馮建利，陳 博，張效民(1.西安石油大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,西安710065;.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安71007; .西安機(jī)電信息技術(shù)研究所,西安710065)

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毫米波輻射計(jì)探測(cè)裝甲目標(biāo)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(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,西安710065;2.西北工業(yè)大學(xué)航海學(xué)院,西安710072; 3.西安機(jī)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(dòng)探測(cè)系統(tǒng)中為了簡(jiǎn)單往往將裝甲目標(biāo)等效為平面金屬目標(biāo),忽視了它的復(fù)雜立體特性。針對(duì)這一問(wèn)題,提出了裝甲目標(biāo)立體特性的概念,理論推導(dǎo)了裝甲目標(biāo)立體特性的客觀存在,仿真分析了裝甲目標(biāo)的立體特性,并概括總結(jié)了裝甲目標(biāo)立體特性的影響因素。文中結(jié)論對(duì)裝甲目標(biāo)毫米波輻射特性研究及毫米波被動(dòng)探測(cè)領(lǐng)域具有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞:毫米波被動(dòng)探測(cè)；裝甲目標(biāo)；立體特性；仿真分析

1 引 言

在非實(shí)驗(yàn)環(huán)境中要對(duì)大型目標(biāo)進(jìn)行仿真或等效測(cè)量時(shí)通常會(huì)使用到縮比模型[1]。以往對(duì)于毫米波被動(dòng)探測(cè)裝甲目標(biāo)的研究基本上都是將全尺寸裝甲目標(biāo)(復(fù)雜立體金屬)按照縮比模型縮小為小尺寸的平面金屬目標(biāo),然后在低的觀測(cè)高度下研究裝甲目標(biāo)的輻射特性[2]。但是事實(shí)上,由于裝甲目標(biāo)是復(fù)雜的立體金屬目標(biāo),在某種探測(cè)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?jiǎng)t反射地面背景輻射溫度[3]。所以,裝甲目標(biāo)的輻射特性和平面金屬目標(biāo)的輻射特性有本質(zhì)上的區(qū)別。鑒于此,要分析裝甲目標(biāo)的輻射特性只是降低探測(cè)高度、將裝甲目標(biāo)等比例縮小為平面金屬目標(biāo)是不夠的,還需要分析影響裝甲目標(biāo)輻射特性的其他因素。

本文首先研究了毫米波輻射計(jì)探測(cè)的基本原理,在此基礎(chǔ)上基于裝甲目標(biāo)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)建立了裝甲目標(biāo)的輻射特性模型,進(jìn)一步分析了裝甲目標(biāo)與平面金屬的天線溫度對(duì)比度,得到造成裝甲目標(biāo)不同于平面金屬的原因在于裝甲目標(biāo)的立體特性;其次,細(xì)化了立體特性的分析指標(biāo),并在此基礎(chǔ)上,對(duì)不同探測(cè)條件下的裝甲目標(biāo)的立體特性進(jìn)行了仿真;最后,基于對(duì)仿真結(jié)果的對(duì)比分析,獲得了裝甲目標(biāo)立體特性隨探測(cè)高度及探測(cè)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(jì)探測(cè)基本原理

根據(jù)熱輻射理論:一切溫度處于絕對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系使得在描述熱噪聲功率時(shí),既可用功率(單位W),也可用溫度(單位K)來(lái)度量。因此,通常用天線溫度來(lái)衡量無(wú)耗天線輸出功率。通常,當(dāng)毫米波輻射計(jì)近距離(天線距離地面高度為幾米至幾十米)探測(cè)地物目標(biāo)時(shí),向上大氣輻射的視在溫度和大氣損耗都可以忽略不計(jì)。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(cè)地物在(θ,φ )方向上的亮度溫度;Г( θ,φ )為被測(cè)地物的反射率;TBother(θ,φ )表示被測(cè)地物目標(biāo)接收到的來(lái)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(jì)探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)的根本,也是不同目標(biāo)具有不同輻射特性的直接表現(xiàn),所以對(duì)目標(biāo)輻射特性的分析就是分析其天線溫度。

3 裝甲目標(biāo)輻射溫度建模

假設(shè)毫米波輻射計(jì)主波束范圍內(nèi)包括地面背景和裝甲目標(biāo),由于它們的輻射亮溫不同,所以從不同方向進(jìn)入主波束的視在溫度也不同。裝甲目標(biāo)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(biāo)自身不向外發(fā)射能量,但是可以反射(散射)來(lái)自于其他輻射源的能量。如圖1所示,輻射計(jì)接收到的散射能量除了裝甲目標(biāo)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(biāo)面元反射的向下大氣輻射溫度;TSC2(θ, )

φ表示裝甲目標(biāo)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(biāo)在天線主波束內(nèi)所張立體角;θT表示探測(cè)角(天線主波束中心線與z軸夾角)。

圖1 裝甲目標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(duì)照式(2)可得此時(shí)天線溫度為

式(2)與式(3)相減得裝甲目標(biāo)和平面金屬天線溫度對(duì)比度為

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

為了分析裝甲目標(biāo)的立體特性,基于ANSYS軟件建立了裝甲目標(biāo)的三角形面元模型[6]。假設(shè)天線主波束內(nèi)共有L個(gè)裝甲目標(biāo)面元,其中有M個(gè)面元反射向下大氣輻射,N個(gè)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(biāo)天線溫度為

4 裝甲目標(biāo)立體特性的分析指標(biāo)

從上述分析可知,裝甲目標(biāo)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(biāo)。

4. 1 立體率

設(shè)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(biāo)天線溫度中數(shù)值大于平面金屬目標(biāo)天線溫度,這部分?jǐn)?shù)值正是由于裝甲目標(biāo)的部分面元反射地面背景輻射,而地面背景輻射遠(yuǎn)高于大氣向下輻射造成的。特殊地,ηs=0表示無(wú)立體特性,即探測(cè)器未探測(cè)到立體金屬目標(biāo),僅探測(cè)到平面金屬目標(biāo)或地面背景等非立體金屬目標(biāo),目標(biāo)不反射地面背景輻射。

圖2 平面金屬目標(biāo)和裝甲目標(biāo)天線溫度實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig. 2 Comparison of antenna temperature between planar metal and armored target

4. 2 立體特性標(biāo)準(zhǔn)差

在概率統(tǒng)計(jì)分析中,通常采用標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)反映一個(gè)數(shù)據(jù)集合的離散程度。假設(shè)有一組數(shù)值x1,x2, …,xN(皆為實(shí)數(shù)),其均值為μ,則其標(biāo)準(zhǔn)差定義為[6]

本文中引入的標(biāo)準(zhǔn)差體現(xiàn)在圖2中裝甲目標(biāo)天線溫度曲線的波動(dòng),這是由于裝甲目標(biāo)是復(fù)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(biāo)立體特性仿真分析

在MATLAB上建立裝甲目標(biāo)天線溫度仿真系統(tǒng),在給定的仿真條件下,對(duì)裝甲目標(biāo)的所有面元進(jìn)行遍歷,計(jì)算Ωg和ΩM,從而得到裝甲目標(biāo)立體率ηsolid,并計(jì)算立體特性標(biāo)準(zhǔn)差σ。

結(jié)合工程實(shí)用將仿真條件設(shè)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(biāo)正前方上空沿著直線軌跡勻速掠過(guò)裝甲目標(biāo)。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(cè)條件下的仿真次數(shù)均為1 000次。表1記錄了探測(cè)高度為10 m時(shí)裝甲目標(biāo)立體率及立體特性標(biāo)準(zhǔn)差隨探測(cè)角度的統(tǒng)計(jì)平均值,表2記錄了探測(cè)角度為20°時(shí)裝甲目標(biāo)立體率及立體特性標(biāo)準(zhǔn)差隨探測(cè)角度的統(tǒng)計(jì)平均值。

表1 高度10 m時(shí)裝甲目標(biāo)立體特性隨著探測(cè)角度變化統(tǒng)計(jì)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(cè)角度20°時(shí)裝甲目標(biāo)立體特性隨著探測(cè)高度變化統(tǒng)計(jì)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(biāo)立體特性。為了更加直觀,圖3列舉了在不同的探測(cè)條件下輻射計(jì)得到的天線溫度曲線。

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

對(duì)比分析表1、表2以及圖3可得到如下結(jié)論:

(1)裝甲目標(biāo)的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了立體特性的存在,且立體特性的主要影響因素為探測(cè)角度和探測(cè)高度;

(2)同一高度下,探測(cè)角度越小,裝甲目標(biāo)的立體特性越明顯;而且,由于裝甲目標(biāo)前端的外型構(gòu)造相對(duì)于后端而言更為復(fù)雜,所以表征裝甲目標(biāo)的天線溫度曲線段內(nèi),前部分的波形波動(dòng)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(cè)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(cè)角度的增大,反射地面背景輻射的裝甲目標(biāo)面元減少,裝甲目標(biāo)立體率數(shù)值變小;同時(shí),裝甲目標(biāo)立體角減小,地面背景立體角相對(duì)增大,所以天線溫度曲線整體上升;

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

6 結(jié) 論

本文基于毫米波被動(dòng)探測(cè)的一般原理,結(jié)合裝甲目標(biāo)的復(fù)雜立體幾何結(jié)構(gòu),建立了裝甲目標(biāo)的毫米波輻射模型;在此基礎(chǔ)上,推導(dǎo)得到裝甲目標(biāo)與平面金屬目標(biāo)天線溫度的不同是由于裝甲目標(biāo)的立體特性造成的,進(jìn)而提出了以立體率及立體特性標(biāo)準(zhǔn)差為指標(biāo)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(duì)不同探測(cè)條件下的裝甲目標(biāo)立體特性進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果再次表明裝甲目標(biāo)立體特性的客觀存在及研究的意義,同時(shí)獲得了裝甲目標(biāo)立體特性隨探測(cè)高度及探測(cè)角度的變化規(guī)律。本文為毫米波被動(dòng)探測(cè)裝甲目標(biāo)輻射特性的研究提供了分析思路及數(shù)據(jù)支撐。

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馮建利(1981—),女,陜西人,現(xiàn)為西北工業(yè)大學(xué)博士研究生、西安石油大學(xué)講師,主要研究方向?yàn)楹撩撞ū粍?dòng)探測(cè)信號(hào)處理及目標(biāo)識(shí)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(xué)位,現(xiàn)為工程師,主要研究方向?yàn)闊o(wú)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(xué)教授、博士生導(dǎo)師,主要研究方向?yàn)樗峦ㄐ畔到y(tǒng)及信號(hào)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(shè)計(jì)[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(jiǎn)介:

中圖分類號(hào):TN015；TP391. 9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):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