被動毫米波焦面陣成像技術(shù)研究.pdf

1、任何物體都不停地向外輻射電磁波,被動毫米波成像技術(shù)是利用毫米波輻射計探測、接收被測目標和背景的電磁輻射,根據(jù)不同物質(zhì)的輻射特性不同,識別不同的物體。近年來,隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展,毫米波集成電路價格日趨下降且穩(wěn)定性不斷提高,被動毫米波成像技術(shù)迅速發(fā)展,在安全檢查、遙感、盲降、精確制導(dǎo)和醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到了極其廣泛的應(yīng)用。目前,被動毫米波成像系統(tǒng)正向高溫度靈敏度、高空間分辨率和實時成像方向發(fā)展,這要求成像系統(tǒng)由單通道機械掃描向多通道成像體制轉(zhuǎn)變

2、,被動毫米波焦面陣成像技術(shù)就是其中一個重要的發(fā)展方向。
　　本文在詳細分析被動毫米波成像技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以室內(nèi)近場探測人體衣物下隱匿物品為主要應(yīng)用目標,以實現(xiàn)高幀頻、高溫度靈敏度、高空間分辨率為出發(fā)點,采用理論分析、仿真和實驗的手段,研究被動毫米波焦面陣成像的關(guān)鍵技術(shù),其中包括輻射溫度傳遞模型的建立和物體毫米波輻射特性研究;近場聚焦準光理論和聚焦天線研究;高靈敏度小型化直接檢波式輻射計及其陣列研究;高增益、小截面、低副

3、瓣饋源天線及其陣列研究、系統(tǒng)采樣和校準研究等。
　　作為全篇的理論基礎(chǔ),本文首先根據(jù)輻射探測理論,分析了功率-溫度的對應(yīng)關(guān)系,建立了人體衣物下隱匿物品探測的輻射溫度傳遞模型。該模型清楚地分析了目標的物理溫度、亮度溫度、天線的視在溫度、輻射計等效輸入噪聲溫度與接收機輸出電壓之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，分析了室溫條件下,金屬或非金屬隱匿物與人體的視在溫度差異隨環(huán)境溫度、衣物透射率、頻率和介質(zhì)介電常數(shù)的變化,給出了室內(nèi)探測人體衣物下隱匿物品

4、對系統(tǒng)溫度靈敏度的要求,并對典型目標的輻射率、反射率和衣物透射率進行了實驗研究。
　　為了獲得較高的空間分辨率,減小由于系統(tǒng)各部分不匹配引起的溫度靈敏度的損失,提高系統(tǒng)探測微小目標和微小溫差的能力,需要對系統(tǒng)的準光理論進行研究,并在饋源天線與目標平面之間加入聚焦天線,以實現(xiàn)近場聚焦功能。本文將基模高斯波束法與幾何光學(xué)法相結(jié)合,研究了分析厚透鏡的解析方法,探索了系統(tǒng)準光路輸入?yún)?shù)與束腰半徑、透鏡天線口徑、饋源天線增益、透鏡對高斯波束

5、的截斷電平之間的關(guān)系,并采用聚四氟乙烯作為材料,制作雙曲透鏡,進行仿真和實驗研究。該透鏡在正饋和偏饋條件下具有良好的聚焦特性和較大的焦深,理論分析與實測誤差較小,可見,該方法具有較高的準確性和較低的計算復(fù)雜度,并且易于進行誤差分析。此外,研究了一種基于電流密度法的反射面天線分析方法,并對橢球天線的近場聚焦和偏焦特性進行了分析,該方法在分析反射面近場聚焦特性時速度較快,準確性較高,通過進一步的研究,還可用于反射面的綜合。
　　毫米波

6、輻射計是毫米波輻射探測的關(guān)鍵部件,在被動毫米波焦面陣成像系統(tǒng)中,對輻射計的溫度靈敏度、小型化、穩(wěn)定性和各通道的一致性提出了極高要求。本文通過對影響輻射計溫度靈敏度的因素分析和電路優(yōu)化,研制了Ka頻段高溫度靈敏度、小型化、直接檢波式輻射計,該輻射計工作中心頻率為35GHz,帶寬為3.6GHz,正切靈敏度小于-86dBm,在室溫條件下,積分時間為0.5ms時,輻射計的溫度靈敏度小于0.5K。此外,提出了一種新型結(jié)構(gòu)介質(zhì)棒天線作為饋源天線,采

7、用創(chuàng)新的分段錐削和圓臺過渡結(jié)構(gòu),實現(xiàn)高增益、小截面、低副瓣、低交叉極化、低互耦和對稱的輻射方向圖,以盡量小的溢出損耗實現(xiàn)對透鏡的照射。
　　最后,根據(jù)人體衣物下隱匿物品近場成像要求,對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、采樣和校準方法進行了研究,研制了Ka頻段20通道被動毫米波焦面陣成像系統(tǒng)樣機。該系統(tǒng)空間分辨率小于4cm,溫度靈敏度小于1K,可在室溫條件下探測人體衣物下隱匿的金屬和非金屬物品。
　　本文的主要研究目的是提高毫米波近場成像系統(tǒng)的溫度