W波段焦平面陣列被動成像前端關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、自然界中所有物體都以電磁波的形式向外產(chǎn)生熱輻射，發(fā)射率不同的物體的輻射強度不相同。被動毫米波成像技術(shù)利用毫米波輻射計接收目標(biāo)的電磁輻射，并根據(jù)物質(zhì)的輻射特性差異生成圖像。由于毫米波對雨霧、衣物等具有良好的穿透性，該技術(shù)在安全檢查、遙感、飛機盲降等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。為滿足應(yīng)用需求，被動毫米波成像系統(tǒng)應(yīng)具有高亮溫靈敏度、高空間分辨率和高成像實時性的特點。毫米波焦平面陣列被動成像技術(shù)具備以上特點，是毫米波成像技術(shù)發(fā)展的重要方向之一。本文對

2、國內(nèi)外被動毫米波成像技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行深入調(diào)研，采用理論分析、仿真和實驗相結(jié)合的方法，研究了W波段焦平面陣列被動毫米波成像的前端關(guān)鍵技術(shù)，包括輻射溫度傳遞模型的建立與分析、毫米波焦平面陣列天線理論、小型化高靈敏輻射計接收通道與陣列集成、成像采樣及校準(zhǔn)等。
　　本文首先建立了聚焦天線和輻射計通道中輻射溫度傳遞模型，利用該模型分析了輻射計輸出電壓與物體亮溫、天線效率、輻射計噪聲系數(shù)等的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，本文建立了雙層介質(zhì)輻射溫度傳遞模型

3、，研究了人體隱匿的金屬和非金屬目標(biāo)與人體之間的輻射亮溫對比度隨環(huán)境溫度、介質(zhì)透射率和發(fā)射率的變化關(guān)系，并通過對比Ka和W波段輻射亮溫對比度，發(fā)現(xiàn)隱匿物與人體間的輻射溫度在W波段差異更大，更有利于成像探測。
　　作為焦面陣被動毫米波成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，焦平面陣列天線需要在目標(biāo)平面上形成密度滿足采樣定理要求的窄均勻堆積多波束，以提高系統(tǒng)的成像空間分辨率和探測細微目標(biāo)的能力。本文采用口徑場積分法和等效電流法分析了拋物反射面天線的輻射特性

4、，討論了饋源橫向偏焦時的波束偏離系數(shù)及其對波束指向均勻性的影響，以及焦平面天線中饋源陣排列及其對天線效率的影響，并研制了一款基于大口徑拋物面的新型 W波段16陣元全采樣焦平面線陣天線，通過饋源陣列優(yōu)化排列，該天線實現(xiàn)了對目標(biāo)區(qū)域奈奎斯特采樣。實驗研究表明：天線形成了16個堆積多波束，波束間增益波動小于0.4dB，E面半功率波束寬度約為0.4±0.03°，波束指向均勻，相鄰波束間隔約為0.24°，測試結(jié)果與理論分析吻合良好，驗證了設(shè)計方法

5、的有效性。
　　針對近程焦平面陣列被動成像應(yīng)用，提出了一種準(zhǔn)光透鏡天線的精確設(shè)計和分析方法。該方法首先基于高斯波束法和幾何光學(xué)法確定透鏡天線輪廓，采用一種改進的混合數(shù)值計算法對透鏡天線近場進行準(zhǔn)確分析，并據(jù)此對透鏡天線輪廓進行優(yōu)化。這種設(shè)計方法靈活高效，可用于設(shè)計和分析各種形式的透鏡天線，包括電大尺寸透鏡天線?；谠摲椒?，本文分別設(shè)計了W波段大口徑雙曲面透鏡天線和非球面透鏡天線，通過理論仿真與實驗研究分析了透鏡天線的近場區(qū)聚焦特性

6、。結(jié)果表明，研制的透鏡天線在距離透鏡3000mm處，聚焦焦斑小于30mm，理論計算與實測結(jié)果吻合良好。
　　毫米波輻射計作為焦面陣被動成像系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，需具有亮溫靈敏度高、結(jié)構(gòu)尺寸小和通道一致性好的特點。本文研制了一款W波段參數(shù)可調(diào)小型化高靈敏直接檢波式輻射計，解決了波導(dǎo)-共面線寬帶過渡、寬帶低噪聲放大器、寬帶高靈敏檢波等的優(yōu)化設(shè)計、小型化通道電磁兼容設(shè)計等關(guān)鍵理論和技術(shù)問題，并通過對視頻放大、積分器、差分放大器引入調(diào)控方法，實

7、現(xiàn)了輻射計通道參數(shù)可控，這種設(shè)計可改善多通道系統(tǒng)中的通道一致性。開展了高度集成的雙通道輻射計模塊的實驗研究，結(jié)果表明，輻射計的射頻等效帶寬大于20GHz，積分時間為1ms時亮溫靈敏度優(yōu)于0.5K，雙通道模塊外形規(guī)則，尺寸僅為82mm*12mm*12.1mm，適用于焦平面陣列密集排列。
　　本文針對焦平面陣被動成像系統(tǒng)應(yīng)用，提出了一種基于背景輻射的輻射計通道實時校準(zhǔn)方法。該方法可對焦平面陣列被動成像系統(tǒng)接收通道一致性進行整體校準(zhǔn)，校