微波辐射计空间分辨率及稳定度的理论和实验研究

摘要

微波辐射计是能测量低电平微波辐射的高灵敏度接收机，是微波无源探测的重要工具，在微波遥感、制导、隐匿危险品的安检、精密测量、医疗诊断以及环境监测等领域都具有广泛的应用前景。随着应用技术的日益成熟和发展，人们对微波辐射计的性能也提出了越来越高的要求。提高微波辐射计的空间分辨率需要构建大尺寸的实孔径天线，这不仅不适合于机载和星载微波辐射计，而且随着天线波束在被测场景驻留时间的减少降低了微波辐射计的灵敏度，因此微波辐射计空间分辨率和实孔径天线尺寸之间的矛盾是当前急需解决的问题之一。此外，受微波辐射计系统增益和本机噪声波动的影响，研制出具有长期稳定度的微波辐射计是比较困难的，所以提高微波辐射计的长期稳定度也是目前有待解决的关键问题。本文针对以上问题，首先研究了采用干涉测量成像技术提高微波辐射计空间分辨率的方法。分析了各种干涉测量微波辐射计的基本工作原理、空间分辨率与灵敏度，进行了一维噪声点源成像实验。同时，本文研究了采用周期定标技术提高微波辐射计长期稳定度的方法。研制了8mm周期定标辐射计的样机，对其灵敏度、稳定度和精度进行了理论分析与实验测试。
　　 本论文的研究工作主要包括如下几个方面：
　　 (1)对综合孔径微波辐射计的工作原理、空间分辨率与灵敏度进行了分析；比较了综合孔径微波辐射计辐射测量灵敏度和图像灵敏度的计算公式；研究了通道相位不平衡和幅度不平衡对综合孔径辐射计灵敏度的影响；相关辐射计是综合孔径微波辐射计的基本单元，我们先后研制了8mm零中频双通道相关辐射计以及8mm二次变频双通道相关辐射计，随后进行了一系列的数字相关实验，并利用移动基线的方法完成一维噪声点源成像实验，验证了利用小天线阵列获取高空间分辨率的方法；分析了机载T型综合孔径辐射计用于金属目标探测的性能，给出探测目标最大距离的计算公式。
　　 (2)超综合孔径辐射计通常采用匹配滤波技术获取微波辐射计图像，本文研究了超综合孔径辐射计采用傅氏反演方法进行成像的基本理论，给出了空间分辨率与灵敏度的计算公式，并利用8mm零中频双通道相关辐射计分别采用傅氏反演方法和匹配滤波方法反演出噪声点源的一维图像。
　　 (3)推导了综合孔径微波辐射计、超综合孔径辐射计、多普勒微波辐射计、相控阵微波辐射计以及焦平面微波辐射计的测不准方程，比较了以上所有类型阵列天线微波辐射计的测不准方程。
　　 (4)分析了周期定标辐射计灵敏度、精度和长期稳定度，并研制了一种8mm周期定标微波辐射计。该辐射计采用直放式接收机体制，与传统的超外差式接收机相比具有更宽的系统带宽；利用有源噪声源的开和关作为高温和低温定标源，极大的简化了系统结构；采用 积分电路和数字积分器相级联的积分方法，可以方便灵活的设置辐射计的积分时间。最后对周期定标辐射计灵敏度和长期稳定度进行了测试，实验结果表明该8mm周期定标辐射计有较高的灵敏度和稳定度。