史 強(qiáng)，張光鋒，李 珊，張 琪

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

0 引言

黑體輻射理論闡明，自然的物體會(huì)輻射電磁波，且物體輻射特性也不相同。毫米波輻射計(jì)是高靈敏度噪聲功率接收機(jī)，可根據(jù)物體輻射特性的不同或檢測的輻射信號(hào)強(qiáng)弱，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測識(shí)別，并提供紅外探測器無法獲取的信息[1-3]。由于自然界各類典型地物的表面及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不盡相同，發(fā)射和反射電磁波的能力也有所不同，對(duì)各類典型地物進(jìn)行毫米波輻射特性分析與實(shí)驗(yàn)，探究其極化效應(yīng)，將有助于毫米波目標(biāo)探測的長足發(fā)展。

隨著毫米波探測技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的學(xué)者投入到該領(lǐng)域的研究中，張英浩等設(shè)計(jì)了直檢式8 mm波段雙極化全功率輻射計(jì)，在最小信噪比條件下，該系統(tǒng)信噪比比單通道輻射計(jì)輸出的更強(qiáng)，作用距離更大[4]。李尊良等分析復(fù)相關(guān)器乘法器單元和正交模耦合器，并對(duì)全極化毫米波輻射計(jì)的工作原理進(jìn)行詳細(xì)講述[5]。本文主要利用雙極化毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)對(duì)各種目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別并研究物體的極化輻射信息。

1 毫米波輻射測量原理及定標(biāo)方法

周圍物體的電磁波可被毫米波輻射計(jì)接受。物體產(chǎn)生的輻射能量一方面可用輻射理論解釋，另一方面環(huán)境中的能量也來自物體反射、輻射或透射。物體的能量輻射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，其在各方向的極化都均勻[6]：物體產(chǎn)生的輻射能量不同，這由其材質(zhì)及結(jié)構(gòu)特性決定。 假設(shè)天線被面輻射包圍，接收天線模型如圖1所示，Bf(θ,φ)表示輻射源的譜亮度，與天線之間的距離為r,Fn(θ,φ)表示天線的歸一化功率增益方向圖,Ar為天線有效面積，則用ArFn(θ,φ)表示天線的有效接收面積，(θ,φ) 表示輻射源方向，則天線在有效接收面積范圍內(nèi)對(duì)元輻射面所張立體角可表示為：

圖1 天線-功率分析模型

(1)

則天線在有效接收面積范圍內(nèi)接收到的元輻射譜功率可表示為：

(2)

式中，ds表示一個(gè)微元面積。

dPf=Bf(θ,φ)ArFn(θ,φ)dΩ

(3)

式中，dΩ=sinθdθdφ。通常Bf(θ,φ)是無極化的，但實(shí)際探測中輻射計(jì)使用的天線是有極化方向的，所以能進(jìn)入天線口徑的只有入射能量的一半。由于毫米波輻射計(jì)天線和接收機(jī)都工作在較窄的頻帶，即Δf?f2,因此在Δf范圍內(nèi)，Bf(θ,φ)的變化與頻率無關(guān)，根據(jù)相關(guān)理論，則天線的接收功率可表示為：

(4)

假設(shè)封閉面輻射源保持溫度不變，根據(jù)瑞利—金斯公式可得：

(5)

因?yàn)椋?/p>

Ωp=?4πFn(θ,φ)dΩ

(6)

(7)

那么可以得到：

(8)

將式(8)代入(5)可得：

Pbb=kTΔf

(9)

由此可知，毫米波輻射計(jì)天線的接收功率與目標(biāo)的熱力學(xué)溫度T呈線性關(guān)系，因此在無源毫米波探測中，天線所接收的功率可以通過被測目標(biāo)的熱力學(xué)溫度表示出來。

由于物體的極化特性，毫米波輻射計(jì)獲得的能量極化特性來源于該極化輻射能量。電磁輻射的偏振可用斯托克斯參數(shù)描述[7]。假設(shè)波沿z軸正方向傳播，傳播在xy方向垂直的電場E的正交分量分別為Ex(t)和Ey(t)，可用ex(t)和ey(t)表示電場振幅。根據(jù)斯托克斯參數(shù)內(nèi)容，4個(gè)參數(shù)[I,Q,U,V]可用下式進(jìn)行計(jì)算[8-9]：

式中,λ表示自由空間波長；η表示特性阻抗；KB表示玻爾茲曼常數(shù)；δ表示Ex(t)和Ey(t)相位差。

(10)

式中，ηl為天線的效率，T0為天線熱力學(xué)溫度。

整體定標(biāo)較為簡單便捷，所以應(yīng)用范圍更廣。通常將接收機(jī)和天線看為一個(gè)整體，使用定標(biāo)負(fù)載盒對(duì)高低溫兩點(diǎn)進(jìn)行采樣，從而獲取輸出電壓和天線溫度之間的關(guān)系，負(fù)載盒的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 整體定標(biāo)負(fù)載盒

一般情況下，高溫參考點(diǎn)為室溫，記為(Th，Vh)；低溫參考點(diǎn)為液氮，記為(Tl，Vl)，則定標(biāo)方程為：

(11)

相較而言，整體定標(biāo)法的操作更為簡便，無需測量過多的參數(shù)，由于實(shí)驗(yàn)室條件的各種限制，本文的實(shí)驗(yàn)中均采用整體定標(biāo)法確定定標(biāo)方程。

為使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更為可靠，參照?qǐng)D2的負(fù)載盒制作了裝載液氮的定標(biāo)源裝置，使對(duì)低溫點(diǎn)的采樣更為準(zhǔn)確。定標(biāo)源分為上下兩個(gè)部分，外壁為金屬材質(zhì)，內(nèi)壁貼滿吸波材料。上半部分是一個(gè)椎體，便于將輻射計(jì)天線直接對(duì)準(zhǔn)上方測試口，下半部分裝載液氮，定標(biāo)源表面金屬反射了周圍環(huán)境帶來的亮溫貢獻(xiàn)，使其對(duì)液氮的測量結(jié)果更為準(zhǔn)確，從而得到更加精確的定標(biāo)方程，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有可靠性。

2 雙極化毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

Ka波段(即8 mm波段)毫米波輻射探測是一種典型的被動(dòng)遙感探測方式。目前，國內(nèi)外關(guān)于Ka波段毫米波輻射探測的研究主要涉及海洋、土壤、月壤等領(lǐng)域，對(duì)于目標(biāo)輻射特性的研究主要涉及草地、金屬、水面等[10]。而現(xiàn)有的星載、機(jī)載輻射計(jì)系統(tǒng)都是以單通道為主，無法同時(shí)獲取水平極化與垂直極化的測試數(shù)據(jù)，需手動(dòng)拆卸輻射計(jì)調(diào)整極化方向，使試驗(yàn)繁瑣復(fù)雜?；诖嗽O(shè)計(jì)了基于無人機(jī)的目標(biāo)Ka波段雙極化輻射獲取方法與裝置。

Ka波段雙極化輻射計(jì)的系統(tǒng)參數(shù)如表1所示，輻射信息獲取可分為兩路進(jìn)行：一路是進(jìn)行Ka毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)的水平極化輻射特性分析。一路是進(jìn)行Ka毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)的垂直極化輻射特性分析。兩路的輸出結(jié)果由無線傳輸系統(tǒng)傳送回軟件控制端，得到系統(tǒng)定標(biāo)方程。通過反演運(yùn)算得到目標(biāo)材料的輻射特性。

表1 8 mm雙通道輻射計(jì)系統(tǒng)參數(shù)

所述Ka波段雙極化輻射獲取方法與裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用彎波導(dǎo)連接兩根透鏡天線，從而同時(shí)獲取水平及垂直極化通道的天線溫度。采用全功率直放式輻射計(jì)，省去了傳統(tǒng)狄克式輻射計(jì)中“DICKE開關(guān)”等部件，采用直放式接收模塊，不含有本振，將射頻低噪放放大器與檢波器安裝在同一個(gè)腔體內(nèi)，使結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小，總質(zhì)量小于2 kg，易于實(shí)現(xiàn)無人機(jī)載。與采用單極化天線的傳統(tǒng)輻射計(jì)相比，該系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕，無需手動(dòng)拆卸輻射計(jì),旋轉(zhuǎn)天線便可以獲取雙極化輻射信息，操作簡便，具有良好的平臺(tái)適應(yīng)性檢波器檢出包絡(luò)信號(hào)；低頻放大器采用交流和直流兩種模式，可以根據(jù)要求輻射特性測試進(jìn)行切換；溫度計(jì)模塊用來采集被測目標(biāo)材料的溫度；定標(biāo)裝置把電壓信號(hào)化為溫度信號(hào)；無線傳輸模塊將測試數(shù)據(jù)傳送至軟件控制端；數(shù)據(jù)處理部分包括數(shù)據(jù)采集和處理電路、數(shù)據(jù)顯示電路，主要由AD轉(zhuǎn)換、運(yùn)算控制器及加減法器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)簡單。分離后的極化分量都以模擬信號(hào)輸出，信號(hào)處理器則利用AD轉(zhuǎn)換將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，最后通過運(yùn)算控制器的功能實(shí)現(xiàn)運(yùn)算，以上電路的功能就是對(duì)目標(biāo)材料的毫米波Ka波段輻射特性進(jìn)行綜合判別。

圖3 雙極化毫米波輻射計(jì)系統(tǒng)框圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)天空、水面、植被土地使用雙極化輻射計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)環(huán)境指標(biāo)為：溫度25 ℃，天氣陰，相對(duì)濕度為48%，氣壓為1 025 hPa近似為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。實(shí)驗(yàn)使用8 mm雙通道輻射計(jì)，指標(biāo)如表1所示，輻射計(jì)距地面高度為1.2 m。實(shí)驗(yàn)前進(jìn)行整體定標(biāo)，將天線口分別對(duì)準(zhǔn)裝載液氮的特制定標(biāo)裝置，進(jìn)行低溫定標(biāo)；將天線口對(duì)準(zhǔn)吸波材料進(jìn)行高溫定標(biāo)，從而獲得8 mm雙通道輻射計(jì)的定標(biāo)方程。

圖4為雙極化輻射計(jì)數(shù)據(jù)采集場景圖，操作時(shí)，首先將入射角調(diào)至0°，再緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)輻射計(jì)，逐漸改變其對(duì)所測目標(biāo)的入射角，平均每5°記錄一次雙極化輻射波數(shù)據(jù)，直至轉(zhuǎn)動(dòng)至90°，停止數(shù)據(jù)記錄，最后通過定標(biāo)方程計(jì)算出亮度溫度，并將所得數(shù)據(jù)繪制成曲線。

圖4 輻射數(shù)據(jù)采集場景圖

圖5為天空輻射溫度隨頂角變化示意圖，根據(jù)分析可知：天空的亮度溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值微乎其微，即天空的亮度溫度與極化方式無關(guān)；當(dāng)輻射計(jì)與天空頂角夾角為0°時(shí)，所測的溫度最低；隨著天空頂角夾角增大，天空輻射溫度也越來越高；當(dāng)天空頂角夾角大于80°時(shí)，輻射計(jì)受環(huán)境因素干擾，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在較大誤差；隨著入射角度的增加，在不同極化條件下天空亮度溫度的變化速率都逐步增加，與仿真模型較為吻合。

圖5 天空輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

圖6是水面輻射溫度隨天空頂角變化示意圖，從圖中可以看出，在8 mm波段，水面的輻射溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值明顯，即存在極化效應(yīng)；當(dāng)輻射計(jì)處于水平極化條件下，水面的輻射溫度隨著入射角度的增加而增大；當(dāng)輻射計(jì)處于垂直極化條件下，水面的輻射溫度隨著入射角度的增加先緩慢減小后增大；在同樣的入射角度，水面的輻射溫度在垂直極化條件下所測量的數(shù)據(jù)均高于在水平極化條件下所測量的數(shù)據(jù)。在入射角度取50°，兩者出現(xiàn)最大差值，約為80 K，此時(shí)的入射角度即為布儒斯特角。由于水面底層分布泥塊和碎石，對(duì)測試結(jié)果產(chǎn)生些許影響，使實(shí)際測量值與理論值存在相應(yīng)誤差。

圖6 水面輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

植被層可視為弱散射媒質(zhì)層，即在計(jì)算植被層表面的輻射溫度時(shí)可忽略植被層內(nèi)部的散射現(xiàn)象。植被層的輻射溫度主要來自其自身對(duì)電磁波的吸收與反射，與植被層厚度、觀測頻率及入射角度息息相關(guān)。Ulaby等人通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)觀測頻率小于10 GHz時(shí)(尤其是低于5 GHz)，土壤層對(duì)植被土地的輻射溫度貢獻(xiàn)較大，需要考慮雙層介質(zhì)模型對(duì)其輻射溫度的影響；當(dāng)觀測頻率大于10 GHz時(shí)，土壤層對(duì)植被土地的輻射溫度貢獻(xiàn)較小，可以忽略不記。實(shí)驗(yàn)使用8 mm波段輻射計(jì)，其中心頻率為35 GHz，故只需考慮表面植被層對(duì)植被土地輻射溫度的影響。

圖7是植被土地輻射溫度隨天空頂角變化示意圖，結(jié)合圖中數(shù)據(jù)可知，植被土地的亮度溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值不大，不具有明顯的極化效應(yīng)。Peake和Oliver等人使用中心頻率為10 GHz的輻射計(jì)測試了近14種不同的植被土地(包括小麥、土豆等)在不同生長時(shí)期的輻射特征信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與本次實(shí)驗(yàn)基本相似：植被土地不具有明顯的極化效應(yīng)，但在垂直極化條件下所測的輻射溫度值略高于水平極化下的測試數(shù)據(jù)，其輻射溫度與觀測角度近似無關(guān)。

圖7 植被土地輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

4 結(jié)束語

本文探究了一些典型地物背景(包括天空、水面、植被土地)的輻射特征信息，分析了其極化現(xiàn)象。地物背景的自身結(jié)構(gòu)與組成相對(duì)復(fù)雜，影響其相對(duì)介電常數(shù)的因素較多，故其吸收與反射的電磁波也存在差異，通常情況下，典型地物背景的輻射溫度均遠(yuǎn)高于天空的亮度溫度。由于周邊環(huán)境的物體及實(shí)驗(yàn)測試的面目標(biāo)均為實(shí)際目標(biāo)，實(shí)際情況較為復(fù)雜如目標(biāo)有一定的起伏，會(huì)產(chǎn)生測試差異，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，未來的實(shí)驗(yàn)中需要將這些情況盡可能地考慮到，達(dá)到優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的目的。