07第8章-毫米波探测技术解析.ppt

第8章 毫米波探测技术 8.1 毫米波探测的物理基础 大气窗口是指毫米波在某些波段穿透大气的能力较强。取四个毫米波大气窗口的中心频率及其带宽列入表8-1。 8.1 毫米波探测的物理基础 毫米波技术的应用 与微波相比的区别有： 任何物体在一定温度下都要辐射毫米波，可从用被动方式探测物体辐射毫米波的强弱来识别目标。毫米波频带极宽，在四个主要大气窗口35、94、140和220GHz中，可利用的带宽分别为16、23、26和70GHz，每个窗口宽度都接近或大于整个厘米波段的频带，三个60、119和183GHz的吸收带，也具有相当宽的频带。 (2) 与微波相比，毫米波的波束窄，方向性好，有极高的分辨率； (3) 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。 (4) 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。 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。 8.2　大气对毫米波传播的影响 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。 图8-1示出大气衰减和频率的关系。图中实线表示在压强p=101.325kpa温度T=20℃、水汽密度=7.5g/m3时的吸收曲线；虚线表示在400m高空，T=0℃，水汽密度=1.0g/m3下的吸收曲线。 在设计毫米波近感探测装置时，工作频带应选择在大气窗口内，近感探测装置探测距离一般可达几米至几百米。特别对于几十米以下的近距离探测，主动毫米波探测器可选择非大气窗口的频率，在这些特定的频率下，反而可以大大提高抗干扰能力。 8.3辐射模型及被动金属目标识别 物体在一定温度下都要辐射毫米波，主动式辐射源通过天线向外辐射毫米波。当毫米波碰到地面或空中其它物体时，将产生反射、散射、吸收、折射等。 8.3.1辐射方程 根据能量守恒定律，入射功率的平衡条件是： 8.3.2辐射温度模型 当接收机接收地面或水面的辐射和目标辐射时，假设已包括了粗糙度、周期结构和电学性质的变化在内的表面函数。则天线附近的辐射温度可用以下模型表示。 8.3.3物体的毫米波反射率和发射率 以空气与沙漠界面为例，沙漠的复介电常数为ε=3.2，是实数并且无损耗，其真实温度为275K。 根据菲涅耳公式，在水平和垂直情况下，空气和沙漠界面上的电压反射系数的幅值 与入射角的关系示于图8-2。 8.3.4利用辐射差异来识别金属目标 8.3.5主动式毫米波探测器对金属目标的识别 8.4　毫米波辐射计的距离方程 8.5　毫米波辐射计的探测原理 8.5.2毫米波天线 8.5.3中频放大器 集成接收前端 集成接收前端是将低噪声放大器、混频器和本振（有的还包括前置中放）做在一块集成电路上。8mm波段已有商品。例如有一种产品可工作在26～40GHz，中频输出为 2～16GHz，噪声系数3.5dB，增益高达42dB，射频一本振隔离可达45dB。 功率放大器 半导体功率放大器现在的水平大致为在40GHz以下时输出的平均功率为500mw（脉冲功率可达1W），增益20dB；在60GHz时输出功率约500mw，增益降至14dB；在94GHz 时输出功率为60mW增益约4dB。在目前情况下若不采用功率合成技术，毫米波半导体功率放大器的输出功率只能在瓦级。但这并不妨碍它得到广泛的应用，因为许多用量很大的应用例如汽车防撞雷达、本振和仪器等有瓦级的功率已经足够了。 示例 习题 光学系统在激光近炸引信中的作用？ 激光脉冲波形的质量对探测效果有什么影响？ 毫米波的大气窗口分布如何？为什么毫米波的工作频率一般要选择在大气窗口内？ * * ° 毫米波的工作频率介于微波和光之间，因此兼有两者的优点。它具有以下主要特点： 1）极宽的带宽。通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz，带宽高达273.5GHz。超过从直流到微波全部带宽的10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗口的总带宽也可达135GHz，为微波以下各波段带宽之和的5 倍。这在频率资源紧张的今天无疑极具吸引力。 2）波束窄。在相同天线尺寸下毫米波的波束要比微波的波束窄得多。例如一个 12cm的天线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波束宽度仅1.8度。因此可以分辨相距