弹载双通道毫米波辐射计研究

弹载双通道毫米波辐射计研究
 摘要：介绍了用于复杂气候条件下采用末敏探测技术识别目标中心的双通道毫米波辐射计的 原理和实验分析。在对辐射计归一化天线温度分析的基础上，给出了计算目标回波信号脉宽以及 双通道天线扫描目标同一处的时延的方法。高塔实验实测结果表明：双通道辐射计能减小气候等 因素对探测精度的影响；在径向，较之单通道辐射计目标中心识别概率有明显提高。 与红外和可见光相比，毫米波具有穿透烟雾、 尘、雨等可在恶劣气候条件下工作的优点，因此毫米 波系统在精确探测、制导和导航等领域得到了广泛 应用。毫米波被动探测器是利用辐射计原理来对目 标进行探测和识别的，根据以往的实验发现在不同 气候条件下，毫米波辐射计对同一目标进行探测所 得到的信号特征是不完全一样的，这给在全天候工 作下采用末敏探测技术的弹载毫米波辐射计精确探 测目标带来了困难；对坦克、自行火炮、车辆等装甲 目标探测时，由试验验证，采用单通道毫米波辐射 计，利用天线波束最大信号幅度法能实现在切向对 目标中心的精确判别，但在径向却难以判别目标中 心。这是由于辐射计在下降螺旋扫描探测过程中， 在高高度扫到目标中心和在低高度扫到目标前沿或 在晴天的高高度和雾天的低高度所得信号非常接 近。为解决这些问题，设计了双通道毫米波辐射计 系统，利用两路通道单独探测目标，通过对采集到的 信号进行融合处理实现精确探测目标中心，并通过 利用同一本振源技术减少系统成本。

1 系统描述 如图1所示，系统由两个通道组成，每一通道都 由天线、混频器、中频放大器、平方律检波器和视频 放大器组成。其中两路天线的输出之间各加一级隔 离器，保证两路辐射计同时工作而不相互干扰。两 路混频器共用本振，保证工作在同一频率上，本振与 混频器之间加隔离器，防止泄漏。每一通道各自检 测出目标信号，在目标识别模块中进行融合识别，在 判断为目标的前提下，再对两路信号进行相关处理 来判别目标的中心，即采用双门限来保证精确识别 目标中心。

2 信号分析 辐射计是利用物体的辐射率来识别目标的，具 体反映在辐射计天线端接收到的天线温度不同。而 目标在辐射计天线端所呈现的天线温度与辐射计探 测高度、探测角、天线半功率波束宽度以及目标在波 束里的辐射面积与波束面积之比等因素密切相关。 用于末敏探测的辐射计在搜索目标过程中，利用空 气动力学原理，一方面作匀速下降、另一方面作匀速 旋转运动，其天线波束在地面搜索目标时形成锥扫 轨迹如图2所示。天线波束与目标交会如图3所 示。 y 图2 辐射计锥扫与目标交会示意图 Fig．2 Sketch map of detector’S cone—shape scanning and crossing with target 1)归一化天线温度 下降过程中锥扫与目标交会单一通道接收到的天线 温度表达式，见
(1)式． △T G0H ⋯ ● △TT 47 — HcosOF+si — n —0v(xsinfl+— y— cosf1) (H2+z2+v ){ 如d (1) 式中：△T 表示天线温度的变化量；△TT表示目标 与目标遮挡住的背景的对比度；G 为天线波束中心 的功率增益；H 为辐射计天线距离目标的高度；0 为辐射计天线波束与水平面垂线之间的夹角；J9为 扫描过程中天线波束中心与Y轴之间的夹角；b为 1 n 、一1 表征天线方向图的常数，且b=ln2《_U3 dB}‘，其中 03 dB为天线波束的3 dB带宽。 目标 ／ 天线波束2 一一— — 、 (a)目标前沿 (b)目标中心 (c)目标后沿 (a)Targetfront e e (b)Centerofthetarget (c)Target~ailing edge 图3 天线波束与目标交会示意图 Fig．3 Sketch map of antenna beam crossing with target 2)两天线波束扫描同一目标点的时延分析 在双通道辐射计中，天线1和天线2与水平面 垂线夹角并不相等，而是稍微有个夹角，以保证两个 波束中心在地面有一定的距离，几何关系见图4．记 辐射计、天线1、天线2与水平面垂线夹角分别为 0F，0 F1’0F2，且0F1< F<0F2，若两个天线安装中心 相距L，则照射在地面的两个波束中心的距离为 d H(tan0v2一tan0F1)+Lcos0F．
(2) 由于辐射计在下降过程中还以转速N旋转，所以其 波束在地面上轨迹为螺旋线，可以计算出其扫描螺 旋线切向速度为[。 ] 72 =27tNHtanOF，
(3) (考虑到0F，0 F1，0F2之间相差很小，tan0F tanOF1≈ tan0F2)． 径向速度为 =vjtan0F，
(4) 式中： j为探测器垂直下降速度。 则两个波束中心扫到目标同一点相差的时间为 d H(tan0F2一tan0F1)+Lcos0F ⋯ r 一 jtan0uF ’ L) r i 假设在H=70 m时，探测器波束中心与目标中 心交会，且0n=29。，0=30。，0F2=31。，vj=0．33 m／s， 则由(5)式计算可得两个波束中心扫到目标中心的 时间差r≈17．6 S．
3)回波信号宽度计算 探测器在扫描金属目标与背景过程中通过检测 它们之间的温度差来得到目标信号，回波信号类似 于钟形脉冲，由于探测器在扫描过程中自我旋转的 速度近乎匀速，所以不同大小的目标所得到的回波 信号宽度是不一样的，因此对回波信号进行脉宽分 析是识别目标的重要手段之一。在图1中，假设目 标宽度为a，天线波束投影到目标上的半径为r(r= BC)，则波束与目标交会的路径可由下式计算： S：2，+n： tan +n， (6) CUS【=，F Z-． 式中：03 dB为天线波束宽度。 则回波信号的脉宽可得： 一 [L t诅an 丁+十n。]．J ／2丌刑 t协a一n 0F·㈩L／) 设H=90 m，03 dB=4．5。，0F=30。，a=3．5 m，N=5 r／s，由(7)式可计算得：Ar=7．04 ms． 图4 双通道辐射计几何关系图

3 实验结果 实验在野外100 m高塔上进行，目标为地面上 的3 m×7 m金属板，背景为草地。探测平台可固定 也可以0．33 m／s的速度匀速上升或下降，辐射计安 装在转台上，其波束方向与水平垂线约成30。角，转 台以5 r／s速度旋转。两天线波束之间的夹角y= 0F2—0F1=2。．具体实验场景如图5所示。 图5 高塔实验 Fig．5 High tower experiment 在30 m高度，调整探测器角度使双波束与目标 交会情形分别如图3中所示，即扫目标上沿、中心和 下沿，所得实验波形分别如图6中的(a)、(b)、(C)所 示。图6(d)为整个探测平台从90 m 高处以0．33 m／s的速度匀速下降，同时探测器随转台以5 r／s的 速度匀速自转，天线波束中心与目标中心交会约在 高60 m处所得整个过程的实验波形。 图中横坐标为采样点，纵坐标为信号幅度。从 图中可知：
1)接收到的目标回波信号的脉冲宽度约为7．5 ms，与前面计算的基本一致；
2)双通道在扫到目标前沿、中心、后沿时，各自 得到的信号在幅度上是有区别的，在后级DSP中的 信号处理正是利用这些特性实现了在径向的中心精 确定位。实验中用激光打点显示系统能很好地识别 目标中心，特别在径向，较之单通道辐射计中心识别 概率明显提高；
3)在模拟匀速下降探测实验中，很明显可以看 到探测器两个通道逐步与目标交会直至扫到目标中 心再逐近离开目标全过程的信号。而且可以看到两 个通道扫到目标中心大约相差17．4 S，这与前面分 析计算的相符。 实验中，分别在在晴天和雾天进行了实验，实验 结果表明在雾天在相同其它实验条件下得到的目标 回波信号仅在幅度上比在晴天气候条件下得到的信 号要小，但由于采用了双通道探测，因此在晴天和雾 天探测器均能有效地识别目标中心。 之 馨 之 粤 之 馨 采样点／10， (a)双天线波束中心对准目标上沿 (a)The dual antenna beam center aiming attheupper endoftarget 采样点／10， (b)双天线波束中心对准目标中心 (b)Th edualantenabeam center aiming at the center oftarget 采样点／10， (c)双天线波束中心对准目标下沿 (C)Thedualantennabeam center aiI11ing at thenether endoftarget 采样点／10s (d)双通道辐射计从高90m到40m匀速下降扫描目标 (d)Th e dual—channel radiometer descending from 90m tO 40m scanningat thetarget 图6 双通道辐射计高塔实验回波信号波形 Fig．6 High tower experimental results of dual—channel radiometer

4 结论与讨论 为解决采用末敏探测技术在径向定位以及不同 气候条件精确定位的问题，设计并制作了毫米波双 通道辐射计，高塔实验验证了其在晴天和雾天气候 条件下能有效的探测识别目标和在径向能准确识别 目标中心，减小了单通道辐射计由于气候原因以及 由于与目标交会情况不同而带来的识别偏差。同 时，由于共用一套毫米波前端，尽管系统采用了双天 线，成本增加并不是很多，并且由于系统采用的是被 动探测，探测器本身不向外发射功率，所以两个通道 之间的相互影响通过调试可以较好的解决。当然双 天线给系统的结构和小型化带来了一定难度，因此 设计具有不同指向的双波束天线对系统进一步工程 化具有重要意义。