彈載雙通道毫米波輻射計研究

彈載雙通道毫米波輻射計研究
 摘要：介紹了用于復雜氣候條件下采用末敏探測技術(shù)識別目標中心的雙通道毫米波輻射計的 原理和實驗分析。在對輻射計歸一化天線溫度分析的基礎上，給出了計算目標回波信號脈寬以及 雙通道天線掃描目標同一處的時延的方法。高塔實驗實測結(jié)果表明：雙通道輻射計能減小氣候等 因素對探測精度的影響；在徑向，較之單通道輻射計目標中心識別概率有明顯提高。 與紅外和可見光相比，毫米波具有穿透煙霧、 塵、雨等可在惡劣氣候條件下工作的優(yōu)點，因此毫米 波系統(tǒng)在精確探測、制導和導航等領域得到了廣泛 應用。毫米波被動探測器是利用輻射計原理來對目 標進行探測和識別的，根據(jù)以往的實驗發(fā)現(xiàn)在不同 氣候條件下，毫米波輻射計對同一目標進行探測所 得到的信號特征是不完全一樣的，這給在全天候工 作下采用末敏探測技術(shù)的彈載毫米波輻射計精確探 測目標帶來了困難；對坦克、自行火炮、車輛等裝甲 目標探測時，由試驗驗證，采用單通道毫米波輻射 計，利用天線波束最大信號幅度法能實現(xiàn)在切向?qū)?目標中心的精確判別，但在徑向卻難以判別目標中 心。這是由于輻射計在下降螺旋掃描探測過程中， 在高高度掃到目標中心和在低高度掃到目標前沿或 在晴天的高高度和霧天的低高度所得信號非常接 近。為解決這些問題，設計了雙通道毫米波輻射計 系統(tǒng)，利用兩路通道單獨探測目標，通過對采集到的 信號進行融合處理實現(xiàn)精確探測目標中心，并通過 利用同一本振源技術(shù)減少系統(tǒng)成本。

1 系統(tǒng)描述 如圖1所示，系統(tǒng)由兩個通道組成，每一通道都 由天線、混頻器、中頻放大器、平方律檢波器和視頻 放大器組成。其中兩路天線的輸出之間各加一級隔 離器，保證兩路輻射計同時工作而不相互干擾。兩 路混頻器共用本振，保證工作在同一頻率上，本振與 混頻器之間加隔離器，防止泄漏。每一通道各自檢 測出目標信號，在目標識別模塊中進行融合識別，在 判斷為目標的前提下，再對兩路信號進行相關(guān)處理 來判別目標的中心，即采用雙門限來保證精確識別 目標中心。

2 信號分析 輻射計是利用物體的輻射率來識別目標的，具 體反映在輻射計天線端接收到的天線溫度不同。而 目標在輻射計天線端所呈現(xiàn)的天線溫度與輻射計探 測高度、探測角、天線半功率波束寬度以及目標在波 束里的輻射面積與波束面積之比等因素密切相關(guān)。 用于末敏探測的輻射計在搜索目標過程中，利用空 氣動力學原理，一方面作勻速下降、另一方面作勻速 旋轉(zhuǎn)運動，其天線波束在地面搜索目標時形成錐掃 軌跡如圖2所示。天線波束與目標交會如圖3所 示。 y 圖2 輻射計錐掃與目標交會示意圖 Fig．2 Sketch map of detector’S cone—shape scanning and crossing with target 1)歸一化天線溫度 下降過程中錐掃與目標交會單一通道接收到的天線 溫度表達式，見
(1)式． △T G0H ⋯ ● △TT 47 — HcosOF+si — n —0v(xsinfl+— y— cosf1) (H2+z2+v ){ 如d (1) 式中：△T 表示天線溫度的變化量；△TT表示目標 與目標遮擋住的背景的對比度；G 為天線波束中心 的功率增益；H 為輻射計天線距離目標的高度；0 為輻射計天線波束與水平面垂線之間的夾角；J9為 掃描過程中天線波束中心與Y軸之間的夾角；b為 1 n 、一1 表征天線方向圖的常數(shù)，且b=ln2《_U3 dB}‘，其中 03 dB為天線波束的3 dB帶寬。 目標 ／ 天線波束2 一一— — 、 (a)目標前沿 (b)目標中心 (c)目標后沿 (a)Targetfront e e (b)Centerofthetarget (c)Target~ailing edge 圖3 天線波束與目標交會示意圖 Fig．3 Sketch map of antenna beam crossing with target 2)兩天線波束掃描同一目標點的時延分析 在雙通道輻射計中，天線1和天線2與水平面 垂線夾角并不相等，而是稍微有個夾角，以保證兩個 波束中心在地面有一定的距離，幾何關(guān)系見圖4．記 輻射計、天線1、天線2與水平面垂線夾角分別為 0F，0 F1’0F2，且0F1< F<0F2，若兩個天線安裝中心 相距L，則照射在地面的兩個波束中心的距離為 d H(tan0v2一tan0F1)+Lcos0F．
(2) 由于輻射計在下降過程中還以轉(zhuǎn)速N旋轉(zhuǎn)，所以其 波束在地面上軌跡為螺旋線，可以計算出其掃描螺 旋線切向速度為[。 ] 72 =27tNHtanOF，
(3) (考慮到0F，0 F1，0F2之間相差很小，tan0F tanOF1≈ tan0F2)． 徑向速度為 =vjtan0F，
(4) 式中： j為探測器垂直下降速度。 則兩個波束中心掃到目標同一點相差的時間為 d H(tan0F2一tan0F1)+Lcos0F ⋯ r 一 jtan0uF ’ L) r i 假設在H=70 m時，探測器波束中心與目標中 心交會，且0n=29。，0=30。，0F2=31。，vj=0．33 m／s， 則由(5)式計算可得兩個波束中心掃到目標中心的 時間差r≈17．6 S．
3)回波信號寬度計算 探測器在掃描金屬目標與背景過程中通過檢測 它們之間的溫度差來得到目標信號，回波信號類似 于鐘形脈沖，由于探測器在掃描過程中自我旋轉(zhuǎn)的 速度近乎勻速，所以不同大小的目標所得到的回波 信號寬度是不一樣的，因此對回波信號進行脈寬分 析是識別目標的重要手段之一。在圖1中，假設目 標寬度為a，天線波束投影到目標上的半徑為r(r= BC)，則波束與目標交會的路徑可由下式計算： S：2，+n： tan +n， (6) CUS【=，F(xiàn) Z-． 式中：03 dB為天線波束寬度。 則回波信號的脈寬可得： 一 [L t詛an 丁+十n。]．J ／2丌刑 t協(xié)a一n 0F·㈩L／) 設H=90 m，03 dB=4．5。，0F=30。，a=3．5 m，N=5 r／s，由(7)式可計算得：Ar=7．04 ms． 圖4 雙通道輻射計幾何關(guān)系圖

3 實驗結(jié)果 實驗在野外100 m高塔上進行，目標為地面上 的3 m×7 m金屬板，背景為草地。探測平臺可固定 也可以0．33 m／s的速度勻速上升或下降，輻射計安 裝在轉(zhuǎn)臺上，其波束方向與水平垂線約成30。角，轉(zhuǎn) 臺以5 r／s速度旋轉(zhuǎn)。兩天線波束之間的夾角y= 0F2—0F1=2。．具體實驗場景如圖5所示。 圖5 高塔實驗 Fig．5 High tower experiment 在30 m高度，調(diào)整探測器角度使雙波束與目標 交會情形分別如圖3中所示，即掃目標上沿、中心和 下沿，所得實驗波形分別如圖6中的(a)、(b)、(C)所 示。圖6(d)為整個探測平臺從90 m 高處以0．33 m／s的速度勻速下降，同時探測器隨轉(zhuǎn)臺以5 r／s的 速度勻速自轉(zhuǎn)，天線波束中心與目標中心交會約在 高60 m處所得整個過程的實驗波形。 圖中橫坐標為采樣點，縱坐標為信號幅度。從 圖中可知：
1)接收到的目標回波信號的脈沖寬度約為7．5 ms，與前面計算的基本一致；
2)雙通道在掃到目標前沿、中心、后沿時，各自 得到的信號在幅度上是有區(qū)別的，在后級DSP中的 信號處理正是利用這些特性實現(xiàn)了在徑向的中心精 確定位。實驗中用激光打點顯示系統(tǒng)能很好地識別 目標中心，特別在徑向，較之單通道輻射計中心識別 概率明顯提高；
3)在模擬勻速下降探測實驗中，很明顯可以看 到探測器兩個通道逐步與目標交會直至掃到目標中 心再逐近離開目標全過程的信號。而且可以看到兩 個通道掃到目標中心大約相差17．4 S，這與前面分 析計算的相符。 實驗中，分別在在晴天和霧天進行了實驗，實驗 結(jié)果表明在霧天在相同其它實驗條件下得到的目標 回波信號僅在幅度上比在晴天氣候條件下得到的信 號要小，但由于采用了雙通道探測，因此在晴天和霧 天探測器均能有效地識別目標中心。 之 馨 之 粵 之 馨 采樣點／10， (a)雙天線波束中心對準目標上沿 (a)The dual antenna beam center aiming attheupper endoftarget 采樣點／10， (b)雙天線波束中心對準目標中心 (b)Th edualantenabeam center aiming at the center oftarget 采樣點／10， (c)雙天線波束中心對準目標下沿 (C)Thedualantennabeam center aiI11ing at thenether endoftarget 采樣點／10s (d)雙通道輻射計從高90m到40m勻速下降掃描目標 (d)Th e dual—channel radiometer descending from 90m tO 40m scanningat thetarget 圖6 雙通道輻射計高塔實驗回波信號波形 Fig．6 High tower experimental results of dual—channel radiometer

4 結(jié)論與討論 為解決采用末敏探測技術(shù)在徑向定位以及不同 氣候條件精確定位的問題，設計并制作了毫米波雙 通道輻射計，高塔實驗驗證了其在晴天和霧天氣候 條件下能有效的探測識別目標和在徑向能準確識別 目標中心，減小了單通道輻射計由于氣候原因以及 由于與目標交會情況不同而帶來的識別偏差。同 時，由于共用一套毫米波前端，盡管系統(tǒng)采用了雙天 線，成本增加并不是很多，并且由于系統(tǒng)采用的是被 動探測，探測器本身不向外發(fā)射功率，所以兩個通道 之間的相互影響通過調(diào)試可以較好的解決。當然雙 天線給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和小型化帶來了一定難度，因此 設計具有不同指向的雙波束天線對系統(tǒng)進一步工程 化具有重要意義。