毫米波探測(cè)技術(shù)

1、第8章 毫米波探測(cè)(tnc)技術(shù) 共三十頁(yè)毫米波的工作頻率介于微波和光之間，因此兼有兩者的優(yōu)點(diǎn)。它具有以下主要特點(diǎn)： 1）極寬的帶寬。通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5300GHz，帶寬高達(dá)273.5GHz。超過(guò)從直流到微波全部帶寬的10倍。即使考慮大氣(dq)吸收，在大氣(dq)中傳播時(shí)只能使用四個(gè)主要窗口，但這四個(gè)窗口的總帶寬也可達(dá)135GHz，為微波以下各波段帶寬之和的5 倍。這在頻率資源緊張的今天無(wú)疑極具吸引力。 8.1 毫米波探測(cè)(tnc)的物理基礎(chǔ)共三十頁(yè) 大氣窗口(chungku)是指毫米波在某些波段穿透大氣的能力較強(qiáng)。取四個(gè)毫米波大氣窗口(chungku)的中心頻率及其帶寬列入表

2、8-1。共三十頁(yè)8.1 毫米波探測(cè)(tnc)的物理基礎(chǔ)2）波束窄。在相同天線尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一個(gè) 12cm的天線，在9.4GHz時(shí)波束寬度為18度，而94GHz時(shí)波束寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標(biāo)或者更為清晰地觀察目標(biāo)的細(xì)節(jié)。 3）與激光相比，毫米波的傳播受氣候的影響要小得多，可以認(rèn)為具有全天候特性。 4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系統(tǒng)更容易小型化。 由于毫米波的這些特點(diǎn)(tdin)，加上在電子對(duì)抗中擴(kuò)展頻段是取得成功的重要手段。毫米波技術(shù)和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展。共三十頁(yè)空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá) ：它們的特點(diǎn)是使用大型天線以得到成像所需

3、的角分辨率和足夠高的天線增益，使用大功率發(fā)射機(jī)以保證作用(zuyng)距離。例如一部工作于35GHz的空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)其天線直徑達(dá)36m。用行波管提供10kw的發(fā)射功率，可以拍攝遠(yuǎn)在16，000km處的衛(wèi)星的照片。一部工作于94GHz的空間目標(biāo)識(shí)別雷達(dá)的天線直徑為13.5m。當(dāng)用回族管提供20kw的發(fā)射功率時(shí)，可以對(duì)14400km遠(yuǎn)處的目標(biāo)進(jìn)行高分辨率攝像。 毫米波技術(shù)(jsh)的應(yīng)用共三十頁(yè)直升飛機(jī)防控雷達(dá) ：現(xiàn)代直升飛機(jī)的空難(kn nn)事故中，飛機(jī)與高壓架空電纜相撞造成的事故占了相當(dāng)高的比率。因此直升飛機(jī)防控雷達(dá)必須能發(fā)現(xiàn)線徑較細(xì)的高壓架空電纜，需要采用分辨率較高的短波長(zhǎng)雷達(dá)，實(shí)際多用

4、3mm雷達(dá)。 汽車防撞雷達(dá)： 因其作用距離不需要很遠(yuǎn)，故發(fā)射機(jī)的輸出功率不需要很高，但要求有很高的距離分辨率（達(dá)到米級(jí)），同時(shí)要能測(cè)速，且雷達(dá)的體積要盡可能小。所以采用(ciyng)以固態(tài)振蕩器作為發(fā)射機(jī)的毫米波脈沖多普勒雷達(dá)。采用(ciyng)脈沖壓縮技術(shù)將脈寬壓縮到納秒級(jí)，大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點(diǎn)得到精確的速度值。 炮彈彈道測(cè)量雷達(dá)： 這類雷達(dá)的用途是精確測(cè)定敵方炮彈的軌跡，從而推算出敵方炮兵陣地的位置，加以摧毀。多用3mm波段的雷達(dá)，發(fā)射機(jī)的平均輸出功率在20W左右。脈沖輸出功率應(yīng)盡可能高一些，以減輕信號(hào)處理的壓力。 共三十頁(yè)精密跟蹤雷達(dá)： 實(shí)際的精密跟蹤雷達(dá)多

5、是雙頻系統(tǒng)，即一部雷達(dá)可同時(shí)工作于微波頻段（作用距離遠(yuǎn)而跟蹤精度較差）和毫米波頻段（跟蹤精度高而作用距離較短），兩者互補(bǔ)取得較好的效果。例如美國(guó)海軍研制(ynzh)的雙頻精密跟蹤雷達(dá)即有一部9GHz、300kw的發(fā)射機(jī)和一部35GHz、13kw的發(fā)射機(jī)及相應(yīng)的接收系統(tǒng)，共用2.4m拋物面天線，已成功地跟蹤了距水面30m高的目標(biāo)，作用距離可達(dá)27km。雙額還帶來(lái)了一個(gè)附加的好處：毫米波頻率可作為隱蔽頻率使用，提高雷達(dá)的抗干擾能力。 導(dǎo)彈的末制導(dǎo)系統(tǒng) ：由于毫米波制導(dǎo)兼有微波制導(dǎo)和紅外制導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于毫米波天線的旁瓣可以做得很低，敵方難于(nny)截獲，增加了集團(tuán)干擾的難度。加之毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)

6、受導(dǎo)彈飛行中形成的等離子體的影響較小，國(guó)外許多導(dǎo)彈的未制導(dǎo)采用了毫米波制導(dǎo)系統(tǒng)。例如美國(guó)的“黃蜂”、“灰背隼”、“STAFF，英國(guó)的“長(zhǎng)劍”，前蘇聯(lián)的“SA10” 等導(dǎo)彈都是。 共三十頁(yè) 與微波相比的區(qū)別有：任何物體在一定溫度下都要輻射毫米波，可從用被動(dòng)方式探測(cè)物體輻射毫米波的強(qiáng)弱來(lái)識(shí)別目標(biāo)。毫米波頻帶極寬，在四個(gè)主要大氣窗口35、94、140和220GHz中，可利用的帶寬分別為16、23、26和70GHz，每個(gè)窗口寬度都接近或大于整個(gè)厘米波段的頻帶，三個(gè)60、119和183GHz的吸收帶，也具有相當(dāng)寬的頻帶。(2) 與微波相比，毫米波的波束窄，方向性好，有極高的分辨率；(3) 多普勒頻率高，

7、測(cè)量精度高，與激光和紅外波段相比，毫米波具有穿透煙霧、塵埃的能力、基本(jbn)可以全天候工作。(4) 毫米波段的頻率范圍正好與電子回旋諧振加熱（ECRH）所要求的頻率相吻合，許多與分子轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)有關(guān)的特性在毫米波段沒(méi)有相應(yīng)的譜線，因而噪音小。 由于有以上的特點(diǎn)，毫米波技術(shù)的應(yīng)用范圍極廣，在雷達(dá)、通信、精確制導(dǎo)等軍事武器上有越來(lái)越重要的作用，在遙感、射電天文學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等民用方面也有較廣泛的應(yīng)用。因此，近幾十年來(lái)毫米波技術(shù)的發(fā)展十分迅速。 共三十頁(yè)8.2大氣對(duì)毫米波傳播(chunb)的影響 在晴朗天氣下，大氣對(duì)毫米波傳播的影響包括大氣對(duì)毫米波的吸收、散射、折射(zhsh)等。其中，吸收往往是

8、由于分子中電子的躍遷而形成的，大氣中各種微?？墒闺姶挪òl(fā)生散射或折射(zhsh)。 共三十頁(yè)圖8-1示出大氣衰減(shui jin)和頻率的關(guān)系。圖中實(shí)線表示在壓強(qiáng)p=101.325kpa溫度T=20、水汽密度=7.5g/m3時(shí)的吸收曲線；虛線表示在400m高空，T=0，水汽密度=1.0g/m3下的吸收曲線。 共三十頁(yè) 在設(shè)計(jì)毫米波近感探測(cè)裝置時(shí)，工作頻帶(pndi)應(yīng)選擇在大氣窗口內(nèi)，近感探測(cè)裝置探測(cè)距離一般可達(dá)幾米至幾百米。特別對(duì)于幾十米以下的近距離探測(cè)，主動(dòng)毫米波探測(cè)器可選擇非大氣窗口的頻率，在這些特定的頻率下，反而可以大大提高抗干擾能力。共三十頁(yè)8.3輻射模型(mxng)及被動(dòng)金屬目標(biāo)

9、識(shí)別 物體在一定溫度下都要輻射毫米波，主動(dòng)式輻射源通過(guò)天線向外輻射毫米波。當(dāng)毫米波碰到地面或空中其它物體時(shí)，將產(chǎn)生反射、散射、吸收(xshu)、折射等。 共三十頁(yè)8.3.1輻射(fsh)方程根據(jù)(gnj)能量守恒定律，入射功率的平衡條件是：下標(biāo)，分別表示反射、吸收和透射。歸一化可得：如果忽略透入地下的功率，則得根據(jù)基爾霍夫（Kirchhoff）定律，物體的發(fā)射率等于吸收率，即則上式變?yōu)?共三十頁(yè)8.3.2輻射溫度(wnd)模型 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)已包括了粗糙度、周期結(jié)構(gòu)和電學(xué)性質(zhì)(xngzh)的變化在內(nèi)的表面函數(shù)。則天線附近的輻射溫度可用以下模型表示。 ：入射角；

10、：方位角； ：極化 :地面反射系數(shù)； :接收機(jī)的帶寬； ：天空、地面和大氣的真實(shí)溫度。這些溫度是的函數(shù) ，近似認(rèn)為輻射溫度不隨改變。 共三十頁(yè) 當(dāng)接收機(jī)天線指向天空，接收天空溫度及大氣溫度時(shí)，如果忽略大氣衰減(shui jin)，可得天線附近的溫度為： :大氣(dq)的反射系數(shù)； :天空輻射溫度。 設(shè)天空無(wú)云，上式可簡(jiǎn)化為 共三十頁(yè)8.3.3物體(wt)的毫米波反射率和發(fā)射率 以空氣與沙漠界面為例，沙漠的復(fù)介電常數(shù)為=3.2，是實(shí)數(shù)并且無(wú)損耗，其真實(shí)溫度為275K。 根據(jù)菲涅耳公式，在水平和垂直(chuzh)情況下，空氣和沙漠界面上的電壓反射系數(shù)的幅值 與入射角的關(guān)系示于圖8-2。圖8-2空氣

11、沙漠界面電壓反射系數(shù)與入射角的關(guān)系(=3.2) 反射系數(shù)h:水平極化共三十頁(yè)發(fā)射率與入射角的關(guān)系(gun x)示如圖圖8-3 空氣(kngq)沙界面發(fā)射率與入射角的關(guān)系h=1-h v=1-v(1) 當(dāng)入射角小于40度時(shí)，無(wú)論是水平極化還是垂直極化，它們的發(fā)射系數(shù)和反射率隨入射角變化較小。(2) 水平極化時(shí)，入射角40 90范圍內(nèi)，發(fā)射率和反射率都較大。垂直極化時(shí)，入射角在60 90范圍內(nèi)。發(fā)射率和反射率變化都較大。(3) 入射角為90度時(shí)，發(fā)射率為零，反射率為1。 hv共三十頁(yè)8.3.4利用輻射差異(chy)來(lái)識(shí)別金屬目標(biāo) 自然界各種物質(zhì)的輻射特性都不相同。一般來(lái)說(shuō)，相對(duì)介電系數(shù)(xsh)高的

12、物質(zhì)，發(fā)射率較小，反射率較高。在相同的物理溫度下，高導(dǎo)電材料比低導(dǎo)電材料的輻射溫度低。圖8-4示出了各種物質(zhì)35GHz的表面輻射溫度。 圖8-435GHz的表面輻射溫 共三十頁(yè)1地面(dmin)金屬目標(biāo)的識(shí)別當(dāng)輻射計(jì)天線掃描到地面時(shí)，可計(jì)算出天線附近(fjn)的溫度 當(dāng)天線波束掃描到金屬目標(biāo)時(shí)，天線附近的溫度為地面和金屬目標(biāo)的對(duì)比度為： 為了分析方便，假設(shè)天空無(wú)云，即，則上式簡(jiǎn)化為： 例在Ka波段，其典型數(shù)據(jù)為 代入上式得： 可見(jiàn)，檢測(cè) 可識(shí)別地面金屬目標(biāo)。共三十頁(yè)2水面(shu min)金屬目標(biāo)識(shí)別當(dāng)天線在水面和金屬目標(biāo)(mbio)之間掃描時(shí)，同樣可得 ：水的反射系數(shù)； ：水的發(fā)射系數(shù)； ：

13、實(shí)際溫度。3空中金屬目標(biāo)識(shí)別當(dāng)天線波束掃描天空金屬目標(biāo)時(shí)，同樣可得 利用也能識(shí)別或探測(cè)空中金屬目標(biāo)。 金屬目標(biāo)，除以上介紹的利用輻射率差識(shí)別外，還可通過(guò)改變極化方式來(lái)識(shí)別。例如，當(dāng)水平極化不能識(shí)別金屬目標(biāo)時(shí)，可以采用垂直極化來(lái)識(shí)別。 共三十頁(yè)8.3.5主動(dòng)式毫米波探測(cè)器對(duì)金屬目標(biāo)(mbio)的識(shí)別 通過(guò)掃描探測(cè)，在出現(xiàn)目標(biāo)的地方會(huì)得到(d do)脈沖信號(hào)。該信號(hào)的寬度可以用標(biāo)準(zhǔn)脈沖來(lái)測(cè)定。如一個(gè)脈沖代表目標(biāo)5m，則2個(gè)脈沖即為10m寬，探測(cè)過(guò)程如圖8-5所示。 天線波束天線掃描時(shí)間時(shí)間信號(hào)濾波輸 出圖8-5方位及尺寸探測(cè)示意圖 共三十頁(yè) 一般彈載對(duì)地面目標(biāo)的探測(cè)裝置均采用非相干體制(tzh)。

14、絕大多數(shù)活動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)都采用雜波基準(zhǔn)技術(shù)，圖8-6為典型的以雜波為基準(zhǔn)的活動(dòng)目標(biāo)指示器處理機(jī)的原理方框圖。 圖8-6動(dòng)目標(biāo)指示器簡(jiǎn)化(jinhu)框圖 共三十頁(yè)8.4毫米波輻射計(jì)的距離(jl)方程 用被動(dòng)探測(cè)方式檢測(cè)目標(biāo)毫米波輻射時(shí)探測(cè)器叫毫米波輻射計(jì) 。實(shí)質(zhì)是一種接收微弱(wiru)信號(hào)的高靈敏度接收機(jī)。被動(dòng)式毫米波輻射計(jì)的距離方程 ：天線參數(shù)對(duì)作用距離的影響； ：目標(biāo)參數(shù)對(duì)作用距離的影響； 輻射計(jì)參數(shù)對(duì)探測(cè)距離的影響； 表示平方率檢波輸出信噪比對(duì)作用距離的影響； ：輻射計(jì)雙邊帶噪聲系數(shù)； 共三十頁(yè)8.5毫米波輻射計(jì)的探測(cè)(tnc)原理8.5.1輻射計(jì)體制的選擇典型的輻射計(jì)有全功率輻射計(jì)和迪

15、克比較(bjio)輻射計(jì)，二者的靈敏度分別如式（8-26）和式(8-27)。全功率輻射計(jì)： 迪克比較輻射計(jì)：比較負(fù)載的噪聲溫度； ：接收機(jī)有效噪聲溫度。 接收機(jī)輸入溫度共三十頁(yè)8.5.2毫米波天線(tinxin)毫米波天線有拋物面天線、喇叭天線、透鏡天線，還有尺寸(ch cun)更小的縫隙天線，漏波天線、介質(zhì)棒天線、微帶天線和天線陣。選擇：毫米波天線主瓣波束要窄，而工作頻帶要寬，以提高靈敏度，另一方面則要求副瓣電平在-20dB以下。共三十頁(yè)8.5.3中頻(zhngpn)放大器在毫米波系統(tǒng)中應(yīng)用的半導(dǎo)體器件有混頻器、低噪聲放大器、倍頻器、功率放大器及振蕩器等。混頻器 ：現(xiàn)在混頻器已可工作到100

16、0GHz。例如(lr)日本報(bào)道了一種工作于200GHz的混頻器，在4K的工作溫度下在204GHz處噪聲溫度為150K。而荷蘭則報(bào)道了能工作在1000GHz的 混頻器，它在4K的工作溫度下，在9501050GHz范圍內(nèi)，噪聲溫度在10002000K 之間。 低噪聲放大器： 在實(shí)驗(yàn)室里可做出性能更好的放大器。例如在60GHz頻段可做到增益大于9dB、噪聲系數(shù)小于O.8dB；而在95GHZ頻段可做到增益大于8.2dB、噪聲系數(shù)小于1.3dB。 共三十頁(yè)集成接收前端 集成接收前端是將低噪聲放大器、混頻器和本振（有的還包括前置中放）做在一塊集成電路上。8mm波段已有商品。例如有一種產(chǎn)品可工作在2640G

17、Hz，中頻輸出為 216GHz，噪聲系數(shù)3.5dB，增益高達(dá)42dB，射頻一本振隔離可達(dá)45dB。功率放大器 半導(dǎo)體功率放大器現(xiàn)在的水平大致為在40GHz以下時(shí)輸出的平均功率為500mw（脈沖功率可達(dá)1W），增益20dB；在60GHz時(shí)輸出功率約500mw，增益降至14dB；在94GHz 時(shí)輸出功率為60mW增益約4dB。在目前情況下若不采用功率合成技術(shù)，毫米波半導(dǎo)體功率放大器的輸出功率只能在瓦級(jí)。但這并不妨礙(fng i)它得到廣泛的應(yīng)用，因?yàn)樵S多用量很大的應(yīng)用例如汽車防撞雷達(dá)、本振和儀器等有瓦級(jí)的功率已經(jīng)足夠了。共三十頁(yè)示例(shl)共三十頁(yè)習(xí)題(xt)光學(xué)系統(tǒng)在激光近炸引信(ynxn)中的作用？激光脈沖波形的質(zhì)量對(duì)探測(cè)效果有什么影響？毫米波的大氣窗口分布如何？為什么毫米波的工作頻率一般要選擇在大氣窗口內(nèi)？共三十頁(yè)內(nèi)容摘要第8章 毫米波探測(cè)技術(shù)。直升飛機(jī)防控雷達(dá) ：現(xiàn)代直升飛機(jī)的空