毫米波探測技術

1、第8章 毫米波探測(tnc)技術 共三十頁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。它具有以下主要特點： 1）極寬的帶寬。通常認為毫米波頻率范圍為26.5300GHz，帶寬高達273.5GHz。超過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)中傳播時只能使用四個主要窗口，但這四個窗口的總帶寬也可達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疑極具吸引力。 8.1 毫米波探測(tnc)的物理基礎共三十頁 大氣窗口(chungku)是指毫米波在某些波段穿透大氣的能力較強。取四個毫米波大氣窗口(chungku)的中心頻率及其帶寬列入表

2、8-1。共三十頁8.1 毫米波探測(tnc)的物理基礎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 12cm的天線，在9.4GHz時波束寬度為18度，而94GHz時波束寬度僅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目標或者更為清晰地觀察目標的細節(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(tdin)，加上在電子對抗中擴展頻段是取得成功的重要手段。毫米波技術和應用得到了迅速的發(fā)展。共三十頁空間目標識別雷達 ：它們的特點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)射機以保證作用(zuyng)距離。例如一部工作于35GHz的空間目標識別雷達其天線直徑達36m。用行波管提供10kw的發(fā)射功率，可以拍攝遠在16，000km處的衛(wèi)星的照片。一部工作于94GHz的空間目標識別雷達的天線直徑為13.5m。當用回族管提供20kw的發(fā)射功率時，可以對14400km遠處的目標進行高分辨率攝像。 毫米波技術(jsh)的應用共三十頁直升飛機防控雷達 ：現(xiàn)代直升飛機的空難(kn nn)事故中，飛機與高壓架空電纜相撞造成的事故占了相當高的比率。因此直升飛機防控雷達必須能發(fā)現(xiàn)線徑較細的高壓架空電纜，需要采用分辨率較高的短波長雷達，實際多用

4、3mm雷達。 汽車防撞雷達： 因其作用距離不需要很遠，故發(fā)射機的輸出功率不需要很高，但要求有很高的距離分辨率（達到米級），同時要能測速，且雷達的體積要盡可能小。所以采用(ciyng)以固態(tài)振蕩器作為發(fā)射機的毫米波脈沖多普勒雷達。采用(ciyng)脈沖壓縮技術將脈寬壓縮到納秒級，大大提高了距離分辨率。利用毫米波多普勒頗移大的特點得到精確的速度值。 炮彈彈道測量雷達： 這類雷達的用途是精確測定敵方炮彈的軌跡，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，發(fā)射機的平均輸出功率在20W左右。脈沖輸出功率應盡可能高一些，以減輕信號處理的壓力。 共三十頁精密跟蹤雷達： 實際的精密跟蹤雷達多

5、是雙頻系統(tǒng)，即一部雷達可同時工作于微波頻段（作用距離遠而跟蹤精度較差）和毫米波頻段（跟蹤精度高而作用距離較短），兩者互補取得較好的效果。例如美國海軍研制(ynzh)的雙頻精密跟蹤雷達即有一部9GHz、300kw的發(fā)射機和一部35GHz、13kw的發(fā)射機及相應的接收系統(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，作用距離可達27km。雙額還帶來了一個附加的好處：毫米波頻率可作為隱蔽頻率使用，提高雷達的抗干擾能力。 導彈的末制導系統(tǒng) ：由于毫米波制導兼有微波制導和紅外制導的優(yōu)點，同時由于毫米波天線的旁瓣可以做得很低，敵方難于(nny)截獲，增加了集團干擾的難度。加之毫米波制導系統(tǒng)

6、受導彈飛行中形成的等離子體的影響較小，國外許多導彈的未制導采用了毫米波制導系統(tǒng)。例如美國的“黃蜂”、“灰背隼”、“STAFF，英國的“長劍”，前蘇聯(lián)的“SA10” 等導彈都是。 共三十頁 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，可從用被動方式探測物體輻射毫米波的強弱來識別目標。毫米波頻帶極寬，在四個主要大氣窗口35、94、140和220GHz中，可利用的帶寬分別為16、23、26和70GHz，每個窗口寬度都接近或大于整個厘米波段的頻帶，三個60、119和183GHz的吸收帶，也具有相當寬的頻帶。(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)動能級有關的特性在毫米波段沒有相應的譜線，因而噪音小。 由于有以上的特點，毫米波技術的應用范圍極廣，在雷達、通信、精確制導等軍事武器上有越來越重要的作用，在遙感、射電天文學、醫(yī)學、生物學等民用方面也有較廣泛的應用。因此，近幾十年來毫米波技術的發(fā)展十分迅速。 共三十頁8.2大氣對毫米波傳播(chunb)的影響 在晴朗天氣下，大氣對毫米波傳播的影響包括大氣對毫米波的吸收、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，大氣中各種微粒可使電磁波發(fā)生散射或折射(zhsh)。 共三十頁圖8-1示出大氣衰減(shui jin)和頻率的關系。圖中實線表示在壓強p=101.325kpa溫度T=20、水汽密度=7.5g/m3時的吸收曲線；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 在設計毫米波近感探測裝置時，工作頻帶(pndi)應選擇在大氣窗口內(nèi)，近感探測裝置探測距離一般可達幾米至幾百米。特別對于幾十米以下的近距離探測，主動毫米波探測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8.3輻射模型(mxng)及被動金屬目標

9、識別 物體在一定溫度下都要輻射毫米波，主動式輻射源通過天線向外輻射毫米波。當毫米波碰到地面或空中其它物體時，將產(chǎn)生反射、散射、吸收(xshu)、折射等。 共三十頁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，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8.3.2輻射溫度(wnd)模型 當接收機接收地面或水面的輻射和目標輻射時，假設已包括了粗糙度、周期結構和電學性質(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)； :接收機的帶寬； ：天空、地面和大氣的真實溫度。這些溫度是的函數(shù) ，近似認為輻射溫度不隨改變。 共三十頁 當接收機天線指向天空，接收天空溫度及大氣溫度時，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。 設天空無云，上式可簡化為 共三十頁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，沙漠的復介電常數(shù)為=3.2，是實數(shù)并且無損耗，其真實溫度為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)與入射角的關系(=3.2) 反射系數(shù)h:水平極化共三十頁發(fā)射率與入射角的關系(gun x)示如圖圖8-3 空氣(kngq)沙界面發(fā)射率與入射角的關系h=1-h v=1-v(1) 當入射角小于40度時，無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，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，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，發(fā)射率為零，反射率為1。 hv共三十頁8.3.4利用輻射差異(chy)來識別金屬目標 自然界各種物質(zhì)的輻射特性都不相同。一般來說，相對介電系數(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，高導電材料比低導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1地面(dmin)金屬目標的識別當輻射計天線掃描到地面時，可計算出天線附近(fjn)的溫度 當天線波束掃描到金屬目標時，天線附近的溫度為地面和金屬目標的對比度為： 為了分析方便，假設天空無云，即，則上式簡化為： 例在Ka波段，其典型數(shù)據(jù)為 代入上式得： 可見，檢測 可識別地面金屬目標。共三十頁2水面(shu min)金屬目標識別當天線在水面和金屬目標(mbio)之間掃描時，同樣可得 ：水的反射系數(shù)； ：水的發(fā)射系數(shù)； ：

13、實際溫度。3空中金屬目標識別當天線波束掃描天空金屬目標時，同樣可得 利用也能識別或探測空中金屬目標。 金屬目標，除以上介紹的利用輻射率差識別外，還可通過改變極化方式來識別。例如，當水平極化不能識別金屬目標時，可以采用垂直極化來識別。 共三十頁8.3.5主動式毫米波探測器對金屬目標(mbio)的識別 通過掃描探測，在出現(xiàn)目標的地方會得到(d do)脈沖信號。該信號的寬度可以用標準脈沖來測定。如一個脈沖代表目標5m，則2個脈沖即為10m寬，探測過程如圖8-5所示。 天線波束天線掃描時間時間信號濾波輸 出圖8-5方位及尺寸探測示意圖 共三十頁 一般彈載對地面目標的探測裝置均采用非相干體制(tzh)。

14、絕大多數(shù)活動目標的探測都采用雜波基準技術，圖8-6為典型的以雜波為基準的活動目標指示器處理機的原理方框圖。 圖8-6動目標指示器簡化(jinhu)框圖 共三十頁8.4毫米波輻射計的距離(jl)方程 用被動探測方式檢測目標毫米波輻射時探測器叫毫米波輻射計 。實質(zhì)是一種接收微弱(wiru)信號的高靈敏度接收機。被動式毫米波輻射計的距離方程 ：天線參數(shù)對作用距離的影響； ：目標參數(shù)對作用距離的影響； 輻射計參數(shù)對探測距離的影響； 表示平方率檢波輸出信噪比對作用距離的影響； ：輻射計雙邊帶噪聲系數(shù)； 共三十頁8.5毫米波輻射計的探測(tnc)原理8.5.1輻射計體制的選擇典型的輻射計有全功率輻射計和迪

15、克比較(bjio)輻射計，二者的靈敏度分別如式（8-26）和式(8-27)。全功率輻射計： 迪克比較輻射計：比較負載的噪聲溫度； ：接收機有效噪聲溫度。 接收機輸入溫度共三十頁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8.5.3中頻(zhngpn)放大器在毫米波系統(tǒng)中應用的半導體器件有混頻器、低噪聲放大器、倍頻器、功率放大器及振蕩器等?；祛l器 ：現(xiàn)在混頻器已可工作到100

16、0GHz。例如(lr)日本報道了一種工作于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： 在實驗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42dB，射頻一本振隔離可達45dB。功率放大器 半導體功率放大器現(xiàn)在的水平大致為在40GHz以下時輸出的平均功率為500mw（脈沖功率可達1W），增益20dB；在60GHz時輸出功率約500mw，增益降至14dB；在94GHz 時輸出功率為60mW增益約4dB。在目前情況下若不采用功率合成技術，毫米波半導體功率放大器的輸出功率只能在瓦級。但這并不妨礙(fng i)它得到廣泛的應用，因為許多用量很大的應用例如汽車防撞雷達、本振和儀器等有瓦級的功率已經(jīng)足夠了。共三十頁示例(shl)共三十頁習題(xt)光學系統(tǒng)在激光近炸引信(ynxn)中的作用？激光脈沖波形的質(zhì)量對探測效果有什么影響？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)？共三十頁內(nèi)容摘要第8章 毫米波探測技術。直升飛機防控雷達 ：現(xiàn)代直升飛機的空