毫米波輻射計縮比測試研究

毫米波輻射計縮比測試研究
【摘要】 縮比測試是在較低高度下對滿足縮比條件的小目標(biāo)進行測試，以等效在真實高度下對大目標(biāo)進行測試的 情況。文中針對毫米波輻射計的探測研究，討論了其縮比測試的原理及條件，并在兩種高度下進行了實際的毫米波輻射 計縮比測試及相應(yīng)真實高度下的塔載測試，結(jié)果對比表明了縮比測試的可信性。該方法簡單易行，可節(jié)省大量經(jīng)費。

 0 引 言 本文屬毫米波近距探測系統(tǒng)研究領(lǐng)域，源于3 mm 波段被動體制目標(biāo)探測技術(shù)研究領(lǐng)域。毫米波輻射計 不受目標(biāo)散射效應(yīng)影響，是一種進行近距探測的有效 設(shè)備。對于形狀簡單的目標(biāo)，可直接計算得出輻射計 的天線溫度；對于形狀復(fù)雜的目標(biāo)，直接計算十分困 難，精度難以保證，故只能使用測試方法。在實際測試 條件下，輻射計探測的高度一般為數(shù)十米到數(shù)百米風(fēng)速計| 照度計| 噪音計| 輻照計| 聲級計| 溫濕度計| 紅外線測溫儀| 溫濕度儀| 紅外線溫度計| 露點儀| 亮度計| 溫度記錄儀| 溫濕度記錄儀，所 以必須采用機載或塔載的方法。目標(biāo)的天線溫度是天 氣狀況和季節(jié)的隨機函數(shù)，因此必須對真實目標(biāo)進行 反復(fù)測量，然后進行統(tǒng)計分析，才能得到目標(biāo)天線溫度 的可靠數(shù)據(jù)，這需要良好的測試條件和巨額的測試經(jīng) 費�？s比測試為我們提供了一種經(jīng)濟實用的測量方 法，特別是在全尺寸目標(biāo)不易得到時，只有利用其縮比 模型才能推算目標(biāo)的全尺寸情況。

1 輻射計的測試原理 毫米波輻射計是利用物體在毫米波段的輻射特性 差異來探測目標(biāo)的。物體的亮度溫度 ( ， )與其 式中：0為俯仰角； 為方位角； (0， )為目標(biāo)在(0， )方向的發(fā)射率。金屬目標(biāo)的毫米波發(fā)射率近似為 零，它基本只反射天空的溫度，天空溫度在一定時空范 圍內(nèi)可認(rèn)為是穩(wěn)定的低溫；而背景環(huán)境的發(fā)射率較高， 其亮度溫度也較高。利用金屬目標(biāo)與背景之間的溫度 差異，毫米波輻射計即可探測及識別金屬目標(biāo)。 設(shè)輻射探測金屬目標(biāo)時的交會情況如圖1所示，目 標(biāo)位于水平面，即 面上，而輻射計則在空中邊旋轉(zhuǎn)邊降 落。設(shè)當(dāng)輻射計高度為 ，天線波束對稱軸與z軸丙角為 0 時，輻射計的天線波束掃描到目標(biāo)，則輻射計將輸出與 目標(biāo)信息相關(guān)的鐘型脈沖信號，該信號可表示為⋯ = △ 4rr J J expH acc。s ] ) 一似 (2) 式中：△ 為天線溫度變化量；△ 為目標(biāo)和背景之間 的亮度溫度對比度；Go為天線波束中心的功率增益； 為天線的波形系數(shù)，它是表征天線波束寬度的參數(shù)；目 標(biāo)的坐標(biāo)為 ∈[ l， 2]，Y∈[Yl，Y2]。 圖1 輻射計與目標(biāo)的交會情況 目前常用的超外差式輻射計都有很高的系統(tǒng)噪 聲，通常在1 500 K以上，而輻射計獲得的目標(biāo)與背景 間的溫度差別通常只在幾十K，因此目標(biāo)信號是完全 淹沒在系統(tǒng)噪聲中的。為獲得目標(biāo)與背景間的溫度差 異，就必須采用一等于系統(tǒng)噪聲溫度的基準(zhǔn)電平作為 比較基準(zhǔn)⋯。由于系統(tǒng)增益的緩慢變化，系統(tǒng)噪聲溫 度也會以很低的頻率波動，這就使得基準(zhǔn)電平需要經(jīng) 常調(diào)整，非常麻煩�？紤]到系統(tǒng)噪聲溫度的變化頻率 很低，基本在直流附近，而包含目標(biāo)信息的交流信號的 頻譜通常遠(yuǎn)高于系統(tǒng)噪聲波動頻率，因此可在檢波器 后接一隔直電路以濾除輸出信號中的系統(tǒng)噪聲分 量 J，這就省去了基準(zhǔn)電平，系統(tǒng)得以簡化。由于包 含目標(biāo)信息的交流信號本身也具有一定的直流分量， 因此隔直電路也使有用的目標(biāo)信號損失部分能量而導(dǎo) 致畸變，如圖2所示。原本的鐘型脈沖由于損失部分 直流能量而導(dǎo)致峰值降低及下降沿深陷。但是，由于 已知該信號是鐘型的，這一信息可用來對畸變信號進 行補償 。 圖2 掃描獲得的鐘型脈沖

2 縮比測試的原理 在毫米波輻射計的實際尺寸測試難以實現(xiàn)時，縮 比測試是一種很好的替代方法 。其原理如圖3所 示，在測試高度以一定的縮比因子P縮減時，目標(biāo)的各 個尺寸也相應(yīng)的同比例縮小。在保證天線的遠(yuǎn)場測量 條件下，測試所得的數(shù)據(jù)可滿足工程精度需要。由圖 3知 h = 芋Z =等6 = 1口 (、 3) 式中： 為縮比測試高度；Z 及6 為縮比模型的長度； 、 Z及6則為真實目標(biāo)的測試高度及長度。 圖3 縮比仿真測試的原理示意圖 因此，只要滿足以下縮比條件：
1)天線特性不變；
2)被測背景和目標(biāo)形狀及相對位置不變；
3)觀測高度降低到原高度的1／p，目標(biāo)的幾何尺 寸也縮小到原尺寸的1／p，如圖3所示，就可以在較低 的高度上測量較小的滿足縮比條件的目標(biāo)，以等效在 實際使用高度上測量真實大目標(biāo)的結(jié)果。該方法簡便 易行，可節(jié)約大量經(jīng)費。 3 實際縮比測試 現(xiàn)以探測3 m x7 m的坦克為例，采用1：100的縮 比模型，即縮比因子P為100，則縮比模型的尺寸為 0．03 m x0．07 m，而縮比測試高度為取0．7 m和1 m 兩種情況。 在室內(nèi)進行縮比測試的系統(tǒng)主要由以下部件和儀 器組成：交流輻射計、直流電機、毫米波束擋板、三角架 支撐系統(tǒng)、直流電流源、示波器等。將輻射計豎直固 定，天線波束傳播一定距離經(jīng)擋板反射后改變路徑為 傾斜照射，直流電機帶動擋板旋轉(zhuǎn)即相當(dāng)于輻射計以 一定的旋轉(zhuǎn)速度掃描。原理圖如圖4所示，實際的測 試系統(tǒng)如圖5所示。 縮比測試所得的波形如圖6、7所示，它們已經(jīng)過 直流補償和濾波，因此鐘型脈沖沒有明顯的失真，噪聲 也較小。為驗證縮比測試的準(zhǔn)確性，也進行了70 m和 100 m高度的高塔實驗，但實際測量的是3 m X7 m大 小的鋁板，所得波形如圖8和圖9所示，波形也經(jīng)補償 和濾波處理。對比兩組波形可見，縮比測試和真實測 試的結(jié)果是很接近的，僅真實測試中的噪聲較大。 透窗 縮比爿標(biāo) ，葉、．矣大 蘢 I 簡罩 圖4 縮比測試系統(tǒng)示意圖 圖5 實際縮比測試系統(tǒng) 圖6 縮比測試h =0．7 m 組波形中提取四組特征量，即波形峰值、波形面積、波 形最大斜率及脈寬。波形峰值的定義是顯然的。波形 面積即為波形的積分值，采用組合梯形公式近似計算 |s=，J 0 t)dt 二 [ 1)+f(N)J+Atk 2 |i})(4) 波形的斜率采用二階中心差分公式近似，即 ) )=艘 (5) 則最大斜率即為式(5)所得數(shù)值的最大值。波形的脈 寬取半功率點寬度。根據(jù)以上定義求得的參數(shù)如表1 所示，對比兩種測試所得的參數(shù)也證明了縮比測試的 有效性。 。 表1 縮比測試和真實測試所得波形特征量比較

4 結(jié) 語 本文介紹了毫米波輻射計縮比測試的原理和方 法。在滿足一定條件下，縮比測試可以較小的模型測 試替代真實情況下的機載或塔載測試，根據(jù)兩種高度 下的對照結(jié)果可見縮比測試的結(jié)果是可信的。該方法 可簡便地在實驗室內(nèi)進行，不僅可節(jié)省測試的巨額費 用，而且為實驗和研究工作帶來極大的便利。 圖7 縮比測試h ：1．0 m [2] [3] 圖8 真實測試h=70 m 圖9 真實測試h=100 m 為更清晰的看出縮比測試的結(jié)果，分別從上述兩