毫米波辐射计探测装甲目标立体特性建模与仿真分析*

冯建利，陈 博，张效民(1.西安石油大学计算机学院,西安710065;.西北工业大学航海学院,西安71007; .西安机电信息技术研究所,西安710065)



毫米波辐射计探测装甲目标立体特性建模与仿真分析*

冯建利**1，2，陈 博3，张效民2
(1.西安石油大学计算机学院,西安710065;2.西北工业大学航海学院,西安710072; 3.西安机电信息技术研究所,西安710065)

**通信作者:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn Corresponding author:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn

摘 要:以往的毫米波被动探测系统中为了简单往往将装甲目标等效为平面金属目标,忽视了它的复杂立体特性。针对这一问题,提出了装甲目标立体特性的概念,理论推导了装甲目标立体特性的客观存在,仿真分析了装甲目标的立体特性,并概括总结了装甲目标立体特性的影响因素。文中结论对装甲目标毫米波辐射特性研究及毫米波被动探测领域具有一定的参考价值。

关键词:毫米波被动探测；装甲目标；立体特性；仿真分析

1 引 言

在非实验环境中要对大型目标进行仿真或等效测量时通常会使用到缩比模型[1]。以往对于毫米波被动探测装甲目标的研究基本上都是将全尺寸装甲目标(复杂立体金属)按照缩比模型缩小为小尺寸的平面金属目标,然后在低的观测高度下研究装甲目标的辐射特性[2]。但是事实上,由于装甲目标是复杂的立体金属目标,在某种探测条件下,它的一部分面元反射向下大气辐射温度,而另一部分面元则反射地面背景辐射温度[3]。所以,装甲目标的辐射特性和平面金属目标的辐射特性有本质上的区别。鉴于此,要分析装甲目标的辐射特性只是降低探测高度、将装甲目标等比例缩小为平面金属目标是不够的,还需要分析影响装甲目标辐射特性的其他因素。

本文首先研究了毫米波辐射计探测的基本原理,在此基础上基于装甲目标的复杂几何结构建立了装甲目标的辐射特性模型,进一步分析了装甲目标与平面金属的天线温度对比度,得到造成装甲目标不同于平面金属的原因在于装甲目标的立体特性;其次,细化了立体特性的分析指标,并在此基础上,对不同探测条件下的装甲目标的立体特性进行了仿真;最后,基于对仿真结果的对比分析,获得了装甲目标立体特性随探测高度及探测角度的变化规律,得到了本文的研究结论。

2 毫米波辐射计探测基本原理

根据热辐射理论:一切温度处于绝对零度以上的物体,都存在电磁辐射;在热平衡条件下,其吸收和辐射能量的速率相等;物体表面的微波辐射功率与物体的温度之间呈线性关系[4-5]。这种功率与温度的一一对应关系使得在描述热噪声功率时,既可用功率(单位W),也可用温度(单位K)来度量。因此,通常用天线温度来衡量无耗天线输出功率。通常,当毫米波辐射计近距离(天线距离地面高度为几米至几十米)探测地物目标时,向上大气辐射的视在温度和大气损耗都可以忽略不计。因此,天线温度表示为[5]

式中:ΩM为天线主波束立体角;TB(θ,φ )表示被测地物在(θ,φ )方向上的亮度温度;Г( θ,φ )为被测地物的反射率;TBother(θ,φ )表示被测地物目标接收到的来自于其他辐射源的辐射温度;G( θ,φ )为天线增益方向图。该式是用辐射计探测、识别目标的根本,也是不同目标具有不同辐射特性的直接表现,所以对目标辐射特性的分析就是分析其天线温度。

3 装甲目标辐射温度建模

假设毫米波辐射计主波束范围内包括地面背景和装甲目标,由于它们的辐射亮温不同,所以从不同方向进入主波束的视在温度也不同。装甲目标多为金属外壳,在8 mm频段,其辐射率ε( θ, )φ≈0,反射率Г( θ, )φ≈1,即装甲目标自身不向外发射能量,但是可以反射(散射)来自于其他辐射源的能量。如图1所示,辐射计接收到的散射能量除了装甲目标部分面元反射的大气向下辐射能量以外,还有另一部分面元反射的地面背景辐射能量。图1中: TSC1(θ, )

φ表示装甲目标面元反射的向下大气辐射温度;TSC2(θ, )

φ表示装甲目标面元反射的地面背景辐射温度; TDN( θ, )φ表示向下大气辐射温度; TBb(θ, )

φ表示地面背景大气辐射温度;ΩM表示天线主波束立体角;Ωt表示装甲目标在天线主波束内所张立体角;θT表示探测角(天线主波束中心线与z轴夹角)。

图1 装甲目标辐射特性示意图Fig. 1 Schematic radiation characteristics of armored target

式中:Ω1表示反射向下大气辐射温度的装甲目标面元在天线主波束内所张立体角;Ω2表示反射地面背景辐射温度的装甲目标面元在天线主波束内所张立体角,且满足Ω1+Ω2=Ωt;Ωg表示地面背景辐射温度在天线主波束内所张立体角,满足Ωt+Ωg=ΩM。

如果地面背景上是平面金属,对照式(2)可得此时天线温度为

式(2)与式(3)相减得装甲目标和平面金属天线温度对比度为

分析式(4)可知,装甲目标的辐射特性不同于普通平面金属目标的原因在于:在某种探测条件下,装甲目标的某些面元会反射地面背景辐射亮温,本文中称为装甲目标的立体特性。

为了分析装甲目标的立体特性,基于ANSYS软件建立了装甲目标的三角形面元模型[6]。假设天线主波束内共有L个装甲目标面元,其中有M个面元反射向下大气辐射,N个面元反射地面背景辐射,满足L = M+N,则用面元表示的装甲目标天线温度为

4 装甲目标立体特性的分析指标

从上述分析可知,装甲目标的立体特性主要是由反射地面背景辐射温度的面元造成的。所以,立体特性的大小就和反射地面背景辐射温度的面元在天线主波束内所张立体角有关。为了明确分析,定义立体率指标。

4. 1 立体率

设反射地面背景辐射亮温的面元在天线主波束内所张立体角为Ω2,天线主波束立体角为ΩM,则将Ω2占ΩM的比定义为立体率,即

从式(6)可以看出,0≤ηs＜1,且数值越大表示立体特性越凸显。ηs在图2中表现为装甲目标天线温度中数值大于平面金属目标天线温度,这部分数值正是由于装甲目标的部分面元反射地面背景辐射,而地面背景辐射远高于大气向下辐射造成的。特殊地,ηs=0表示无立体特性,即探测器未探测到立体金属目标,仅探测到平面金属目标或地面背景等非立体金属目标,目标不反射地面背景辐射。

图2 平面金属目标和装甲目标天线温度实测结果对比Fig. 2 Comparison of antenna temperature between planar metal and armored target

4. 2 立体特性标准差

在概率统计分析中,通常采用标准差来反映一个数据集合的离散程度。假设有一组数值x1,x2, …,xN(皆为实数),其均值为μ,则其标准差定义为[6]

本文中引入的标准差体现在图2中装甲目标天线温度曲线的波动,这是由于装甲目标是复杂的立体金属,既有可能反射大气向下辐射,又有可能反射地面背景辐射。所以,天线主波束范围内接收到的不同面元的辐射能量不同,表现为天线温度曲线有不同程度的起伏。

5 装甲目标立体特性仿真分析

在MATLAB上建立装甲目标天线温度仿真系统,在给定的仿真条件下,对装甲目标的所有面元进行遍历,计算Ωg和ΩM,从而得到装甲目标立体率ηsolid,并计算立体特性标准差σ。

结合工程实用将仿真条件设置为:背景为黄土地;环境温度25℃;系统采样率2 000 Hz;天线为口面半径为0. 12 m的卡塞格伦天线;弹丸以100 m/ s的速度从装甲目标正前方上空沿着直线轨迹匀速掠过装甲目标。为了避免异常数据,确保仿真结果的有效性,每种探测条件下的仿真次数均为1 000次。表1记录了探测高度为10 m时装甲目标立体率及立体特性标准差随探测角度的统计平均值,表2记录了探测角度为20°时装甲目标立体率及立体特性标准差随探测角度的统计平均值。

表1 高度10 m时装甲目标立体特性随着探测角度变化统计表Tab. 1 The statistical table of armored target's stereo effect change with different detection angle when detection height is 10 m

表2 探测角度20°时装甲目标立体特性随着探测高度变化统计表Tab. 2 The statistical table of armored target's stereo effect change with different detection height when detection angle is 20°

表1和表2是以数据的形式表征的装甲目标立体特性。为了更加直观,图3列举了在不同的探测条件下辐射计得到的天线温度曲线。

图3 装甲目标在不同探测条件下的天线温度曲线Fig. 3 The antenna curve of armored target under different detection conditions

对比分析表1、表2以及图3可得到如下结论:

(1)装甲目标的复杂几何结构导致了立体特性的存在,且立体特性的主要影响因素为探测角度和探测高度;

(2)同一高度下,探测角度越小,装甲目标的立体特性越明显;而且,由于装甲目标前端的外型构造相对于后端而言更为复杂,所以表征装甲目标的天线温度曲线段内,前部分的波形波动明显高于后部分,即装甲前端立体特性高于后端立体特性,且随着探测角度的增大,装甲前端的立体特性逐渐减弱;

(3)同一高度下,随着探测角度的增大,反射地面背景辐射的装甲目标面元减少,装甲目标立体率数值变小;同时,装甲目标立体角减小,地面背景立体角相对增大,所以天线温度曲线整体上升;

(4)同一探测角度下,随着高度的提升,装甲目标的立体特性逐渐减弱;与此同时,高度的提升带来了天线主波束立体角内装甲目标所占比例减小,地面背景相对增大,所以背景和装甲目标的天线温度曲线整体上升。

6 结 论

本文基于毫米波被动探测的一般原理,结合装甲目标的复杂立体几何结构,建立了装甲目标的毫米波辐射模型;在此基础上,推导得到装甲目标与平面金属目标天线温度的不同是由于装甲目标的立体特性造成的,进而提出了以立体率及立体特性标准差为指标的立体特性分析定量方法。为了表明分析的必要性及有效性,对不同探测条件下的装甲目标立体特性进行了仿真。仿真结果再次表明装甲目标立体特性的客观存在及研究的意义,同时获得了装甲目标立体特性随探测高度及探测角度的变化规律。本文为毫米波被动探测装甲目标辐射特性的研究提供了分析思路及数据支撑。

参考文献:

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冯建利(1981—),女,陕西人,现为西北工业大学博士研究生、西安石油大学讲师,主要研究方向为毫米波被动探测信号处理及目标识别技术;

FENG Jianli was born in Shaanxi Province, in 1981. She is now a lecturer and currently working toward the Ph. D. degree. Her research concerns passive millimeter wave detection signal processing and target recognition.

Email:fjlnwpu@ xsyu. edu. cn

陈 博(1979—),男,陕西人,2008年获硕士学位,现为工程师,主要研究方向为无线电;

CHEN Bo was born in Shaanxi Province,in 1979. He received the M. S. degree in 2008. He is now an engineer. His research concerns radio.

Email:cbstm2003@163. com

张效民(1963—),男,陕西人,西北工业大学教授、博士生导师,主要研究方向为水下通信系统及信号处理。

ZHANG Xiaomin was born in Shaanxi Province,in 1963. He is now a professor and also the Ph. D. supervisor. His research concerns underwater communication system and signal processing.

Modeling and Simulation Analysis of Armored Target’s Stereo Characteristic Detected by Millimeter Wave Radiometer

FENG Jianli1,2,CHEN Bo3,ZHANG Xiaomin2
(1. School of Computer Science,Xi'an Shiyou University,Xi'an 710065,China; 2. College of Marine Engineering,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,China; 3. Xi'an Institute of Electromechanical Information Technology,Xi'an 710065,China)

Abstract:In the past,for simple,the armored target is often equaled to the plane metal target in the research of passive millimeter wave(MMW) detection system,so the complex stereo characteristic is ignored. To solve this problem,this paper presents the concept of armored target's stereo characteristic,derives its objective existence theoretically,simulates and analyzes the stereo characteristic of armored target,and finally summarizes its impact factors. The conclusion of this paper has a certain reference value for the study of MMW radiation characteristics of armored target and the research in passive MMW detection field.

Key words:passive millimeter wave detection;armored target;stereo characteristic;simulation analysis

doi:10. 3969/ j. issn. 1001-893x. 2016. 02. 010引用格式:刘恒,赵宏伟,李维梅,等.平面稀疏阵列天线的约束优化设计[J].电讯技术,2016,56(2):166-170. [LIU Heng,ZHAO Hongwei,LI Weimei,et al. Constraint optimization of planar thinned array antenna[J]. Telecommunication Engineering,2016,56(2):166-170. ]

作者简介:

中图分类号:TN015；TP391. 9

文献标志码:A

文章编号:1001-893X(2016)02-0161-05

*收稿日期:2015-07-02;修回日期:2015-10-22 Received date:2015-07-02;Revised date:2015-10-22