环境管理_目标环境探测识别基础知识

3 1地震波传播理论基础 3 1 1地震波的分类 第三章地震动探测技术 地震波 体波 面波 纵波 横波 瑞雷波 乐夫波 传播方向与质点振动方向一致 传播方向与质点振动方向垂直 沿自由表面传播时 轨迹呈逆进椭圆 垂直于波的传播方向且平行于界面 在地球介质内独立传播 在一定条件下形成相长干涉并叠加产生 3 2 2信号分析 对地震动信号进行变换处理 从中提取出反映目标本质属性的特征信息 任务 方法 时域 频域或时频特征分析与识别 1 过零分析对确定时间段内的时域信号将其幅值与设定阈值比较 计算信号正向越过或负向越过阈值的次数 信号的过零数与信号的采样率有一定关系 在一定采样率下 若信号是频率为f的正弦信号 则其过零数为 3 2地震动信号检测系统 3 2地震动信号检测系统 人员行走信号时域图 轮式车行驶信号时域图 根据某一标准设定一门限值时 脚步信号的过零点数远低于车辆的过零点数 优点 不采用绝对值和实际零点 能够适应较多地质条件 且具有一定的抗干扰能力 与频谱分析比较它计算量小 算法简单 易实现 而且硬件成本低 3 2地震动信号检测系统 信号的时域分析是最常用的信号分析手段 用示波器 万用表等普通仪器直接显示信号波形 读取特征参数 周期T 频率f 1 T 峰值P 双峰值Pp p 2 时域分析 3 2地震动信号检测系统 均值 均值E x t 表示集合平均值或数学期望值 均值 反映了信号变化的中心趋势 也称之为直流分量 3 2地震动信号检测系统 均方值 工程测量中仪器的表头示值就是信号的有效值 信号的均方值E x2 t 表达了信号的强度 其正平方根值 又称为有效值 RMS 也是信号平均能量的一种表达 3 2地震动信号检测系统 方差 方差 反映了信号绕均值的波动程度 信号x t 的方差定义为 5 2 1几何截断定距 三角定距法 1 原理 将4 6组激光发射器和接收器在弹体周向均匀排列形成360 的发射接受视场 安装时发射器与接受器存在一定倾角 这样使发射视场与接受视场在前方某一区域重合 发射光束轴线与接受光束轴线交与一点 其底边高即为作用距离 5 2激光的定距原理 目标作用区 接收视场 由于半导体激光器发出激光通常具有较大的束散角 所以采用凸透镜或透镜组对激光器发出的激光进行准直 并采用柱镜或反射光锥在弹体径向进行扩束 2 组成 发射光学系统 接受光学系统 将目标发射光能量收集并聚到光电探测器上 一般单个透镜 并将光电探测器放在透镜焦平面上 系统的半场视角为 系统立体角为 5 2激光的定距原理 接收的回波功率由激光引信的距离方程可知 d 光电探测器直径 f 透镜焦距 Ad 光敏面积 注 接收视场的大小与光敏面积及光学透镜的焦距有关 获得尽可能大的接收视场必须选用光敏面积大的探测器及减小光学镜头焦距 Pr 接收功率 Pt 发射功率 t 发射光学系统效率 r 接收光学系统效率 K R 发射视场与接收视场部分重合造成的衰减 目标发射率 大气衰减系数 R 激光器到目标的距离 Ar 接收光学系统的孔径面积 5 2激光的定距原理 光电探测器中主要采用光敏二极管 光敏二极管原理与普通二极管基本相同 正常工作时 在未受光照时 电流几乎为零 受光照时 电流迅速增加并随光强度增加而增大 5 2激光的定距原理 光电探测器 注 光敏二极管需在反向偏压条件下工作 2 特点 优点 定距精度高 360度全向探测 处理电路简单 缺点 对于发射特性差别大的目标难以设定统一的作用门限 作用距离不能现场装定 5 2激光的定距原理 5 2 2距离选通定距 1 原理 脉冲调制器激励半导体激光器发射光脉冲 通过发射光学系统形成一定形状的激光束 光脉冲照射到目标后 一部分光反射到接收光学系统 然后聚在光敏管上输出电脉冲 经过放大整形等信号处理送到选通器 另一路脉冲调制器发出激励信号经延迟器适当延时后控制选通门 通过适当的延时可以实现预定距离范围内起爆 目标 前置放大器 完成传感器与后续电路的性能匹配 要求必须为低噪声且有足够高的增益两项指标 原因 多级放大器的噪声模型为 等效到输入端的噪声电压为 2 组成 5 2激光的定距原理 放大电路 roi 第I级放大器的输出电阻 Eni 第I级放大器等效噪声电压 Ki 第I级增益 Ini 第I级放大器的等效噪声电流 Ens 信号源等效噪声电压 由上式可知 当第一级放大器的增益足够高时 多级级联放大器的等效输入噪声主要由第一级的噪声水平决定 主放大器需满足高增益和宽带频 为提高定距精度需调整主放大器增益来控制回波脉冲幅值 对于距离分档可调时 装定距离的同时装定增益使每个距离档对应一个增益档 另外对于目标反射率造成信号幅值变化则使用自动增益控制来解决 调整延时参数实现作用距离装定并补偿系统各元器件延时容差 5 2激光的定距原理 延迟器 选通器 近似认为数字电路中的 与 门 3 特点 利用脉冲相位差比利用脉冲强度更可靠 避免功率波动 目标光特性及大气传输条件的影响 降低了虚警率 提高了效率 5 2激光的定距原理 5 2 3脉冲鉴相定距原理 1 原理 选通器改为鉴相器 基本原理同上 目标 5 2激光的定距原理 2 组成 脉冲鉴相器 当回波脉冲与参考脉冲重合时即目标作用距离 或回波脉冲超前参考脉冲即小于目标距离 鉴相器触发输出信号 当回波脉冲滞后参考脉冲时鉴相器无输出信号 注 在较近距离时为避免空中悬浮粒子向后散射造成系统虚警 则采用双鉴相电路 3 特点 定距精度进一步提高 作用距离现场装定 抗干扰能力进一步提高 第五章激光探测技术 5 3激光的测距原理 5 3 1脉冲激光测距机原理 当回波脉冲与参考脉冲通过测定由测点射向目标 并经目标反射回来的光脉冲飞行时间来测定目标与测定间的距离 设光在大气中的传播速度均匀 测定到目标间距离r为 1 原理 c 光速 t 脉冲飞行时间 当测距精度为 5 3激光的测距原理 2 组成 脉冲式激光测距机是通过时间的直接测量而测距的 即用脉冲光波 当发射的光脉冲被远处目标反射回来后 通过一个测量时间的装置直接测出激光往返的时间t 进而求出距离D 具体如下图所示 它包括时标振荡器 门电路 脉冲计数电路和记录装置几部分 脉冲激光测距机系统组成 测距时 激光脉冲射向目标 在同一瞬间由光电二极管取出一小部分光脉冲信号送入接收系统的门电路 把 门 打开 使时标振荡器输出的时标脉冲通过 门 进入计数显示系统记录下来 当目标反射回来的脉冲信号被接收后 通过放大器送入门电路 即刻把 门 关闭 使计数器停止工作 5 3激光的测距原理 5 3 2相位式激光测距机原理 1 组成 相位式激光测距机是对时间的间接测量 即用连续光波通过一个调制器让激光强度按调制信号随时间而变 测出该光波在时间t内的位相变化从而计算出时间t 具体组成如图示 回波信号经物镜接收后送到光电探测器 经鉴相器比较返回光束和发射光束之间的相位 从而求出相差 5 3激光的测距原理 N 整数周期的数目 N 周期的小数 f 调制频率 考虑时间与距离的关系 有 c 光速 在测距机中 常称c 2f 为测尺长度 f为测尺频率 相位式激光测距机系统组成 5 3激光的测距原理 注 在鉴相器只能测出小数周期 还未能测出整数相位数N 为此在测距机设置几种不同的测尺频率进行分段测量 每一频率所测量的距离均小于相应的测尺长度 用它们分段测量某一距离 然后将各自所测的结果组合起来 就可得到所有测量的距离 5 3 3激光测距的作用距离方程 Pr 接收到的回波信号功率 Pt 激光源的发射功率 TA1 激光光源到目标的大气透过率 TA2 目标到接收机的大气透过率 t r 发射 接收光学系统光学效率 K 激光光束轮廓参数 光束束宽 r1 发射机到目标距离 r2 目标到接收机的距离 目标的激光截面 D 接收机的接收系统有效孔径 能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体 叫黑体 在毫米波段 黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的物体 它是一个良好的吸收体 还是良好的发射体 1901年普朗克通过证明 假设能量辐射仅以离散能量的量子出现 则一个黑体在温度为T 频率为f 其亮度为 6 2毫米波辐射计的探测原理 6 2 1物体的电磁辐射特性 第六章毫米波探测技术 1 黑体辐射 h 普朗克常数 K 波尔兹曼常数 C 光速t 温度 K f 频率 完全吸收并完全发射的绝对黑体实际不存在 它是一种理想的物体 为了与黑体这一术语相对应 实际的物体称为灰体 一个灰体辐射的功率 可用比该灰体实际温度更低的等效黑体所辐射的功率来代替 一般把此等效黑体的温度称为物体的表观温度 也叫亮度温度 物体表观温度与物体实际温度之比定义为该物体的频谱发射率 注 亮度定义是单位频率 单位黑体的发射面积 单位立体角的功率 亮度与频率和温度有关 与方向无关 2 表观温度 6 2毫米波辐射计的探测原理 注 在毫米波探测装置中均将频谱发射率简称为发射率 黑体的发射率为1 故黑体的表观温度与它的实际温度相等 在毫米波段 吸收室的高吸收材料可以很好近似为黑体 在有限的入射角范围内可以得到高达0 99的发射率 对于高导电金属板是良好的反射器 可以把它看作非发射体 其发射率为0 如一块金属板 发射率为0 常温t 300K 它的tap 0 当t 500K时 表观温度仍为0 6 2毫米波辐射计的探测原理 6 2 2天线的基础知识 1 天线的地位和作用 无线电发射机输出的射频信号功率 通过馈线 电缆 输送到天线 由天线以电磁波形式辐射出去 电磁波到达接收地点后 由天线接下来 仅仅接收很小很小一部分功率 并通过馈线送到无线电接收机 可见 天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备 没有天线也就没有无线电通信 按用途分类 可分为通信天线 电视天线 雷达天线等 按工作频段分类 可分为短波天线 超短波天线 微波天线等 按方向性分类 可分为全向天线 定向天线等 按外形分类 可分为线状天线 面状天线等 等等分类 2 天线的方向性 发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去 基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射 垂直放置的半波对称振子具有平放的 面包圈 形的立体方向图 立体方向图虽然立体感强 但绘制困难 6 2毫米波辐射计的探测原理 若干个对称振子组阵 能够控制辐射 产生 扁平的面包圈 把信号进一步集中到在水平面方向上 下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图 立体方向图 垂直面方向图 水平面方向图 立体方向图 垂直面方向图 6 2毫米波辐射计的探测原理 也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向 平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线 下面的水平面方向图说明了反射面的作用 反射面把功率反射到单侧方向 6 2毫米波辐射计的探测原理 抛物反射面的使用 更能使天线的辐射 像光学中的探照灯那样 把能量集中到一个小立体角内 从而获得很高的增益 不言而喻 抛物面天线的构成包括两个基本要素 抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源 方向图通常都有两个或多个瓣 其中辐射强度最大的瓣称为主瓣 其余的瓣称为副瓣或旁瓣 参见下图 在主瓣最大辐射方向两侧 辐射强度降低3dB 功率密度降低一半 的两点间的夹角定义为波瓣宽度 又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角 波瓣宽度越窄 方向性越好 作用距离越远 抗干扰能力越强 6 2毫米波辐射计的探测原理 3 波瓣宽度 对于基站天线 人们常常要求它的垂直面 即俯仰面 方向图中 主瓣上方第一旁瓣尽可能弱一些 这就是所谓的上旁瓣抑制 基站的服务对象是地面上的移动电话用户 指向天空的辐射是毫无意义的 6 2毫米波辐射计的探测原理 注 为使主波瓣指向地面 安置时需要将天线适度下倾 增益是指 在输入功率相等的条件下 实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比 它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度 增益显然与天线方向图有密切的关系 方向图主瓣越窄 副瓣越小 增益越高 可以这样来理解增益的物理含义 为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号 6 2毫米波辐射计的探测原理 4 天线的增益 如果用理想的无方向性点源作为发射天线 需要100W的输入功率 而用增益为G 13dB 20的某定向天线作为发射天线时 输入功率只需100 20 5W 换言之 某天线的增益 就其最大辐射方向上的辐射效果来说 与无方向性的理想点源相比 把输入功率放大的倍数 天线向周围空间辐射电磁波 电磁波由电场和磁场构成 人们规定 电场的方向就是天线极化方向 一般使用的天线为单极化的 下图示出了两种基本的单极化的情况 垂直极化 是最常用的 水平极化 也是要被用到的 6 2毫米波辐射计的探测原理 5 天线的极化 注 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收 水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时 接收到的信号都会变小 也就是说 发生极化损失 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正交时 例如用水平极化的接收天线接收垂直极化的来波时 天线就完全接收不到来波的能量 这种情况下极化损失为最大 称极化完全隔离 6 2 3毫米波天线 6 2毫米波辐射计的探测原理 1 毫米波天线的类型 喇叭天线 角锥喇叭 宽带双脊喇叭 同轴双向喇叭 6 2毫米波辐射计的探测原理 抛物面天线还可分为旋转抛物面天线 切割抛物面天线 柱形抛物面天线 球形面天线等 旋转抛物面天线主瓣窄 副瓣低 增益高 方向图为针状 抛物面天线的增益近似为 抛物面天线 D 天线口径 天线效率 前馈抛物面天线 6 2毫米波辐射计的探测原理 介质棒天线 利用一定形状介质棒作辐射源 天线的性能取决于介质棒的尺寸 介质电常数 损耗等 增加棒的直径可以减小波瓣宽度 利用高介电常数的介质棒可以缩短辐射长度 利用光学透镜原理 焦点处的点光源经透镜折射后能成平面波 如图示 透镜天线 它是在微带基片上制作一片金属环或线 用来辐射毫米波 该天线截面积小 适合用于飞行器共形的探测器 如在毫米波引信上使用 可以成各种形状以调整天线方向图 微带天线 6 2毫米波辐射计的探测原理 6 2毫米波辐射计的探测原理 6 2 4毫米波辐射计的工作原理 毫米波辐射计是一部被动式的接收机 本身不发射信号 它接收到的能量是被天线收集起来的辐射 这些辐射来自场景自身的辐射及其其他辐射源辐射能量的反射 毫米波辐射计主要有全功率辐射计 Dicke 迪克 型辐射计 负反馈零平衡Dicke 迪克 型辐射计 噪声相加型辐射计 相关辐射计等多种类型 其中 全功率型辐射计是结构最简单的一种 同时它是其它各种辐射计的基础 大气遥感辐射计 6 2毫米波辐射计的探测原理 全功率辐射计由天线 射频放大器 混频器 本振 中频放大电路 检波器 积分器 低通滤波器 组成 为使辐射计的输出电压V0正比于输入功率 采用了平方律检波器 物体电磁辐射能量被天线接收后 通过天线 传输线及有关部件得到天线输出端的信号温度Ts表示为 全功率辐射计原理图 6 2毫米波辐射计的探测原理 式中 Ta 表示物体对应的天线温度 T0 表示天线及传输线的环境温度 L 天线及传输件的损耗因子 能量进一步传输 经过混频 中放 平方律检波和低频放大 其转化为电压信号 得出该电压表达式为 式中 k 波尔兹曼常数 高频前端等效噪声带宽 平方律检波器的功率灵敏度系数 G 检波前功率增益 Gv 低通滤波器电压增益 6 2毫米波辐射计的探测原理 假定金属目标具有均匀辐射温度TT 对应天线温度为TBT 地面背景的辐射温度为TG 对应天线温度为TBG 结合上式可知 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电压分为 在探测器工作过程中 天线波束在目标和地面背景之间交替扫描 探测器输出端产生的电压变化量为 主要介绍全辐射测温 全辐射测温是物体所辐射出来的全波段辐射能量来决定物体的温度 它是斯蒂芬 波尔兹曼定律的应用 定律表达式 7 3 1红外测温 第七章红外探测技术 7 3红外辐射检测 1 基本原理 W 物体的全波辐射出的射度 单位面积所发射的辐射功率 物体表面的法向比辐射率 斯蒂芬 波尔兹曼常数 T 物体的绝对温度