毫米波探测技术

1、第8章 毫米波探测(tnc)技术 共三十页毫米波的工作频率介于微波和光之间，因此兼有两者的优点。它具有以下主要特点： 1）极宽的带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气(dq)吸收，在大气(dq)中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。 8.1 毫米波探测(tnc)的物理基础共三十页 大气窗口(chungku)是指毫米波在某些波段穿透大气的能力较强。取四个毫米波大气窗口(chungku)的中心频率及其带宽列入表

2、8-1。共三十页8.1 毫米波探测(tnc)的物理基础2）波束窄。在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个 12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波束宽度仅1.8度。因此可以分辨相距更近的小目标或者更为清晰地观察目标的细节。 3）与激光相比，毫米波的传播受气候的影响要小得多，可以认为具有全天候特性。 4）和微波相比，毫米波元器件的尺寸要小得多。因此毫米波系统更容易小型化。 由于毫米波的这些特点(tdin)，加上在电子对抗中扩展频段是取得成功的重要手段。毫米波技术和应用得到了迅速的发展。共三十页空间目标识别雷达 ：它们的特点是使用大型天线以得到成像所需

3、的角分辨率和足够高的天线增益，使用大功率发射机以保证作用(zuyng)距离。例如一部工作于35GHz的空间目标识别雷达其天线直径达36m。用行波管提供10kw的发射功率，可以拍摄远在16，000km处的卫星的照片。一部工作于94GHz的空间目标识别雷达的天线直径为13.5m。当用回族管提供20kw的发射功率时，可以对14400km远处的目标进行高分辨率摄像。 毫米波技术(jsh)的应用共三十页直升飞机防控雷达 ：现代直升飞机的空难(kn nn)事故中，飞机与高压架空电缆相撞造成的事故占了相当高的比率。因此直升飞机防控雷达必须能发现线径较细的高压架空电缆，需要采用分辨率较高的短波长雷达，实际多用

4、3mm雷达。 汽车防撞雷达： 因其作用距离不需要很远，故发射机的输出功率不需要很高，但要求有很高的距离分辨率（达到米级），同时要能测速，且雷达的体积要尽可能小。所以采用(ciyng)以固态振荡器作为发射机的毫米波脉冲多普勒雷达。采用(ciyng)脉冲压缩技术将脉宽压缩到纳秒级，大大提高了距离分辨率。利用毫米波多普勒颇移大的特点得到精确的速度值。 炮弹弹道测量雷达： 这类雷达的用途是精确测定敌方炮弹的轨迹，从而推算出敌方炮兵阵地的位置，加以摧毁。多用3mm波段的雷达，发射机的平均输出功率在20W左右。脉冲输出功率应尽可能高一些，以减轻信号处理的压力。 共三十页精密跟踪雷达： 实际的精密跟踪雷达多

5、是双频系统，即一部雷达可同时工作于微波频段（作用距离远而跟踪精度较差）和毫米波频段（跟踪精度高而作用距离较短），两者互补取得较好的效果。例如美国海军研制(ynzh)的双频精密跟踪雷达即有一部9GHz、300kw的发射机和一部35GHz、13kw的发射机及相应的接收系统，共用2.4m抛物面天线，已成功地跟踪了距水面30m高的目标，作用距离可达27km。双额还带来了一个附加的好处：毫米波频率可作为隐蔽频率使用，提高雷达的抗干扰能力。 导弹的末制导系统 ：由于毫米波制导兼有微波制导和红外制导的优点，同时由于毫米波天线的旁瓣可以做得很低，敌方难于(nny)截获，增加了集团干扰的难度。加之毫米波制导系统

6、受导弹飞行中形成的等离子体的影响较小，国外许多导弹的未制导采用了毫米波制导系统。例如美国的“黄蜂”、“灰背隼”、“STAFF，英国的“长剑”，前苏联的“SA10” 等导弹都是。 共三十页 与微波相比的区别有：任何物体在一定温度下都要辐射毫米波，可从用被动方式探测物体辐射毫米波的强弱来识别目标。毫米波频带极宽，在四个主要大气窗口35、94、140和220GHz中，可利用的带宽分别为16、23、26和70GHz，每个窗口宽度都接近或大于整个厘米波段的频带，三个60、119和183GHz的吸收带，也具有相当宽的频带。(2) 与微波相比，毫米波的波束窄，方向性好，有极高的分辨率；(3) 多普勒频率高，

7、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(jbn)可以全天候工作。(4) 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。 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。 共三十页8.2大气对毫米波传播(chunb)的影响 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(zhsh)等。其中，吸收往往是

8、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(zhsh)。 共三十页图8-1示出大气衰减(shui jin)和频率的关系。图中实线表示在压强p=101.325kpa温度T=20、水汽密度=7.5g/m3时的吸收曲线；虚线表示在400m高空，T=0，水汽密度=1.0g/m3下的吸收曲线。 共三十页 在设计毫米波近感探测装置时，工作频带(pndi)应选择在大气窗口内，近感探测装置探测距离一般可达几米至几百米。特别对于几十米以下的近距离探测，主动毫米波探测器可选择非大气窗口的频率，在这些特定的频率下，反而可以大大提高抗干扰能力。共三十页8.3辐射模型(mxng)及被动金属目标

9、识别 物体在一定温度下都要辐射毫米波，主动式辐射源通过天线向外辐射毫米波。当毫米波碰到地面或空中其它物体时，将产生反射、散射、吸收(xshu)、折射等。 共三十页8.3.1辐射(fsh)方程根据(gnj)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：如果忽略透入地下的功率，则得根据基尔霍夫（Kirchhoff）定律，物体的发射率等于吸收率，即则上式变为 共三十页8.3.2辐射温度(wnd)模型 当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时，假设已包括了粗糙度、周期结构和电学性质(xngzh)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。 ：入射角；

10、：方位角； ：极化 :地面反射系数； :接收机的带宽； ：天空、地面和大气的真实温度。这些温度是的函数 ，近似认为辐射温度不随改变。 共三十页 当接收机天线指向天空，接收天空温度及大气温度时，如果忽略大气衰减(shui jin)，可得天线附近的温度为： :大气(dq)的反射系数； :天空辐射温度。 设天空无云，上式可简化为 共三十页8.3.3物体(wt)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=3.2，是实数并且无损耗，其真实温度为275K。 根据菲涅耳公式，在水平和垂直(chuzh)情况下，空气和沙漠界面上的电压反射系数的幅值 与入射角的关系示于图8-2。图8-2空气

11、沙漠界面电压反射系数与入射角的关系(=3.2) 反射系数h:水平极化共三十页发射率与入射角的关系(gun x)示如图图8-3 空气(kngq)沙界面发射率与入射角的关系h=1-h v=1-v(1) 当入射角小于40度时，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40 90范围内，发射率和反射率都较大。垂直极化时，入射角在60 90范围内。发射率和反射率变化都较大。(3) 入射角为90度时，发射率为零，反射率为1。 hv共三十页8.3.4利用辐射差异(chy)来识别金属目标 自然界各种物质的辐射特性都不相同。一般来说，相对介电系数(xsh)高的

12、物质，发射率较小，反射率较高。在相同的物理温度下，高导电材料比低导电材料的辐射温度低。图8-4示出了各种物质35GHz的表面辐射温度。 图8-435GHz的表面辐射温 共三十页1地面(dmin)金属目标的识别当辐射计天线扫描到地面时，可计算出天线附近(fjn)的温度 当天线波束扫描到金属目标时，天线附近的温度为地面和金属目标的对比度为： 为了分析方便，假设天空无云，即，则上式简化为： 例在Ka波段，其典型数据为 代入上式得： 可见，检测 可识别地面金属目标。共三十页2水面(shu min)金属目标识别当天线在水面和金属目标(mbio)之间扫描时，同样可得 ：水的反射系数； ：水的发射系数； ：

13、实际温度。3空中金属目标识别当天线波束扫描天空金属目标时，同样可得 利用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。例如，当水平极化不能识别金属目标时，可以采用垂直极化来识别。 共三十页8.3.5主动式毫米波探测器对金属目标(mbio)的识别 通过扫描探测，在出现目标的地方会得到(d do)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5m，则2个脉冲即为10m宽，探测过程如图8-5所示。 天线波束天线扫描时间时间信号滤波输 出图8-5方位及尺寸探测示意图 共三十页 一般弹载对地面目标的探测装置均采用非相干体制(tzh)。

14、绝大多数活动目标的探测都采用杂波基准技术，图8-6为典型的以杂波为基准的活动目标指示器处理机的原理方框图。 图8-6动目标指示器简化(jinhu)框图 共三十页8.4毫米波辐射计的距离(jl)方程 用被动探测方式检测目标毫米波辐射时探测器叫毫米波辐射计 。实质是一种接收微弱(wiru)信号的高灵敏度接收机。被动式毫米波辐射计的距离方程 ：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； 表示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； 共三十页8.5毫米波辐射计的探测(tnc)原理8.5.1辐射计体制的选择典型的辐射计有全功率辐射计和迪

15、克比较(bjio)辐射计，二者的灵敏度分别如式（8-26）和式(8-27)。全功率辐射计： 迪克比较辐射计：比较负载的噪声温度； ：接收机有效噪声温度。 接收机输入温度共三十页8.5.2毫米波天线(tinxin)毫米波天线有抛物面天线、喇叭天线、透镜天线，还有尺寸(ch cun)更小的缝隙天线，漏波天线、介质棒天线、微带天线和天线阵。选择：毫米波天线主瓣波束要窄，而工作频带要宽，以提高灵敏度，另一方面则要求副瓣电平在-20dB以下。共三十页8.5.3中频(zhngpn)放大器在毫米波系统中应用的半导体器件有混频器、低噪声放大器、倍频器、功率放大器及振荡器等。混频器 ：现在混频器已可工作到100

16、0GHz。例如(lr)日本报道了一种工作于200GHz的混频器，在4K的工作温度下在204GHz处噪声温度为150K。而荷兰则报道了能工作在1000GHz的 混频器，它在4K的工作温度下，在9501050GHz范围内，噪声温度在10002000K 之间。 低噪声放大器： 在实验室里可做出性能更好的放大器。例如在60GHz频段可做到增益大于9dB、噪声系数小于O.8dB；而在95GHZ频段可做到增益大于8.2dB、噪声系数小于1.3dB。 共三十页集成接收前端 集成接收前端是将低噪声放大器、混频器和本振（有的还包括前置中放）做在一块集成电路上。8mm波段已有商品。例如有一种产品可工作在2640G

17、Hz，中频输出为 216GHz，噪声系数3.5dB，增益高达42dB，射频一本振隔离可达45dB。功率放大器 半导体功率放大器现在的水平大致为在40GHz以下时输出的平均功率为500mw（脉冲功率可达1W），增益20dB；在60GHz时输出功率约500mw，增益降至14dB；在94GHz 时输出功率为60mW增益约4dB。在目前情况下若不采用功率合成技术，毫米波半导体功率放大器的输出功率只能在瓦级。但这并不妨碍(fng i)它得到广泛的应用，因为许多用量很大的应用例如汽车防撞雷达、本振和仪器等有瓦级的功率已经足够了。共三十页示例(shl)共三十页习题(xt)光学系统在激光近炸引信(ynxn)中的作用？激光脉冲波形的质量对探测效果有什么影响？毫米波的大气窗口分布如何？为什么毫米波的工作频率一般要选择在大气窗口内？共三十页内容摘要第8章 毫米波探测技术。直升飞机防控雷达 ：现代直升飞机的空