陆地目标微波辐射特性及测量技术研究

李春华

（中海油信息科技有限公司湛江分公司，广东 湛江 524000）

微波具有热辐射特性，因此可以应用于无源微波探测，可以对陆地目标难以隐藏的微波热辐射信号实现探测。微波辐射探测作为极具应用前景新型探测技术，可以对目标加以被动探测。

1 陆地目标微波辐射特性

1.1 空气的辐射作用

将微波辐射计设置在特定位置，以一定的仰角对准陆地目标，辐射计的视在温度会受多种因素的影响，特别是空气存在的辐射作用，对地物自身的辐射也会产生影响。空气可以作为微波辐射的传输信道，但是由于空气中粒子的作用，会对微波辐射特性产生影响。在辐射计测量陆地目标时，要考虑到空气温度的影响。由于微波在空气中会发生衰减，因此影响到辐射计接收到的亮温。辐射计针对辐射亮温还要考虑到大气层中氧气和水蒸气的吸收和发射。为了准确估计空气引发的衰减，要确定衰减系数，将空气按指数加以分层，结合吸收系数的变化规律，确定衰减量。

1.2 地面背景的辐射

地面背景会影响到辐射计的视在亮温。大气辐射也具有亮温的反射，自身也会有辐射发出。电磁波从空气中入射到地面上，部分能量折射后被地面吸收，部分反射到空气中，因此不同地表条件的辐射率会存在差异。地表的辐射亮温会受到入射角的影响，地表辐射亮温受到的影响不仅来自于地表自身的辐射，还包括对大气向下辐射产生的反射。入射角小，并且辐射率大，这种情况下反射率小。地表辐射亮温会受到大地辐射的影响，如果入射角较大，辐射率偏小，反射率会增大。对于地表辐射温度的研究发展，辐射最大类型是草地，其次是水泥地面，水面是辐射最小的。地面的介电常数较为复杂，但是地面的辐射亮度会随入射角的增大而变小，但是变化量不大。

1.3 目标的辐射亮温

陆地目标的组成较为复杂，但材料多为金属。金属具有的辐射亮温类似于地表的辐射亮温，都存在自身的辐射与对周围环境辐射的散射，金属目标反射的辐射能量不同，与地面背景的辐射亮温会随仰角发生变化。在低仰角条件下，辐射计会受到草地的干扰，并且金属目标产生的辐射亮温会高于水泥地面。吸波材料的应用可以降低散射的目标，这种方式是在金属机体表面涂覆稀薄材料，吸波材料吸收电磁波的同时也会向外辐射电磁能量，会被微波辐射计探测出来。分析吸波涂层的发射率和反射率，可获知微波热辐射特性。

2 陆地目标微波测量技术

2.1 热敏电阻式测量技术

热敏电阻传感器依据原理不同细分为镇流电阻与热敏电阻两种。镇流电阻的特点是电阻温度系数与温升有关，热敏电阻体现为负温度系数。通过镇流电阻可以测量出存在电平功率。热敏电阻元件安装于同轴部位，可以保证微波毫米波的传输。热敏电阻的应用要考虑到环境，以保证热敏电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，机械设计要实现热隔离，防止受到外部振动的干扰，此外，还要加以屏蔽，降低泄露，防止外来微波功率影响到传感器。热敏电阻式传感器检测功率借助电桥来实现，由于技术的发展，热敏电阻检测功率采用了自动电桥，还会应用到具有温度补偿特性的自动平衡电桥。热敏电阻功率计具有的测量范围小、测量速度慢等局限性，已使其变为二极管式或热偶式功率计。热敏电阻功率传感器吸收的微波毫米波功率也具有热效应，“闭环”效果好，可用于功率溯源的传递。

2.2 热电偶式测量技术

20 世纪中后期，热电偶式功率计得以应用，在许多测量中取代了原有的热敏电阻式功率计。与热敏式功率计相比，热电偶式功率计具有明显的优势。不同于热敏电阻技术，此技术体现出更高的灵敏度，在实际测量中，功率可以降到1 μW。热电偶式传感器的应用要还要考虑到平方律特性（电压与微波功率会同步变化）。热电偶式传感器的端口可以保证驻波效果，能消除测量不确定性的影响。应用热电偶测量微波能量依据了在微波作用下物体会发热的原理。热转化为形成热电压，可通过两种性质不同的金属建立回路。回路中存在两个结点，一个结点存在热作用，另一个不存在，两个结点如果存在温差，回路闭合，电流在回路中可以流动。使用电压表能对回路净电势加以测量。在测量中，高频电磁场放置结点，吸收微波能量，结点的温度会发生变化，此时会产生电动势，可以测量出功率，其工作原理如图1 所示。

热电偶式功率计的测量依据了平均功率计算，能测量出CW，多音信号功率；还可以应用于脉冲调制、数字调制，热电偶式功率计测量的有效范围有限，只有50 dB，最小仅可测量1 μW 电平，不能测量峰值包络功率，随着技术的发展，当前高性能宽视频带宽二极管得以应用，成为主流。

2.3 二极管检波式功率测量技术

检测微波频段用到了整流二极管，测量功率用检波器可以显示微波信号。当前数字技术处于快速发展中，微波半导体技术实现了进步，许多新技术得以应用，如线性校准、温度补偿、因子修正等，利用二极管可以测量出功率变化，还可以测量出CW 平均功率的变化，调制信号能测量宽带峰值的变化。二极管功率传感器采用了平衡式检波，输入微波信号后，经过电容与衰减器的作用，借助负载实施匹配后，信号会进入到检波器，检波器在检波后会输出正负直流信号输出，通过滤波电容流入前置放大器，能有效消除中小信号存在的干扰，还可以避免热效应的影响，可以消除输入信号谐波引发的测量误差，提升信噪比。为了提升二极管检波的精度，通过标准校准源对检波测量加以线性校准，补偿后提升传感器的动态响应范围，可以达到-80～+30 dBm。还要考虑到数字调制信号与脉冲调制信号的影响，由于有不恒定幅度，检波二极管表达为检波电压非平方，信号检波调制后会影响到电压权值的变化，存在功率误差，校准源扩展了动态范围。

2.4 微波信号功率测试的新技术

半导体技术受到计算技术的带动，数字矢量调制技术得以应用。信号测量已从原有的载波调制进入到相位与幅度的综合调制载波。复用多址技术的应用扩大了时域分布范围，保证信号功率，不再使用简单周期性脉冲信号处理，提升了占空比的有效性，脉冲包络不再有，时域波形与随机噪声类似，峰值大于50 dB。调制技术的发展扩大了视频带宽与取样的范围，还可以保证实时采样速率。仪器具有多种触发功能，能有效识别自动帧模式信号，对特定数据处理后可以确保信号的功率特性。当前，微波波峰值功率测量的视频带宽已经达到了65 MHz，并且采样速率可以达到100 MHz 的水平，另外脉冲功率动态范围也可以达到60 dB，可测脉冲宽度的最小值能达到10 ns，在测量时的上升时间与下降时间在几纳秒内可以实现，可以准确测量出平均功率、峰值功率，可以测量脉冲包络多种时域的变化和幅度参数，还具有功率分析功能，可以对多种信号包络产生的功率特性加以统计分析，因此信号特性分析与系统设计有了更加真实的依据。应用功率传感器、峰值功率传感器，测量可以不用多次校准，现场测试易于实现。

3 结束语

陆地目标具有较为特殊的微波辐射特性，研究其特性，可以明确测量方式，以保证测量的有效性与准确性。在技术的发展中，可以使用多样化手段测量陆地目标微波特性，提升测量精度。