毫米波輻射計探測裝甲目標立體特性建模與仿真分析*

馮建利，陳 博，張效民(1.西安石油大學計算機學院,西安710065;.西北工業(yè)大學航海學院,西安71007; .西安機電信息技術(shù)研究所,西安710065)

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毫米波輻射計探測裝甲目標立體特性建模與仿真分析*

馮建利**1，2，陳 博3，張效民2
(1.西安石油大學計算機學院,西安710065;2.西北工業(yè)大學航海學院,西安710072; 3.西安機電信息技術(shù)研究所,西安710065)

**通信作者:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn Corresponding author:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn

摘 要:以往的毫米波被動探測系統(tǒng)中為了簡單往往將裝甲目標等效為平面金屬目標,忽視了它的復雜立體特性。針對這一問題,提出了裝甲目標立體特性的概念,理論推導了裝甲目標立體特性的客觀存在,仿真分析了裝甲目標的立體特性,并概括總結(jié)了裝甲目標立體特性的影響因素。文中結(jié)論對裝甲目標毫米波輻射特性研究及毫米波被動探測領(lǐng)域具有一定的參考價值。

關(guān)鍵詞:毫米波被動探測；裝甲目標；立體特性；仿真分析

1 引 言

在非實驗環(huán)境中要對大型目標進行仿真或等效測量時通常會使用到縮比模型[1]。以往對于毫米波被動探測裝甲目標的研究基本上都是將全尺寸裝甲目標(復雜立體金屬)按照縮比模型縮小為小尺寸的平面金屬目標,然后在低的觀測高度下研究裝甲目標的輻射特性[2]。但是事實上,由于裝甲目標是復雜的立體金屬目標,在某種探測條件下,它的一部分面元反射向下大氣輻射溫度,而另一部分面元則反射地面背景輻射溫度[3]。所以,裝甲目標的輻射特性和平面金屬目標的輻射特性有本質(zhì)上的區(qū)別。鑒于此,要分析裝甲目標的輻射特性只是降低探測高度、將裝甲目標等比例縮小為平面金屬目標是不夠的,還需要分析影響裝甲目標輻射特性的其他因素。

本文首先研究了毫米波輻射計探測的基本原理,在此基礎(chǔ)上基于裝甲目標的復雜幾何結(jié)構(gòu)建立了裝甲目標的輻射特性模型,進一步分析了裝甲目標與平面金屬的天線溫度對比度,得到造成裝甲目標不同于平面金屬的原因在于裝甲目標的立體特性;其次,細化了立體特性的分析指標,并在此基礎(chǔ)上,對不同探測條件下的裝甲目標的立體特性進行了仿真;最后,基于對仿真結(jié)果的對比分析,獲得了裝甲目標立體特性隨探測高度及探測角度的變化規(guī)律,得到了本文的研究結(jié)論。

2 毫米波輻射計探測基本原理

根據(jù)熱輻射理論:一切溫度處于絕對零度以上的物體,都存在電磁輻射;在熱平衡條件下,其吸收和輻射能量的速率相等;物體表面的微波輻射功率與物體的溫度之間呈線性關(guān)系[4-5]。這種功率與溫度的一一對應關(guān)系使得在描述熱噪聲功率時,既可用功率(單位W),也可用溫度(單位K)來度量。因此,通常用天線溫度來衡量無耗天線輸出功率。通常,當毫米波輻射計近距離(天線距離地面高度為幾米至幾十米)探測地物目標時,向上大氣輻射的視在溫度和大氣損耗都可以忽略不計。因此,天線溫度表示為[5]

式中:ΩM為天線主波束立體角;TB(θ,φ )表示被測地物在(θ,φ )方向上的亮度溫度;Г( θ,φ )為被測地物的反射率;TBother(θ,φ )表示被測地物目標接收到的來自于其他輻射源的輻射溫度;G( θ,φ )為天線增益方向圖。該式是用輻射計探測、識別目標的根本,也是不同目標具有不同輻射特性的直接表現(xiàn),所以對目標輻射特性的分析就是分析其天線溫度。

3 裝甲目標輻射溫度建模

假設毫米波輻射計主波束范圍內(nèi)包括地面背景和裝甲目標,由于它們的輻射亮溫不同,所以從不同方向進入主波束的視在溫度也不同。裝甲目標多為金屬外殼,在8 mm頻段,其輻射率ε( θ, )φ≈0,反射率Г( θ, )φ≈1,即裝甲目標自身不向外發(fā)射能量,但是可以反射(散射)來自于其他輻射源的能量。如圖1所示,輻射計接收到的散射能量除了裝甲目標部分面元反射的大氣向下輻射能量以外,還有另一部分面元反射的地面背景輻射能量。圖1中: TSC1(θ, )

φ表示裝甲目標面元反射的向下大氣輻射溫度;TSC2(θ, )

φ表示裝甲目標面元反射的地面背景輻射溫度; TDN( θ, )φ表示向下大氣輻射溫度; TBb(θ, )

φ表示地面背景大氣輻射溫度;ΩM表示天線主波束立體角;Ωt表示裝甲目標在天線主波束內(nèi)所張立體角;θT表示探測角(天線主波束中心線與z軸夾角)。

圖1 裝甲目標輻射特性示意圖Fig. 1 Schematic radiation characteristics of armored target

式中:Ω1表示反射向下大氣輻射溫度的裝甲目標面元在天線主波束內(nèi)所張立體角;Ω2表示反射地面背景輻射溫度的裝甲目標面元在天線主波束內(nèi)所張立體角,且滿足Ω1+Ω2=Ωt;Ωg表示地面背景輻射溫度在天線主波束內(nèi)所張立體角,滿足Ωt+Ωg=ΩM。

如果地面背景上是平面金屬,對照式(2)可得此時天線溫度為

式(2)與式(3)相減得裝甲目標和平面金屬天線溫度對比度為

分析式(4)可知,裝甲目標的輻射特性不同于普通平面金屬目標的原因在于:在某種探測條件下,裝甲目標的某些面元會反射地面背景輻射亮溫,本文中稱為裝甲目標的立體特性。

為了分析裝甲目標的立體特性,基于ANSYS軟件建立了裝甲目標的三角形面元模型[6]。假設天線主波束內(nèi)共有L個裝甲目標面元,其中有M個面元反射向下大氣輻射,N個面元反射地面背景輻射,滿足L = M+N,則用面元表示的裝甲目標天線溫度為

4 裝甲目標立體特性的分析指標

從上述分析可知,裝甲目標的立體特性主要是由反射地面背景輻射溫度的面元造成的。所以,立體特性的大小就和反射地面背景輻射溫度的面元在天線主波束內(nèi)所張立體角有關(guān)。為了明確分析,定義立體率指標。

4. 1 立體率

設反射地面背景輻射亮溫的面元在天線主波束內(nèi)所張立體角為Ω2,天線主波束立體角為ΩM,則將Ω2占ΩM的比定義為立體率,即

從式(6)可以看出,0≤ηs＜1,且數(shù)值越大表示立體特性越凸顯。ηs在圖2中表現(xiàn)為裝甲目標天線溫度中數(shù)值大于平面金屬目標天線溫度,這部分數(shù)值正是由于裝甲目標的部分面元反射地面背景輻射,而地面背景輻射遠高于大氣向下輻射造成的。特殊地,ηs=0表示無立體特性,即探測器未探測到立體金屬目標,僅探測到平面金屬目標或地面背景等非立體金屬目標,目標不反射地面背景輻射。

圖2 平面金屬目標和裝甲目標天線溫度實測結(jié)果對比Fig. 2 Comparison of antenna temperature between planar metal and armored target

4. 2 立體特性標準差

在概率統(tǒng)計分析中,通常采用標準差來反映一個數(shù)據(jù)集合的離散程度。假設有一組數(shù)值x1,x2, …,xN(皆為實數(shù)),其均值為μ,則其標準差定義為[6]

本文中引入的標準差體現(xiàn)在圖2中裝甲目標天線溫度曲線的波動,這是由于裝甲目標是復雜的立體金屬,既有可能反射大氣向下輻射,又有可能反射地面背景輻射。所以,天線主波束范圍內(nèi)接收到的不同面元的輻射能量不同,表現(xiàn)為天線溫度曲線有不同程度的起伏。

5 裝甲目標立體特性仿真分析

在MATLAB上建立裝甲目標天線溫度仿真系統(tǒng),在給定的仿真條件下,對裝甲目標的所有面元進行遍歷,計算Ωg和ΩM,從而得到裝甲目標立體率ηsolid,并計算立體特性標準差σ。

結(jié)合工程實用將仿真條件設置為:背景為黃土地;環(huán)境溫度25℃;系統(tǒng)采樣率2 000 Hz;天線為口面半徑為0. 12 m的卡塞格倫天線;彈丸以100 m/ s的速度從裝甲目標正前方上空沿著直線軌跡勻速掠過裝甲目標。為了避免異常數(shù)據(jù),確保仿真結(jié)果的有效性,每種探測條件下的仿真次數(shù)均為1 000次。表1記錄了探測高度為10 m時裝甲目標立體率及立體特性標準差隨探測角度的統(tǒng)計平均值,表2記錄了探測角度為20°時裝甲目標立體率及立體特性標準差隨探測角度的統(tǒng)計平均值。

表1 高度10 m時裝甲目標立體特性隨著探測角度變化統(tǒng)計表Tab. 1 The statistical table of armored target's stereo effect change with different detection angle when detection height is 10 m

表2 探測角度20°時裝甲目標立體特性隨著探測高度變化統(tǒng)計表Tab. 2 The statistical table of armored target's stereo effect change with different detection height when detection angle is 20°

表1和表2是以數(shù)據(jù)的形式表征的裝甲目標立體特性。為了更加直觀,圖3列舉了在不同的探測條件下輻射計得到的天線溫度曲線。

圖3 裝甲目標在不同探測條件下的天線溫度曲線Fig. 3 The antenna curve of armored target under different detection conditions

對比分析表1、表2以及圖3可得到如下結(jié)論:

(1)裝甲目標的復雜幾何結(jié)構(gòu)導致了立體特性的存在,且立體特性的主要影響因素為探測角度和探測高度;

(2)同一高度下,探測角度越小,裝甲目標的立體特性越明顯;而且,由于裝甲目標前端的外型構(gòu)造相對于后端而言更為復雜,所以表征裝甲目標的天線溫度曲線段內(nèi),前部分的波形波動明顯高于后部分,即裝甲前端立體特性高于后端立體特性,且隨著探測角度的增大,裝甲前端的立體特性逐漸減弱;

(3)同一高度下,隨著探測角度的增大,反射地面背景輻射的裝甲目標面元減少,裝甲目標立體率數(shù)值變小;同時,裝甲目標立體角減小,地面背景立體角相對增大,所以天線溫度曲線整體上升;

(4)同一探測角度下,隨著高度的提升,裝甲目標的立體特性逐漸減弱;與此同時,高度的提升帶來了天線主波束立體角內(nèi)裝甲目標所占比例減小,地面背景相對增大,所以背景和裝甲目標的天線溫度曲線整體上升。

6 結(jié) 論

本文基于毫米波被動探測的一般原理,結(jié)合裝甲目標的復雜立體幾何結(jié)構(gòu),建立了裝甲目標的毫米波輻射模型;在此基礎(chǔ)上,推導得到裝甲目標與平面金屬目標天線溫度的不同是由于裝甲目標的立體特性造成的,進而提出了以立體率及立體特性標準差為指標的立體特性分析定量方法。為了表明分析的必要性及有效性,對不同探測條件下的裝甲目標立體特性進行了仿真。仿真結(jié)果再次表明裝甲目標立體特性的客觀存在及研究的意義,同時獲得了裝甲目標立體特性隨探測高度及探測角度的變化規(guī)律。本文為毫米波被動探測裝甲目標輻射特性的研究提供了分析思路及數(shù)據(jù)支撐。

參考文獻:

[1] CHENG B B,JIANG G,YANG C,et al. Scale-model targets radar cross section measurement and imaging using 140 GHz monostatic radar[J]. Infrared and Laser Engineering,2004,43(10):3416-3422.

[2] 周珩,婁國偉.毫米波輻射計的縮比測試[J].制導與引信,2006,27(4):36-39. ZHOU Heng,LOU Guowei. Contractible-scaled detection of the millimeter wave radiometer[J]. Guidance & Fuze, 2006,27(4):36-39. (in Chinese)

[3] 馮建利,張效民.基于多次反射的毫米波被動探測裝甲目標輻射特性研究[J].西北工業(yè)大學學報,2015, 33(1):135-140. FENG Jianli,ZHANG Xiaomin. Research on armored target radiation characteristics with passive millimeter wave detection based on multiple reflection [ J]. Journal of Northwestern Polytechnical University,2015,33(1):135-140. (in Chinese)

[4] ULABY F T,MOORE R K,FUNG A K. Microwave remote sensing,active and passive [M]. New Jersey:Addison-Wesley Publishing Company,1981.

[5] 李興國.毫米波近感技術(shù)及其應用[M].北京:國防工業(yè)出版社,1991. LI Xingguo. Millimeter wave near-sensing technology & application [ M ]. Beijing: National Defense Industry Press,1991. (in Chinese)

[6] 朱燕堂,趙選民,徐偉.應用概率統(tǒng)計方法[M].西安:西北工業(yè)大學出版社,2000. ZHU Yantang,ZHAO Xuanmin,XU Wei. Applied probability and statistical methods[M]. Xi'an:Northwest Polytechnical University Press,2000. (in Chinese)

馮建利(1981—),女,陜西人,現(xiàn)為西北工業(yè)大學博士研究生、西安石油大學講師,主要研究方向為毫米波被動探測信號處理及目標識別技術(shù);

FENG Jianli was born in Shaanxi Province, in 1981. She is now a lecturer and currently working toward the Ph. D. degree. Her research concerns passive millimeter wave detection signal processing and target recognition.

Email:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn

陳 博(1979—),男,陜西人,2008年獲碩士學位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向為無線電;

CHEN Bo was born in Shaanxi Province,in 1979. He received the M. S. degree in 2008. He is now an engineer. His research concerns radio.

Email:cbstm2003@163. com

張效民(1963—),男,陜西人,西北工業(yè)大學教授、博士生導師,主要研究方向為水下通信系統(tǒng)及信號處理。

ZHANG Xiaomin was born in Shaanxi Province,in 1963. He is now a professor and also the Ph. D. supervisor. His research concerns underwater communication system and signal processing.

Modeling and Simulation Analysis of Armored Target’s Stereo Characteristic Detected by Millimeter Wave Radiometer

FENG Jianli1,2,CHEN Bo3,ZHANG Xiaomin2
(1. School of Computer Science,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China; 2. College of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China; 3. Xi'an Institute of Electromechanical Information Technology,Xi'an 710065,China)

Abstract:In the past,for simple,the armored target is often equaled to the plane metal target in the research of passive millimeter wave(MMW) detection system,so the complex stereo characteristic is ignored. To solve this problem,this paper presents the concept of armored target's stereo characteristic,derives its objective existence theoretically,simulates and analyzes the stereo characteristic of armored target,and finally summarizes its impact factors. The conclusion of this paper has a certain reference value for the study of MMW radiation characteristics of armored target and the research in passive MMW detection field.

Key words:passive millimeter wave detection;armored target;stereo characteristic;simulation analysis

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 010引用格式:劉恒,趙宏偉,李維梅,等.平面稀疏陣列天線的約束優(yōu)化設計[J].電訊技術(shù),2016,56(2):166-170. [LIU Heng,ZHAO Hongwei,LI Weimei,et al. Constraint optimization of planar thinned array antenna[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):166-170. ]

作者簡介:

中圖分類號:TN015；TP391. 9

文獻標志碼:A

文章編號:1001-893X(2016)02-0161-05

*收稿日期:2015-07-02;修回日期:2015-10-22 Received date:2015-07-02;Revised date:2015-10-22