陸地目標(biāo)微波輻射特性及測(cè)量技術(shù)研究

李春華

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524000）

微波具有熱輻射特性，因此可以應(yīng)用于無(wú)源微波探測(cè)，可以對(duì)陸地目標(biāo)難以隱藏的微波熱輻射信號(hào)實(shí)現(xiàn)探測(cè)。微波輻射探測(cè)作為極具應(yīng)用前景新型探測(cè)技術(shù)，可以對(duì)目標(biāo)加以被動(dòng)探測(cè)。

1 陸地目標(biāo)微波輻射特性

1.1 空氣的輻射作用

將微波輻射計(jì)設(shè)置在特定位置，以一定的仰角對(duì)準(zhǔn)陸地目標(biāo)，輻射計(jì)的視在溫度會(huì)受多種因素的影響，特別是空氣存在的輻射作用，對(duì)地物自身的輻射也會(huì)產(chǎn)生影響。空氣可以作為微波輻射的傳輸信道，但是由于空氣中粒子的作用，會(huì)對(duì)微波輻射特性產(chǎn)生影響。在輻射計(jì)測(cè)量陸地目標(biāo)時(shí)，要考慮到空氣溫度的影響。由于微波在空氣中會(huì)發(fā)生衰減，因此影響到輻射計(jì)接收到的亮溫。輻射計(jì)針對(duì)輻射亮溫還要考慮到大氣層中氧氣和水蒸氣的吸收和發(fā)射。為了準(zhǔn)確估計(jì)空氣引發(fā)的衰減，要確定衰減系數(shù)，將空氣按指數(shù)加以分層，結(jié)合吸收系數(shù)的變化規(guī)律，確定衰減量。

1.2 地面背景的輻射

地面背景會(huì)影響到輻射計(jì)的視在亮溫。大氣輻射也具有亮溫的反射，自身也會(huì)有輻射發(fā)出。電磁波從空氣中入射到地面上，部分能量折射后被地面吸收，部分反射到空氣中，因此不同地表?xiàng)l件的輻射率會(huì)存在差異。地表的輻射亮溫會(huì)受到入射角的影響，地表輻射亮溫受到的影響不僅來(lái)自于地表自身的輻射，還包括對(duì)大氣向下輻射產(chǎn)生的反射。入射角小，并且輻射率大，這種情況下反射率小。地表輻射亮溫會(huì)受到大地輻射的影響，如果入射角較大，輻射率偏小，反射率會(huì)增大。對(duì)于地表輻射溫度的研究發(fā)展，輻射最大類型是草地，其次是水泥地面，水面是輻射最小的。地面的介電常數(shù)較為復(fù)雜，但是地面的輻射亮度會(huì)隨入射角的增大而變小，但是變化量不大。

1.3 目標(biāo)的輻射亮溫

陸地目標(biāo)的組成較為復(fù)雜，但材料多為金屬。金屬具有的輻射亮溫類似于地表的輻射亮溫，都存在自身的輻射與對(duì)周圍環(huán)境輻射的散射，金屬目標(biāo)反射的輻射能量不同，與地面背景的輻射亮溫會(huì)隨仰角發(fā)生變化。在低仰角條件下，輻射計(jì)會(huì)受到草地的干擾，并且金屬目標(biāo)產(chǎn)生的輻射亮溫會(huì)高于水泥地面。吸波材料的應(yīng)用可以降低散射的目標(biāo)，這種方式是在金屬機(jī)體表面涂覆稀薄材料，吸波材料吸收電磁波的同時(shí)也會(huì)向外輻射電磁能量，會(huì)被微波輻射計(jì)探測(cè)出來(lái)。分析吸波涂層的發(fā)射率和反射率，可獲知微波熱輻射特性。

2 陸地目標(biāo)微波測(cè)量技術(shù)

2.1 熱敏電阻式測(cè)量技術(shù)

熱敏電阻傳感器依據(jù)原理不同細(xì)分為鎮(zhèn)流電阻與熱敏電阻兩種。鎮(zhèn)流電阻的特點(diǎn)是電阻溫度系數(shù)與溫升有關(guān)，熱敏電阻體現(xiàn)為負(fù)溫度系數(shù)。通過(guò)鎮(zhèn)流電阻可以測(cè)量出存在電平功率。熱敏電阻元件安裝于同軸部位，可以保證微波毫米波的傳輸。熱敏電阻的應(yīng)用要考慮到環(huán)境，以保證熱敏電阻元件可以吸收更多的入射功率。因此要有良好的阻抗匹配性能，機(jī)械設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)熱隔離，防止受到外部振動(dòng)的干擾，此外，還要加以屏蔽，降低泄露，防止外來(lái)微波功率影響到傳感器。熱敏電阻式傳感器檢測(cè)功率借助電橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于技術(shù)的發(fā)展，熱敏電阻檢測(cè)功率采用了自動(dòng)電橋，還會(huì)應(yīng)用到具有溫度補(bǔ)償特性的自動(dòng)平衡電橋。熱敏電阻功率計(jì)具有的測(cè)量范圍小、測(cè)量速度慢等局限性，已使其變?yōu)槎O管式或熱偶式功率計(jì)。熱敏電阻功率傳感器吸收的微波毫米波功率也具有熱效應(yīng)，“閉環(huán)”效果好，可用于功率溯源的傳遞。

2.2 熱電偶式測(cè)量技術(shù)

20 世紀(jì)中后期，熱電偶式功率計(jì)得以應(yīng)用，在許多測(cè)量中取代了原有的熱敏電阻式功率計(jì)。與熱敏式功率計(jì)相比，熱電偶式功率計(jì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。不同于熱敏電阻技術(shù)，此技術(shù)體現(xiàn)出更高的靈敏度，在實(shí)際測(cè)量中，功率可以降到1 μW。熱電偶式傳感器的應(yīng)用要還要考慮到平方律特性（電壓與微波功率會(huì)同步變化）。熱電偶式傳感器的端口可以保證駐波效果，能消除測(cè)量不確定性的影響。應(yīng)用熱電偶測(cè)量微波能量依據(jù)了在微波作用下物體會(huì)發(fā)熱的原理。熱轉(zhuǎn)化為形成熱電壓，可通過(guò)兩種性質(zhì)不同的金屬建立回路。回路中存在兩個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)結(jié)點(diǎn)存在熱作用，另一個(gè)不存在，兩個(gè)結(jié)點(diǎn)如果存在溫差，回路閉合，電流在回路中可以流動(dòng)。使用電壓表能對(duì)回路凈電勢(shì)加以測(cè)量。在測(cè)量中，高頻電磁場(chǎng)放置結(jié)點(diǎn)，吸收微波能量，結(jié)點(diǎn)的溫度會(huì)發(fā)生變化，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，可以測(cè)量出功率，其工作原理如圖1 所示。

熱電偶式功率計(jì)的測(cè)量依據(jù)了平均功率計(jì)算，能測(cè)量出CW，多音信號(hào)功率；還可以應(yīng)用于脈沖調(diào)制、數(shù)字調(diào)制，熱電偶式功率計(jì)測(cè)量的有效范圍有限，只有50 dB，最小僅可測(cè)量1 μW 電平，不能測(cè)量峰值包絡(luò)功率，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前高性能寬視頻帶寬二極管得以應(yīng)用，成為主流。

2.3 二極管檢波式功率測(cè)量技術(shù)

檢測(cè)微波頻段用到了整流二極管，測(cè)量功率用檢波器可以顯示微波信號(hào)。當(dāng)前數(shù)字技術(shù)處于快速發(fā)展中，微波半導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了進(jìn)步，許多新技術(shù)得以應(yīng)用，如線性校準(zhǔn)、溫度補(bǔ)償、因子修正等，利用二極管可以測(cè)量出功率變化，還可以測(cè)量出CW 平均功率的變化，調(diào)制信號(hào)能測(cè)量寬帶峰值的變化。二極管功率傳感器采用了平衡式檢波，輸入微波信號(hào)后，經(jīng)過(guò)電容與衰減器的作用，借助負(fù)載實(shí)施匹配后，信號(hào)會(huì)進(jìn)入到檢波器，檢波器在檢波后會(huì)輸出正負(fù)直流信號(hào)輸出，通過(guò)濾波電容流入前置放大器，能有效消除中小信號(hào)存在的干擾，還可以避免熱效應(yīng)的影響，可以消除輸入信號(hào)諧波引發(fā)的測(cè)量誤差，提升信噪比。為了提升二極管檢波的精度，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)源對(duì)檢波測(cè)量加以線性校準(zhǔn)，補(bǔ)償后提升傳感器的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍，可以達(dá)到-80～+30 dBm。還要考慮到數(shù)字調(diào)制信號(hào)與脈沖調(diào)制信號(hào)的影響，由于有不恒定幅度，檢波二極管表達(dá)為檢波電壓非平方，信號(hào)檢波調(diào)制后會(huì)影響到電壓權(quán)值的變化，存在功率誤差，校準(zhǔn)源擴(kuò)展了動(dòng)態(tài)范圍。

2.4 微波信號(hào)功率測(cè)試的新技術(shù)

半導(dǎo)體技術(shù)受到計(jì)算技術(shù)的帶動(dòng)，數(shù)字矢量調(diào)制技術(shù)得以應(yīng)用。信號(hào)測(cè)量已從原有的載波調(diào)制進(jìn)入到相位與幅度的綜合調(diào)制載波。復(fù)用多址技術(shù)的應(yīng)用擴(kuò)大了時(shí)域分布范圍，保證信號(hào)功率，不再使用簡(jiǎn)單周期性脈沖信號(hào)處理，提升了占空比的有效性，脈沖包絡(luò)不再有，時(shí)域波形與隨機(jī)噪聲類似，峰值大于50 dB。調(diào)制技術(shù)的發(fā)展擴(kuò)大了視頻帶寬與取樣的范圍，還可以保證實(shí)時(shí)采樣速率。儀器具有多種觸發(fā)功能，能有效識(shí)別自動(dòng)幀模式信號(hào)，對(duì)特定數(shù)據(jù)處理后可以確保信號(hào)的功率特性。當(dāng)前，微波波峰值功率測(cè)量的視頻帶寬已經(jīng)達(dá)到了65 MHz，并且采樣速率可以達(dá)到100 MHz 的水平，另外脈沖功率動(dòng)態(tài)范圍也可以達(dá)到60 dB，可測(cè)脈沖寬度的最小值能達(dá)到10 ns，在測(cè)量時(shí)的上升時(shí)間與下降時(shí)間在幾納秒內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)，可以準(zhǔn)確測(cè)量出平均功率、峰值功率，可以測(cè)量脈沖包絡(luò)多種時(shí)域的變化和幅度參數(shù)，還具有功率分析功能，可以對(duì)多種信號(hào)包絡(luò)產(chǎn)生的功率特性加以統(tǒng)計(jì)分析，因此信號(hào)特性分析與系統(tǒng)設(shè)計(jì)有了更加真實(shí)的依據(jù)。應(yīng)用功率傳感器、峰值功率傳感器，測(cè)量可以不用多次校準(zhǔn)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試易于實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

陸地目標(biāo)具有較為特殊的微波輻射特性，研究其特性，可以明確測(cè)量方式，以保證測(cè)量的有效性與準(zhǔn)確性。在技術(shù)的發(fā)展中，可以使用多樣化手段測(cè)量陸地目標(biāo)微波特性，提升測(cè)量精度。