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1、探测原理,dingyan,北京理工大学宇航学院,第六章 毫米波探测技术,6.1. 毫米波探测的物理基础 6.2. 大气对毫米波传播的影响 6.3. 辐射模型及被动金属目标识别 6.4. 毫米波辐射计的测试方程 6.5. 毫米波辐射计的探测原理,6.1 毫米波探测的物理基础,现代物理学指出:自然界所有的物质，只要处在绝对零度以上，在整个电磁波谱上都会自发地向外辐射电磁能量(电磁波)。辐射电磁波的频谱与噪声类似，因而被称为热辐射。物质大量分子无规则的热运动是热辐射现象的原因，物质内部粒子不同的运动产生不同的电磁波。,毫米波是介于微波与光波之间，通常是30300GHz频率范围，相应波长为1cm1mm
2、的电磁波谱。,6.1 毫米波探测的物理基础,1、 什么是毫米波？,2、 毫米波的特点,容许大量系统在此频带内工作而不相互干扰；（优点） 要求接收机带宽增大，接收机系统灵敏度降低； （缺点）,频带极宽,从传输特性看,在大气窗口内与光、红外比大气衰减较小； （优点） 在雨、雪、雾等恶劣气候下通信距离降低； （缺点）,波长短,在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄的多。降低部件、系统体积和重量；提高分辨率，有利于探测相距更近的小目标或更为清晰的观察目标的细节；（优点） 天线尺寸小，截获能量小，不适合大范围内探测搜索；（缺点）,6.1 毫米波探测的物理基础,毫米波是介于微波到光波之间的电磁频谱，
3、这段电磁波与微波相比，区别有： 任何物体在一定温度下都要辐射毫米波，可通过用被动方 式探测物体辐射毫米波的强弱来识别目标； 与微波相比，毫米波的波束窄，方向性好，有极高的分辨 率； 多普勒频率高，测量精度高，与激光和红外波段相比，毫 米波具有穿透烟雾、尘埃的能力，基本可以全天候工作； 毫米波段的频率范围正好与电子回旋谐振加热（ECRH）所 要求的频率相吻合，许多与分子转动能级有关的特性在 毫米波段没有相应的谱线，因而噪音小。,能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体，叫黑体。在毫米波段，黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的物体。它既是一个
4、良好的吸收体，也是良好的发射体。 如果物体处于热平衡状态，则它辐射的能量等于它吸收的能量。理想的完全吸收体或辐射体“黑体”在所有方向上均匀辐射，其热辐射的谱亮度和温度的关系，以及按波长的分布，服从量子力学里的普朗克(Planck)黑体辐射定律。,物体的电磁辐射特性,黑体辐射,毫米波热辐射定律,普朗克证明，假设能量辐射仅以离散能量的量子出现。则一个黑体在温度为T，频率为f，其亮度为：,注：亮度定义是单位频率、单位黑体的发射面积、单位立体角的功率。亮度与频率和温度有关，与方向无关。,Bf：黑体谱亮度； h：普朗克常数=6.6310-34; f：频率，Hz; K：玻耳兹曼常数=1.38x10-23
5、J.K-1; 入：波长，m C：光速=3x108 m/s; T：温度，K；,在毫米波频段以下区域，有hf/KT1，将普朗克黑体辐射强度公式用指数项级数展开取近似值并整理后得:,简化的瑞利-金斯(Ravleigh-Jeans)表达式,完全吸收并完全发射的绝对黑体实际不存在，它是一种理想的物体。为了与黑体这一术语相对应，实际的物体称为灰体。一个灰体辐射的功率，可用比该灰体实际温度更低的等效黑体所辐射的功率来代替。一般把此等效黑体的温度称为物体的表观温度，也叫亮度温度。 物体表观温度与物体实际温度之比定义为该物体的频谱发射率。,表观温度,注：在毫米波探测装置中均将频谱发射率简称为发射率。,黑体的发射
6、率为1，故黑体的表观温度与它的实际温度相等。在毫米波段，吸收室的高吸收材料可以很好近似为黑体，在有限的入射角范围内可以得到高达0.99的发射率。而高导电金属板是良好的反射器，可以把它看作非发射体，其发射率为0。,注意： 红外辐射和微波辐射都属于热辐射； 红外热辐射属于分子光谱范围，红外辐射计记录物质热运动所产生的分子振动能量； 毫米波热辐射属于微波热辐射，常温下毫米波辐射的能量极少，可用高灵敏度的接收机毫米波辐射计进行记录。,功率-温度的对应关系,功率-温度的对应关系,在毫米波段，不同物体的发射率差异很大，发射率较低的物体，不论其温度如何，它自身辐射的能量都较少，而主要是反射周围环境的温度。
7、这种机理使毫米波辐射计在探测金属目标时有一个显著的优点:因为金属目标的发射率很低，它几乎仅仅是反射天空的温度，天空温度不仅较低，且在一定时空范围内基本不变，因而金属目标的毫米波辐射特征很稳定。毫米波辐射计对目标的探测和定位，就是通过对目标背景的毫米波辐射特性测量来进行的。,如一块金属板，发射率为0，常温T=300K，它的表观温度为0；当T=500K时，表观温度仍为0。,功率-温度的对应关系,从频率f到f+f的带宽f范围内，天线接收的总功率P是：,上式表明，在毫米波辐射性的研究中可以用温度(绝对温标K为单位)来表示毫米波辐射功率的大小。,例如，工作于中心频率为94GHz，接收机带宽2GHz的天线
8、，在理想绝热封闭条件下，接收到300K温度的黑体的毫米波辐射功率为: P=1.38x10-23x300x2x109=8.28x10-12w =-141dBm,6.1 毫米波探测的物理基础,由于有以上的特点，毫米波技术的应用范围极广，在雷达、 通信、精确制导等军事武器上有越来越重要的作用，在遥感、 射电天文学、医学、生物学等民用方面也有较广泛的应用。 因此，近几十年来毫米波技术的发展十分迅速。,毫米波有三个基本特点： 波长极短(频率极高) 带宽很宽 在空间传播与大气环境关系密切,毫米波技术 应用领域,毫米波通信 毫米波雷达 毫米波辐射计 毫米波医学应用毫米波辐射治疗仪 毫米波电磁能武器,军事集团
9、局域联网 城市内部局域联网 特殊环境应急通信及现场转播 星间通信,战场侦察雷达 汽车防撞雷达 直升机防撞雷达 主动末制导导引头,目标成像 射电天文观测 被动末制导导引头,毫米波应用,典型应用之一毫米波芯片,IBM silicon germanium芯片组,IBM的科学家近日宣布，他们发明出一种小巧、廉价的芯片组，能够以十倍于目前高级WiFi网络的速度在无线电子设备间传送数据。这种领先的IBM芯片制造工艺名为silicon germanium，使用它的芯片组能够在一部分无线频谱之中传递更多信息。这种产品的运用将促使高容量数字媒体格式（如HDTV）的普及。 IBM的silicon germaniu
10、m技术可实现设备高度的集成化，使用嵌入式天线更进一步节省了系统成本。 一个芯片组原型产品包括发射器、接收机以及两个天线，仅占到一个10美分硬币的面积。,典型应用之二毫米波武器,毫米波武器外表像碟形卫星天线，能发射出一种高能毫米波，人被射中后瞬间产生剧烈灼痛感，从而被迫放下武器，或者立即逃离。这种武器的有效射程为455米。 这种武器如在战乱地区使用，将会有效避免人员伤亡。“主动压制系统”使用的是毫米波，对人体皮肤的穿透深度约为0.4毫米，足以造成强烈痛感而实际伤害较小。,毫米波武器系统样机,毫米波应用,毫米波应用,典型应用之三毫米波雷达,毫米波雷达主要作用是测量与车辆前方100米左右的障碍物间的
11、相对速度。 追踪监视器将在监视器中显示与前车及对面车辆的距离。除雨天、雾天及降雪等视线较差时能了解间距外，还可以当车速超过一定数值接近前车时发出警报通知驾驶员。但此装置只在日本本土的车型上配备，卖到中国的车型此位置是物品格。,近年来，毫米波制导技术有了惊人的发展，成为开发热点。 同微波雷达相比，毫米波雷达体积小、重量轻，提高了的机动性与隐蔽性；波束窄、分辩力高，能进行目标识别与成像，有利于低角跟踪；频、天线旁瓣低，有利于抗干扰。 同激光与红外制导反装甲武器相比，毫米波制导反装甲武器在其传输窗口的大气衰减和损耗低，穿透云层、雾、和战场烟雾能力强，能在恶劣的气象和环境中正常工作。 特别是毫米波制导
12、和红外制导在使用和性能上互相补充，两者结合能取长补短，可得到很好的作战效果。因此，毫米波/红外复合制导成了最有前途的制导模式之一。,毫米波应用,典型应用之四反坦克导弹,国外研制的毫米波制导反坦克导弹有以下几种： 美国的空地反坦克导弹 “沃斯普”(WASP)：“沃斯普”可由F-16飞机携带，每架载24枚。这种导弹可单枚发射，也可多达12枚成束发射。 美国正在研制的“幼畜(Maverick)AGM-65H”导弹，采用末段毫米波导引头。1991年9月进行了首次发射试验，而在其后进行的试验中，创造了4发4中的记录。 美国的“海尔法”导弹的一种改进型，称之为“长弓海尔法”型，采用毫米波导引头，以使之具有
13、“发射后不管”和在恶劣气候条件下作战的能力。,毫米波应用,典型应用之四反坦克导弹,毫米波系统概述,毫米波(MMW)系统的工作体制主要分为主动和被动两种。 主动体制的毫米波雷达自身发射信号，依靠目标的回波进行目标探测和追踪； 被动体制的毫米波辐射计，自身不发射信号，依靠接收目标的毫米波辐射进行目标检测和定位。 被动毫米波探测是利用毫米波辐射计，接收目标、背景在毫米波波段内的自身电磁辐射能量，提取目标的毫米波辐射特征，进行目标识别的技术。,在军事应用中，毫米波辐射计不发射信号和宽带非相参的信号特性，显示出其高隐蔽性、高检测性的特点与很好的抗干扰能力，已广泛应用于多种反装甲毫米波导引头、末敏弹、各种
14、机载及星载被动毫米波成像系统，对地面作战目标的生存能力产生极大的威胁。各种大型人造目标，例如桥梁、导弹发射井、舰船、飞机等;小型人造目标，例如装甲车、卡车等，主要由金属结构组成，其毫米波辐射温度比周围环境低，是毫米波辐射计的主要探测与攻击对象。实践表明，被动毫米波系统能在晴天、阴天、雾天和沙尘环境下有效侦察地面目标，因此，各种地面目标不仅受到各种精确打击武器的主动毫米波雷达的威胁，而且受到毫米波辐射计制导与被动毫米波成像探测的严重威胁。,毫米波技术当前的应用热点和趋势之一是将毫米波系统与其他传感系统进行复合，充分发挥各自探测系统的优点，取长补短，更好地进行目标的探测和识别。多模复合制导是指由多
15、种模式的导引头参与制导，共同完成对导弹的制导任务，其目的是充分发挥各单一制导模式的优点，相互弥补不足，形成制导系统性能的综合优势，其制导精度优于单一模式的导引头，而且抗干扰性能、反隐身性能等也明显优于单一模式的制导系统。,弹载毫米波探测技术有主动式、被动式、半主动式及主被动复合式。主动式能探测到目标的距离、角度和速度，但它在近程时产生目标闪烁效应，使目标的反射特性变得复杂，其跟踪精度受到限制;被动式是靠被动的接受目标的毫米波辐射来工作的，因其频带宽，具有较强的抗干扰能力，隐蔽，无目标闪烁等优点，但其所获得的目标信息量少，且只能工作在很近的距离范围内;主被动复合式综合了精确制导中较为成熟的技术，
16、它结合了主、被动两种工作模式的优点，具有精度高、抗干扰及反隐身能力强、识别真假目标、精确定位等特点。,弹载毫米波探测系统目前常用的波段是Ka波段和W波段(3mm)。从末敏弹研究现状及发展动态来看，国外大多在smm波段的末敏弹研究进入工程研制、少量装备部队后，纷纷进行了3mm波段的末敏弹研制。现西方国家大多采用3mm波段体制。,近代毫米波系统优先选用的频谱分布,6.2 大气对毫米波传播的影响,复习： 大气成分 大气吸收及选择窗口,在晴朗天气下，大气对毫米波传播的影响包括大气对毫米 波的吸收、散射、折射等。其中，吸收往往是由于分子中电 子的跃迁而形成的，大气中各种微粒可使电磁波发生散射或 折射。这两类效应存在不同的物理性质。,大气成分,大气中绝大部分气体（如 )的含量随着离地面高度升高按指数规律衰减，每升高15km约减小9/10。 大气中的水汽主要分布在5km以下，在12km以上几乎不存在水汽。大气中水的含量随气候、地点变化很大。 大气中臭氧的总含量很少，分布也不均匀，主要集
