（通信与信息系统专业论文）94ghz辐射计信号检测技术研究.pdf

硕士论文贝g 比 辐射计信号检侧技术研究 a b s t r a c t b a s e d o n s p e c i f i c r e s e arc h p r o j e c t s a s ab ack d r o p ， ave l e t ana l y s i s met h o d s o fp r e t r e a t m e n tando ff e a t uree x t r a c t i o nmet h o d s8ga i n s tr adi 皿 t e ra c t u a l o u t puts i gna l份 e r er e s e arc h e d .thefel l 昨i n garet h e吸i npoi n t s . 1 . on t h ee x c h a n g e 一 p o ， e rr a d i a t or o ffu1 1p oe rpri n c i p l e ，t h et e c h n i c a l i n d i c a t o r so f3咖 r a d i ato rf o r从 e t a lt arg e t so nt h egro u n d贾 e r ed e t e rmi n e d ， s i g n a 1ana l y s i sandn o i s ea n a 1 y s i sa g a i n s tr adi 伽e t e ract u a lo u t 列ts i g n a l 份ere 2. d o n e . r a d i ome t e r act u a lo u t p u t s i g n a l ， e r e d e 一 n o i s i n go ff 盯 a n dw a v e l e tw e r e m e t h o dw i t h s o f t t h r e s h o 1 d r e s u 1 t sw a s t h r e s h o l dm e t h o d s份 a st a k e n ，t h ee f f e c t s t hre s h o l dv a l u em e t h o dw e r ec o m p are d . d o n e . p r e t r e a t e d ， t hee f f e c t s o f t h ea n a l y s i so ft h et hre s h o l d a n e w t h r e s h o l d f o r 可 a v e l e t o fd i f f e r e n tp ara m e t e r si nt h en 洲 3 .f e a t u r ee x t r act i o nm e t h o d sa g a i n s tt h et arg e ts i g n a 1w e r er e s e arc h e d . t ot h e 份 a v e l e td e c o m p o s i t i o n e x t r a c t i o n ， t h e a m p l i t u d e s c a l es p a c e ，t h e d i s t r i b u t i o n o f e n e r gy d i s t r i b u t i o no ff e a t u r e f e a t u r e e x t r 8 c t i o n t l m e 一 fre q u e n c y p a c k e t f e a t ure c h a r a c t e r i s t i c s0 ff e 8 t ll r ee x t r a c t i 0 n贾 e r ed o n e .t oa e x t r a c t l o n m e t h o d ， t h e e n t r o p y o f f e a t u r e e x t r a c t i o n t o a n d t he ， a v e l e t 份 a v e l e t p a c k e tb e s ts p a c e份 a sd o n e . k e y . o r d s :r a d i o m e t e r ，at h e o r e t i c a ls i g n a l助d e l ， p r e t r e a t m e n to fs i ，a l ，w a v e l e tt r ans f o rm，f e a t u r ee x t r a c t i o n 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名:年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名:年月日 硕士论文 洲c u 比辐射计信号枪侧技术研究 1 绪论 1 . 1 前言【网 辐射计是为测量物质的热电 磁发射而设计的高灵敏度的接收机。 微波辐射计最早 应用于射电天文学，称为射电天文望远镜。在20 世纪30 和40 年代微波辐射计首先 被开发用以测量外层空间辐射，到50年代末开始有针对地球的微波辐射遥感。如德 克萨斯大学s tr 苗 to n 研究组为测量大气衰减研制了 波长为4 3 mm 的微波辐射计。 并对 水、树木、森林、草地和沥青等进行了辐射测量。60 年代初，人们开始利用微波辐 射计从飞船的高度上获取遥感测量资料，水手2 号飞船 ( 1 9 62年)上装载的1 . 35cm 和1 . g c ln双通道微波辐射计第一次向人类提供了金星的详细观测资料。 在卫星高度对 地球的被动式观测开始于60年代末，1968年，苏联发射了2 43 号卫星，它载装有四 通道微波辐射计，专门用于对地探测。1972年和1 9 75年美国先后发射的“ 雨云一 5 ” 和“ 雨云一” 卫星上分别载有193 5 g h z和223 g h z微波辐射计。 从1978年起美国、 日 本先后发射的“ 泰罗斯一” 、 “ 雨云一 7 ” 、 “ 海洋卫星一” 和测地卫星g o s 、 mo s 一 ib 等均载有多通道扫描微波辐射计 (smm 卫 ) ; 2000年日 本发射的a d e o s 一 装有先进 的扫描微波辐射计( a ms r ) ， 美国2000年发射的e o s 一 p m卫星上装有多通道扫描微 波辐射计 ( mmr ) . 近些年， 用来探测大气的微波遥感器越来越多， 如d m s p 卫星上 大气垂 直 探测仪ssm 汀 ( 5 小6 0 ， 91. 5， 15 0 和18 3 g h z ) ，no a a系 列卫星中的a m s u和 ms u等。我国的神州 4号飞船的主载荷即为多模态微波遥感器，其中包括 6. 6 g h z 到3 7 g h z的五通道微波辐射计，主要用于反演海面温度、风速和大气水汽含量。 今天， 微波辐射计的应用已 经渗透到各种领域中， 并发挥越来越重要的作用。 从 大的应用领域来讲， 微波辐射计主要应用于大气微波遥感( 大气水分、 水汽、 氧含量、 温度分布、 湿度分布等探测) 、海洋微波遥感 ( 海水盐度、污染等)和陆地微波遥感 ( 地表特征、 水域分布等) 。 以具体内容来看， 主要应用于气象( 天气预报) 、 农林( 农 作物产量评估) 、 地质 ( 资源勘探) 、 海洋监测和军事侦察等方面， 还有天文 ( 宇宙形 成研究、 外星文明 探测、 如著名的s e ti) 、 医疗、 导弹末制导等方面。 近年来， 全球 反恐局势严峻起来， 微波辐射计在安检、 飞行器辅助着陆方面的应用越来越受到重视; 近十年来， 台风、 洪涝灾害等灾难性天气给世界范围内带来了数场大的灾难， 这也促 进了 微波辐射计在灾难性天气预报中的应用研究。 可见， 微波辐射计作为一种重要的 探测遥感手段，将会得到更加广泛的应用，发挥越来越重要的作用。 1 . 23 皿波段辐射计 在无线电波谱中8 卜l oog h z的微波辐射刚好处于大气窗口区域，此频段的地表 硕士论文， 今 口 妇 比辐射计信号检侧技术研究 辐射可以 有效地穿透大气层， 该波段可以 用来对地观测、 探测强降水、 反演大气的 温 度廓线， 我们将这一频段概括性地称为3 r n 幻 d 波段。 研究表明， 在晴空的条件下， 矢 旧h z 频段电 磁波沿垂直方向大气层的透射率在60%以上，92g h z的透射率则接近8 0 ， ， 研究还表明90g h z通道对于液态水、水蒸气和冰状云层具有较高的灵敏度。因此， 利用毫米波辐射计， 可以从空间对地球进行有效的观侧， 包括土坡含水t、 植被分布、 水域分布等。 这些资料对气象预报、 环境监测、 洪涝灾害预防及监侧方面具有重要愈 义。 在探测金属目 标方面， 毫米波辐射计有突出的优点， 因为金属目 标的发射率很低， 它的亮温主要是反射天空的亮温，而天空的亮温在一定的时空范围内往往是稳定的， 因此，目 标特性非常稳定， 昼夜变化等因素对探测的影响不大。 理论分析也表明， 各 种涂层隐身材料对雷达的隐身性能越好， 就越容易被毫米波被动成像系统发现。 另外， 3 inm 波辐射计也具有毫米波段辐射计所具有的体积小、重量轻、角度分辨率高等优 点，是进行w波段科学研究的重要工具，对它的研究具有实践意义。 1 . 3 国内外研究动态 在国内3 rnrn 波段辐射计的研制工作主要集中 在天文、军事应用， 技术水平仍然 停留在采用分立元件和超外差体制接收机。 天文方面， 国内紫金山天文台毫米波实验 室课题组，承担并完成的 “ 八五”重大项目 紫金山天文台 1 3 .7米毫米波射电望远镜 所用“ 卯、 1 15g h z超导51 5 接收机” 的研制工作， 该项目1993年立项，1995年正式 启动，1 998 年完成，并安装于”.7米望远镜。射电天文望远镜在用该超导515接收 机替换了原来的肖 特基接收机后，系统灵敏度达到 0 6k，线性度优于 0 .9 9 99。这些 技术指标基本达到了星载应用的要求。 为配合扫描成像， 该中心研制了两套天线系统， 一套为c as se g 滋 in 天线， 另外一套为二元 光学天线。 该w波段微波辐射计系统在实 验室内进行了 扫描成像试验，并取得了w波段微波辐射计扫描图像。 北京防化研究院5 所从2004 年开始利用南京博聚电子研究所研制的3 1 刀 1 1 1 波段 ris自 动测量系统，对膨胀石墨等烟幕材料在3 rnm 波段的辐射特性、插入损耗特性 和散射特性等进行了研究，并取得了 烟幕在3 inm 波段辐射计特性和插入损耗特性等 关键数据。 理论方面，北京大学地球物理系研究了3 nun 波段在大气中的辐射传输模式， 并 得到结论:在地面利用3 mm 波段遥感大气水，尤其是遥感晴空汽态水含量，具有更 高的灵密度。 华中科技大学依据3 1 n m波段晴空亮温理论模型， 对天空亮温进行了 理 论和实验研究， 提出了 根据地面气候条件求取天空亮温的工程方法， 该方法可以 用来 进行金属目 标亮温估计。 在国 外3 inm 波段辐射计的研制工作开始的比 较早，技术相对比 较成熟。研究领 2 硕士论文， 今 6 h 2 辐射计信号检侧技术研究 域主要集中 在射电 天文、 违禁品的探测、 宇宙飞 行器的监控、 全天候的成像系统及导 弹制导等方面。 美国休斯公司研制的 “ 黄蜂”反坦克导弹导引头工作在 3 n ” 1 1 波段。9 今 g h z和 1 83g h z的 辐射计系统己 经被美国宇航局作为强风基探测频段.美国 a r l( 声 司 叮 y re别 戈 叮 c h 助borato ry) 的d a v i d y 厅 kne r 在他的报告中， 研究了94g h z 系统对气象条件 的依赖方面有优越性， 着陆辅助系统，尤其是在大雾的环境下， 能够发挥相当好的作 用。 l 犯 kl 由 e ed m a rt i n 公司工程师l eemir t h 在他的报告中，描述了公司研制的改进 型w波段安 检系 统b a a 99刁 4 一 if k p a( b ro adag叻 c y a 川 10 四。 巴 ” e nt ) ， 该系统属于焦 平面阵列毫米波成像辐射计， 它与红外一起使用， 用于提高对隐藏武器检测的灵敏度 和可靠性。在他们的设计中，采用mm i cp in 开关管作为w波段压c k e 开关，采用 h r l实验室in di um p h o s p h i de工艺制造的m m i c 还包括了00到l oog h z 低噪声放大 器， 噪 声系数 低至3 . s db， 增益 达到了1 8 db， 增益达到了1 8 db， 扫描系统采用z xl7 天线 阵， 扫描方式为线扫描。 在星载辐射计方面，1987年美国发射的国防气象卫星d ms p就装载有91. s g h z 特种微波大气垂直探测仪， 它在气象预报、 天气预报、 强对流检测和洪涝灾害监测等 方面发挥了作用。从n o a a . 1 5 开始，2 0 个通道的先进微波遥感探测装置 ( a ms u) 取代了原来的低分辨率微波探测装置 ( ms u) ，其中 89g h z微波探测仪用于对大气 水汽的探测. 2 0 00年12月发射的e o s 一 p m卫星除了 装有a ms u外，还装载了大气 探测器，这一探测包括三个频段，其中之一是89g h z 。 可见， 3 n l l n波段辐射计的研究和应用己 经受到世界各国的普遍重视，并且开展 了广泛的研究工作，但从应用领域和技术水平来讲，国内与国外都有一定的差距。 1 ， 4 本文的主要工作 本文工作的重点是94g h 比辐射计对地面金属目 标信号检测技术的研究，进行了 以下几个方面研究: ( 1)介绍了交流全功率辐射计的工作原理， 确定了对地面金属目 标9 4 g 刊 吃 辐射 计技术指标，并对辐射计输出信号进行了信号分析和噪声分析。 (2) 对辐射计实际输出信号进行了预处理，比较了f f t 去噪和小波去噪方法各 自 特点， 分析了各种闽值方法软阐值去噪的效果， 采用了一种新阐值来进行小波阐值 去噪的方法，并分析了在新的阐值方法中不同参数对小波阑值去噪效果的影响。 (3) 对目 标信号进行了 特征提取，研究了目 标信号特征提取方法:一是选择了 小波分解后尺度空间上的能量分布特征， 二是选择了小波系数幅值分布特征， 三是选 3 硕士论文 94g h z 辐射计信号检月技术研究 择了小波域时频特征。 研究了小波包分解特征提取方法， 选择了小波包分解后最佳子 空间的嫡特征。 硕士论文9 4 g h z 辐射计信号检侧技术研究 2 毫米波辐射计信号与噪声分析 2 . 1 目 标辐射温度 ， ， ， 山 ， 自 然界中，只要不是接近绝对零度，任何一个物体都是一个辐射源。也就是说， 物体将在一定温度下发射电 磁波， 同时也被别的物体发射的电磁波所照射。 物体所辐 射的电 磁波与物体本身的 特性有关， 不同的 物质有不同的辐射频谱， 从而具有不同的 辐射特性。 根据物体辐射特性的差异， 可进行目标识别。 这就是被动式毫米波探侧系 统工作原理的基础。 当电磁波以平面波的形式传播到一平坦的目 标物体表面时， 其入射功率的一部分 被反射或散射， 另一部分被吸收， 剩下部分则被透射。 根据能量守恒定律， 入射功率 wi 的平衡条件是 哄= 凡+ 毗+ 磷( 2 . 1 . 1 ) 其下标介 a 、丁 分别表示反射、 吸收、透射。将w。 归一化可得: 卜 鲁 鲁 畏 = 几 “ 毛 ( 2 . 1 . 2 ) 式 中 : 。 = 李为 反 射 率 ( 又 称 反 射 系 数 ) ， 。 = 鉴为 吸 收 率 ， : = 誉 为 透 射 率 . 伴j叮尸1 如果忽略透入地下的功率，则得 1 = pr+ a( 2 1 .3 ) 根据基尔霍夫定律，物体的发射率等于吸收率。即“二 e ，则式 (2:l3) 变为 1 一 p，= e( 2 1 .4 ) 可以 用简单的二维模式计算辐射温度。 当 探测器接收机接收地面或水面的辐射和 目 标辐射时， 假设此模式已 包括了粗糙度、 周期结构和电学性质的变化在内的表面函 数。则天线附近的辐射温度表示为 tag( 8 ， 必 ， 户 ， 鱿) = pg( 的几+ e ， ( 夕 ) tg+ 如( 口 ) 几+ pg( 夕 ) 几 。 ( 2 . 1 . 5 ) 式中夕 一入射角: 必 - 一 一 方位角 ( 认为它的 变化不影响测量) ; 户- - 一 极化 (i既表示水平极化也表示垂直极化) ; 硕士论文9 月 c h 之 辐射计信号检翻技术研究 丫一一 接收机的带宽; 八一一 地面的反射系数; 介 ， 如- - 一 地面和大气的反射率; ts ， 几 ， 几 一 天空、地面和大气的真实温度。这些温度也可以是6 的函 数， 但对简单模式而言，可认为不随0 改变。 该模式没有包括待那次辐射穿过大气时的吸收效应。 如果避开水蒸气和氧的吸收 区， 假设大气层均无湍流， 这种模式在对所观测的地面进行研究的计算时还是有效的。 为简单起见，设天空无云，式 (2. 1 ，5) 可简化为 tbg(6，件户 ， 牙) = pg( 夕 ) 界 ( 仍+ ( 夕 ) tg( 2 . 1 .6 ) 自 然界各种物质的辐射特性都不同， 一般来说， 相对介电系数较高或导电率较高 的物质， 发射率较小， 反射系数高。 在相同物质温度下， 高导电材料较低导电材料的 辐射温度低，即较冷。 对于理想导电的光滑表面， 如汽车、 坦克、 金属物体， 其反射 率接近1 ， 它与入射角和极化方式都无关。 利用这些辐射差异， 能够识别不同的目 标。 为分析方便，假设目 标正好充满整个波束，大气衰减忽略不计。 当辐射计天线扫描到地面时，根据式 ( 2.1 .5)可以计算得天线附近温度 tas沪 ， 件户 ， 丫) 。当天线波束扫描到金属目 标时， 天线附近温度为 几 : = 八兀 + 八几 式中pt为 金属目 标的反 射系数. 地面和金属目标的对比度为 界= tas( 夕 ， 典 共 ， 丫) 一 踢 将式 ( 2 1 . 5 ) 和式 ( 2 ， 1 . 7 ) 代入式 ( 2 . 1 . 8 )得 tt= 八(o) 兀+ 介( 夕 ) 几+ 如( 夕 ) 几 + 户 : ( 0 ) 几如( 夕 ) 一 户 ，兀 一 户几 ( 印 假设 天 空 无云，即几= 0 ， 则 式( 2. 1 .9) 简 化 为 tr= pg( 夕 ) 兀+ : ( 0 ) tg一 户兀 ( 2 . 1 . 7 ) ( 2 一 19 ) ( 2 . 1 . 9 ) ( 2 . 1 . 1 0 ) 设ts= 6 0 k:几二 2 9 0 k;p : = 0 .0 6 5 ;e g = 0 .9 3 5 ;户 = 1 代入式 ( 2 . 1 . 1 0 ) 得 升 =一 2 1 5 . 0 5 k 硕士论文94g 妇 比辐射计信号检侧技术研究 假设 有雾( 。 .3 2 9 / m ， ) 时 候， 选取数 据为t.= 1 5 0 k; 几= 2 9 0 k: pb= 0 . 065 ; 户 =1 :介=0 9 3 5 ，代入式 ( 2 . 1 . 1 0 ) 乃. =一1 3 0 . g k 由此可见，金属目标和地面之间有较高的温度对比度，因此，检测 介就能识 别地面金属目 标。 对于其它非金属目 标，同 样可根据目 标辐射率 特性来识别目 标。 表2 . 1 . 1 为贾 波 段时几种常见物质的辐射率。天空温度通常随大气条件而变化，表2. 1 .2 为份 波段时 典型气候的天空温度情况。 表2 1 . l w波段几种常见物质的辐射率 偏 摺 升 漂 豁 十 操 瞥 十 孺 豁一斋+携 鲁 寸 表2 . 1 .z w波段典型气候的天空温度 气候条件晴天 ( 无云彩) 。 雾 ( 0 3 2 9 / m 3 ) ， 两 ( 2 明 刀 ， / h) 二两 ( 4 形 砰 ， / h ) ， 天空温度( 鲜g hz卜 6 0 k1 5 0 k矽1 4 3 k户2 2 5 k妇 2 . 2 辐射计的工作原理i 图 困圆 毫米波辐射计实质上是一种接收微弱信号的高灵敏度接收机。 最早使用的是全功 率， 也是最简单的一种辐射计。由于受早期元器件的水平限制， 这种辐射计的灵敏度 较低。 随着毫米波技术的发展和元器件的成熟， 研制了各种高灵敏度的辐射计， 如比 较辐射计、 噪声相关型辐射计、 相关辐射计等。 对于一般近距离探测， 特别是弹载这 种应用场合，全功率辐射计的实 用价值较高。本课题所涉及的被动毫米波探测器为 交流全功率辐射计， 它是全功率辐射计的一种。 其最大特点是视频放大级为带通放大 器， 并在检波器与放大器之间加了一个隔直流电容。 其目 的之一是使本机噪声的平均 直流分量不输入放大器。其原理框图如图2. 2 所示 。 硕士论文， 今 6 h 2 辐射计信号检侧技术研究 天线 隔直流电容 图2. 2 交流全功率辐射计原理框图 2 . 3毫 米波 辐射计系统参 数川 国阁 本课题采用的3 1 1 1 1 11 波全功率辐射计的主要性能参数如表2. 3 所示。 硕士论文 9 月 g 妇 匕辐射计信号检侧技术研究 表2. 3 3 1 1 1 1 11 波全功率辐射计的主要参数 辐射计 接收机 类型全功率 中心频率 94gu 匕 中频带宽 0.5 z ghz 中频放大器电压增益 7 0db 混频器噪声系数 ( 单 边带) 3 6 d b 半功率波束 宽度 20 2 . 4辐射计输出 信号模型s 闭 困 2 . 4 . 1天线温度 设接收机天线功率方向图g (o ， 树，则天线的 有效接收面积为 ， :(。 ，。 = 。 (。 ，。 军 马汀 ( 241 ) 当 带 宽 时 琴 f z 时 ， 根 据 黑 体 辐 射 的 有 关 理 论 公 式 可 得 天 线 从 辐 射 体 接 收 的 总 功 率 为 ( 忽略大气损耗及天线旁瓣的作用) 硕士论文列c 卜 比辐射计信号检侧技术研究 二 = 喜 卫 竺 丛 1 : 低 洲0， 树 二 2斗万门盆 一 纂工 ， t( 氏 ” g 沪 ，“ ( 2 .4 . 2 ) 式中 1 /2 表 示天线只接收 一 个极 化方向 的信号;到0， 劝是天线附近所物体的 表观温 度。 如果用温度为几的电阻所辐射的能量来代替天线接收的总能量则有 犬 几 丫 一 巡 t(6，水( 氏 咖q 斗刃 . . 整理后得天线温度为 几 =( 2 . 4 一 3 ) 4 厂 六上 t ( 0 ， 必 ) g ( 夕 ， 叻d o 如果己 知 天线的功率 方向图g (e ， 初和物体的 辐射温度t 但 ， 司的 数学表 达式代入 式 (2.4.3) 就能计算出天线温度to。 天线温度几表示目 标和背景辐射温度的总和在天线输入端的反映，即目 标和背 景辐射温度总和折合到天线输入端的辐射温度，相当于天线上接收到的信号功率。 2 . 4 . 2 天线温度数学模型 根据式(2.4.3) 计算辐射计探测地面金属目 标时的天线温度。 一般天线方向图 有 主瓣、 旁瓣和背瓣。 当同时考虑各方线的波瓣影响时， 在主波束观测方向 上的天线温 度可表示为 几 ( 口 。 ， 必 。 ) =止f r ( 。 4 汀 资 ， ) 侧 。 ， )j 。 + 牛 : (a ， ) 。 ( 。 ， )。( 2 .4 4 ) 斗万 呢“ 式中:0 功一 方向图g ( 况劝的 主瓣所张 立体角 q， - 一 一一4 军一汤” 天线的主瓣和旁瓣 ( 假定无明显的背瓣) 的加权平均表观温度可以表示成 t 。 ， ( 夕 几 卿) 和t: ( 0 。 ， 毋 。 ) 元 (头 ， 0) = 去 众 t (8， 。 g( 。 ， ) 凡头 ，。 ， = 去 二 t (6， ， )g (。 ， ) ( 24 . 5 ) ( 2 . 4 . 6 ) 硕士论文列c h z 辐射计信号检侧技术研究 对于一般高增益、低旁瓣天线， 如主板增益大于 3 0 d b ，旁瓣低于一 25db 时，可 不考虑旁瓣影响，即式 (2.4.4) 中第2 项可忽略，则有 二 (0 。， 间 一 牛 : 以 叻 g ( 况 必 冲 。 得万件. ( 2 . 4 . 7 ) 将微分单元d o和积分限 用极坐标来表示。 当天线轴沿x 轴向， 天线在0，p 方向 看到的发射面积如图2. 4. 2. 1 示 图2. 4. 2 1 天 线 在0 ， 少 方向 看 到 的 发 射 面 积图 d q =; s i nod州 0 尸 = s in阳odp ( 2 . 4 . 8 ) 此时天线温度为 几 = 上 4 尤f f t 9 ，树 g “ ，中 )dod尹 ( 2 . 4 .9 ) 当 忽 略 大 气 衰 减 影 响 时 ， t 归 ， 劝是 天 线附 近 受到 的 辐 射 体的 表 观 温 度。 当 t ( 0 ， 劝是 一 个常 数ta时， 则tb= to， 它 与 方向 无 关， 如 果t 归， 尹 ) 不 是常 数， 要 从以 上表 达 式去估算to的话必须采用数值法. 对于具有均匀温度的目 标当它相对于波束中心位置不同时，天线温度的近似计 算有所不同， 这里主要考虑目 标不在波束中心这一辐射计扫描目 标时的普遍状况的天 线温度的计算。根据式 二 = 去 工 二 t 0 ， ，g “ ，必 ，d “ ( 2 .4 . 1 0 ) 当忽略大气衰减及天线副瓣影响时，目 标温度tr均匀，则有 硕士论文 列c hz 辐射计信号检洲技术研究 一 牛 : ( 。 ， ) g (0 ， ) m 4万 内， 4 才 一 六工 、( a ， )。+ 牛 r ( a ， ， )。 ( 民 叻 j 。 斗才姆万 乃刊 夕 ( 0 ， 中 ) j o ( 2 :4 1 1 ) 4 万 止 (tr 4 万 创r- 一 。 ) a ( a ， )二+ 牛 : ( ， ， ， ) 。 (。 ，劝 j 。 4汀 内x 六工 ; 4 厂 ( tt一 乃丁 ) g ( 夕 ， 必 ) d q+ t. 式中: 二 = 牛 : ( 。 ， ) a ( 。 ， ) d 。 斗万 门犷 ( 2 .4 . 1 2 ) 为目标周围的场景温度。还可得 几 = 升( 0 ， p ) g ( 夕 ， p ) j q ( 2 . 4 1 3 ) 4 万 式中: 兀=ta一兀代表天线温度变化量: 升= 介一 几t 代表目 标和背景之间的对比度。 几t 为假定目 标覆盖的面积 ( 即由 于目 标的存在， 辐射计天线未看到的背景部分) 具 有恒定的辐射测量温度。 辐射计天线功率方向图 ( 特别在波束中心附近) 可近似为 ( 夕 ， 劝= g 。 b 护( 2 .4 . 1 4 ) 式中:g 。 天线波束中心的功率增益 b 表征天线方向图的常数 0 3 db波束宽度的一半 这个方向图的3 db波束宽度 ( 总角度)给定为 扔 四 = 2 召 1 石 万 而= 2 夕 。 从而可得 ta = 旦 些 互 。 一 m 4 万创r ( 2 .4 . 1 5 ) 当 辐射计探测金属目 标和交会情况，即 探测系统工作模式如图2. 2. 2. 2. 2 所示: 硕士论文， 今 0 别 比辐射计信号检侧技术研究 设天线离xy面高 度为h ，天线波束对称轴与2 轴坐标夹角为击 ，击 角 位于yz 平面上， 坐标原点在天线正下方，具有温度对比 度为 乃的金属目 标在xy平面上。 探测系统以速度 y 匀速垂直下落，同时以恒定转速n 旋转对地面进行扫描，搜索、 探测地面上的目标。 设金属目 标上有微分单元为d xdy 。 图2. 4. 2 2波束与特殊位置目 标交会情况 目 标面积为 (x1 一 xz)* 仓 卜 yz) 则单元在天线方向上的投影面积为 一一 丝 - 一 六 必 夕 ( x z + 少 2 + 万 ， ) 1 以天线为原点，此投影面积对应于天线的微分立体角为 m= 一二 - 帅 ( 犷+ 夕 之 + 万 2 ) 三 l ( x z + 夕 2 + 万 ， ) 2 . 4 . 1 6 ) h ( x z + 夕 2 + 万 ， ) 三 去咖 下面简单推导3 db 波束夹角口的表达式 由图可知ab二 止仁 c os价 b 口二ht a n 夕 f b c z = ( 少 一 b o 广 + x z 左 2 = x z + 少 2 + 万 2 硕士论文如 旧日 比 辐射计信号检侧技术研究 由三角形余弦定理知 。 。 5 夕 r z + a b z 一 b c z z ra b 从而 r z + abz 一 bcz = 口尸 亡cos 二 二口产 口cos z r 份 b hcos 陇+ ysin8f ( 2 . 4 . 1 7 ) ( x ， + 尹+ 万 2 ) 百 将式 ( 2 4 . 1 6 )和式 ( 2 .4 . 1 7 )代入式 ( 2 .41 5 )并整理得 娜 们抖川一 _go h么 乃 洲 2 俘 2 1 。 =1 1 4 万砂1创 hc o s of+ y s i n 价 l ( x ， + 少+ 万 ， ) 万 ( x z + y z + 万 2 户 ( 241 8 ) 这个积分的极限表明， 此积分范围对应于矩形目 标。目 标取向为， 长边和短边分 别 平行于坐 标系的x 轴和y 轴。目 标的 尺 度在x 方向 为xz一 1 ， 在y 方向yz一 1 ， xl、 xz、 yl和yz的数值选择， 相对天线来说， 要使得目 标定位在所希望的 位置上，以及 要考虑到选择的尺度。式 (2:418)可用计算机进行计算。该公式既能计算波束中心 在目 标中心，也能计算其不在目 标中心，具有一定的通用性。 如果 天线 在y 方向 对目 标进行扫描， 可设护叭， 代入式 (2:41 8)， 相应积分限 作变换， 即可得到目 标信号( 天线温度变化量) 的时域表达式， 其中v 表示天线扫描 线 速 度， 对 于 旋 转扫 描 情 况， ， = 2 汀 力 万 烤 件， 其中n 为 转速。 2 . 4 . 3 数学模型下的仿真与分析 为了 进一步分析输出目 标信号信息， 我们基于以 上毫米波探测器的数学理论模型 进 行 计 算 机 模 拟仿真我们 假设: 天 线增 益go 3 6 db， 天 线3 db波束宽 度风 四= 20， 探 测 器 下 落方向 与 地面 法 线 夹角休= 3 00。 探 测器以1 0 m /s的 恒定 速 度垂 直下落， 同 时以 一 定 的 角 速 度( 。 ， =lo ra di s ) 旋 转. 并 假 设目 标与 背景 有 确定 的 温度 对比 度 界。 利用式 (2:41 8) 可以 得到任意交会情况下的仿真输出波形。 l 4 硕士论文 洲g 卜 比辐射计信号检侧技术研究 下面仅对3 、 5 衬地面金属目 标扫描的作用过程分析。 当扫描时，波束中心在目 标中心时，对尺寸为3 x 5 m 2 的目 标从 4 0 1 001 1 1 ，每隔 1 0 n l 进行扫描，探测器输出波形如下图2. 4. 3 所示。 对目 标3x5 的3 m j袱 屠 射计愉出被形 马 寿 八_ - - - 一! -一 :!. 一 一_一_一_-!_一_: 卫r/ - 犷 撇 _!_娜_ 酬 一一 雏 . . 口 一声 义 时间 确 : l r 图2. 4 33 x 5 m 2 目 标输出 波形 辐射计输出 信号近似为钟形脉冲， 其能量、 峰值、 脉冲宽度， 最大最小升降斜率 及波形的对称性等反映了目 标的几何尺寸、 探测系统与目 标交汇的情况等信息。 随着 探测器距离地面的高度的降 低， 同种目 标输出 信号峰值变大， 脉宽变宽. 相同高度下 同种物质结构的目标输出受到目 标尺寸的影响， 不同大小的目 标特征有明显而稳定的 差异。 2 ， 4 . 4辐射计输出 信号川 留 ， 天线波束在 “ 热” 背景目 标 ( 地面) 和“ 冷”目 标 ( 金属目 标) 之间 扫描时，接 收到的毫米波信号经过天线、 混频器、 中频放大器、 检波器后， 再经隔离去除直流分 量， 输出含有目 标信息的信号， 然后对目 标信息进行处理，目 的是去除噪声，提取特 征量，以便进行目 标识别。 物体电磁辐射能量被天线接收后， 通过天线、 传输线及有关部件后， 得到天线输 出 端 ( 接收机)的信号 温度ts 表示为: 1 5 硕士论文 洲6 妇 比辐射计信号往侧技术研究 : = 巨 一 别 ( 2 一 4 . 1 9 ) 式中 ， 兀:物体对应的天线温度; 兀 : 天 线 及 传 输 线 等 的 环 境 温 度 ; l :由天线、传输线及连接件引起的损耗因子。 能量进一步传输， 经过接收机混频、中放、 平方律检波和低频放大后， 其转化为 电 压的形式，结合全功率辐射计的原理，设系统增益为go， 天线温度为t， 得出 该 电压表达式为: u = go兀“ kbqg g p 兀 ( 2 一 4 _ 2 0 ) 式中，k :玻尔兹曼常数; b :检波前带宽; c d :平方律检波器功率灵敏度常数， v 柳; g :检波前功率增益; 马: 检波后电 压增益. 为分析方便，假定金属目 标具有均匀辐射温度 几对应天线温度 几t ; 地面背景 的 辐 射 温 度 为 几 ， 对 应 天 线 温 度 为 瓜 结 合 式(2 沌 1 9)可 知 ， 当 被 动 毫 米 波 探 测 器 分别扫描地面背景和金属目 标时，输出的电压分为: uo =k b 。 叽 令 一 加 。 叽 令一 加 ( 2 . 42 1 ) 认 ， ( 2 . 4 . 22 ) 式 中 几和几 : 分 别 为 地 面 背 景 和 金 属目 标 的 对 应 天 线 温 度。 在 探 测 器 工 作 过 程 中 ， 天 线 波 束 在 辐 射 温 度 对 比 度为 tt( 耳” 耳 一 几) 的 金 属目 标和背景目 标之间进行交替扫描，探测器输出端产生的电压变化量为: : = u. 一 、 = kb o gg ， 1 生一 匀= kb o gg _ : / ;( 2 月 3 ) 【 乙l 其中 t 为 天线温 度变 化量， 一般将凡 作为 被动毫米波探测器输出电 压。 从 式(2 .4. 23) 可以 看 到 ， 被 动 毫 米 波 探 测 器 在 辐 射 温 度 对比 度为 界的 金 属目 l 6 硕士论文9 4 g 日 比辐射计信号检侧技术研究 标和地面目 标之间扫描时， 探测器输出的信号与天线温度变化量 t 成对应关系，被 动毫米波探测器就是通过目 标与地面背景的温度变化量识别目 标的。 2 . 5噪声分析“ ， 山 ， 2 . 5 . 1嗓声模型 接收机在接收有用信号的同时， 不可避免地要混入干扰和噪声， 这些干扰和噪声 与有用的微弱信号一起被放大， 妨碍了对信号的检测， 成为限制接收机灵敏度的主要 因素。 在接收机中，噪声的来源主要分为两种，即内部噪声和外部干扰。 内 部噪声主要由接受机中的有源器件 ( 如混频管、 场效应管、 双极晶体管、 二极 管、 集成电路等) 、 无源器件 ( 如电阻、 实际的电 容器、实际的电感器等) 、 馈线等元 器件产生的。 接收机内部噪声在时间上是连续的， 而振幅和相位是随机的， 通常被称 为 “ 起伏噪声” 、或简称噪声。 例如，电阻热噪声， 它是由于导体中自由电子的无规则热运动形成的噪声。 根据 奈奎斯定律，电阻两端产生的起伏噪声电压均方值为 可 ， = 4 k 介 凡( 2 ，5 .1 ) 其中k = 1 .38xl0 一 3 (j/ k x 焦耳/ 绝 对 温向 ;t为电 阻 温度 ( 单 位: k ) ， 对于 室温 17 “ c ， t = to 二 2 90 k; r为 电 阻 的 阻 值: 凡为 噪 声 带 宽 ， 通常 用 接 收 机 带 宽 或 测 试 设备带宽来代替。 上式表明，电阻热噪声的大小与电阻的阻值， 温度和测试设备带宽成正比。 电 阻 热噪 声的 功 率 谱密 度以 0 是 表示 噪 声 频 谱分 布的 重要 统计 特性， 其 表示式 可 以直接表示 p ( f ) = 4 k tr( 2 . 5 .2 ) 显然，电阻热噪声的功率密度与频率无关，因而是白噪声。 另外，象器件的散粒噪声、分配噪声、1 /f噪声等都是内部噪声。 外部干扰是由近感系统外部干扰引 起的噪声， 它是由天线引入到接收机的各种人 为干扰、 天电 干扰、工业干扰、 宇宙千扰和天线的 热噪声等。其中对近感系统而言， 以天线的热噪声的影响为最大， 它是由于天线周围介质的热运动产生的电磁辐射，由 天线接收进来而产生的。 天线热噪声也是一种起伏噪声。 天线噪声的大小用天线噪声 温度t a 表示，其电 压均方值为 硕士论文 洲g 妇 比 辐射计信号植侧技术研究 刃 一 4 kt，凡 凡 (2.5.3) t为天线噪声温度 ( 等效)( k ) ;r为天线等效电阻。 天线噪声温度 t决定于接收天线方向图中 ( 包括旁瓣和尾瓣) 各辐射源的噪声 温度， 它与波瓣角和工作频率等因素有关， 它并非真正的白嗓声， 但在接收机通带内 可以 近似为白噪声。通过灵敏度与噪声电 压的对应关系，根据表2. 1 . 1 所选择的辐射 计系统参数，可计算在高斯白噪声影响时的时域波形如图2. 4 所示。 所加入的高斯白嗓声 时间 灯 5 : l r 图2. 5. 1 高斯白 噪声的时域波形 2 . 5 . 2带有噪声的信号及其信噪比 本文中仅对上述高斯白 噪声进行分析。 运用上述信号与噪声模型， 计算在晴天无 云的 条件下 所得到的 辐射 计从1 00米到40米高度下的 理想输出 信号 ( 无噪声影响) 和 实际 输出 信号 ( 有噪声影响 ) 的 仿真波形分别如图2. 5 :21 到图2. 5 .2. 7 所示， 其信噪比 如图2. 5 .2.8所示.同样，在其他气候条件下，可以作同样的分析计算，例如在有雾 的条件下，其信噪比如图2. 5 .2.8中虚线所示。可见，随着高度增加， 这两种条件下 的信噪比减小。 硕士论文洲6 h 比 辐射计信号检侧技术研究 ， 印米离度下理想的愉出信号 1 . 5 之娜坦翻 ，5一 1刁. 500 石1 时r 可t l s 1 00米高度下实际的输出信号 152 x 1 os 一.1 漏 一浏气械 ，.叶1 之划田留 -2 15一石051 . 52 x l o 召 图2. 5 2 . 1 1 00米高度下理想和实际输出信号 印米高度下理想的输出信号 之烈图御 q 主一 15一 1一 d 石od 石1 时间 tls 的米高度下实际的输出信号 1 . 52 x 1 0 ， 41. 舔 喇 户嘛碱 二1. 之娜田御 时间 确 x ， r 图2. 5. 2. 2 90米高度下理想和实际输出 信号 硕士论文叫c 妇 比辐射计信号检泥技术研究 印米高度下理想的愉出信号 乙1卫 之妇田护 叹_ 15一 ，一 5q0 51 时间 确 印米高度下实际的输出信号 1 52 x l o 书 二二1 赫才偏碱 fl，. 之划国甚 时间 此 图2. 5 .2.3 即米高度下理想和实际输出信号 x ， 0-a 7 d 米高度下理想的输出信号 之划国御 q 占一 1 . 5 一 1一石00 石1 时f 可仃 5 7 0 米高度下实际的输出信号 152 x 1 d ， 端 7碱 之理田翻 时间 内 图2.