被动毫米波阵列探测成像的关键技术研究

论文摘要

毫米波在电磁谱上位于微波与红外之间，相比较而言，微波和红外技术发展至今已经较为成熟，而毫米波技术则相对落后，因此从对电磁波谱的完整应用上而言，进一步开发利用毫米波是一个必然的趋势。事实上，正是因为毫米波波长介于微波和红外之间，因而它的特性也在一定程度上介于两者之间，例如具有适中的分辨率及良好的烟尘穿透性，因此在某些情况下可以完成微波和红外均无法完成的任务。从工作方式来看，探测系统还可分为主动和被动两种方式，虽然主动工作方式可以获得关于目标的更多信息，但是被动工作方式也有其不可替代的特性，如不受闪烁效应的影响；由于本身不发射电磁波，因而没有电磁污染及工作比较隐密；对覆盖吸波材料的目标探测能力很强等。总体而言，不同波段不同工作方式的探测系统各具优势，均有其不可替代性。本文所研究的内容即是被动毫米波探测成像系统的关键技术，主要工作包括以下几个方面：1)研究测量了几种物体的毫米波辐射特性。由于对金属目标的探测在军民应用两方面都很重要，因此文中围绕着对金属目标探测这一中心，对几种相关物体的毫米波辐射特性进行了大量测量实验，获得了相关数据，并进行了亮温反演，给出了计算结果。2)毫米波辐射计是接收物体毫米波辐射的高灵敏度接收机，是所有被动毫米波探测成像应用的核心部件，因此文中对毫米波辐射计进行了相关研究，重点研究了用于扫描探测的交流辐射计的原理、构成及其失真信号的补偿问题，并完成了一种交流辐射计的系统设计。3)毫米波焦平面系统是当前被动毫米波探测成像的主流系统。文中针对具体的应用设计了两种不同的焦平面系统。其一为弹载探测系统，重点研究了其主天线的设计，完成了制作测量，并讨论该系统的目标中心定位问题及目标识别问题。其二为用于被动成像的二维阵列系统，重点研究了其馈源天线的分析计算、馈电方法并完成了制作测量，讨论其阵列排列、扫描采样等问题。4)作为一种前瞻性的研究，分析讨论相控阵在被动毫米波成像中的应用。考虑到毫米波段大量使用移项器所面临的精度及价格困难，选择了一种较为新颖的注锁相控阵的方案，该方案是通过本振间的相互注锁实现相位控制。在讨论了其理论基础后，提出一种设计方案，完成了其中天线阵及耦合网络的设计。5)在当前技术水平下获得的被动毫米波图像的分辨率还很低，因此图像处理是被动毫米波成像完整应用中的一个重要组成部分。本文在跟踪现有各种算法的基础上，提出结合盲解卷的Lorentzian超分辨率算法作为图像处理的方案，为在不能确知系统函数的情况下进行图像处理进行了有益的探索，取得了一定成果。总体而言，上述几方面的研究从简单到复杂，从单元到多元，最后是信号处理。这几方面的内容可为最终构建完整的被动毫米波成像系统奠定良好的基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景及意义
• 1.2 被动毫米波成像的关键技术及其发展水平
• 1.2.1 毫米波的大气传输特性及目标的毫米波辐射特性
• 1.2.2 毫米波辐射计
• 1.2.3 成像体制
• 1.2.4 被动毫米波图像处理技术
• 1.3 被动毫米波成像的应用
• 1.4 本文的主要工作
• 2 物体的辐射特性及亮温反演
• 2.1 毫米波辐射成像的物理原理
• 2.1.1 物体的毫米波辐射特性
• 2.1.2 天线温度
• 2.2 几种物体辐射特性的测量分析
• 2.2.1 天空温度
• 2.2.2 平面金属目标的辐射特性
• 2.2.3 隐身涂层的辐射特性
• 2.2.4 常见背景物体的辐射特性测量
• 2.3 亮温反演
• 2.3.1 梯度迭代法
• 2.3.2 极值法
• 2.3.3 反演结果
• 2.4 本章小结
• 3 毫米波辐射计研究
• 3.1 直流辐射计分析
• 3.1.1 辐射计的输入信号
• 3.1.2 辐射计的输出信号
• 3.1.3 温度灵敏度
• 3.2 辐射计定标
• 3.3 交流辐射计分析
• 3.3.1 交流辐射计原理
• 3.3.2 信号建模
• 3.3.3 信号频谱分析
• 3.3.4 信号恢复
• 3.4 交流辐射计设计
• 3.4.1 系统噪声
• 3.4.2 系统灵敏度
• 3.4.3 中频增益选择
• 3.4.4 隔直电路确定
• 3.4.5 视频放大器带宽及增益
• 3.5 本章小结
• 4 三通道阵列探测系统研究
• 4.1 系统原理与设计
• 4.1.1 系统原理
• 4.1.2 卡塞格伦天线
• 4.1.3 圆锥喇叭馈源
• 4.1.4 馈源间距确定
• 4.2 目标中心定位研究
• 4.2.1 切向中心定位
• 4.2.2 法向中心定位
• 4.3 目标识别理论研究
• 4.4 本章小结
• 5 焦平面阵列分析与设计
• 5.1 直线渐变缝隙天线（LTSA）馈源
• 5.1.1 均匀缝隙线
• 5.1.2 直线渐变缝隙天线分析与设计
• 5.1.3 LTSA的馈电形式
• 5.2 焦平面阵列天线系统设计
• 5.2.1 卡氏天线设计
• 5.2.2 馈源横向偏焦的影响
• 5.2.3 阵元排列及扫描方式的确定
• 5.3 多通道增益不均衡误差校正
• 5.4 本章小结
• 6 注锁相控阵分析与设计
• 6.1 单负阻振荡器分析
• 6.1.1 自由振荡
• 6.1.2 小信号注入
• 6.2 注锁振荡器阵列分析及其相控阵应用
• 6.2.1 注锁振荡器阵列分析
• 6.2.2 相控阵
• 6.3 一维注锁相控阵设计
• 6.3.1 天线阵元设计
• 6.3.2 耦合网络设计
• 6.3.3 振荡器设计
• 6.3.4 混频器设计
• 6.4 本章小结
• 7 被动毫米波图像恢复技术
• 7.1 图像退化分析
• 7.2 图像线性恢复方法
• 7.3 图像超分辨率处理技术
• 7.3.1 被动毫米波图像超分辨率处理的必要性
• 7.3.2 超分辨率算法的理论基础
• 7.3.3 常用的超分辨率算法
• 7.4 盲解卷的Lorentzian算法
• 7.4.1 Lorenizian算法
• 7.4.2 系统函数的恢复
• 7.4.3 图像的量化评价
• 7.4.4 仿真结果
• 7.5 本章小结
• 8 全文总结与展望
• 8.1 全文总结
• 8.2 存在的问题及工作展望
• 博士期间发表的论文
• 致谢
• 参考文献