第六章毫米波探測技術(shù)

第六章、毫米波探測技術(shù)本章學習要求：1．理解毫米波探測的理論基礎(chǔ)2.毫米波天線理論基礎(chǔ)3．熟練掌握毫米波輻射計的探測原理探測與識別技術(shù)第六章毫米波探測技術(shù)典型應(yīng)用之一—毫米波芯片

IBMsilicongermanium芯片組

IBM的科學家近日晚宣布，他們發(fā)明出一種小巧、廉價的芯片組，能夠以十倍于目前高級WiFi網(wǎng)絡(luò)的速度在無線電子設(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線頻譜之中傳遞更多信息。這種產(chǎn)品的運用將促使高容量數(shù)字媒體格式（如HDTV）的普及。IBM的silicongermanium技術(shù)可實現(xiàn)設(shè)備高度的集成化，使用嵌入式天線更進一步節(jié)省了系統(tǒng)成本。一個芯片組原型產(chǎn)品包括發(fā)射器、接收機以及兩個天線，僅占到一個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，將會有效避免人員傷亡?！爸鲃訅褐葡到y(tǒng)”使用的是毫米波，對人體皮膚的穿透深度約為0.4毫米，足以造成強烈痛感而實際傷害較小。毫米波武器系統(tǒng)樣機

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

毫米波雷達主要作用是測量與車輛前方100米左右的障礙物間的相對速度。追蹤監(jiān)視器將在監(jiān)視器中顯示與前車及對面車輛的距離。除雨天、霧天及降雪等視線較差時能了解間距外，還可以當車速超過一定數(shù)值接近前車時發(fā)出警報通知駕駛員。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)波長為1cm~1mm的電磁波譜。波長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，有利于探測相距更近的小目標或更為清晰的觀察目標的細節(jié)；（優(yōu)點）天線尺寸小，截獲能量小，不適合大范圍內(nèi)探測搜索；（缺點）

6.1.1毫米波的概念第六章毫米波探測技術(shù)1、什么是毫米波？

2、毫米波的特點

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）要求接收機帶寬增大，接收機系統(tǒng)靈敏度降低；（缺點）

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??；（優(yōu)點）在雨、雪、霧等惡劣氣候下通信距離降低；（缺點）

6.1.2大氣對毫米波傳播的影響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)生強烈吸收。由于氮、氧和水對毫米波的吸收作用，使大氣對毫米波有多個吸收峰。大氣除對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/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。

6.1.3輻射模型及被動式目標識別

1、輻射方程

任何物體在一定溫度下都要輻射電磁波，或主動式輻射源通過天線向外也輻射電磁波。當這些輻射的電磁波碰到地面或空中其它物體時，將產(chǎn)生反射、散射、吸收、折射等。一般認為，外來的電磁輻射以平面波前形式傳播到一平坦的表面時，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，任何一個物體都是一個輻射源，在一定溫度下物體要發(fā)射電磁波，同時也被別的物體發(fā)射的電磁波所照射。對于各種目標，輻射的電磁波來自兩部分：一部分是目標自身的熱輻射，另一部分是目標反射其它輻射源的輻射。輻射計通過觀測天線溫度的變化而檢測目標。因此，計算天線溫度十分重要。二維模式當接收機接收地面或水面的輻射和目標輻射時，假設(shè)此模式包括了粗糙度、周期結(jié)構(gòu)和電學性質(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、大氣的真實溫度。注：本模式?jīng)]有包括電磁波穿過大氣的吸收效應(yīng)。如避開水蒸汽和氧的吸收區(qū)，假設(shè)大氣層均無湍流。這種模式在所觀測的地面研究和計算有效。相應(yīng)地，當接收天線指向天空，接收天空溫度及大氣溫度時，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，一般來說，相對介電系數(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、利用輻射差異來識別目標激光近炸引信

對于理想導(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)射率的差異能識別不同的目標。（1）地面金屬目標的識別假設(shè)目標正好充滿整個波束，大氣衰減忽略。當輻射天線掃描到地面時，根據(jù)輻射溫度公式可以計算出天線附近的溫度。當天線波束掃描到金屬表面時，天線附近的溫度為：6.1毫米波理論基礎(chǔ)

ρT—金屬目標的反射系數(shù)

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

當天線波束掃描空中金屬目標時，利用前式可得到天空和天空中金屬目標的對比度：能夠在熱力學定理允許的范圍內(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反射的物體。它是一個良好的吸收體，還是良好的發(fā)射體。

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

6.2.1物體的電磁輻射特性第六章毫米波探測技術(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)射的絕對黑體實際不存在，它是一種理想的物體。為了與黑體這一術(shù)語相對應(yīng)，實際的物體稱為灰體。一個灰體輻射的功率，可用比該灰體實際溫度更低的等效黑體所輻射的功率來代替。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)，與方向無關(guān)。2、表觀溫度

6.2毫米波輻射計的探測原理注：在毫米波探測裝置中均將頻譜發(fā)射率簡稱為發(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0.99的發(fā)射率。對于高導(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t=500K時，表觀溫度仍為0。6.2毫米波輻射計的探測原理6.2.2天線的基礎(chǔ)知識1、天線的地位和作用

無線電發(fā)射機輸出的射頻信號功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達接收地點后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。按用途分類，可分為通信天線、電視天線、雷達天線等；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，但繪制困難。6.2毫米波輻射計的探測原理

若干個對稱振子組陣，能夠控制輻射，產(chǎn)生“扁平的面包圈”，把信號進一步集中到在水平面方向上。下圖是4個半波對稱振子沿垂線上下排列成一個垂直四元陣時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毫米波輻射計的探測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毫米波輻射計的探測原理

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

方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣。參見下圖,在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點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，抗干擾能力越強。6.2毫米波輻射計的探測原理3、波瓣寬度

對于基站天線，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)對象是地面上的移動電話用戶，指向天空的輻射是毫無意義的。6.2毫米波輻射計的探測原理注：為使主波瓣指向地面，安置時需要將天線適度下傾。

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個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。可以這樣來理解增益的物理含義----為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號。6.2毫米波輻射計的探測原理4、天線的增益

如果用理想的無方向性點源作為發(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，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說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

天線向周圍空間輻射電磁波。電磁波由電場和磁場構(gòu)成。人們規(guī)定：電場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毫米波輻射計的探測原理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接收，水平極化波要用具有水平極化特性的天線來接收。當來波的極化方向與接收天線的極化方向不一致時，接收到的信號都會變小，也就是說，發(fā)生極化損失。當接收天線的極化方向與來波的極化方向完全正交時，例如用水平極化的接收天線接收垂直極化的來波時，天線就完全接收不到來波的能量，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毫米波輻射計的探測原理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毫米波輻射計的探測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毫米波輻射計的探測原理介質(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)棒可以縮短輻射長度。利用光學透鏡原理，焦點處的點光源經(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，用來輻射毫米波。該天線截面積小，適合用于飛行器共形的探測器，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毫米波輻射計的探測原理6.2毫米波輻射計的探測原理6.2.4毫米波輻射計的工作原理

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