第六章毫米波探測(cè)技術(shù)

第六章、毫米波探測(cè)技術(shù)本章學(xué)習(xí)要求：1．理解毫米波探測(cè)的理論基礎(chǔ)2.毫米波天線理論基礎(chǔ)3．熟練掌握毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理探測(cè)與識(shí)別技術(shù)第六章毫米波探測(cè)技術(shù)典型應(yīng)用之一—毫米波芯片

IBMsilicongermanium芯片組

IBM的科學(xué)家近日晚宣布，他們發(fā)明出一種小巧、廉價(jià)的芯片組，能夠以十倍于目前高級(jí)WiFi網(wǎng)絡(luò)的速度在無(wú)線電子設(shè)備間傳送數(shù)據(jù)。這種領(lǐng)先的IBM芯片制造工藝名為silicongermanium，使用它的芯片組能夠在一部分無(wú)線頻譜之中傳遞更多信息。這種產(chǎn)品的運(yùn)用將促使高容量數(shù)字媒體格式（如HDTV）的普及。IBM的silicongermanium技術(shù)可實(shí)現(xiàn)設(shè)備高度的集成化，使用嵌入式天線更進(jìn)一步節(jié)省了系統(tǒng)成本。一個(gè)芯片組原型產(chǎn)品包括發(fā)射器、接收機(jī)以及兩個(gè)天線，僅占到一個(gè)10美分硬幣的面積。典型應(yīng)用之二—毫米波武器

毫米波武器外表像碟形衛(wèi)星天線，能發(fā)射出一種高能毫米波，人被射中后瞬間產(chǎn)生劇烈灼痛感，從而被迫放下武器，或者立即逃離。這種武器的有效射程為455米。這種武器如在戰(zhàn)亂地區(qū)使用，將會(huì)有效避免人員傷亡?！爸鲃?dòng)壓制系統(tǒng)”使用的是毫米波，對(duì)人體皮膚的穿透深度約為0.4毫米，足以造成強(qiáng)烈痛感而實(shí)際傷害較小。毫米波武器系統(tǒng)樣機(jī)

第六章毫米波探測(cè)技術(shù)第六章毫米波探測(cè)技術(shù)典型應(yīng)用之三—毫米波雷達(dá)

毫米波雷達(dá)主要作用是測(cè)量與車輛前方100米左右的障礙物間的相對(duì)速度。追蹤監(jiān)視器將在監(jiān)視器中顯示與前車及對(duì)面車輛的距離。除雨天、霧天及降雪等視線較差時(shí)能了解間距外，還可以當(dāng)車速超過(guò)一定數(shù)值接近前車時(shí)發(fā)出警報(bào)通知駕駛員。但此裝置只在日本本土的車型上配備，賣到中國(guó)的車型此位置是物品格。

6.1毫米波理論基礎(chǔ)毫米波是介于微波與光波之間，通常是30~300GHz頻率范圍，相應(yīng)波長(zhǎng)為1cm~1mm的電磁波譜。波長(zhǎng)短在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄的多。降低部件、系統(tǒng)體積和重量；提高分辨率，有利于探測(cè)相距更近的小目標(biāo)或更為清晰的觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)；（優(yōu)點(diǎn)）天線尺寸小，截獲能量小，不適合大范圍內(nèi)探測(cè)搜索；（缺點(diǎn)）

6.1.1毫米波的概念第六章毫米波探測(cè)技術(shù)1、什么是毫米波？

2、毫米波的特點(diǎn)

6.1毫米波理論基礎(chǔ)容許大量系統(tǒng)在此頻帶內(nèi)工作而不相互干擾；（優(yōu)點(diǎn)）要求接收機(jī)帶寬增大，接收機(jī)系統(tǒng)靈敏度降低；（缺點(diǎn)）

頻帶極寬從傳輸特性看在大氣窗口內(nèi)與光、紅外比大氣衰減較小；（優(yōu)點(diǎn)）在雨、雪、霧等惡劣氣候下通信距離降低；（缺點(diǎn)）

6.1.2大氣對(duì)毫米波傳播的影響1、大氣吸收

大氣衰減的極值出現(xiàn)在60Hz，196Hz（這是氧分子的吸收譜線）和183GHz（水蒸氣的吸收）。原因：分子極化。水蒸氣是電極化分子，氧氣是磁極化分子。這些極化分子與入射波作用產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收。由于氮、氧和水對(duì)毫米波的吸收作用，使大氣對(duì)毫米波有多個(gè)吸收峰。大氣除對(duì)毫米波有吸收作用外，還存在散射和折射，在大氣窗口內(nèi)，毫米波的衰減主要由散射損失引起。6.1毫米波理論基礎(chǔ)窗口頻率/GHz3594140220相應(yīng)波長(zhǎng)/mm8.53.22.11.4帶

寬/GHz16232670表毫米波大氣窗口

注：大氣窗口是指在某些波段穿透大氣的能力較強(qiáng)。

6.1.3輻射模型及被動(dòng)式目標(biāo)識(shí)別

1、輻射方程

任何物體在一定溫度下都要輻射電磁波，或主動(dòng)式輻射源通過(guò)天線向外也輻射電磁波。當(dāng)這些輻射的電磁波碰到地面或空中其它物體時(shí)，將產(chǎn)生反射、散射、吸收、折射等。一般認(rèn)為，外來(lái)的電磁輻射以平面波前形式傳播到一平坦的表面時(shí)，一部分電磁波被反射或散射，另一部分被吸收，剩下部分透入地下或淺表層。根據(jù)能量守恒定律，入射功率Pi的平衡條件是：6.1毫米波理論基礎(chǔ)

下標(biāo)ρ、α、τ、分別表示反射、吸收和透射。

將上式用Pi歸一化得：

反射率

吸收率

透射率

如果忽略透入地下的功率，可以得到：根據(jù)基爾霍夫定律，物體的發(fā)射率等于吸收率，即則上式變?yōu)椋?.1毫米波理論基礎(chǔ)2、輻射溫度模式廣義上，任何一個(gè)物體都是一個(gè)輻射源，在一定溫度下物體要發(fā)射電磁波，同時(shí)也被別的物體發(fā)射的電磁波所照射。對(duì)于各種目標(biāo)，輻射的電磁波來(lái)自兩部分：一部分是目標(biāo)自身的熱輻射，另一部分是目標(biāo)反射其它輻射源的輻射。輻射計(jì)通過(guò)觀測(cè)天線溫度的變化而檢測(cè)目標(biāo)。因此，計(jì)算天線溫度十分重要。二維模式當(dāng)接收機(jī)接收地面或水面的輻射和目標(biāo)輻射時(shí)，假設(shè)此模式包括了粗糙度、周期結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)的變化在內(nèi)的表面函數(shù)，在天線附近的輻射溫度可表示為：6.1毫米波理論基礎(chǔ)—入射角；—方位角；—極化（包括水平極化和垂直極化）—接收機(jī)的帶寬；—地面反射系數(shù)；、—地面和大氣發(fā)射率；、、—天空、地面、大氣的真實(shí)溫度。注：本模式?jīng)]有包括電磁波穿過(guò)大氣的吸收效應(yīng)。如避開(kāi)水蒸汽和氧的吸收區(qū)，假設(shè)大氣層均無(wú)湍流。這種模式在所觀測(cè)的地面研究和計(jì)算有效。相應(yīng)地，當(dāng)接收天線指向天空，接收天空溫度及大氣溫度時(shí)，如忽略大氣衰減，在一定條件下，可得天線附近的溫度為：自然界各種物質(zhì)的輻射特性不相同，一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)介電系數(shù)較高或?qū)щ娐瘦^高的物質(zhì)發(fā)射率較小，而反射系數(shù)較大。在相同溫度下，高導(dǎo)電率材料較低導(dǎo)電材料的輻射溫度低，即較冷。如圖幾種物質(zhì)35GHz時(shí)的表面輻射溫度6.1毫米波理論基礎(chǔ)3、利用輻射差異來(lái)識(shí)別目標(biāo)激光近炸引信

對(duì)于理想導(dǎo)電的光滑表面，如汽車、坦克等。其反射率接近1。利用反射率和發(fā)射率的差異能識(shí)別不同的目標(biāo)。（1）地面金屬目標(biāo)的識(shí)別假設(shè)目標(biāo)正好充滿整個(gè)波束，大氣衰減忽略。當(dāng)輻射天線掃描到地面時(shí)，根據(jù)輻射溫度公式可以計(jì)算出天線附近的溫度。當(dāng)天線波束掃描到金屬表面時(shí)，天線附近的溫度為：6.1毫米波理論基礎(chǔ)

ρT—金屬目標(biāo)的反射系數(shù)

地面和金屬目標(biāo)的對(duì)比度為：（2）水面上金屬目標(biāo)的識(shí)別6.1毫米波理論基礎(chǔ)（3）空中金屬目標(biāo)的識(shí)別

當(dāng)天線波束掃描空中金屬目標(biāo)時(shí)，利用前式可得到天空和天空中金屬目標(biāo)的對(duì)比度：能夠在熱力學(xué)定理允許的范圍內(nèi)最大限度地把熱能轉(zhuǎn)變成輻射能的理想輻射體，叫黑體。在毫米波段，黑體就是在該頻段所有頻率上都能吸收落在它上面的全部輻射而無(wú)反射的物體。它是一個(gè)良好的吸收體，還是良好的發(fā)射體。

1901年普朗克通過(guò)證明，假設(shè)能量輻射僅以離散能量的量子出現(xiàn)。則一個(gè)黑體在溫度為T，頻率為f，其亮度為：6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理

6.2.1物體的電磁輻射特性第六章毫米波探測(cè)技術(shù)1、黑體輻射

h—普朗克常數(shù)；K—波爾茲曼常數(shù)；C—光速t—溫度，K；f—頻率完全吸收并完全發(fā)射的絕對(duì)黑體實(shí)際不存在，它是一種理想的物體。為了與黑體這一術(shù)語(yǔ)相對(duì)應(yīng)，實(shí)際的物體稱為灰體。一個(gè)灰體輻射的功率，可用比該灰體實(shí)際溫度更低的等效黑體所輻射的功率來(lái)代替。一般把此等效黑體的溫度稱為物體的表觀溫度，也叫亮度溫度。物體表觀溫度與物體實(shí)際溫度之比定義為該物體的頻譜發(fā)射率。注：亮度定義是單位頻率、單位黑體的發(fā)射面積、單位立體角的功率。亮度與頻率和溫度有關(guān)，與方向無(wú)關(guān)。2、表觀溫度

6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理注：在毫米波探測(cè)裝置中均將頻譜發(fā)射率簡(jiǎn)稱為發(fā)射率。黑體的發(fā)射率為1，故黑體的表觀溫度與它的實(shí)際溫度相等。在毫米波段，吸收室的高吸收材料可以很好近似為黑體，在有限的入射角范圍內(nèi)可以得到高達(dá)0.99的發(fā)射率。對(duì)于高導(dǎo)電金屬板是良好的反射器，可以把它看作非發(fā)射體，其發(fā)射率為0。

如一塊金屬板，發(fā)射率為0，常溫t=300K，它的tap=0；當(dāng)t=500K時(shí)，表觀溫度仍為0。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理6.2.2天線的基礎(chǔ)知識(shí)1、天線的地位和作用

無(wú)線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過(guò)饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來(lái)（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過(guò)饋線送到無(wú)線電接收機(jī)?？梢?jiàn)，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無(wú)線電設(shè)備，沒(méi)有天線也就沒(méi)有無(wú)線電通信。按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達(dá)天線等；按工作頻段分類，可分為短波天線、超短波天線、微波天線等；按方向性分類，可分為全向天線、定向天線等；按外形分類，可分為線狀天線、面狀天線等；等等分類。2、天線的方向性

發(fā)射天線的基本功能之一是把從饋線取得的能量向周圍空間輻射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向輻射。垂直放置的半波對(duì)稱振子具有平放的“面包圈”形的立體方向圖。立體方向圖雖然立體感強(qiáng)，但繪制困難。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理

若干個(gè)對(duì)稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號(hào)進(jìn)一步集中到在水平面方向上。下圖是4個(gè)半波對(duì)稱振子沿垂線上下排列成一個(gè)垂直四元陣時(shí)的立體方向圖和垂直面方向圖。立體方向圖

垂直面方向圖

水平面方向圖

立體方向圖

垂直面方向圖

6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理也可以利用反射板可把輻射能控制到單側(cè)方向。平面反射板放在陣列的一邊構(gòu)成扇形區(qū)覆蓋天線。下面的水平面方向圖說(shuō)明了反射面的作用--反射面把功率反射到單側(cè)方向。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理

拋物反射面的使用，更能使天線的輻射，像光學(xué)中的探照燈那樣，把能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，從而獲得很高的增益。不言而喻，拋物面天線的構(gòu)成包括兩個(gè)基本要素：拋物反射面和放置在拋物面焦點(diǎn)上的輻射源。

方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見(jiàn)下圖,在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理3、波瓣寬度

對(duì)于基站天線，人們常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向圖中，主瓣上方第一旁瓣盡可能弱一些。這就是所謂的上旁瓣抑制?；镜姆?wù)對(duì)象是地面上的移動(dòng)電話用戶，指向天空的輻射是毫無(wú)意義的。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理注：為使主波瓣指向地面，安置時(shí)需要將天線適度下傾。

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實(shí)際天線與理想的輻射單元在空間同一點(diǎn)處所產(chǎn)生的信號(hào)的功率密度之比。它定量地描述一個(gè)天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來(lái)理解增益的物理含義----為在一定的距離上的某點(diǎn)處產(chǎn)生一定大小的信號(hào)。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理4、天線的增益

如果用理想的無(wú)方向性點(diǎn)源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為G=13dB=20的某定向天線作為發(fā)射天線時(shí)，輸入功率只需100/20=5W.

換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來(lái)說(shuō)，與無(wú)方向性的理想點(diǎn)源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場(chǎng)和磁場(chǎng)構(gòu)成。人們規(guī)定：電場(chǎng)的方向就是天線極化方向。一般使用的天線為單極化的。下圖示出了兩種基本的單極化的情況：垂直極化---是最常用的；水平極化---也是要被用到的。6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理5、天線的極化

注：垂直極化波要用具有垂直極化特性的天線來(lái)接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來(lái)接收。當(dāng)來(lái)波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時(shí)，接收到的信號(hào)都會(huì)變小，也就是說(shuō)，發(fā)生極化損失。當(dāng)接收天線的極化方向與來(lái)波的極化方向完全正交時(shí)，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來(lái)波時(shí)，天線就完全接收不到來(lái)波的能量，這種情況下極化損失為最大，稱極化完全隔離。6.2.3毫米波天線6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理1、毫米波天線的類型

喇叭天線角錐喇叭

寬帶雙脊喇叭同軸雙向喇叭6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理拋物面天線還可分為旋轉(zhuǎn)拋物面天線、切割拋物面天線、柱形拋物面天線、球形面天線等。旋轉(zhuǎn)拋物面天線主瓣窄、副瓣低、增益高、方向圖為針狀。拋物面天線的增益近似為:拋物面天線D—天線口徑；η—天線效率；

前饋拋物面天線6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理介質(zhì)棒天線

利用一定形狀介質(zhì)棒作輻射源。天線的性能取決于介質(zhì)棒的尺寸、介質(zhì)電常數(shù)、損耗等。增加棒的直徑可以減小波瓣寬度，利用高介電常數(shù)的介質(zhì)棒可以縮短輻射長(zhǎng)度。利用光學(xué)透鏡原理，焦點(diǎn)處的點(diǎn)光源經(jīng)透鏡折射后能成平面波。如圖示。透鏡天線

它是在微帶基片上制作一片金屬環(huán)或線，用來(lái)輻射毫米波。該天線截面積小，適合用于飛行器共形的探測(cè)器，如在毫米波引信上使用，可以成各種形狀以調(diào)整天線方向圖。微帶天線

6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理6.2毫米波輻射計(jì)的探測(cè)原理6.2.4毫米波輻射計(jì)的工作原理

毫米波輻射計(jì)是一部被動(dòng)式的接收機(jī)，本身不發(fā)射信號(hào)。它接收到的能量是被天線收集起來(lái)的輻射，這些輻射來(lái)自場(chǎng)景自身的輻射及其其他輻射源輻射能量的反射。