彈載雙通道毫米波輻射計(jì)研究

彈載雙通道毫米波輻射計(jì)研究
 摘要：介紹了用于復(fù)雜氣候條件下采用末敏探測(cè)技術(shù)識(shí)別目標(biāo)中心的雙通道毫米波輻射計(jì)的 原理和實(shí)驗(yàn)分析。在對(duì)輻射計(jì)歸一化天線溫度分析的基礎(chǔ)上，給出了計(jì)算目標(biāo)回波信號(hào)脈寬以及 雙通道天線掃描目標(biāo)同一處的時(shí)延的方法。高塔實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果表明：雙通道輻射計(jì)能減小氣候等 因素對(duì)探測(cè)精度的影響；在徑向，較之單通道輻射計(jì)目標(biāo)中心識(shí)別概率有明顯提高。 與紅外和可見(jiàn)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(diǎn)，因此毫米 波系統(tǒng)在精確探測(cè)、制導(dǎo)和導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛 應(yīng)用。毫米波被動(dòng)探測(cè)器是利用輻射計(jì)原理來(lái)對(duì)目 標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和識(shí)別的，根據(jù)以往的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在不同 氣候條件下，毫米波輻射計(jì)對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)所 得到的信號(hào)特征是不完全一樣的，這給在全天候工 作下采用末敏探測(cè)技術(shù)的彈載毫米波輻射計(jì)精確探 測(cè)目標(biāo)帶來(lái)了困難；對(duì)坦克、自行火炮、車(chē)輛等裝甲 目標(biāo)探測(cè)時(shí)，由試驗(yàn)驗(yàn)證，采用單通道毫米波輻射 計(jì)，利用天線波束最大信號(hào)幅度法能實(shí)現(xiàn)在切向?qū)?目標(biāo)中心的精確判別，但在徑向卻難以判別目標(biāo)中 心。這是由于輻射計(jì)在下降螺旋掃描探測(cè)過(guò)程中， 在高高度掃到目標(biāo)中心和在低高度掃到目標(biāo)前沿或 在晴天的高高度和霧天的低高度所得信號(hào)非常接 近。為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)了雙通道毫米波輻射計(jì) 系統(tǒng)，利用兩路通道單獨(dú)探測(cè)目標(biāo)，通過(guò)對(duì)采集到的 信號(hào)進(jìn)行融合處理實(shí)現(xiàn)精確探測(cè)目標(biāo)中心，并通過(guò) 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(gè)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(jí)隔 離器，保證兩路輻射計(jì)同時(shí)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(cè)出目標(biāo)信號(hào)，在目標(biāo)識(shí)別模塊中進(jìn)行融合識(shí)別，在 判斷為目標(biāo)的前提下，再對(duì)兩路信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理 來(lái)判別目標(biāo)的中心，即采用雙門(mén)限來(lái)保證精確識(shí)別 目標(biāo)中心。

2 信號(hào)分析 輻射計(jì)是利用物體的輻射率來(lái)識(shí)別目標(biāo)的，具 體反映在輻射計(jì)天線端接收到的天線溫度不同。而 目標(biāo)在輻射計(jì)天線端所呈現(xiàn)的天線溫度與輻射計(jì)探 測(cè)高度、探測(cè)角、天線半功率波束寬度以及目標(biāo)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(cè)的輻射計(jì)在搜索目標(biāo)過(guò)程中，利用空 氣動(dòng)力學(xué)原理，一方面作勻速下降、另一方面作勻速 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，其天線波束在地面搜索目標(biāo)時(shí)形成錐掃 軌跡如圖2所示。天線波束與目標(biāo)交會(huì)如圖3所 示。 y 圖2 輻射計(jì)錐掃與目標(biāo)交會(huì)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(guò)程中錐掃與目標(biāo)交會(huì)單一通道接收到的天線 溫度表達(dá)式，見(jiàn)
(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(biāo) 與目標(biāo)遮擋住的背景的對(duì)比度；G 為天線波束中心 的功率增益；H 為輻射計(jì)天線距離目標(biāo)的高度；0 為輻射計(jì)天線波束與水平面垂線之間的夾角；J9為 掃描過(guò)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(biāo) ／ 天線波束2 一一— — 、 (a)目標(biāo)前沿 (b)目標(biāo)中心 (c)目標(biāo)后沿 (a)Targetfront e e (b)Centerofthetarget (c)Target~ailing edge 圖3 天線波束與目標(biāo)交會(huì)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(biāo)點(diǎn)的時(shí)延分析 在雙通道輻射計(jì)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(gè)夾角，以保證兩個(gè) 波束中心在地面有一定的距離，幾何關(guān)系見(jiàn)圖4．記 輻射計(jì)、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(gè)天線安裝中心 相距L，則照射在地面的兩個(gè)波束中心的距離為 d H(tan0v2一tan0F1)+Lcos0F．
(2) 由于輻射計(jì)在下降過(guò)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(jì)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(cè)器垂直下降速度。 則兩個(gè)波束中心掃到目標(biāo)同一點(diǎn)相差的時(shí)間為 d H(tan0F2一tan0F1)+Lcos0F ⋯ r 一 jtan0uF ’ L) r i 假設(shè)在H=70 m時(shí)，探測(cè)器波束中心與目標(biāo)中 心交會(huì)，且0n=29。，0=30。，0F2=31。，vj=0．33 m／s， 則由(5)式計(jì)算可得兩個(gè)波束中心掃到目標(biāo)中心的 時(shí)間差r≈17．6 S．
3)回波信號(hào)寬度計(jì)算 探測(cè)器在掃描金屬目標(biāo)與背景過(guò)程中通過(guò)檢測(cè) 它們之間的溫度差來(lái)得到目標(biāo)信號(hào)，回波信號(hào)類似 于鐘形脈沖，由于探測(cè)器在掃描過(guò)程中自我旋轉(zhuǎn)的 速度近乎勻速，所以不同大小的目標(biāo)所得到的回波 信號(hào)寬度是不一樣的，因此對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行脈寬分 析是識(shí)別目標(biāo)的重要手段之一。在圖1中，假設(shè)目 標(biāo)寬度為a，天線波束投影到目標(biāo)上的半徑為r(r= BC)，則波束與目標(biāo)交會(huì)的路徑可由下式計(jì)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(hào)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(shè)H=90 m，03 dB=4．5。，0F=30。，a=3．5 m，N=5 r／s，由(7)式可計(jì)算得：Ar=7．04 ms． 圖4 雙通道輻射計(jì)幾何關(guān)系圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 實(shí)驗(yàn)在野外100 m高塔上進(jìn)行，目標(biāo)為地面上 的3 m×7 m金屬板，背景為草地。探測(cè)平臺(tái)可固定 也可以0．33 m／s的速度勻速上升或下降，輻射計(jì)安 裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，其波束方向與水平垂線約成30。角，轉(zhuǎn) 臺(tái)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(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖5所示。 圖5 高塔實(shí)驗(yàn) Fig．5 High tower experiment 在30 m高度，調(diào)整探測(cè)器角度使雙波束與目標(biāo) 交會(huì)情形分別如圖3中所示，即掃目標(biāo)上沿、中心和 下沿，所得實(shí)驗(yàn)波形分別如圖6中的(a)、(b)、(C)所 示。圖6(d)為整個(gè)探測(cè)平臺(tái)從90 m 高處以0．33 m／s的速度勻速下降，同時(shí)探測(cè)器隨轉(zhuǎn)臺(tái)以5 r／s的 速度勻速自轉(zhuǎn)，天線波束中心與目標(biāo)中心交會(huì)約在 高60 m處所得整個(gè)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)波形。 圖中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)，縱坐標(biāo)為信號(hào)幅度。從 圖中可知：
1)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)的脈沖寬度約為7．5 ms，與前面計(jì)算的基本一致；
2)雙通道在掃到目標(biāo)前沿、中心、后沿時(shí)，各自 得到的信號(hào)在幅度上是有區(qū)別的，在后級(jí)DSP中的 信號(hào)處理正是利用這些特性實(shí)現(xiàn)了在徑向的中心精 確定位。實(shí)驗(yàn)中用激光打點(diǎn)顯示系統(tǒng)能很好地識(shí)別 目標(biāo)中心，特別在徑向，較之單通道輻射計(jì)中心識(shí)別 概率明顯提高；
3)在模擬勻速下降探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，很明顯可以看 到探測(cè)器兩個(gè)通道逐步與目標(biāo)交會(huì)直至掃到目標(biāo)中 心再逐近離開(kāi)目標(biāo)全過(guò)程的信號(hào)。而且可以看到兩 個(gè)通道掃到目標(biāo)中心大約相差17．4 S，這與前面分 析計(jì)算的相符。 實(shí)驗(yàn)中，分別在在晴天和霧天進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn) 結(jié)果表明在霧天在相同其它實(shí)驗(yàn)條件下得到的目標(biāo) 回波信號(hào)僅在幅度上比在晴天氣候條件下得到的信 號(hào)要小，但由于采用了雙通道探測(cè)，因此在晴天和霧 天探測(cè)器均能有效地識(shí)別目標(biāo)中心。 之 馨 之 粵 之 馨 采樣點(diǎn)／10， (a)雙天線波束中心對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)上沿 (a)The dual antenna beam center aiming attheupper endoftarget 采樣點(diǎn)／10， (b)雙天線波束中心對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)中心 (b)Th edualantenabeam center aiming at the center oftarget 采樣點(diǎn)／10， (c)雙天線波束中心對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)下沿 (C)Thedualantennabeam center aiI11ing at thenether endoftarget 采樣點(diǎn)／10s (d)雙通道輻射計(jì)從高90m到40m勻速下降掃描目標(biāo) (d)Th e dual—channel radiometer descending from 90m tO 40m scanningat thetarget 圖6 雙通道輻射計(jì)高塔實(shí)驗(yàn)回波信號(hào)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(cè)技術(shù)在徑向定位以及不同 氣候條件精確定位的問(wèn)題，設(shè)計(jì)并制作了毫米波雙 通道輻射計(jì)，高塔實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在晴天和霧天氣候 條件下能有效的探測(cè)識(shí)別目標(biāo)和在徑向能準(zhǔn)確識(shí)別 目標(biāo)中心，減小了單通道輻射計(jì)由于氣候原因以及 由于與目標(biāo)交會(huì)情況不同而帶來(lái)的識(shí)別偏差。同 時(shí)，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(dòng)探測(cè)，探測(cè)器本身不向外發(fā)射功率，所以兩個(gè)通道 之間的相互影響通過(guò)調(diào)試可以較好的解決。當(dāng)然雙 天線給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和小型化帶來(lái)了一定難度，因此 設(shè)計(jì)具有不同指向的雙波束天線對(duì)系統(tǒng)進(jìn)一步工程 化具有重要意義。