典型地物的毫米波雙極化輻射特性測量技術研究

史 強，張光鋒，李 珊，張 琪

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，南京 210094)

0 引言

黑體輻射理論闡明，自然的物體會輻射電磁波，且物體輻射特性也不相同。毫米波輻射計是高靈敏度噪聲功率接收機，可根據物體輻射特性的不同或檢測的輻射信號強弱，對目標進行探測識別，并提供紅外探測器無法獲取的信息[1-3]。由于自然界各類典型地物的表面及其內部結構不盡相同，發射和反射電磁波的能力也有所不同，對各類典型地物進行毫米波輻射特性分析與實驗，探究其極化效應，將有助于毫米波目標探測的長足發展。

隨著毫米波探測技術的不斷發展，越來越多的學者投入到該領域的研究中，張英浩等設計了直檢式8 mm波段雙極化全功率輻射計，在最小信噪比條件下，該系統信噪比比單通道輻射計輸出的更強，作用距離更大[4]。李尊良等分析復相關器乘法器單元和正交模耦合器，并對全極化毫米波輻射計的工作原理進行詳細講述[5]。本文主要利用雙極化毫米波輻射計系統對各種目標進行識別并研究物體的極化輻射信息。

1 毫米波輻射測量原理及定標方法

周圍物體的電磁波可被毫米波輻射計接受。物體產生的輻射能量一方面可用輻射理論解釋，另一方面環境中的能量也來自物體反射、輻射或透射。物體的能量輻射由分子熱運動引起，其在各方向的極化都均勻[6]：物體產生的輻射能量不同，這由其材質及結構特性決定。 假設天線被面輻射包圍，接收天線模型如圖1所示，Bf(θ,φ)表示輻射源的譜亮度，與天線之間的距離為r,Fn(θ,φ)表示天線的歸一化功率增益方向圖,Ar為天線有效面積，則用ArFn(θ,φ)表示天線的有效接收面積，(θ,φ) 表示輻射源方向，則天線在有效接收面積范圍內對元輻射面所張立體角可表示為：

圖1 天線-功率分析模型

(1)

則天線在有效接收面積范圍內接收到的元輻射譜功率可表示為：

(2)

式中，ds表示一個微元面積。

dPf=Bf(θ,φ)ArFn(θ,φ)dΩ

(3)

式中，dΩ=sinθdθdφ。通常Bf(θ,φ)是無極化的，但實際探測中輻射計使用的天線是有極化方向的，所以能進入天線口徑的只有入射能量的一半。由于毫米波輻射計天線和接收機都工作在較窄的頻帶，即Δf?f2,因此在Δf范圍內，Bf(θ,φ)的變化與頻率無關，根據相關理論，則天線的接收功率可表示為：

(4)

假設封閉面輻射源保持溫度不變，根據瑞利—金斯公式可得：

(5)

因為：

Ωp=?4πFn(θ,φ)dΩ

(6)

(7)

那么可以得到：

(8)

將式(8)代入(5)可得：

Pbb=kTΔf

(9)

由此可知，毫米波輻射計天線的接收功率與目標的熱力學溫度T呈線性關系，因此在無源毫米波探測中，天線所接收的功率可以通過被測目標的熱力學溫度表示出來。

由于物體的極化特性，毫米波輻射計獲得的能量極化特性來源于該極化輻射能量。電磁輻射的偏振可用斯托克斯參數描述[7]。假設波沿z軸正方向傳播，傳播在xy方向垂直的電場E的正交分量分別為Ex(t)和Ey(t)，可用ex(t)和ey(t)表示電場振幅。根據斯托克斯參數內容，4個參數[I,Q,U,V]可用下式進行計算[8-9]：

式中,λ表示自由空間波長；η表示特性阻抗；KB表示玻爾茲曼常數；δ表示Ex(t)和Ey(t)相位差。

(10)

式中，ηl為天線的效率，T0為天線熱力學溫度。

整體定標較為簡單便捷，所以應用范圍更廣。通常將接收機和天線看為一個整體，使用定標負載盒對高低溫兩點進行采樣，從而獲取輸出電壓和天線溫度之間的關系，負載盒的結構如圖2所示。

圖2 整體定標負載盒

一般情況下，高溫參考點為室溫，記為(Th，Vh)；低溫參考點為液氮，記為(Tl，Vl)，則定標方程為：

(11)

相較而言，整體定標法的操作更為簡便，無需測量過多的參數，由于實驗室條件的各種限制，本文的實驗中均采用整體定標法確定定標方程。

為使實驗結果更為可靠，參照圖2的負載盒制作了裝載液氮的定標源裝置，使對低溫點的采樣更為準確。定標源分為上下兩個部分，外壁為金屬材質，內壁貼滿吸波材料。上半部分是一個椎體，便于將輻射計天線直接對準上方測試口，下半部分裝載液氮，定標源表面金屬反射了周圍環境帶來的亮溫貢獻，使其對液氮的測量結果更為準確，從而得到更加精確的定標方程，使實驗結果更具有可靠性。

2 雙極化毫米波輻射計系統硬件設計

Ka波段(即8 mm波段)毫米波輻射探測是一種典型的被動遙感探測方式。目前，國內外關于Ka波段毫米波輻射探測的研究主要涉及海洋、土壤、月壤等領域，對于目標輻射特性的研究主要涉及草地、金屬、水面等[10]。而現有的星載、機載輻射計系統都是以單通道為主，無法同時獲取水平極化與垂直極化的測試數據，需手動拆卸輻射計調整極化方向，使試驗繁瑣復雜。基于此設計了基于無人機的目標Ka波段雙極化輻射獲取方法與裝置。

Ka波段雙極化輻射計的系統參數如表1所示，輻射信息獲取可分為兩路進行：一路是進行Ka毫米波輻射計系統的水平極化輻射特性分析。一路是進行Ka毫米波輻射計系統的垂直極化輻射特性分析。兩路的輸出結果由無線傳輸系統傳送回軟件控制端，得到系統定標方程。通過反演運算得到目標材料的輻射特性。

表1 8 mm雙通道輻射計系統參數

所述Ka波段雙極化輻射獲取方法與裝置結構如圖3所示，采用彎波導連接兩根透鏡天線，從而同時獲取水平及垂直極化通道的天線溫度。采用全功率直放式輻射計，省去了傳統狄克式輻射計中“DICKE開關”等部件，采用直放式接收模塊，不含有本振，將射頻低噪放放大器與檢波器安裝在同一個腔體內，使結構簡單、緊湊、體積小，總質量小于2 kg，易于實現無人機載。與采用單極化天線的傳統輻射計相比，該系統體積小、質量輕，無需手動拆卸輻射計,旋轉天線便可以獲取雙極化輻射信息，操作簡便，具有良好的平臺適應性檢波器檢出包絡信號；低頻放大器采用交流和直流兩種模式，可以根據要求輻射特性測試進行切換；溫度計模塊用來采集被測目標材料的溫度；定標裝置把電壓信號化為溫度信號；無線傳輸模塊將測試數據傳送至軟件控制端；數據處理部分包括數據采集和處理電路、數據顯示電路，主要由AD轉換、運算控制器及加減法器構成，結構簡單。分離后的極化分量都以模擬信號輸出，信號處理器則利用AD轉換將模擬信號轉變為數字信號，最后通過運算控制器的功能實現運算，以上電路的功能就是對目標材料的毫米波Ka波段輻射特性進行綜合判別。

圖3 雙極化毫米波輻射計系統框圖

3 實驗結果與分析

對天空、水面、植被土地使用雙極化輻射計進行數據采集實驗。實驗環境指標為：溫度25 ℃，天氣陰，相對濕度為48%，氣壓為1 025 hPa近似為標準大氣壓。實驗使用8 mm雙通道輻射計，指標如表1所示，輻射計距地面高度為1.2 m。實驗前進行整體定標，將天線口分別對準裝載液氮的特制定標裝置，進行低溫定標；將天線口對準吸波材料進行高溫定標，從而獲得8 mm雙通道輻射計的定標方程。

圖4為雙極化輻射計數據采集場景圖，操作時，首先將入射角調至0°，再緩慢轉動輻射計，逐漸改變其對所測目標的入射角，平均每5°記錄一次雙極化輻射波數據，直至轉動至90°，停止數據記錄，最后通過定標方程計算出亮度溫度，并將所得數據繪制成曲線。

圖4 輻射數據采集場景圖

圖5為天空輻射溫度隨頂角變化示意圖，根據分析可知：天空的亮度溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值微乎其微，即天空的亮度溫度與極化方式無關；當輻射計與天空頂角夾角為0°時，所測的溫度最低；隨著天空頂角夾角增大，天空輻射溫度也越來越高；當天空頂角夾角大于80°時，輻射計受環境因素干擾，實驗數據存在較大誤差；隨著入射角度的增加，在不同極化條件下天空亮度溫度的變化速率都逐步增加，與仿真模型較為吻合。

圖5 天空輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

圖6是水面輻射溫度隨天空頂角變化示意圖，從圖中可以看出，在8 mm波段，水面的輻射溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值明顯，即存在極化效應；當輻射計處于水平極化條件下，水面的輻射溫度隨著入射角度的增加而增大；當輻射計處于垂直極化條件下，水面的輻射溫度隨著入射角度的增加先緩慢減小后增大；在同樣的入射角度，水面的輻射溫度在垂直極化條件下所測量的數據均高于在水平極化條件下所測量的數據。在入射角度取50°，兩者出現最大差值，約為80 K，此時的入射角度即為布儒斯特角。由于水面底層分布泥塊和碎石，對測試結果產生些許影響，使實際測量值與理論值存在相應誤差。

圖6 水面輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

植被層可視為弱散射媒質層，即在計算植被層表面的輻射溫度時可忽略植被層內部的散射現象。植被層的輻射溫度主要來自其自身對電磁波的吸收與反射，與植被層厚度、觀測頻率及入射角度息息相關。Ulaby等人通過大量實驗發現：當觀測頻率小于10 GHz時(尤其是低于5 GHz)，土壤層對植被土地的輻射溫度貢獻較大，需要考慮雙層介質模型對其輻射溫度的影響；當觀測頻率大于10 GHz時，土壤層對植被土地的輻射溫度貢獻較小，可以忽略不記。實驗使用8 mm波段輻射計，其中心頻率為35 GHz，故只需考慮表面植被層對植被土地輻射溫度的影響。

圖7是植被土地輻射溫度隨天空頂角變化示意圖，結合圖中數據可知，植被土地的亮度溫度在水平極化與垂直極化的條件下差值不大，不具有明顯的極化效應。Peake和Oliver等人使用中心頻率為10 GHz的輻射計測試了近14種不同的植被土地(包括小麥、土豆等)在不同生長時期的輻射特征信息，實驗結果與本次實驗基本相似：植被土地不具有明顯的極化效應，但在垂直極化條件下所測的輻射溫度值略高于水平極化下的測試數據，其輻射溫度與觀測角度近似無關。

圖7 植被土地輻射溫度隨天空頂角變化示意圖

4 結束語

本文探究了一些典型地物背景(包括天空、水面、植被土地)的輻射特征信息，分析了其極化現象。地物背景的自身結構與組成相對復雜，影響其相對介電常數的因素較多，故其吸收與反射的電磁波也存在差異，通常情況下，典型地物背景的輻射溫度均遠高于天空的亮度溫度。由于周邊環境的物體及實驗測試的面目標均為實際目標，實際情況較為復雜如目標有一定的起伏，會產生測試差異，對實驗結果產生一定的影響，未來的實驗中需要將這些情況盡可能地考慮到，達到優化實驗的目的。