化时，入射角在4090范围内，发射率和反射率变化都较快。垂直极化时，入射角在6090范围内，发射率和反射率变化都较大。 （3）入射角为90范围时，发射率为0，反射率为1。 （4）垂直极化时，存在一个对应的所有入射功率都透入第二种介质（即无反射， ）的入射角。这个角称为布儒斯特角，它的大小视不同材料和波长而异。例如，对于水，在10000MH
27、Z频率时，该角为83（近似）。,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，而反射系数较大。在相同温度下，高导电率材料较低导电材料的辐射温度低，即较冷。如图几种物质35GHz时的表面辐射温度,6.3.4 基于毫米波的目标探测机理,辐射温度模式利用辐射差异来识别目标,6.3.4 基于毫米波的目标探测机理,利用反射率和发射率差异能识别不同的目标对于理想导电的光滑表面，如汽车、坦克、金属物等，其反射率接近1，它与入射角和极化都无关。对于高导电的其他物质，其辐射率小，反射率高。无云天空时可认为辐射率小，反射率高（与金属一样）。,6.3.4.1 地面金属目标的
28、识别 6.3.4.2 水面金属目标的识别 6.3.4.3 空中金属目标的识别,6.3.4.1 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，当天线波束扫描到地面上的金属目标时，天线附近的温度为：式中 金属的反射系数 天空云的温度大气温度地面和金属目标的对比度为：式中 目标温度,6.3.4.1 地面金属目标的识别,假设天空无云，即 =0，则上式简化为：,由此可得，金属目标和地面之间有较高的温度对比度，因此，检测 就能识别地面金属目标。,例题： 设天空温度为50K，地面温度300K，地面反射系数为0.065，地面的发
29、射率为0.935，金属目标的反射系数为1，则地面和金属目标的对比度为多少？ 答案： =234.5K,6.3.4.2 水面金属目标的识别,当天线在水面和金属目标之间扫描时，同样可得：式中 水的反射系数 水的发射系数实际温度,同样可以利用检测 来识别水面金属目标。,6.3.4.3 空中金属目标的识别,当天线波束扫描天空金属目标时，同样可得：利用检测 也能识别或探测空中金属目标。,金属目标，除以上介绍的利用辐射率差识别外，还可通过改变极化方式来识别。,6.3.5 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检测角度信息外，还可检测目标的距离、速度等信息，以及检测目标的辐射亮度、目标大小、
30、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宽5m，则2个脉冲代表目标宽10m，探测过程如图6.4所示。,图6.4 方位及尺寸探测示意图,6.3.5 主动式毫米波探测器对金属目标的识别,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器都采用杂波基准技术。图6.5为典型的以杂波为基准的动目标指示器处理机的原理方框图。采用杂波为基准的探测器，由于目标运动而使目标信号产生多普勒效应，使杂波和目标信号的综合信号产生相位调制，用包络检波器检出多普勒
31、信号进行带通滤波，取出多普勒信号，用门限检测可测出目标的运动参数。由于目标的尺寸太小的关系，因此，这种方法不能探测静止目标。,图6.5 动目标指示器简化原理框图,6.4 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时的探测器叫毫米波辐射计。超外差式辐射计的系统温度为：式中 接收机输入温度（包括天线至接收机输入端的损耗辐射温度）接收机总噪声温度系数2是考虑镜像响应引入的系数天线接收的宽带功率和接收机噪声的静态特性曲线是相同的，在射频范围内，它们都有相同的功率谱。平方律检波器输入端的中频功率密度为：式中 混频输出至检波输入端的功率增益波尔兹曼常数,6.4 毫米波辐射计的距离方程,当系统
32、温度不变时，平方律检波器将产生直流和交流两种输出功率。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2 输出双边带内的噪声变化部分，系数1/2表示考虑镜像边带影响。全功率辐射计的信噪比为：式中 扫描率放大器带宽 中频放大器带宽,6.4 毫米波辐射计的距离方程,设 为辐射计工作类型常数， 为天线辐射温度，则信噪比可表示为： 根据上式也可导出辐射计灵敏度，灵敏度就是最小可检测的温度平均值S/N=1时的 值，灵敏度的一般表示式为：上式中的 由辐射计类型及信号处理方法决定。全功率辐射计的 值为1.对于具有窄带扫描率放大器及相位检波器的迪克式辐射计， 。,6.4 毫米波辐射计的距离方程,从前面
33、讨论可知，可以用天线温度的变化量 来表示辐射计探测目标信号的大小。而 又可利用目标辐射温度对比度 来表示。当考虑天线辐射效率时，可得出以立体角表示的天线温度变化量 与 的关系式为：式中 天线辐射效率天线水平波束的立体角可表示为：式中 天线口径效率 波束效率天线口径直径 主波束立体角 同样，目标等效圆 对应的立体角可用距离 来表示：,6.4 毫米波辐射计的距离方程,由此可以导出被动式毫米波辐射计的距离方程：式中 天线参数对作用距离的影响 目标参数对作用距离的影响辐射计参数对探测距离的影响,6.4 毫米波辐射计的距离方程,式中 平方率检波输出信噪比对作用距离的影响辐射计双边带噪声系数可将探测距离方
34、程进一步简化为：,6.4 毫米波辐射计的距离方程,从上面的分析可知：探测距离直接与天线直径的工作频率有关。天线直径增大，作用距离增加；探测距离与中频放大器频带宽度的四次方根成正比；探测距离与接收机噪声数的平方根成反比；探测距离与输出带宽内的信噪比四次方根成反比。从前面几点关系可知，作用距离与天线直径和工作频率的关系较大，与接收机噪声系数关系次之，与中频放大器带宽和信噪比的关系不太明显。,6.5 毫米波辐射计的探测原理,6.5.1. 辐射计工作原理及体制的选择 6.5.2. 毫米波天线 6.5.3. 中频放大器 6.5.4. 视频放大器设计 6.5.5. 毫米波探测系统示例 6.5.6. 毫米波
35、近感技术的特点 6.5.7. 毫米波近感系统分类,毫米波辐射计的工作原理,毫米波辐射计是一部被动式的接收机，本身不发射信号。它接收到的能量是被天线收集起来的辐射，这些辐射来自场景自身的辐射及其其他辐射源辐射能量的反射。毫米波辐射计主要有全功率辐射计、Dicke（迪克）型辐射计、负反馈零平衡Dicke（迪克）型辐射计、噪声相加型辐射计、相关辐射计等多种类型。其中，全功率型辐射计是结构最简单的一种，同时它是其它各种辐射计的基础。,大气遥感辐射计,全功率辐射计由天线、射频放大器、混频器、本振、中频放大电路、检波器、积分器（低通滤波器）组成。为使辐射计的输出电压V0正比于输入功率，采用了平方律检波器。
36、物体电磁辐射能量被天线接收后，通过天线、传输线及有关部件得到天线输出端的信号温度Ts表示为：,全功率辐射计原理图,Ta:表示物体对应的天线温度； T0:表示天线及传输线的环境温度；L:天线及传输件的损耗因子,能量进一步传输，经过混频、中放、平方律检波和低频放大，其转化为电压信号，得出该电压表达式为：,式中：k波尔兹曼常数； 高频前端等效噪声带宽；平方律检波器的功率灵敏度系数； G 检波前功率增益； Gv 低通滤波器电压增益,假定金属目标具有均匀辐射温度TT，对应天线温度为TBT，地面背景的辐射温度为TG，对应天线温度为TBG。结合上式可知，当被动毫米波探测器分别扫描地面背景和金属目标时输出电压
37、分为：,在探测器工作过程中，天线波束在目标和地面背景之间交替扫描，探测器输出端产生的电压变化量为：,6.5.1 辐射计体制的选择,全功率辐射计和迪克比较辐射计（典型的辐射计），二者的灵敏度分别如下式所示：全功率辐射计：迪克比较辐射计：式中 比较负载的噪声温度接收机有效噪声温度,分析以上两式可知，当积分时间大于1s，系统带宽为500MHz，接近于零时，有： 当 时，迪克式辐射计比全功率辐射计的灵敏度要高几个数量级。 当 时，全功率辐射计优于迪克式辐射计。 当积分时间 时，由于积分时间对灵敏度的影响比增益起伏的影响大，此时迪克式辐射计和全功率辐射计的灵敏度相近，可选用简单的全功率辐射计。 迪克式辐
38、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 是完全可以做到的，因此全功率辐射计得到越来越多的应用。,6.5.1 辐射计体制的选择,6.5.2 毫米波天线,6.5.2.1 天线的类型及选择 6.5.2.2 毫米波近感探测器天线类型,毫米波天线的类型,喇叭天线,角锥喇叭,宽带双脊喇叭,同轴双向喇叭,透镜天线,利用光学透镜原理，焦点处的点光源经透镜折射后能成平面波。如图所示：,6.5.2.1 天线的类型及选择,抛物面天线还可分为旋转抛物面天线、切割抛物面天线、柱形抛物面天线、球形面天线等。旋转抛物面天线主瓣窄、副瓣低、增益高、方向图为针状。 抛物面天线的增益近似为:,抛物面天线
39、,D天线口径；天线效率；,前馈抛物面天线,介质棒天线,利用一定形状介质棒作辐射源。天线的性能取决于介质棒的尺寸、介质电常数、损耗等。增加棒的直径可以减小波瓣宽度，利用高介电常数的介质棒可以缩短辐射长度。,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，适合用于飞行器共形的探测器，如在毫米波引信上使用，可以成各种形状以调整天线方向图。,微带天线,6.5.2.1 天线的类型及选择,辐射计接收的信号相当于天线温度 ，它由主瓣和旁瓣的 响应分量构成，即为：式中 主瓣立体角旁瓣立体角前面分析天线温度时均忽略副瓣效应，为达到忽略副瓣的目的，一般必须选择透镜一类无阻塞的孔径天线。对近距离
40、辐射计，应采用较好的天线，如透镜天线和喇叭天线等。,6.5.2.1 天线的类型及选择,天线波束的特性对辐射计系统的副瓣起主要作用，当作用距离从几米到几百米时，某些应用所要求的距离很短，不能达到天线所要求副瓣单元的远区场范围。标准远区场的距离为：式中 天线直径将天线聚焦至菲涅尔区内可缩短最小范围而仍保持远区场特性，采用菲涅尔区聚焦的最小距离为：,6.5.2.2 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、缝隙天线、漏波天线、介质棒天线、微带天线和天线阵等。毫米波天线主瓣波束要窄，工作频带要宽，以提高灵敏度，另一方面还要求副瓣电平在-20dB以下。探测距离在200300m
41、之间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。探测距离在30200m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，以获得目标距离和速度信息。,6.5.3 中频放大器,6.5.3.1 中频放大器带宽 6.5.3.2 中频增益选择,6.5.3.1 中频放大器带宽,进入接收机的毫米波信号经混频器变为中频，以便放大和滤波。可通过增加系统检波器前的带宽B来提高灵敏度。但是，在选择检波器系统带宽是，必须考虑谱分辨率和器件水平等因素。增加系统带宽等效于降低
42、频谱灵敏度。根据所用的射频和中频器件，当电路的频谱灵敏度降低时，很难获得接近于平直的频率响应曲线。电路的频谱灵敏度为：式中 中心频率有效带宽可见，增加中频带宽是增加系统有效带宽的关键，但是，对于工作于双边带的接收机来说，中频频率的上限受到射频带宽的限制。,6.5.3.2 中频增益选择,中频增益的选择对获得最佳系统特性具有决定性作用。为保证辐射计的输出电压精确地反映场景温度分布，必须要有足够的中频增益，包络检波器必须工作于平方律范围，终端各级的噪声必须很低。为了有足够的中频增益，应保证：式中 任意常数 检波前系统的增益辐射计的平方律检波和终端放大器的最小可检波温度若A=10，则终端噪声电压为10
43、%。对于晶体检波器，有：,6.5.3.2 中频增益选择,式中 波尔兹曼常数 平方律检波器功率灵敏度常数，V/W 环境温度 平方律检波放大器的增益平方律放大器噪声系数终端放大器带宽包括上、下中频边带的接收机噪声带宽,6.5.3.2 中频增益选择,式中 中放输出功率 超外差式辐射计的系统温度 检波前的系统总带宽 混频至终端的噪声系数,为使包络检波器工作在平方律范围，可通过在检波曲线上选择适当的工作点来满足。中放净增益决定于：,6.5.4 视频放大器设计,6.5.4.1 视频放大器的增益计算 6.5.4.2 视频放大器频率特性,6.5.4.1 视频放大器的增益计算,设被探测温度的动态范围是 ，则加至
44、终端放大器输入端的相应电压由下式决定：系统温度的最小和最大值分别为：式中 由天线和传输线引起的损耗因子通常规定了辐射计的输出电压斜率，视频增益为：,6.5.4.1 视频放大器的增益计算,设计中应注意前端的增益和补偿要求，当射频损耗下降是，则系统灵敏度增高。射频损耗电量减小是时，检波前的系统增益应提高，同时视频增益必须降低，直流补偿电压也明显下降。,6.5.4.2 视频放大器频率特性,为设计视频放大器，必须分析检波输出和信号特征，对于一般天文遥感辐射计来说，检波输出为一固定直流电压，根据电压高低来测试环境及目标的温度。对于近程辐射计来说，检波输出为一种矩形脉冲。从图可知，扫描速度为：式中 辐射计
45、绕下落轴的转速；辐射计天线轴线与下降轴的夹角；辐射计起始扫描的高度。,图6.6 地对空扫描辐射计算 运动示意图,可采用高斯型函数来近似，即式中 所以式中的a和b均为波形常熟，可通过计算机逼近来求出。对上式进行傅立叶变换得：,6.5.4.2 视频放大器频率特性,频谱上限频率 与波系数b、高度H、角速度 及倾斜角 均有关。低通滤波器的等效积分时间为设计低通滤波器时，应根据天线温度波形的计算，对温度波形进行波形逼近，用某一函数表示检波输出波形，再根据频谱分析，求出低通滤波器的频谱分布及频率上限。,6.5.4.2 视频放大器频率特性,6.5.5 毫米波探测系统示例,6.5.5.1 毫米波雷达 6.5.
46、5.2 毫米波辐射计,6.5.5.1 毫米波雷达,毫米波雷达系统简化原理框图如图6.7所示毫米波发射机经环流器和天线发出毫米波射频信号，射频信号遇到目标后反射到天线，经环流器进入混频器。在混频器中，回波毫米波信号与本机振荡器混频，输出差频信号（中频）。差频信号经中频放大器、视频检波器和视频放大器，最后输入到信号处理器。在信号处理器中可实现测距、测速测角。目标识别等功能，最后输出发火控制信号。,图6.7 毫米波雷达系统简化原理框图,6.5.5.1 毫米波雷达,灵巧弹药中应用的毫米波雷达可分为多种体制，包括毫米波多普勒雷达、毫米波调频雷达、毫米波脉冲雷达、毫米波脉冲压缩雷达、毫米波脉间频率步进雷达
47、、毫米波脉冲调频雷达 、毫米波脉间调频雷达、毫米波噪声雷达等等。 雷达可获得的信息为目标的方位信息、目标与灵巧弹药间的距离信息、目标的速度信息、目标的极化信息、目标的外型信息。目前灵巧弹药雷达的工作频率主要有35GHz和94GHz两个频段。,6.5.5.2 毫米波辐射计,灵巧弹药中，毫米波辐射计利用地面目标与背景之间毫米波辐射的差异来探测及识别目标。毫米波辐射计实质上是一台高灵敏度接收机，用于接受目标与背景的毫米波辐射能量。一般简单的弹载毫米波全功率辐射计原理框图如图6.8所示。,图6.8 弹载毫米波全功率辐射计原理框图,6.5.5.2 毫米波辐射计,当辐射计天线波束在地面背景与目标之间扫描时
48、，由于目标与背景（地面）之间的毫米波辐射温度不同，辐射计输出一个钟形脉冲，利用此脉冲的高度、宽度等特征量，可识别地面目标的存在。若采用高分辨率或成像辐射计时，辐射计输出信号不但反映目标与背景之间的对比度，而且还可获得二维的目标尺寸的特征及目标图像。,6.5.6 毫米波近感技术的特点,毫米波近感技术研究几十厘米至几公里范围内目标的探测与识别技术，与远程探测器相比，毫米波近感技术有如下特点：存在体目标效应。在近程条件下，特别是作用距离与目标尺寸可以相比拟时，不能将目标看作点目标来分析，应考虑目标区存在的辐射效应的影响。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。,目标闪烁效应严重。当作用距离在几百米以内时，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。由于幅设计接受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。,
