3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測方法

齊學(xué)慧,張光鋒,婁國偉,周璐艷,劉　靜

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測方法

齊學(xué)慧,張光鋒,婁國偉,周璐艷,劉靜

(南京理工大學(xué)電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

摘要:針對水面金屬目標(biāo)毫米波輻射特性數(shù)據(jù)庫缺乏的問題，提出了3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測方法。該方法首先對水面金屬平面目標(biāo)的天線溫度對比度進(jìn)行了理論分析與仿真，同時(shí)分析了水面金屬球的輻射情況，在此基礎(chǔ)上采用3 mm和8 mm兩個(gè)波段的輻射計(jì)對水面不同目標(biāo)進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對比表明，金屬目標(biāo)與水面的視在溫度相差20～32 K，毫米波輻射計(jì)能夠有效地檢測水面金屬目標(biāo)。

關(guān)鍵詞:輻射率；輻射計(jì)；水面金屬目標(biāo)；視在溫度

0引言

目標(biāo)輻射檢測是一種基于目標(biāo)與背景之間存在的輻射率差異來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測與識別的技術(shù)。相比于紅外和激光，毫米波具有探測精度高、區(qū)別金屬目標(biāo)和周圍環(huán)境能力強(qiáng)且能全天時(shí)、全天候工作[1-2]等優(yōu)勢，因此在目標(biāo)探測與識別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近些年來，眾多學(xué)者圍繞毫米波探測技術(shù)展開了研究。雷震東等對海上油膜的微波輻射特性進(jìn)行了建模分析[3]，給出了海面油污有效發(fā)射率隨油膜厚度變化的關(guān)系，但缺少對金屬目標(biāo)的研究；陳曦等利用射線跟蹤的思想分析了金屬球的毫米波輻射特性，建立了輻射溫度計(jì)算模型[4]，但文中只對地面背景的金屬目標(biāo)進(jìn)行了研究，未考慮水面背景下金屬目標(biāo)的輻射特性。本文針對上述問題，結(jié)合無源毫米波探測技術(shù)，提出了3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測方法。

1Dicke毫米波輻射計(jì)原理

圖1所示為Dicke輻射計(jì)的原理方框圖[2,5]。該系統(tǒng)有一個(gè)“Dicke”式開關(guān)，與接收機(jī)輸入端相連，用于調(diào)制接收機(jī)輸入信號。它有一個(gè)同步解調(diào)器，位于平方律檢波器和低通濾波器之間。調(diào)制是使接收機(jī)輸入端在天線與參考負(fù)載之間周期的通斷而形成的，采用的開關(guān)速率要高于增益起伏譜中能起作用的最高次頻譜分量。

圖1　Dicke輻射計(jì)的原理框圖Fig.1　Principle diagram of Dicke radiometer

(1)

(2)

2水面金屬目標(biāo)的探測原理

水面艦船目標(biāo)主要是金屬目標(biāo)，因此，金屬目標(biāo)的毫米波輻射特性理論分析是研究的關(guān)鍵。

2.1金屬平面目標(biāo)的毫米波輻射特性分析

建立如圖2(a)所示數(shù)學(xué)模型，水面背景上有一塊金屬平面目標(biāo)，面積為AT。輻射計(jì)從A點(diǎn)觀測目標(biāo)，輻射計(jì)高度為h，觀測角為θF。其中AS為天線波束中心線，dA=dxdy為目標(biāo)上的任一面積元，其中心M與天線的連線為AM，并與波束中心線AS的夾角為θ。在這些條件下，天線溫度TA1(θF)[6-9]為：

(3)

式(3)中，G(θ,φ)為天線增益,TAPT(θ,φ)和TAPB(θF)分別為目標(biāo)和背景的視在溫度。

如果背景上沒有金屬板目標(biāo)，則天線溫度TA2(θF)為：

(4)

式(4)減去式(3)即為天線溫度對比度ΔTA(θF)：

ΔTA(θF)=

(5)

通常采用旋轉(zhuǎn)對稱的天線波束，因此G(θ,φ)=G(θ)，又因?yàn)榈匚锖湍繕?biāo)的毫米波輻射特性與方位角無關(guān),因此有TAP(θ,φ)=TAP(θ)。實(shí)際使用中，觀測高度h很大，所以ΩT很小，因此TAPT(θ)=TAPT(θT)，TAPB(θ)=TAPB(θT)均可看作常數(shù)，θT為AM與地面垂直線的夾角，M處在目標(biāo)中心。因此有：

(6)

式(6)中，ΔTAP(θT)=TAPT(θT)-TAPB(θT)，不計(jì)天線波束旁瓣的影響，可令G(θ)=G0e-be2，并對具有不同主瓣特性的天線，選取不同的b值作為G(θ)的近似表達(dá)式，根據(jù)圖2(a)，最終推導(dǎo)出天線溫度對比度ΔTA(θF)的表達(dá)式為：

(7)

2.2金屬立體目標(biāo)的毫米波輻射特性分析

建立如圖2(b)所示數(shù)學(xué)模型[8]，輻射計(jì)高度為h，輻射計(jì)與目標(biāo)的斜距為AM，前視角為θF，觀測位于天線波束中心的金屬立體目標(biāo)艦船。對于金屬立體目標(biāo)，背景的視在溫度表達(dá)式TAPT(θ,φ)十分復(fù)雜。因此，利用數(shù)值積分推導(dǎo)出金屬立體目標(biāo)與背景的天線溫度對比度[6-9]為：

(8)

其中，TAPT(θTn)和TAPB(θBn)分別為目標(biāo)和背景的第n微元視在溫度，G(θAn)為第n微元天線增益。

(a)

(b)

為了簡化分析，以規(guī)則的金屬球?yàn)槔M(jìn)行理論分析。假設(shè)目標(biāo)放置于光滑的水面，根據(jù)金屬球和水面背景的幾何關(guān)系及射線路徑的不同，可分為6種輻射模式，建立如圖3所示數(shù)學(xué)模型，其中(a)、(b)、(c)為大氣輻射經(jīng)金屬球反射進(jìn)入天線的情況，(d)、(e)、(f)為經(jīng)水面反射進(jìn)入天線的情況，(b)和(e)入射角很小，幾乎原路返回。采用面元法[10]對6種不同情況下的天線溫度加權(quán)，可得到最終的天線溫度對比度。

圖3　金屬球輻射傳播示意圖Fig.3　Diagrams of metal ball radiation

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

針對不同目標(biāo)的輻射特性,采用3 mm (300 mm,0.8°,0.5 K)和8 mm (368 mm,1.5°,0.2 K)輻射計(jì)選取太湖為背景進(jìn)行了測量。

測試角度超過80°時(shí)，水面和天空的毫米波輻射特性受環(huán)境影響較大。同時(shí)水平極化的方式會導(dǎo)致水面的測量結(jié)果產(chǎn)生劇烈變化。針對上述問題，采用垂直極化的方式采集了0°～80°范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，結(jié)果如圖4所示。圖4(a)和4(b)分別為天空和水面的毫米波輻射特性圖，圖4(c)對3 mm波段水面金屬目標(biāo)進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)，圖4(d)為天頂角45°和30°時(shí)，利用3 mm和8 mm兩個(gè)波段的輻射計(jì)對水面金屬目標(biāo)測量的結(jié)果。

從圖4(a)和圖4(b)大致看出，在0°～80°范圍內(nèi)，水面和天空的測量值與理論值相吻合；由圖4(c)可以看出，3 mm波段水面金屬目標(biāo)的仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，驗(yàn)證了理論模型的正確性；結(jié)合圖4(c)和(d)可看出，俯角同為45°時(shí)，3 mm波段目標(biāo)的溫度高于8 mm波段的目標(biāo)50 K左右，且采用3 mm輻射計(jì)測量時(shí)，金屬目標(biāo)與水面的視在溫度相差22 K左右，采用8 mm輻射計(jì)測量時(shí)，兩者的視在溫度相差20～25 K，因此金屬和水面的輻射溫度存在明顯差異。

(a) 天空毫米波輻射特性圖　(b) 水面毫米波輻射特性圖

(c)3mm波段金屬目標(biāo) 仿真與實(shí)驗(yàn)對比圖 (d)8mm波段金屬 目標(biāo)測量數(shù)據(jù)圖

圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圖

Fig.4Diagrams of experimental data

表1和表2所示為入射角度為30°時(shí)，幾種典型的目標(biāo)與水面視在溫度之間形成的對比結(jié)果。從表中可以看出，金屬目標(biāo)與水面之間的輻射特性存在著顯著的差異，圓柱體與水面溫度對比度達(dá)到31.92 K。由于毫米波會穿透泡沫，泡沫的視在溫度幾乎和水面相同，因此泡沫可以作為目標(biāo)背景，對目標(biāo)的輻射特性沒有影響。

表1　各個(gè)目標(biāo)與水面輻射特性的對比數(shù)據(jù)(3 mm)

表2　各個(gè)目標(biāo)與水面輻射特性的對比數(shù)據(jù)(8 mm)

4結(jié)論

本文提出了3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測方法。該方法對水面金屬平面目標(biāo)的天線溫度對比度進(jìn)行了理論分析與仿真，并以金屬球?yàn)槔芯苛私饘倭Ⅲw目標(biāo)的輻射情況，在此基礎(chǔ)上采用3 mm和8 mm兩個(gè)波段的輻射計(jì)對水面不同目標(biāo)進(jìn)行了測量。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對比表明，金屬目標(biāo)與水面的視在溫度相差20～32 K，毫米波輻射計(jì)能夠有效的檢測水面金屬目標(biāo)，彌補(bǔ)了水面金屬目標(biāo)毫米波輻射特性數(shù)據(jù)庫的缺失。但由于實(shí)驗(yàn)過程中沒有考慮水面風(fēng)浪以及金屬立體目標(biāo)結(jié)構(gòu)單一等因素的影響，擬將其作為重點(diǎn)，以軍艦?zāi)Ｐ妥鳛檠芯磕繕?biāo)，進(jìn)一步對金屬目標(biāo)與水面的輻射溫度差異做深入的分析和研究。

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*收稿日期:2015-12-31

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(61371038)

作者簡介:齊學(xué)慧(1991—)，女，蒙古族，遼寧阜新人，碩士研究生，研究方向: 毫米波目標(biāo)輻射特性與建模。E-mail: ningxiner26@hotmail.com。

中圖分類號:TN015

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)03-0009-04

MMW Radiometric Characteristics Testing of Metal Target on Water Surface

QI Xuehui, ZHANG Guangfeng, LOU Guowei, ZHOU Luyan, LIU Jing

(School of Electronic Engineering and Optical Technology,Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Abstract:The detecting data for millimeter wave (MMW) characteristics of metal target on water surface are in the state of deficient. Aiming at this problem, a method on detecting the radiation characteristics of 3 mm and 8 mm metal target on water surface was proposed. The antenna temperature contrast of metal plane target was theoretically analyzed and simulated firstly, and then the propagation of metal ball was analyzed. On this basis, the different targets on water surface were detected with 3 mm and 8 mm radiometers. The comparison between detection and simulation results showed that the apparent temperature of metal target and water differs between 20 K and 32 K, which meant that the MMW radiometer could effectively identify the metal target on water surface.

Key words:radiation rate; radiometer; metal target on water surface; apparent temperature