齊學(xué)慧,張光鋒,婁國(guó)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)

?

3 mm與8 mm波段水面金屬目標(biāo)的輻射特性檢測(cè)方法

齊學(xué)慧,張光鋒,婁國(guó)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(duì)水面金屬目標(biāo)毫米波輻射特性數(shù)據(jù)庫(kù)缺乏的問(wèn)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(cè)方法。該方法首先對(duì)水面金屬平面目標(biāo)的天線溫度對(duì)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(duì)水面不同目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)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(cè)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(cè)是一種基于目標(biāo)與背景之間存在的輻射率差異來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別的技術(shù)。相比于紅外和激光，毫米波具有探測(cè)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(shì)，因此在目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

近些年來(lái)，眾多學(xué)者圍繞毫米波探測(cè)技術(shù)展開(kāi)了研究。雷震東等對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)上述問(wèn)題，結(jié)合無(wú)源毫米波探測(cè)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(cè)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(kāi)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(hào)。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(kāi)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(cè)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(cè)目標(biāo)，輻射計(jì)高度為h，觀測(cè)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(méi)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(duì)比度ΔTA(θF)：

ΔTA(θF)=

(5)

通常采用旋轉(zhuǎn)對(duì)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(wú)關(guān),因此有TAP(θ,φ)=TAP(θ)。實(shí)際使用中，觀測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)位于天線波束中心的金屬立體目標(biāo)艦船。對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(cè)量。

測(cè)試角度超過(guò)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(huì)導(dǎo)致水面的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生劇烈變化。針對(duì)上述問(wèn)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(duì)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(duì)水面金屬目標(biāo)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(duì)比圖 (d)8mm波段金屬 目標(biāo)測(cè)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(duì)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(duì)比度達(dá)到31.92 K。由于毫米波會(huì)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(duì)目標(biāo)的輻射特性沒(méi)有影響。

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

表2　各個(gè)目標(biāo)與水面輻射特性的對(duì)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(cè)方法。該方法對(duì)水面金屬平面目標(biāo)的天線溫度對(duì)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(duì)水面不同目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果對(duì)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(cè)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(kù)的缺失。但由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)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(duì)金屬目標(biāo)與水面的輻射溫度差異做深入的分析和研究。

參考文獻(xiàn):

[1]張光鋒，張祖蔭，郭偉.3mm波段輻射成像研究[J]. 紅外與毫米波學(xué)報(bào), 2005, 24(6): 422-426.

[2]張祖蔭，林士杰. 微波輻射測(cè)量技術(shù)及應(yīng)用[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社，1995: 62-64.

[3]雷震東，王雷，鐘仕榮. 無(wú)源微波遙感海上石油污染的研究[J]. 電子科學(xué)學(xué)刊，1996，18(5)：496-500.

[4]陳曦，曹東任，吳禮,等. 金屬球毫米波輻射特性建模與分析[J]. 光電工程, 2013, 40(4): 31-37.

[5]嚴(yán)金海，李興國(guó)，汪敏. 毫米波輻射計(jì)探測(cè)直升機(jī)研究[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2001,23 (4): 37-40.

[6]Zhang Shengwei, Ji Wu, Jing Li. Experimental results of synthetic aperture microwave radiometer[J]. IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. 2002, 6: 3635-3637.

[7]Lu Xuan, Xiao Zelong, Xu Jianzhong. Linear polarization characteristics for terrain identification at millimeter wave band[J]. Chinese Optic Letters, 2014, 12(10): 40-44.

[8]Zhang Guangfeng, Zhang Zuyin, Guo Wei. Research on antenna temperature contrast of metal solid objects[J]. International Journal of infrared and Millimeter waves, 2004, 25(6): 929-937.

[9]Chen Jianfei, Li Yuehua. An accurate imagine algorithm for millimeter wave synthetic aperture imagine radiometer in near-field[J]. Progress in Electromagnetic Research, 2013,141: 517-535.

[10]趙裔昌，馬岸英，馬秋華. 毫米波輻射探測(cè)立體目標(biāo)面元法建模[J]. 探測(cè)與控制學(xué)報(bào), 2008, 30 (3): 41-45.

*收稿日期:2015-12-31

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

作者簡(jiǎn)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(hào):TN015

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：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