毫米波辐射计缩比测试研究

毫米波辐射计缩比测试研究
【摘要】 缩比测试是在较低高度下对满足缩比条件的小目标进行测试，以等效在真实高度下对大目标进行测试的 情况。文中针对毫米波辐射计的探测研究，讨论了其缩比测试的原理及条件，并在两种高度下进行了实际的毫米波辐射 计缩比测试及相应真实高度下的塔载测试，结果对比表明了缩比测试的可信性。该方法简单易行，可节省大量经费。

 0 引 言 本文属毫米波近距探测系统研究领域，源于3 mm 波段被动体制目标探测技术研究领域。毫米波辐射计 不受目标散射效应影响，是一种进行近距探测的有效 设备。对于形状简单的目标，可直接计算得出辐射计 的天线温度；对于形状复杂的目标，直接计算十分困 难，精度难以保证，故只能使用测试方法。在实际测试 条件下，辐射计探测的高度一般为数十米到数百米风速计| 照度计| 噪音计| 辐照计| 声级计| 温湿度计| 红外线测温仪| 温湿度仪| 红外线温度计| 露点仪| 亮度计| 温度记录仪| 温湿度记录仪，所 以必须采用机载或塔载的方法。目标的天线温度是天 气状况和季节的随机函数，因此必须对真实目标进行 反复测量，然后进行统计分析，才能得到目标天线温度 的可靠数据，这需要良好的测试条件和巨额的测试经 费。缩比测试为我们提供了一种经济实用的测量方 法，特别是在全尺寸目标不易得到时，只有利用其缩比 模型才能推算目标的全尺寸情况。

1 辐射计的测试原理 毫米波辐射计是利用物体在毫米波段的辐射特性 差异来探测目标的。物体的亮度温度 ( ， )与其 式中：0为俯仰角； 为方位角； (0， )为目标在(0， )方向的发射率。金属目标的毫米波发射率近似为 零，它基本只反射天空的温度，天空温度在一定时空范 围内可认为是稳定的低温；而背景环境的发射率较高， 其亮度温度也较高。利用金属目标与背景之间的温度 差异，毫米波辐射计即可探测及识别金属目标。 设辐射探测金属目标时的交会情况如图1所示，目 标位于水平面，即 面上，而辐射计则在空中边旋转边降 落。设当辐射计高度为 ，天线波束对称轴与z轴丙角为 0 时，辐射计的天线波束扫描到目标，则辐射计将输出与 目标信息相关的钟型脉冲信号，该信号可表示为⋯ = △ 4rr J J expH acc。s ] ) 一似 (2) 式中：△ 为天线温度变化量；△ 为目标和背景之间 的亮度温度对比度；Go为天线波束中心的功率增益； 为天线的波形系数，它是表征天线波束宽度的参数；目 标的坐标为 ∈[ l， 2]，Y∈[Yl，Y2]。 图1 辐射计与目标的交会情况 目前常用的超外差式辐射计都有很高的系统噪 声，通常在1 500 K以上，而辐射计获得的目标与背景 间的温度差别通常只在几十K，因此目标信号是完全 淹没在系统噪声中的。为获得目标与背景间的温度差 异，就必须采用一等于系统噪声温度的基准电平作为 比较基准⋯。由于系统增益的缓慢变化，系统噪声温 度也会以很低的频率波动，这就使得基准电平需要经 常调整，非常麻烦。考虑到系统噪声温度的变化频率 很低，基本在直流附近，而包含目标信息的交流信号的 频谱通常远高于系统噪声波动频率，因此可在检波器 后接一隔直电路以滤除输出信号中的系统噪声分 量 J，这就省去了基准电平，系统得以简化。由于包 含目标信息的交流信号本身也具有一定的直流分量， 因此隔直电路也使有用的目标信号损失部分能量而导 致畸变，如图2所示。原本的钟型脉冲由于损失部分 直流能量而导致峰值降低及下降沿深陷。但是，由于 已知该信号是钟型的，这一信息可用来对畸变信号进 行补偿 。 图2 扫描获得的钟型脉冲

2 缩比测试的原理 在毫米波辐射计的实际尺寸测试难以实现时，缩 比测试是一种很好的替代方法 。其原理如图3所 示，在测试高度以一定的缩比因子P缩减时，目标的各 个尺寸也相应的同比例缩小。在保证天线的远场测量 条件下，测试所得的数据可满足工程精度需要。由图 3知 h = 芋Z =等6 = 1口 (、 3) 式中： 为缩比测试高度；Z 及6 为缩比模型的长度； 、 Z及6则为真实目标的测试高度及长度。 图3 缩比仿真测试的原理示意图 因此，只要满足以下缩比条件：
1)天线特性不变；
2)被测背景和目标形状及相对位置不变；
3)观测高度降低到原高度的1／p，目标的几何尺 寸也缩小到原尺寸的1／p，如图3所示，就可以在较低 的高度上测量较小的满足缩比条件的目标，以等效在 实际使用高度上测量真实大目标的结果。该方法简便 易行，可节约大量经费。 3 实际缩比测试 现以探测3 m x7 m的坦克为例，采用1：100的缩 比模型，即缩比因子P为100，则缩比模型的尺寸为 0．03 m x0．07 m，而缩比测试高度为取0．7 m和1 m 两种情况。 在室内进行缩比测试的系统主要由以下部件和仪 器组成：交流辐射计、直流电机、毫米波束挡板、三角架 支撑系统、直流电流源、示波器等。将辐射计竖直固 定，天线波束传播一定距离经挡板反射后改变路径为 倾斜照射，直流电机带动挡板旋转即相当于辐射计以 一定的旋转速度扫描。原理图如图4所示，实际的测 试系统如图5所示。 缩比测试所得的波形如图6、7所示，它们已经过 直流补偿和滤波，因此钟型脉冲没有明显的失真，噪声 也较小。为验证缩比测试的准确性，也进行了70 m和 100 m高度的高塔实验，但实际测量的是3 m X7 m大 小的铝板，所得波形如图8和图9所示，波形也经补偿 和滤波处理。对比两组波形可见，缩比测试和真实测 试的结果是很接近的，仅真实测试中的噪声较大。 透窗 缩比爿标 ，叶、．矣大 茏 I 简罩 图4 缩比测试系统示意图 图5 实际缩比测试系统 图6 缩比测试h =0．7 m 组波形中提取四组特征量，即波形峰值、波形面积、波 形最大斜率及脉宽。波形峰值的定义是显然的。波形 面积即为波形的积分值，采用组合梯形公式近似计算 |s=，J 0 t)dt 二 [ 1)+f(N)J+Atk 2 |i})(4) 波形的斜率采用二阶中心差分公式近似，即 ) )=艘 (5) 则最大斜率即为式(5)所得数值的最大值。波形的脉 宽取半功率点宽度。根据以上定义求得的参数如表1 所示，对比两种测试所得的参数也证明了缩比测试的 有效性。 。 表1 缩比测试和真实测试所得波形特征量比较

4 结 语 本文介绍了毫米波辐射计缩比测试的原理和方 法。在满足一定条件下，缩比测试可以较小的模型测 试替代真实情况下的机载或塔载测试，根据两种高度 下的对照结果可见缩比测试的结果是可信的。该方法 可简便地在实验室内进行，不仅可节省测试的巨额费 用，而且为实验和研究工作带来极大的便利。 图7 缩比测试h ：1．0 m [2] [3] 图8 真实测试h=70 m 图9 真实测试h=100 m 为更清晰的看出缩比测试的结果，分别从上述两