陸地目標微波輻射特性及測量技術研究

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，因此可以應用于無源微波探測，可以對陸地目標難以隱藏的微波熱輻射信號實現探測。微波輻射探測作為極具應用前景新型探測技術，可以對目標加以被動探測。

1 陸地目標微波輻射特性

1.1 空氣的輻射作用

將微波輻射計設置在特定位置，以一定的仰角對準陸地目標，輻射計的視在溫度會受多種因素的影響，特別是空氣存在的輻射作用，對地物自身的輻射也會產生影響。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，會對微波輻射特性產生影響。在輻射計測量陸地目標時，要考慮到空氣溫度的影響。由于微波在空氣中會發生衰減，因此影響到輻射計接收到的亮溫。輻射計針對輻射亮溫還要考慮到大氣層中氧氣和水蒸氣的吸收和發射。為了準確估計空氣引發的衰減，要確定衰減系數，將空氣按指數加以分層，結合吸收系數的變化規律，確定衰減量。

1.2 地面背景的輻射

地面背景會影響到輻射計的視在亮溫。大氣輻射也具有亮溫的反射，自身也會有輻射發出。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，因此不同地表條件的輻射率會存在差異。地表的輻射亮溫會受到入射角的影響，地表輻射亮溫受到的影響不僅來自于地表自身的輻射，還包括對大氣向下輻射產生的反射。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，反射率會增大。對于地表輻射溫度的研究發展，輻射最大類型是草地，其次是水泥地面，水面是輻射最小的。地面的介電常數較為復雜，但是地面的輻射亮度會隨入射角的增大而變小，但是變化量不大。

1.3 目標的輻射亮溫

陸地目標的組成較為復雜，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周圍環境輻射的散射，金屬目標反射的輻射能量不同，與地面背景的輻射亮溫會隨仰角發生變化。在低仰角條件下，輻射計會受到草地的干擾，并且金屬目標產生的輻射亮溫會高于水泥地面。吸波材料的應用可以降低散射的目標，這種方式是在金屬機體表面涂覆稀薄材料，吸波材料吸收電磁波的同時也會向外輻射電磁能量，會被微波輻射計探測出來。分析吸波涂層的發射率和反射率，可獲知微波熱輻射特性。

2 陸地目標微波測量技術

2.1 熱敏電阻式測量技術

熱敏電阻傳感器依據原理不同細分為鎮流電阻與熱敏電阻兩種。鎮流電阻的特點是電阻溫度系數與溫升有關，熱敏電阻體現為負溫度系數。通過鎮流電阻可以測量出存在電平功率。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。熱敏電阻的應用要考慮到環境，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，機械設計要實現熱隔離，防止受到外部振動的干擾，此外，還要加以屏蔽，降低泄露，防止外來微波功率影響到傳感器。熱敏電阻式傳感器檢測功率借助電橋來實現，由于技術的發展，熱敏電阻檢測功率采用了自動電橋，還會應用到具有溫度補償特性的自動平衡電橋。熱敏電阻功率計具有的測量范圍小、測量速度慢等局限性，已使其變為二極管式或熱偶式功率計。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，“閉環”效果好，可用于功率溯源的傳遞。

2.2 熱電偶式測量技術

20 世紀中后期，熱電偶式功率計得以應用，在許多測量中取代了原有的熱敏電阻式功率計。與熱敏式功率計相比，熱電偶式功率計具有明顯的優勢。不同于熱敏電阻技術，此技術體現出更高的靈敏度，在實際測量中，功率可以降到1 μW。熱電偶式傳感器的應用要還要考慮到平方律特性（電壓與微波功率會同步變化）。熱電偶式傳感器的端口可以保證駐波效果，能消除測量不確定性的影響。應用熱電偶測量微波能量依據了在微波作用下物體會發熱的原理。熱轉化為形成熱電壓，可通過兩種性質不同的金屬建立回路。回路中存在兩個結點，一個結點存在熱作用，另一個不存在，兩個結點如果存在溫差，回路閉合，電流在回路中可以流動。使用電壓表能對回路凈電勢加以測量。在測量中，高頻電磁場放置結點，吸收微波能量，結點的溫度會發生變化，此時會產生電動勢，可以測量出功率，其工作原理如圖1 所示。

熱電偶式功率計的測量依據了平均功率計算，能測量出CW，多音信號功率；還可以應用于脈沖調制、數字調制，熱電偶式功率計測量的有效范圍有限，只有50 dB，最小僅可測量1 μW 電平，不能測量峰值包絡功率，隨著技術的發展，當前高性能寬視頻帶寬二極管得以應用，成為主流。

2.3 二極管檢波式功率測量技術

檢測微波頻段用到了整流二極管，測量功率用檢波器可以顯示微波信號。當前數字技術處于快速發展中，微波半導體技術實現了進步，許多新技術得以應用，如線性校準、溫度補償、因子修正等，利用二極管可以測量出功率變化，還可以測量出CW 平均功率的變化，調制信號能測量寬帶峰值的變化。二極管功率傳感器采用了平衡式檢波，輸入微波信號后，經過電容與衰減器的作用，借助負載實施匹配后，信號會進入到檢波器，檢波器在檢波后會輸出正負直流信號輸出，通過濾波電容流入前置放大器，能有效消除中小信號存在的干擾，還可以避免熱效應的影響，可以消除輸入信號諧波引發的測量誤差，提升信噪比。為了提升二極管檢波的精度，通過標準校準源對檢波測量加以線性校準，補償后提升傳感器的動態響應范圍，可以達到-80～+30 dBm。還要考慮到數字調制信號與脈沖調制信號的影響，由于有不恒定幅度，檢波二極管表達為檢波電壓非平方，信號檢波調制后會影響到電壓權值的變化，存在功率誤差，校準源擴展了動態范圍。

2.4 微波信號功率測試的新技術

半導體技術受到計算技術的帶動，數字矢量調制技術得以應用。信號測量已從原有的載波調制進入到相位與幅度的綜合調制載波。復用多址技術的應用擴大了時域分布范圍，保證信號功率，不再使用簡單周期性脈沖信號處理，提升了占空比的有效性，脈沖包絡不再有，時域波形與隨機噪聲類似，峰值大于50 dB。調制技術的發展擴大了視頻帶寬與取樣的范圍，還可以保證實時采樣速率。儀器具有多種觸發功能，能有效識別自動幀模式信號，對特定數據處理后可以確保信號的功率特性。當前，微波波峰值功率測量的視頻帶寬已經達到了65 MHz，并且采樣速率可以達到100 MHz 的水平，另外脈沖功率動態范圍也可以達到60 dB，可測脈沖寬度的最小值能達到10 ns，在測量時的上升時間與下降時間在幾納秒內可以實現，可以準確測量出平均功率、峰值功率，可以測量脈沖包絡多種時域的變化和幅度參數，還具有功率分析功能，可以對多種信號包絡產生的功率特性加以統計分析，因此信號特性分析與系統設計有了更加真實的依據。應用功率傳感器、峰值功率傳感器，測量可以不用多次校準，現場測試易于實現。

3 結束語

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