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硕士论文 三次谐波探测器技术研究 摘要 川| i | | | 1 1 | i | | 1 1 1 | 川1 | l | i l | | l | | l i | 1 帅 y 2 0 6 2 0 3 0 金属结目标的非线性特性，其对入射电磁波再辐射过程中会产生谐波输出。谐波探 测器通过接收这种谐波分量实现对目标的检测。本文以此为背景，对谐波探测技术展开 相关研究工作。主要内容包括如下几个方面： 金属结目标产生谐波的机理研究。通过金属结目标谐波辐射的物理模型，分析了金 属结目标能够产生谐波的原理，并对其再辐射谐波特性进行了总结。 推导了谐波探测器的距离方程，对典型谐波目标雷达截面积进行了计算分析。对谐 波探测器在近地条件下的探测能力进行了研究。 经过对多种体制的谐波探测器的优缺点分析，确立了以线性调频脉冲体制为重点的 谐波探测器方案。对收、发系统的关键指标进行了分析与设计。 基于实测数据，对谐波探测器信号处理部分算法进行了研究。提出了信号处理器方 案，并在i s e 平台上对信号处理器各个模块进行了硬件设计。 关键字：谐波探测器，非线性目标，信号处理 a b s 臼a c t 硕士论文 a b s t r a c t i t ln a ：t l l 陀，o b j c c t s 谢t l lm e t a lj u n c t i o nh a sn 0 i l l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s ，i t 、析l lp r o d u c e k m m o m cw a v e s 缸l dt h e nr a i d i a t e “w h e nr e c e i v e se l e c 仃o m a 印e t i cr 2 l d i a t i o 玛h 锄o i l i c 诎e c t o rr e c e i v e st ：h eb a 彻0 1 1 i cw a v e st 0d e t e c tt a 略e t s h lt h i sb a c k g r o u i l d ，t l l i sp 印e rs n j d i e s m ek 呦o i l i cd e t e c t o r 1 1 l em a i l lc o n t e n t si n c l u i k 也ef o l l o w m ga s p e c t s ： s 砌i e st h em e c l 洲s mo fh a n n o l l i co fm e t a lj c t i o no b j e c t s c r e a t sp h y s i c 2 i lm o d e lo f t 1 1 ek i m l o i l i cr a d i a t i o no fm e t a lj u n c t i o nt a r g e t ，a r 谢y z e st h er a d i a t i o np r i i l c i p l e 吐l a tt a 略e t s 谢mm e t a lj u n c t i o nc a np d u c eh a 册o i l i cw a v e s ，锄ds 岫m a i i e si t s 瑚l d i a t i o nc l l a m l t e r i s t i c b l l i l d sh a n n o i l i cd e t e c t o rc q 吼t i o i i t e s t st h er c so fs o m et ) ，p i c a lr 1 0 i l l i i l e 盯t a 唱e t s t u d i e st h ed i t e c t i o nc a p a b i l i 母o ft h ek 啪【i l o i l i cd e t e c t o ri nt l l ei 圮a r e a n l lc o n d i n t i o n d i s c u s s e st h ea d v 嘶s 锄dd i s a d v a i l 缸玛e so fav a r i e 够s y s t e mo fh a m o i l i cd e t e i c t o r ， 锄df i m a l l yd e t e m l i i l e st h ec h r i ps y s t e m d e s i g 衄a n d 锄a l y z e s 缸l ek e yi n d i c a t o r so ft l l e i e c e i v e ra i l d 仃a n s n l i t t 既 b a l s i n go nm e 嬲u r e dd a t a s t l j d i e so n l ed e s i 盟粕di m p l e m e n t a t i o no fs i i l g 砒p r o c e s s i n g d e t e c t o rs y s 钯m 加l a l y z e sn l es i g i 谢，d o e sm es i i i l u l a t i o n 雠m a n a b t h e d e s i g 邮a r ea l s o i i n p l e m e n t e d 衄i s e k - e yw o r d ：k 衄n i cd e t e c t o r ，n o i l l i i l e a rt a 玛e t ，s i g r 试p r o c e s s i i l g i i 硕士论文三次谐波探测器技术研究 l 绪论 1 1 课题背景及意义 对于普通体制的探测器来说，它们接收的是目标回波的基波分量，在此基础上达到 探测目标的效果。但是在实际探测情况下，往往会受到干扰物( 如山川、河流等) 回波 的干扰，因此在应用中受到很大的限制。研究发现，大多数人造金属物体它们具有一项 特殊的本领：当受到电磁波照射时，它们除了线外辐射基波分量以外，还会辐射出谐波 分量，而自然界中各种干扰物却没有这种本领。在此基础上，人们利用人造金属这种特 殊的辐射本领研制出了谐波探测器，它就是通过检测目标反射回来的谐波分量来发现目 标的，因此，能够在干扰很强的环境下( 如强地杂波、海杂波) 准确地探测出目标，具 有良好的抗地杂波、海杂波的能力。 把具有非线性特征的目标称为非线性目标，它的伏安特性曲线具有非线性特征，在 受到入射波照射的情况下，能够再射出谐波分量。于是，人们开始对非线性目标产生了 极大的兴趣，因此也做过很多研究工作。非线性目标具有三个要素，分别是接收、非线 性元以及辐射，非线性目标能够接收入射电磁波的能量，然后在非线性元两端建立端电 压，形成谐波诱导电流，再在自身表面将电流辐射出去，最后产生谐波散射场。自然界 中，大多数人造金属目标和半导体目标都具有非线性的伏安特性曲线，它们都是谐波探 测器的有效目标。对半导体而言，其伏安特性为指数形式，经过入射波辐射后能反射出 多种谐波频率，并且随着频率的升高损耗渐渐变大，因此它的二次谐波功率最大。对于 人造金属目标来说，其伏安特性曲线为反对称关系，只能辐射奇次谐波，同样损耗随着 频率的增大渐渐变大，因此谐波分量中的三次谐波最强。 在军事上和民用领域，对于大多数感兴趣的目标，其都包含丰富的非线性结构，即 具有明显的非线性特性，都可以作为谐波探测器的有效目标。因此，谐波探测器在军事 和民用领域都具有很好的发展前景。 1 2 研究现状 国外目前还没有基于接收目标三次谐波回波信号原理的探测器技术的报道，但是关 于谐波探测器技术的研究工作很早就有过报道。国外已经对于谐波探测技术理论和非线 性目标的识别等方面做过研究工作，并已经在此基础上研制出实用的谐波探测器。 从上个世纪7 0 年代开始，人们已经开始对谐波探测器的理论进行研究并投入到实 际应用中。在理论上来讲，提出了非线性目标为谐波探测器的有效目标，并对典型的非 线性目标一具有金属结的目标进行了详细研究，至今已经用了3 种不同的方法对金属 结点做了研究。1 ) 试验方法。用多种材料不同的金属制作成金属结点，在各种不同的 l 绪论硕士论文 条件下，如改变入射波频率频率、金属之间的间距、外界对于金属结的压力等，通过实 验，对非线性结点的谐波再辐射能力进行实际测量，并总结出规律和经验即】。2 ) 以物 理学中电子隧道效应理论为基础，建立非线性结点模型，并推导出谐波再辐射信号的表 达式【4 5 1 。3 ) 基于非线性网络理论，建立非线性结点模型，对入射电磁波与散射电磁波 之间的定量关系进行研究，并计算非线性结点的转移函数【6 j 。 早在7 0 年代中期，美国已成功研制出轻便机载谐波雷达( m e t r r a ) i 刀，并将其投入 使用中。这种雷达被用于越南战场上，它的主要作用是检测地面、地下金属目标，对于 探测大量武器设备、军事伪装工事和设施做出了巨大贡献。英国、瑞典等国也有过关于 实用的谐波雷达设备的报道。但是谐波雷达也存在缺点，由于大部分金属的电磁转换效 率低，因此其反射的三次谐波分量也非常的微弱，所以，谐波雷达的作用距离就受到了 很大的限制，以m e t r r a 系统为例，它的发射功率为1 0 k w ，而作用距离仅为l l 【m 。 进入2 0 世纪9 0 年代，各国都开始对二、三次复合非线性结探测器进行研制生产， 例如美国的b o o m e r a n g 、俄罗斯的n r 9 0 0 e 、英国的s u p e rb r o o m 、中国的m c d 一1 等。这 些探测器的典型参数如下：探测对象包括pn 结二极管或任意电子装置，探测距离为埋 入钢筋混凝土或砖瓦结构中大于0 4 m ，自由空间大于1m ，接收机灵敏度优于一1 0 0 d b m ，发射机输出功率2 0 5 0 0 mw 连续可调。探测器主要用于公安、安全保卫、反侦察、 反窃听以及机场和港口安检等。然而，这些探测器存在普遍的缺点：第一，对于不同属 性的非线结目标探测时会产生大量的虚警和误报；第二，信号处理的积累时间为秒级， 在弹载条件下很难实现实时应用。 1 3 本文主要内容及安排 本文针对具有金属结的非线性目标能够反射三次谐波分量的特点，对三次谐波探测 器进行设计与研究。主要工作简述如下： ( 1 ) 研究谐波探测器的工作原理，通过建立金属结目标的物理模型，推导出其非线 性辐射的数学表达式，然后以此为基础，推导了谐波探测器的方程。并对上一代谐波探 测器做了实地测试，对一些谐波探测的典型非线性目标的截面积的计算与分析。然后分 析了影响谐波探测器性能的主要因素，通过对谐波探测器近地探测系统的分析，讨论了 谐波探测器的最大作用距离。最后对谐波探测器的抗杂波性能进行了定性分析。 ( 2 ) 针对谐波探测器的特点，制定了谐波探测器的总体设计方案，主要包括发射机 和接收机的设计，并对其中的关键技术以及相关的参数做了具体的分析与讨论。最后对 谐波探测器如何抑制自身谐波进行了研究。 ( 3 ) 设计谐波探测器系统信号处理方案，并用m a t l a b 对各个算法进行仿真。主要包 括对脉冲压缩技术，回波积累方法，以及最后目标检测以及参数提取方法进行了分析与 讨论，并设计了本探测器系统中的信号处理的方案，并用i i l a t l a b 进行仿真。 2 硕士论文三次谐波探测器技术研究 ( 4 ) 针对探测器的参数以及信号处理模块的分析，在i s e 平台上对探测器的信号处 理器进行了硬件实现。 2 谐波探测器基本理论硕士论文 2 谐波探测器基本理论 在基于线性雷达方程基础上，建立了自由空间中的谐波探测器的传输方程。针对谐 波探测器近地工作特点，分析了影响谐波雷达探测性能的主要因素。考虑地面反射波的 传输系数受到极化方向、发射信号的波长、天线高度以及交会参数等的影响。 虽然谐波探测器对自然物体( 陆地、海洋、丛林) 的杂波干扰的抗干扰性比较强。 但是谐波探测器还是会受到发射波中谐波分量、载体散射基波产生谐波分量等的影响。 文中分析了对这一问题的研究途径。发射通道非线性的来源主要包括两个方面：一是通 道非线性导致有三次谐波输出，通过天线口直接进入接收通道( 测试表明经过目标再辐 射的三次谐波可以忽略) ；二是功率放大器等三次谐波输出泄露直接进入接收通道。实 际弹上探测器应用中连续波体制存在的主要困难是由于接收机需要很高的灵敏度，从而 使得对发射通道的非线性抑制要求变得很高。文中给出了一种线性调频体制谐波探测器 的设计方案。线性调频在克服泄露方面具有明显的优点，并且通过检测差频来获取有关 参量。 2 1 金属结目标的伏安特性 金属结是如何形成的呢? 当两块或两块以上同种或异种金属接触后，在适当的条件 下( 例如压力、距离) ，尤其是相互接触的金属的中间层有一层氧化物时( 如铁锈) ， 那么，就会形成金属结。 金属结的正向和反向伏安特性曲线呈现反对称形式，它是一个以原点为对称中心的 奇函数曲线。但是，如果不断地增加加在金属结两端的电压，那么金属结就会被击穿。 因此，可以得到以下结论：只要加在金属结两端的电压小于其击穿电压，即只要当金属 结没有被击穿时，可以认为其伏安特性是非线性的。因此，带有金属结的目标的伏安特 性为非线性关系，所以它能够辐射谐波分量。经研究发现，金属结目标所辐射的谐波分 量中，三次谐波分量要大于其二次谐波分量。下面从两个不同角度对这一现象给出物理 解释： 首先从数学表达式上看，将金属结的伏安特性曲线级数展开成n 次谐波或者组合波 的形式，以横坐标的正负代入，由于其伏安特性曲线原本就可以认为是一个奇函数，所 以代入后的结果变为奇次项相互叠加而偶次项相消为0 ，所以说，金属结再辐射3 次谐 波分量就要比2 次谐波分量更强。 然后以量子力学的观点来解释这一现象。以势垒模型为基础，在适当的条件下，两 块互相接触的金属中间会出现氧化层，并形成如下图所示的非对称势垒【8 】。 4 硕士论文三次谐波探测器技术研究 j l j lj l 。 由l 由2 1 ：由， l 1 r 一 j r jl 1r j l s t l1 n2 金属1氧化层金属2 图2 1 无外加激励时金属结的势垒分布 图2 1 中，v 为金属的功函数，s 为氧化层厚度，为金属与氧化层接触面处的势 垒高度，n 为金属的费米能级。 由于势垒是非对称的，在金属结上外加激励场后就会产生直流电流，并产生自生直 流偏压，受到这个直流偏压的影响，势垒的分布将发生变化： e v l酽 j - 巾11r j1 f j 1 11 e v - _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ - h - - 一_ - h _ _ _ - - _ - i _ _ _ - 一 会属1氧化层会属2会属l氧化层会属2 图2 2( a ) 具有直流偏压的势垒分布一( b ) 具有直流偏压的势垒分布二 图2 2 ( a ) 中表示的是金属1 为自生直流偏置的负极时的势垒分布，( b ) 中表示的是 金属1 为自生直流偏置的正极时的势垒分布。 两种情况下的势垒与直流偏置的极性无关，平均高度均为万= 瓴+ 也一p 矿) 2 ， 电子在隧道穿越中，势垒会受到镜像力的作用发生变化： e v 会属1氧化层余属2 图2 3 镜像力对金属的作用 5 2 谐波探测器基本理论硕士论文 图2 3 显示了当受到镜像力作用的影响后，势垒所发生的变化，从图中可以看出， 势垒的高度和形状都发生很大的变化，氧化层的厚度变为岱。 将金属结的伏安特性曲线展开成泰勒级数的形式：，= 口o + 口l y + 口2 矿2 + k 。引用j 0 h n g s i 咖o n s 已经导出的模型，电流密度可以写为【9 】： 蛐p 一万一眵例k 一厨 ( 2 1 ) 令九：黑表示电子势能；卢：旦表示受到镜像力的作用后，势垒厚度发生的 5 7 e g n s ，jz j 变化；艿= 屯一肚妒_ 1 1 5 鲁1 n 等等舞，y = 彳万。氧化层的厚度为s ，它与电子势能成反 比关系，即s 越小，电子势能越大。设胚= 5 ，则金属结伏安特性曲线由泰勒级数展开 后公式上的各项的系数如下所示( 以前五项为例) ： 口- = 晤一t ) 山呷 ( 2 2 ) 屹：睁引幽学w y ( 2 3 ) 叼= 瞄一等一刳止竽卅 汜4 ， 铲陆一岳一篙一卺 掣山傀吖 如= ( 未一甍一丢一曩 学山傀吖 由此，金属结上基波和谐波系数可依据式( 2 2 ) 到式( 2 6 ) 得到， 金属结上基波和谐波分量的大小。 2 2 金属结目标的物理模型 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 从而可以得到 下面通过建立金属结目标的物理模型来分析其辐射特性【3 1 。 金属结的非线性物理模型如图2 4 所示，它是由三个部分组成的，第一部分为接收 部分它包含目标在受到辐射后所产生的感应电压源以及金属结入射端的等效电阻；第二 部分为非线性特性部分，它包含一个非线性电流源以和跨接在其上的电导，这个非线性 电流源是由金属结的伏安特性决定的；第三部分为再辐射部分，它包含辐射端的等效辐 射电阻【l 】。 6 硕士论文 三次谐波探测器技术研究 图中符号的含义定义如下： 圪：目标上的感应电压源； 蜀：入射端的等效电阻； j ：非线性电流源，即，= 口o + 口l y + 口2 矿2 + k = ； g ：电导，跨接在非线性电流源两端； 巧：金属结的散射电压； 母：辐射端的等效辐射电阻。 根据电路定理，有： y = 一巧 叭，o ，) = 焉 由式( 2 8 ) 得： g 矿+ 击川缈) = 击 由j 缈) = 口。y + 厂缈) ，将其代入式( 2 8 ) 得： y ：击一巧一l 厂缈) 即母“击+ 口l 。“志枷- 一。 r f + r ，r f + r ， = 咒一彤缈) 式中，如去，肛而南 所以有 _ = 瓦等i 以一矿) = 职，以一朋巧+ 巧缈) 】 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 7 2 谐波探测器基本理论 硕士论文 因为非线性特性比较弱，即厂( y ) 值小，所以有y = 骼彤一酬矿) 觚形，所以，则有 巧= 缉以一删；+ 彤( 碰形) j ，由于金属结的三次谐波分量最大，所以有 ，= ，缈) = 口l y + 口3 y 3 ，即加) = 口3 矿3 ，那么巧中只有最后一项具有三次谐波分量，即 巧= 瓯矽哑) = 艘，如慨) 3 ( 2 1 2 ) 认为电导g 是容性的，故g 2 ，钌，所以，则有日= i 南a 令巧= c o s o o f + 9 ) 为产生的感应电磁波电压，则输出电压中的三次谐波分量为 巧( 3 n 均) = 咒h ( 3 o 博勾k 3 日3 殍 = 心足4 母( 3 吐，o 归3 ) 唁c o s ( 3 n i o f + 3 缈) 帕办而蔷一 式中，= 芝粤。 则三次谐波的输出功率为： 柏，= 警2 石雨翳氟翮亿 上述金属结目标受到电磁波照射后产生的三次谐波的辐射功率表达式，为后面对谐 波探测器的方程的建立奠定了基础。 2 3 金属结目标再辐射谐波特性 8 用泰勒( t a y l o r ) 级数将金属结目标的伏安特性展开， ，= 口o + 口l 矿+ 口2 y 2 + k 假设入射电磁波的频率为五，且始终保持不变， ( 2 1 4 ) 中的v 可以写成 y = c o s ， 代入式( 2 1 4 ) 中，则有 则可以写成为 ( 2 1 4 ) 则角频率为= 2 7 r 石，则式子 ( 2 1 5 ) 硕士论文三次谐波探测器技术研究 j = 嘞+ q c o s f + 口2 瑶c o s 2 h 口3 瑶c o s 3 f + 人 = 口o + 三吃曙+ ( 口t 圪+ 丢吧瑶) c 。s r + c 2 6 ， 丢呸曙c 。s 2 ，+ 丢q 瑶c 。s 3 ，+ 人 由式( 2 1 6 ) 得到各频率分量的振幅如下表所示： 表2 1 金属结上各频率分量的振幅 上表中可以看出，三次谐波分量相对于基波来讲是比较微弱的，但是它要明显大于 二次谐波分量，这是由于对于金属结来说，色要大于呸。 通过上面的分析可知金属结非线性目标产生谐波再辐射的原因和过程，也推导出了 各谐波分量的数学表达式。 之前已经分析了金属结产生谐波的势垒模型。实际上，金属结在被照射时，金属结 上除了简谐函数形式的入射信号外，还具有一个直流偏置，因此，分析时需要将金属结 上的电压增加一个直流偏置的分量。 将加在金属结目标上的电压写为：矿= + v c o s o f ，其中圪表示直流偏置。在刚刚 受到辐射时，金属结上没有任何直流偏置，l ，- o = o ，而在辐射后，金属结上会产生电 流的直流分量，建立直流偏压。这个直流偏压又影响金属结上的电流，使电流的直流分 量和建立的直流偏压又产生变化【1 0 1 。一段时间之后，形成稳定的直流偏压，达到动态 平衡，其过程可如图2 5 所示： 9 2 谐波探测器基本理论硕士论文 “ 图2 5 建立的动态平衡过程 将直流偏置加入后，得到的金属结上的直流分量i 。，二次谐波分量i 知，以及三 次谐波分量i 知，经由式( 2 1 6 ) 计算后分别如式( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 、 ( 1 1 6 ) 所示： = 口t + 口2 ( 曙+ 三v 2 ) + 口s ( 嘻+ 三v 2 ) + 口4 ( 嘭+ 昙v 2 + 3 曙v 2 ) + a c 2 7 ， ，2 = 圭吃v 2 + 三口3 v 2 + 口4 ( 三v 4 + 3 y 孑v 2 ) + a ( 2 1 8 ) 2 专口3 v 3 + 口4 v 3 + 人 ( 2 1 9 ) 在各种不同的条件下，比如外加长v 和氧化层宽度s 不同的情况下，首先计算相应 的直流偏置，然后再计算出二次谐波电流厶，和三次谐波电流厶，图2 6 表示了二次 谐波电流厶。和三次谐波电流厶。的比值li 知i 知i 与外加场v 的关系。 l o 图2 61 1 2 w 1 3 w i 与外加场v 的关系 硕士论文三次谐波探测器技术研究 由上图可以看出，当入射激励的频率不变时，入射场的强弱决定了二次谐波电流和 三次谐波电流的大小。当入射场1 1 ，l l ，此时二次谐波辐射比三次谐 波辐射强。而临界电压o 3 1 v 是由氧化层的宽度s 决定的【l o 】。 2 4 谐波探测器距离方程 与探测器方程在探测器总体设计中的地位一样，谐波探测器方程是谐波探测器总体 指标设计中的一个重要环节。当不考虑目标非线性，探测器设计中通常直接利用探测器 方程，探测器也称为探测器探测器，因此，本文中，针对非线性目标的谐波探测器的探 测器方程不加区分地称为谐波探测器方程或谐波探测器方程。 由于谐波探测器的目标是非线性目标，因此，其探测器方程不能直接运用线性目标 的探测器距离方程。但可以通过线性目标的探测器方程推导非线性目标的探测器方程。 下面首先在给出自由空间中线性目标的探测器传输方程的推导过程。 探测器入射信号在距离为r 处的功率密度为 s ( 九) = 三墨生掣i 历，妒；_ ) 1 2 ( 2 2 0 ) 4 石k 。 式中：b 为发射功率，g f “) 为传输天线的绝对增益，局 ，妒；以) 发射天线方向函数， 以为发射信号的波长。 设线性目标散射截面积为仃，则探测器接收天线处的目标散射功率密度为 s ( 以) ：型半 ( 2 2 1 ) 4 7 r - 探测器天线接收的功率为 只( 九f ) = s ，( a ，) 么，ib ( 8 ，矿；九f ) 1 2 ( 2 2 2 ) 式中：b ( 9 ，咖；a ，) 是接收天线方向函数。4 接收天线的有效面积，其可表示为 1 2 4 = g j ( 旯f ) 鲁 ( 2 2 3 ) 综合上述各式，自由空间中线性探测器传输方程可表示为 pr(a，)：二三!兰生芎耄享磐1毋(p，驴；a，)12i(p，妒；a，)12 4 石( 4 ，r r ) 非线性目标的散射截面积与入射功率密度墨( t ) 有关。参照( 3 2 ) 式， 的散射截面积定义为 吣) _ 4 积渊 ( 2 2 4 ) 非线性目标 ( 2 2 5 ) 1 1 2 谐波探测器基本理论 硕士论文 仃一( s ，) 表征的是非线性目标在谐波0 上全向散射能力。和很多因素有关，包括发射 功率、波长以及环境因素。大部分感兴趣的非线性目标的散射截面积可以表示为 ) = 蹬- 1 ( 2 2 6 ) 式中和a 分别为s 和时间的均值函数。仃 称为非线性目标的伪散射面积。在 入射功率密度小于1 形m 2 ，且接收三次谐波分量的情况下为一6 0 到一9 0 d b 。显然，接收 天线处的非线性目标散射功率密度可表示为 s ( a ，) ：坠掣 ( 2 2 7 ) 因此，自由空间中的谐波探测器的传输方程为 抛，：孥惴川2 口掣缸九斤汜2 8 ， 2 5 谐波探测器截面积的计算分析 通常，在测量所感兴趣的三次谐波时，( 2 2 6 ) 式中的a 取值约为3 ，在讨论最大 作用距离时( 2 2 8 ) 式中的方向函数令为1 。则基于式( 2 2 8 ) 式的谐波探测器距离方 程为： 尺= 降挚 i 亿2 9 ， l ( 4 万) 3 b l 咿器 ( 2 3 0 ) 仃 2 t 。；f 二j u ( b g f ) g ，群r 6 下面根据测试所得到的数据分析特定目标的谐波探测器反射截面积( h r c s ) 。 测试目标l ：双联机枪阵 由于在测试过程中发现该目标的非线性特性不是很强，只在近距离对其进行了测 试。 r = 4 m 时，测试所得的波形如图2 7 所示。 1 2 硕士论文三次谐波探测器技术研究 旬0 3 0 0 4 旬0 5 - 0 _ o 0 7 4 m 的信号 - i 。h 。j j 。j - k l 一。山l _。l 。- j 一。- l - u - j 上一- i 。- l 。- - 山业 ”1 叩甲v _ i ”1 r r 11”1 下1 。1 - 1 吓”1 叮”7 可7 一吖1 0o 511 522 533 5 4 m 的频谱 44 55 x1 矿 图2 7 距离4 m 测得的波形和频谱 r = 5 m 时，测试所得的波形如图2 8 所示。 一0 0 3 旬0 4 旬0 5 o 旬0 7 5 m 的信号 l j 1 一“1 - l 。山 。一一 _l o “一j 1 一j j 叩1 1 r 一丌 r 1 ”_ r p l t 耵一1 -”一1 q 一_ 一- 一t _ r 一。1 r 1 。w ： oo 511 522 533 5 5 m 信号的频谱 4 4 55 x1 矿 图2 8 距离5 m 测得的波形和频谱 r = 6 m 时，测试所得的波形如图2 9 所示。 1 3 2 谐波探测器基本理论硕士论文 m 0 3 0 0 4 旬0 5 旬 旬0 7 6 m 的信号 l 一一一一一i 一一一一一 ：1。1 7 7 1 l 1 7 一一一1 一一一1 ： 00 511 522 533 544 55 x1 矿 6 m 信号的频频 图2 9 距离6 测得的信号和频谱 测试目标2 ：加农炮。该目标的非线性特性很强。 r - 1 0 m 时，测得的波形如图2 1 0 所示。 0 0 5 0 旬0 5 0 1 旬1 5 1 0 m 的信号 i 惭 h 嘲翔 - 嬲蛔 峄 00 5 1 1 522 5 3 3 5 44 55 x1 0 5 1 0 m 的频谱 图2 1 0 距离l o m 测得的信号和频谱 r _ 1 5 m 时，测得的波形如图2 1 l 所示。 硕士论文 三次谐波探测器技术研究 0 1 o 0 5 o _ o 0 5 田1 1 5 m 的信号 - 上。i 一上j l l 一i 上。上j 。l 。一j ： ! r t 一丁7 1 t 71 一一一丁一一t ”7 1 t r 一1 丫1 ： o0 511 522 533 5 1 5 m 的频谱 44 55 x1 矿 图2 1 1 距离1 5 m 测得的信号和频谱 r ：2 0 l i l 时，测得的波形如图2 1 2 所示。 o 1 o 0 5 0 旬0 5 o 1 2 0 m 的信号 ，。一一l 一。一。 ”1 。7 1 一1 1 ”一1 。1 。“7 7 7 11 一7 7 。： 00 511 522 53 3 5 2 0 m 的频谱 44 55 x1 矿 图2 1 2 距离2 0 m 测得的信号和频谱 从图2 7 中可以看出，在4 m 处视频信号输出最大为一5 0 d b m ，经计算得到目标的反 射截面积为： 仃 ：1 0 一1 2 5 矽- 2 朋3 从图2 8 中可以看出，在5 m 处视频信号输出最大为一5 0 d b m ，经计算得到目标的反 射截面积为： 盯矗= l o 1 2 1 形_ 2 朋3 。 从图2 9 中可以看出，在5 m 处视频信号输出最大为一6 2 d b m ，经计算得到目标的反 射截面积为： 仃矗：1 0 1 2 2 _ 2 册3 。 2 谐波探测器基本理论硕士论文 从图2 1 0 中可以看出，在1 0 m 处视频信号输出最大为一2 0 d b m ， 反射截面积为：盯矗：l o - 6 2 形2 册3 。 从图2 1 1 中可以看出，在1 5 m 处视频信号输出最大为一3 7 d b m ， 反射截面积为： 仃矗；l o “5 矿2 m 3 。 从图2 1 2 中可以看出，在2 0 m 处视频信号输出最大为一4 5 d b m ， 反射截面积为： a 矗：l o _ 6 3 矿- 2 m 3 。 经计算得到目标的 经计算得到目标的 经计算得到目标的 根据在不同的距离上测试所得到的数据，再结合所推导出的谐波探测器方程，显然 双联机枪阵和加农炮目标的谐波反射截面积在不同距离上根据测试结果结算具有一致 性，这说明所推导出的谐波探测器方程中各个参数之间关系的一致性，间接说明上述谐 波探测器方程的推导是正确的。 测试的两种不同目标，很明显它们的谐波探测器反射截面积不在不同一个数量级 上，这反映出不同目标间非线性特性强弱的不同。由于一般感兴趣的目标散射截面积在 l o 6 到l o - 9 矿- 2 历3 这个数量级上，因此对于前者，虽然其也为有效目标，但是把它归结 于非线性特性很弱的一类目标；对于后者，显然它属于非线性特性比较强的一类目标。 前面提到泄漏的原因有两个，一是通道非线性导致有三次谐波输出，通过天线口直 接进入接收通道；二是功率放大器等三次谐波输出泄露直接进入接收通道。从测试得到 的频谱中可以发现，泄漏无法完全消除，在低频部分依旧存在泄漏的问题，但是采用调 频体制后该泄漏信号集中在频谱的低段，不会影响目标回波信号的检测。 2 6 谐波探测器近地探测 2 6 1 地面反射影响 参考( 2 2 8 ) 式，定义谐波探测器的传输因子【1 1 1 g ( a ；九) 爿巧( 日，妒，凡) i 加i ，；( 9 。，妒；) 1 2 ( 2 3 1 ) 则( 2 2 8 ) 式谐波探测器方程可表示为 只ca，=!=_!：言三；警gca；a) ( 2 3 2 ) 图2 1 3 描述了谐波探测器在近地探测中将会受到地面反射的影响。简化起见，认 为地面是平坦的。平坦地面的传播因子可以用下面的式子表示 f = l + r p 地+ ( 1 一r ) 彳p 以+ i f ， ( 2 3 3 ) 式中是由地面反射波路径长度大于直射波路径长度引起的相位差，r 为平面波反 射系数。式中1 代表直射波，i p 地代表地面反射波，( 1 一r ) 爿p 丛代表地表面波，甲表示 感应场和地面二次效应。 1 6 硕士论文 三次谐波探测器技术研究 a ( 探测器探测) 图2 1 3 谐波探测器近地工作 当探测器天线和目标的高度大于几倍的a 或者地表的介电常数是无限的时候，那么 上式中的前两项已经能表示f 。当高度在a 4 到几倍的九之间时，而且地表的介电常数 是有限的时候，上式中的前三项能近似的表示f 。而当高度小于a 4 时，上式中的前三 项仍然能近似的表示f 。 反射系数表示入射波与反射波的比值，它可以表示为 r 兰墅! 二三 ( 2 3 4 ) 1 = 一 、- u 1 ， 且有 如一蔼南 q 3 5 ) 式中 f 厄磊 扣1 厨后。 水平极化 ( 2 3 6 ) 垂直极化 复数介电常数s 。可表示为s 。= 一硒。矾。对于典型地面，可认为g 。s 。 表2 2 显示了典型物体的介电常数和电导率。 表2 2 典型介电常数和电导率 下面讨论两种情况： a 日l 且上 h 2 ，典型应用是地面手持探测或车载探测系统。 ：孚。删+ i | 1 圳) ：竿- 乒而五可一乒硒忑了 lj 1 7 2 谐波探测器基本理论 硕士论文 1 8 弓 上+ 乏i c 日+ 日：，2 一 工+ 乏i - c 何一日z ，2 ) ( 2 3 7 ， 翻h 、h 2 = - - - - - - - - 一 a 三 由于s j n 甲( 日l + 胃2 ) 三“l ，则垂直极化z 如甲；而水平极化总有z s i n 甲。则 r _ ( 一 s 缸甲) 2 一- 1现 舢一面五万 l + a 一般情况下，地面满足e l ，则 f 石 弘i 石 水平极化 垂直极化 利用( 2 3 3 ) 式的前两项表示传播因子，则 卧障 式中有效高度和最小有效高度分别为 会不接近。 会接近。 日七。= l 风+ 脚o i ，七= l ，2 一 a 爿o 暑# 2 冗z ( 2 3 1 ) 式谐波探测器传输因子g 化；a ) 可表示为 咖= | 制撕愕刊2 式中以d = i 巩+ 珊。，i ，m 童去，以。= 陬+ 河。，| ，风，量去，七- l ，2 。 b 工 日2 且日l 日2 ，典型应用是机载或弹载探测系统。 此时三+ 日l 2 ，此时可以用+ 风去代替，中的三来表示， 式中 仆 嘉 会不接近。 舍接近o ! ! 丝! 丝! ：! ! 丝! a ( + i )a ( 1 + 日1 ) ( 2 3 8 ) ( 2 3 9 ) ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) ( 2 4 5 ) ( 2 4 6 ) 硕士论文三次谐波探测器技术研究 下面图示曲线计算范围尺= 3 1 5 埘，p = 3 0 。一8 5 。，满足日l ；尺s m p + 2 ，三= 尺c o s 9 。 1 5 口1 0 5 口 1 0 0 a ) 垂直极化 b ) 水平极化 图2 1 4 谐波探测器传输因子，参数2 = 1 朋，a = 2 5 ，s = 1 5 ，盯= o 0 0 5 ，丑= 1 3 5 脚，a ，= o 4 5 用 1 9 2 谐波探测器基本理论 硕士论文 2 0 3 0 2 5 2 0 1 5 1 口 5 0 6 0 5 0 4 d 3 d 2 d 1 口 d a ) 垂直极化 b ) 水平极化 图2 1 5谐波探测器传输冈f ，参数2 = l 朋，a = 2 5 ，s = 1 5 ，盯= o 0 0 5 ，a ，= o 3 3 m ，a ，= o 1 l m 硕士论文 三次谐波探测器技术研究 6 0 5 0 4 0 3 0 2 0 1 0 0 b 0 0 a ) 垂直极化 b ) 水平极化 图2 1 6 谐波探测器传输因子，参数2 = l 所，a = 2 5 ，s = 8 0 ，叮= 4 ，= o 3 3 册，a ，= o 1 l _ ，| 2 谐波探测器基本理论硕士论文 从图2 1 4 、2 1 5 、2 1 6 可知：在频率较低时，小口角垂直极化的传输系数值要比水 平极化时小的多，而在大日角时垂直极化传输系数值要比水平极化时大；在频率较高时， 水平极化传输系数值比垂直极化时总体上要大；比较图2 1 4 和图2 1 5 ，入射波波长九减 小，其它条件不变情况下，传输系数值明显增大；比较图2 1 5 和图2 1 6 ，海面条件下 的反射系数比地面明显要大。显然，平面传输系数的大小和极化方向、发射信号的波长 以及交会参数及环境是有着密切的联系。 2 6 2 植被衰减模型 单向的电压衰减因子可表示为【1 1 】 三，毫1 0 0 0 5 町( 2 4 7 ) 其中a ，为衰减系数，单位为d b m ，r ，是穿过植被的路径长度。a ，的经验公式可表 示为如下形式 工，：( 9 0 矛) o 0 0 2 5 巧5 ，3 历 如，因此，在入射方向上，穿过植被的路径长度 = 糌瓜而可 ( 2 4 9 ) 而在反射方向上，穿过植被的路径长度 驴糌瓜而可 ( 2 5 0 ) 假设直射波同反射波的衰减近似相等，而且在一定距离上由于植被产生的相位变化 可以忽略不计，则可以把传播因数，改写成 ，誊l 珏+ 功( r 一( 1 一r ) 彳弦地j ( 2 5 1 ) 式中，妇和0 ，分别为入射路径上和反射路径上的单程电压衰减系数。 如果说目标在地面上，那么这种情况则更为简单。由于r 日。，则 畅嘞= 鲁厮= 鲁r ( 2 5 2 ) 由于尺= 尺厂， 非线性特征和波长的变化导致传输因子只在幅度上发生变化 三，。爿工，出i 孙i ，d ，1 2 可进一步表示为 三，爿( 9 0 a ；) o 肿2 5 哆矿i 勉i ( 9 0 a ；) o m 2 5 置驴1 2 ( 2 5 3 ) 硕士论文三次谐波探测器技术研究 设石= 7 5 毗勉，厶= 2 2 5 0 埘玉，口= 2 5 ，则，。助6 2 ( 宓) 。不同条件下三厂大小见 下表2 3 。 表2 3 不同条件下的，。 尺r ( m ) ，( d b ) r ( m ) 水平极化垂直极化 弓碍= 1辱坷j b 弓【砰目晒 2 6 3 作用距离分析 相对于最小接收功率p ，曲( a ，) ，由( 2 3 2 ) 和( 2 4 4 ) 式可以得到探测器谐波最大 探测距离的表达式 搿p 州k “c ：】口急c ) 而 亿 当照射到非线性散射体上的入射功率密度小于。招形肌2 ，可假设a = 2 5 。则上式 可表示为 ，、上 十h 抛 5 篆( 耐 1 4 ( 2 5 5 ) l 1 ，m 虹“r j 若限定目标的高度小于最小有效高度日o ，则有l d = 甜和日：订= 日o r 。令 z p = ( 4 死r ) 2 州g ( a ；a ) 。对于水平极化和传输天线的高度至少为1 m ，何l = 2 盯= l 驴曝厂 汜5 6 ， 对于垂直极化 驴伴广n 汜5 7 ， 注意到垂直极化和水平极化的z p 之比为s 2 。+ 1 ，当口= 2 5 和g = 3 2 ( 即在好的地表环 境下) 时，比值将达到+ 1 0 5 d b 。忽略植被衰减，最大探测距离r 一与各种参量之间的关 系： a 尺一对于极化方向，传输天线的高度以及发射波的波长丸最敏感； b r 。对于只和屯的改变次敏感； 2 谐波探测器基本理论硕士论文 c 对于厶、0 曲最不敏感。 为清楚起见，探测器传输方程和距离方程归纳如下 只时+ 2 降 口器 仫5 8 ， 怛) 2 a + 2 降 口是r n 仫剐 用天线增益的形式表示为 咖计高( 华) 汜6 陋孝老盯2 丽 汜6 1 ， 很显然，要增大最好的两个方法：1 ) 选择极化的方向；2 ) 增加p 值( 相当于 增加日。) 。在方向角比较低时，水平极化比起垂直极化时的增量为石。同时，如 果。增加6 的话，也会相应的增大万。 设a ：2 5 ，则探测器方程变为 = 踌卜，文訾般) 主 将毋或者q 变成2 倍，则将变成原来的2 磊1 1 3 倍；将只或者g ，变成原来的 1 0 倍，则尺一将变成原来的l o 万1 5 l 倍。因此，想要改变只或者g f 来提高r 嗽就比较 困难。不过想要把只g f 提高1 0 倍还是可能的，比如将只变为5 倍，而g f 变为2 倍，则 能提高5 0 。 只蛐的指数为1 1 4 ，因此对尺一增大的效果很不明显。相应的，匹配滤波器可以使 对信噪比( s n r ) 的要求降低一8 d b 到一1 0 d b ，相应地可以使变为原来的( i o ) 1 川1 2 倍。 另外，可以增大脉冲的数目，这样将变为原来的( l o o ) 1 4 倍。 2 7 抗杂波性能分析 定义3 次谐波探测器的信杂比为 如= 器 ( 2 6 2 ) 硕士论文三次谐波探测器技术研究 其中，s ( 五) 为非线性目标产生的三次谐波。由于地物背景不产生谐波，因此，接收 机杂波c 魄) 为发射信号中包含的三次谐波函( 办) 经目标背景反射直接被接收的部分。 可定义基波探测器的信杂比为 ，o ：坠型 ( 2 6 3 ) ，n = 一 厶u o 。 c ( ) 将也如定义为抗地杂波干扰性能的改善指标 鱼；羔娅旦盟：垃 ( 2 6 4 ) 山c 魄) 函仍) s l 魄) 以三角波调频探测器为例( 输出功率4 5 d b m ) ，描述性能改