3 mm与8 mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法

齐学慧,张光锋,娄国伟,周璐艳,刘　静

(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)



3 mm与8 mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法

齐学慧,张光锋,娄国伟,周璐艳,刘静

(南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

摘要:针对水面金属目标毫米波辐射特性数据库缺乏的问题，提出了3 mm与8 mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法。该方法首先对水面金属平面目标的天线温度对比度进行了理论分析与仿真，同时分析了水面金属球的辐射情况，在此基础上采用3 mm和8 mm两个波段的辐射计对水面不同目标进行了测量。实验及仿真结果对比表明，金属目标与水面的视在温度相差20～32 K，毫米波辐射计能够有效地检测水面金属目标。

关键词:辐射率；辐射计；水面金属目标；视在温度

0引言

目标辐射检测是一种基于目标与背景之间存在的辐射率差异来实现目标探测与识别的技术。相比于红外和激光，毫米波具有探测精度高、区别金属目标和周围环境能力强且能全天时、全天候工作[1-2]等优势，因此在目标探测与识别领域得到了广泛应用。

近些年来，众多学者围绕毫米波探测技术展开了研究。雷震东等对海上油膜的微波辐射特性进行了建模分析[3]，给出了海面油污有效发射率随油膜厚度变化的关系，但缺少对金属目标的研究；陈曦等利用射线跟踪的思想分析了金属球的毫米波辐射特性，建立了辐射温度计算模型[4]，但文中只对地面背景的金属目标进行了研究，未考虑水面背景下金属目标的辐射特性。本文针对上述问题，结合无源毫米波探测技术，提出了3 mm与8 mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法。

1Dicke毫米波辐射计原理

图1所示为Dicke辐射计的原理方框图[2,5]。该系统有一个“Dicke”式开关，与接收机输入端相连，用于调制接收机输入信号。它有一个同步解调器，位于平方律检波器和低通滤波器之间。调制是使接收机输入端在天线与参考负载之间周期的通断而形成的，采用的开关速率要高于增益起伏谱中能起作用的最高次频谱分量。

图1　Dicke辐射计的原理框图Fig.1　Principle diagram of Dicke radiometer

(1)

(2)

2水面金属目标的探测原理

水面舰船目标主要是金属目标，因此，金属目标的毫米波辐射特性理论分析是研究的关键。

2.1金属平面目标的毫米波辐射特性分析

建立如图2(a)所示数学模型，水面背景上有一块金属平面目标，面积为AT。辐射计从A点观测目标，辐射计高度为h，观测角为θF。其中AS为天线波束中心线，dA=dxdy为目标上的任一面积元，其中心M与天线的连线为AM，并与波束中心线AS的夹角为θ。在这些条件下，天线温度TA1(θF)[6-9]为：

(3)

式(3)中，G(θ,φ)为天线增益,TAPT(θ,φ)和TAPB(θF)分别为目标和背景的视在温度。

如果背景上没有金属板目标，则天线温度TA2(θF)为：

(4)

式(4)减去式(3)即为天线温度对比度ΔTA(θF)：

ΔTA(θF)=

(5)

通常采用旋转对称的天线波束，因此G(θ,φ)=G(θ)，又因为地物和目标的毫米波辐射特性与方位角无关,因此有TAP(θ,φ)=TAP(θ)。实际使用中，观测高度h很大，所以ΩT很小，因此TAPT(θ)=TAPT(θT)，TAPB(θ)=TAPB(θT)均可看作常数，θT为AM与地面垂直线的夹角，M处在目标中心。因此有：

(6)

式(6)中，ΔTAP(θT)=TAPT(θT)-TAPB(θT)，不计天线波束旁瓣的影响，可令G(θ)=G0e-be2，并对具有不同主瓣特性的天线，选取不同的b值作为G(θ)的近似表达式，根据图2(a)，最终推导出天线温度对比度ΔTA(θF)的表达式为：

(7)

2.2金属立体目标的毫米波辐射特性分析

建立如图2(b)所示数学模型[8]，辐射计高度为h，辐射计与目标的斜距为AM，前视角为θF，观测位于天线波束中心的金属立体目标舰船。对于金属立体目标，背景的视在温度表达式TAPT(θ,φ)十分复杂。因此，利用数值积分推导出金属立体目标与背景的天线温度对比度[6-9]为：

(8)

其中，TAPT(θTn)和TAPB(θBn)分别为目标和背景的第n微元视在温度，G(θAn)为第n微元天线增益。

(a)

(b)

为了简化分析，以规则的金属球为例进行理论分析。假设目标放置于光滑的水面，根据金属球和水面背景的几何关系及射线路径的不同，可分为6种辐射模式，建立如图3所示数学模型，其中(a)、(b)、(c)为大气辐射经金属球反射进入天线的情况，(d)、(e)、(f)为经水面反射进入天线的情况，(b)和(e)入射角很小，几乎原路返回。采用面元法[10]对6种不同情况下的天线温度加权，可得到最终的天线温度对比度。

图3　金属球辐射传播示意图Fig.3　Diagrams of metal ball radiation

3实验结果与分析

针对不同目标的辐射特性,采用3 mm (300 mm,0.8°,0.5 K)和8 mm (368 mm,1.5°,0.2 K)辐射计选取太湖为背景进行了测量。

测试角度超过80°时，水面和天空的毫米波辐射特性受环境影响较大。同时水平极化的方式会导致水面的测量结果产生剧烈变化。针对上述问题，采用垂直极化的方式采集了0°～80°范围内的数据，结果如图4所示。图4(a)和4(b)分别为天空和水面的毫米波辐射特性图，图4(c)对3 mm波段水面金属目标进行了仿真和实验，图4(d)为天顶角45°和30°时，利用3 mm和8 mm两个波段的辐射计对水面金属目标测量的结果。

从图4(a)和图4(b)大致看出，在0°～80°范围内，水面和天空的测量值与理论值相吻合；由图4(c)可以看出，3 mm波段水面金属目标的仿真结果与实测数据基本一致，验证了理论模型的正确性；结合图4(c)和(d)可看出，俯角同为45°时，3 mm波段目标的温度高于8 mm波段的目标50 K左右，且采用3 mm辐射计测量时，金属目标与水面的视在温度相差22 K左右，采用8 mm辐射计测量时，两者的视在温度相差20～25 K，因此金属和水面的辐射温度存在明显差异。

(a) 天空毫米波辐射特性图　(b) 水面毫米波辐射特性图

(c)3mm波段金属目标 仿真与实验对比图 (d)8mm波段金属 目标测量数据图

图4实验数据分析图

Fig.4Diagrams of experimental data

表1和表2所示为入射角度为30°时，几种典型的目标与水面视在温度之间形成的对比结果。从表中可以看出，金属目标与水面之间的辐射特性存在着显著的差异，圆柱体与水面温度对比度达到31.92 K。由于毫米波会穿透泡沫，泡沫的视在温度几乎和水面相同，因此泡沫可以作为目标背景，对目标的辐射特性没有影响。

表1　各个目标与水面辐射特性的对比数据(3 mm)

表2　各个目标与水面辐射特性的对比数据(8 mm)

4结论

本文提出了3 mm与8 mm波段水面金属目标的辐射特性检测方法。该方法对水面金属平面目标的天线温度对比度进行了理论分析与仿真，并以金属球为例研究了金属立体目标的辐射情况，在此基础上采用3 mm和8 mm两个波段的辐射计对水面不同目标进行了测量。实验及仿真结果对比表明，金属目标与水面的视在温度相差20～32 K，毫米波辐射计能够有效的检测水面金属目标，弥补了水面金属目标毫米波辐射特性数据库的缺失。但由于实验过程中没有考虑水面风浪以及金属立体目标结构单一等因素的影响，拟将其作为重点，以军舰模型作为研究目标，进一步对金属目标与水面的辐射温度差异做深入的分析和研究。

参考文献:

[1]张光锋，张祖荫，郭伟.3mm波段辐射成像研究[J]. 红外与毫米波学报, 2005, 24(6): 422-426.

[2]张祖荫，林士杰. 微波辐射测量技术及应用[M]. 北京: 电子工业出版社，1995: 62-64.

[3]雷震东，王雷，钟仕荣. 无源微波遥感海上石油污染的研究[J]. 电子科学学刊，1996，18(5)：496-500.

[4]陈曦，曹东任，吴礼,等. 金属球毫米波辐射特性建模与分析[J]. 光电工程, 2013, 40(4): 31-37.

[5]严金海，李兴国，汪敏. 毫米波辐射计探测直升机研究[J]. 探测与控制学报, 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]赵裔昌，马岸英，马秋华. 毫米波辐射探测立体目标面元法建模[J]. 探测与控制学报, 2008, 30 (3): 41-45.

*收稿日期:2015-12-31

基金项目:国家自然科学基金项目资助(61371038)

作者简介:齐学慧(1991—)，女，蒙古族，辽宁阜新人，硕士研究生，研究方向: 毫米波目标辐射特性与建模。E-mail: ningxiner26@hotmail.com。

中图分类号:TN015

文献标志码:A

文章编号：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