第六章毫米波探测技术

第六章、毫米波探测技术本章学习要求：1．理解毫米波探测的理论基础2.毫米波天线理论基础3．熟练掌握毫米波辐射计的探测原理探测与识别技术第六章毫米波探测技术典型应用之一—毫米波芯片

IBMsilicongermanium芯片组

IBM的科学家近日晚宣布，他们发明出一种小巧、廉价的芯片组，能够以十倍于目前高级WiFi网络的速度在无线电子设备间传送数据。这种领先的IBM芯片制造工艺名为silicongermanium，使用它的芯片组能够在一部分无线频谱之中传递更多信息。这种产品的运用将促使高容量数字媒体格式（如HDTV）的普及。IBM的silicongermanium技术可实现设备高度的集成化，使用嵌入式天线更进一步节省了系统成本。一个芯片组原型产品包括发射器、接收机以及两个天线，仅占到一个10美分硬币的面积。典型应用之二—毫米波武器

毫米波武器外表像碟形卫星天线，能发射出一种高能毫米波，人被射中后瞬间产生剧烈灼痛感，从而被迫放下武器，或者立即逃离。这种武器的有效射程为455米。这种武器如在战乱地区使用，将会有效避免人员伤亡。“主动压制系统”使用的是毫米波，对人体皮肤的穿透深度约为0.4毫米，足以造成强烈痛感而实际伤害较小。毫米波武器系统样机

第六章毫米波探测技术第六章毫米波探测技术典型应用之三—毫米波雷达

毫米波雷达主要作用是测量与车辆前方100米左右的障碍物间的相对速度。追踪监视器将在监视器中显示与前车及对面车辆的距离。除雨天、雾天及降雪等视线较差时能了解间距外，还可以当车速超过一定数值接近前车时发出警报通知驾驶员。但此装置只在日本本土的车型上配备，卖到中国的车型此位置是物品格。

6.1毫米波理论基础毫米波是介于微波与光波之间，通常是30~300GHz频率范围，相应波长为1cm~1mm的电磁波谱。波长短在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄的多。降低部件、系统体积和重量；提高分辨率，有利于探测相距更近的小目标或更为清晰的观察目标的细节；（优点）天线尺寸小，截获能量小，不适合大范围内探测搜索；（缺点）

6.1.1毫米波的概念第六章毫米波探测技术1、什么是毫米波？

2、毫米波的特点

6.1毫米波理论基础容许大量系统在此频带内工作而不相互干扰；（优点）要求接收机带宽增大，接收机系统灵敏度降低；（缺点）

频带极宽从传输特性看在大气窗口内与光、红外比大气衰减较小；（优点）在雨、雪、雾等恶劣气候下通信距离降低；（缺点）

6.1.2大气对毫米波传播的影响1、大气吸收

大气衰减的极值出现在60Hz，196Hz（这是氧分子的吸收谱线）和183GHz（水蒸气的吸收）。原因：分子极化。水蒸气是电极化分子，氧气是磁极化分子。这些极化分子与入射波作用产生强烈吸收。由于氮、氧和水对毫米波的吸收作用，使大气对毫米波有多个吸收峰。大气除对毫米波有吸收作用外，还存在散射和折射，在大气窗口内，毫米波的衰减主要由散射损失引起。6.1毫米波理论基础窗口频率/GHz3594140220相应波长/mm8.53.22.11.4带

宽/GHz16232670表毫米波大气窗口

注：大气窗口是指在某些波段穿透大气的能力较强。

6.1.3辐射模型及被动式目标识别

1、辐射方程

任何物体在一定温度下都要辐射电磁波，或主动式辐射源通过天线向外也辐射电磁波。当这些辐射的电磁波碰到地面或空中其它物体时，将产生反射、散射、吸收、折射等。一般认为，外来的电磁辐射以平面波前形式传播到一平坦的表面时，一部分电磁波被反射或散射，另一部分被吸收，剩下部分透入地下或浅表层。根据能量守恒定律，入射功率Pi的平衡条件是：6.1毫米波理论基础

下标ρ、α、τ、分别表示反射、吸收和透射。

将上式用Pi归一化得：

反射率

吸收率

透射率

如果忽略透入地下的功率，可以得到：根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于吸收率，即则上式变为：6.1毫米波理论基础2、辐射温度模式广义上，任何一个物体都是一个辐射源，在一定温度下物体要发射电磁波，同时也被别的物体发射的电磁波所照射。对于各种目标，辐射的电磁波来自两部分：一部分是目标自身的热辐射，另一部分是目标反射其它辐射源的辐射。辐射计通过观测天线温度的变化而检测目标。因此，计算天线温度十分重要。二维模式当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时，假设此模式包括了粗糙度、周期结构和电学性质的变化在内的表面函数，在天线附近的辐射温度可表示为：6.1毫米波理论基础—入射角；—方位角；—极化（包括水平极化和垂直极化）—接收机的带宽；—地面反射系数；、—地面和大气发射率；、、—天空、地面、大气的真实温度。注：本模式没有包括电磁波穿过大气的吸收效应。如避开水蒸汽和氧的吸收区，假设大气层均无湍流。这种模式在所观测的地面研究和计算有效。相应地，当接收天线指向天空，接收天空温度及大气温度时，如忽略大气衰减，在一定条件下，可得天线附近的温度为：自然界各种物质的辐射特性不相同，一般来说，相对介电系数较高或导电率较高的物质发射率较小，而反射系数较大。在相同温度下，高导电率材料较低导电材料的辐射温度低，即较冷。如图几种物质35GHz时的表面辐射温度6.1毫米波理论基础3、利用辐射差异来识别目标激光近炸引信

对于理想导电的光滑表面，如汽车、坦克等。其反射率接近1。利用反射率和发射率的差异能识别不同的目标。（1）地面金属目标的识别假设目标正好充满整个波束，大气衰减忽略。当辐射天线扫描到地面时，根据辐射温度公式可以计算出天线附近的温度。当天线波束扫描到金属表面时，天线附近的温度为：6.1毫米波理论基础

ρT—金属目标的反射系数

地面和金属目标的对比度为：（2）水面上金属目标的识别6.1毫米波理论基础（3）空中金属目标的识别

当天线波束扫描空中金属目标时，利用前式可得到天空和天空中金属目标的对比度：能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体，叫黑体。在毫米波段，黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的物体。它是一个良好的吸收体，还是良好的发射体。

1901年普朗克通过证明，假设能量辐射仅以离散能量的量子出现。则一个黑体在温度为T，频率为f，其亮度为：6.2毫米波辐射计的探测原理

6.2.1物体的电磁辐射特性第六章毫米波探测技术1、黑体辐射

h—普朗克常数；K—波尔兹曼常数；C—光速t—温度，K；f—频率完全吸收并完全发射的绝对黑体实际不存在，它是一种理想的物体。为了与黑体这一术语相对应，实际的物体称为灰体。一个灰体辐射的功率，可用比该灰体实际温度更低的等效黑体所辐射的功率来代替。一般把此等效黑体的温度称为物体的表观温度，也叫亮度温度。物体表观温度与物体实际温度之比定义为该物体的频谱发射率。注：亮度定义是单位频率、单位黑体的发射面积、单位立体角的功率。亮度与频率和温度有关，与方向无关。2、表观温度

6.2毫米波辐射计的探测原理注：在毫米波探测装置中均将频谱发射率简称为发射率。黑体的发射率为1，故黑体的表观温度与它的实际温度相等。在毫米波段，吸收室的高吸收材料可以很好近似为黑体，在有限的入射角范围内可以得到高达0.99的发射率。对于高导电金属板是良好的反射器，可以把它看作非发射体，其发射率为0。

如一块金属板，发射率为0，常温t=300K，它的tap=0；当t=500K时，表观温度仍为0。6.2毫米波辐射计的探测原理6.2.2天线的基础知识1、天线的地位和作用

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。2、天线的方向性

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难。6.2毫米波辐射计的探测原理

若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。立体方向图

垂直面方向图

水平面方向图

立体方向图

垂直面方向图

6.2毫米波辐射计的探测原理也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向。6.2毫米波辐射计的探测原理

抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。参见下图,在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。6.2毫米波辐射计的探测原理3、波瓣宽度

对于基站天线，人们常常要求它的垂直面（即俯仰面）方向图中，主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些。这就是所谓的上旁瓣抑制。基站的服务对象是地面上的移动电话用户，指向天空的辐射是毫无意义的。6.2毫米波辐射计的探测原理注：为使主波瓣指向地面，安置时需要将天线适度下倾。

增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义----为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号。6.2毫米波辐射计的探测原理4、天线的增益

如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为G=13dB=20的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需100/20=5W.

换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。下图示出了两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。6.2毫米波辐射计的探测原理5、天线的极化

注：垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收，水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极化损失。当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量，这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。6.2.3毫米波天线6.2毫米波辐射计的探测原理1、毫米波天线的类型

喇叭天线角锥喇叭

宽带双脊喇叭同轴双向喇叭6.2毫米波辐射计的探测原理抛物面天线还可分为旋转抛物面天线、切割抛物面天线、柱形抛物面天线、球形面天线等。旋转抛物面天线主瓣窄、副瓣低、增益高、方向图为针状。抛物面天线的增益近似为:抛物面天线D—天线口径；η—天线效率；

前馈抛物面天线6.2毫米波辐射计的探测原理介质棒天线

利用一定形状介质棒作辐射源。天线的性能取决于介质棒的尺寸、介质电常数、损耗等。增加棒的直径可以减小波瓣宽度，利用高介电常数的介质棒可以缩短辐射长度。利用光学透镜原理，焦点处的点光源经透镜折射后能成平面波。如图示。透镜天线

它是在微带基片上制作一片金属环或线，用来辐射毫米波。该天线截面积小，适合用于飞行器共形的探测器，如在毫米波引信上使用，可以成各种形状以调整天线方向图。微带天线

6.2毫米波辐射计的探测原理6.2毫米波辐射计的探测原理6.2.4毫米波辐射计的工作原理

毫米波辐射计是一部被动式的接收机，本身不发射信号。它接收到的能量是被天线收集起来的辐射，这些辐射来自场景自身的辐射及其其他辐射源辐射能量的反射。