被動(dòng)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(dòng)毫米波成像技術(shù)是利用毫米波輻射計(jì)探測(cè)、接收被測(cè)目標(biāo)和背景的電磁輻射,根據(jù)不同物質(zhì)的輻射特性不同,識(shí)別不同的物體。近年來(lái),隨著半導(dǎo)體材料的發(fā)展,毫米波集成電路價(jià)格日趨下降且穩(wěn)定性不斷提高,被動(dòng)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(dòng)毫米波成像系統(tǒng)正向高溫度靈敏度、高空間分辨率和實(shí)時(shí)成像方向發(fā)展,這要求成像系統(tǒng)由單通道機(jī)械掃描向多通道成像體制轉(zhuǎn)變

2、,被動(dòng)毫米波焦面陣成像技術(shù)就是其中一個(gè)重要的發(fā)展方向。
　　本文在詳細(xì)分析被動(dòng)毫米波成像技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，以室內(nèi)近場(chǎng)探測(cè)人體衣物下隱匿物品為主要應(yīng)用目標(biāo),以實(shí)現(xiàn)高幀頻、高溫度靈敏度、高空間分辨率為出發(fā)點(diǎn),采用理論分析、仿真和實(shí)驗(yàn)的手段,研究被動(dòng)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(chǎng)聚焦準(zhǔn)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(jì)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(zhǔn)研究等。
　　作為全篇的理論基礎(chǔ),本文首先根據(jù)輻射探測(cè)理論,分析了功率-溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,建立了人體衣物下隱匿物品探測(cè)的輻射溫度傳遞模型。該模型清楚地分析了目標(biāo)的物理溫度、亮度溫度、天線的視在溫度、輻射計(jì)等效輸入噪聲溫度與接收機(jī)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(cè)人體衣物下隱匿物品

4、對(duì)系統(tǒng)溫度靈敏度的要求,并對(duì)典型目標(biāo)的輻射率、反射率和衣物透射率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(cè)微小目標(biāo)和微小溫差的能力,需要對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)光理論進(jìn)行研究,并在饋源天線與目標(biāo)平面之間加入聚焦天線,以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)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(zhǔn)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(duì)高斯波束

5、的截?cái)嚯娖街g的關(guān)系,并采用聚四氟乙烯作為材料,制作雙曲透鏡,進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)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(shí)測(cè)誤差較小,可見(jiàn),該方法具有較高的準(zhǔn)確性和較低的計(jì)算復(fù)雜度,并且易于進(jìn)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(duì)橢球天線的近場(chǎng)聚焦和偏焦特性進(jìn)行了分析,該方法在分析反射面近場(chǎng)聚焦特性時(shí)速度較快,準(zhǔn)確性較高,通過(guò)進(jìn)一步的研究,還可用于反射面的綜合。
　　毫米波

6、輻射計(jì)是毫米波輻射探測(cè)的關(guān)鍵部件,在被動(dòng)毫米波焦面陣成像系統(tǒng)中,對(duì)輻射計(jì)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(guò)對(duì)影響輻射計(jì)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(jì),該輻射計(jì)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(shí)間為0.5ms時(shí),輻射計(jì)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(tái)過(guò)渡結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高增益、小截面、低副瓣、低交叉極化、低互耦和對(duì)稱的輻射方向圖,以盡量小的溢出損耗實(shí)現(xiàn)對(duì)透鏡的照射。
　　最后,根據(jù)人體衣物下隱匿物品近場(chǎng)成像要求,對(duì)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、采樣和校準(zhǔn)方法進(jìn)行了研究,研制了Ka頻段20通道被動(dòng)毫米波焦面陣成像系統(tǒng)樣機(jī)。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(cè)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(chǎng)成像系統(tǒng)的溫度