微波探测用的毫米波段入射微波束调制方法

摘要

微波探测用的毫米波段入射微波束调制方法，涉及用光学方法实现入射微波束调制的工艺。首先，选一种微波频率为94GHz、载流子浓度为每平方厘米10

说明书

                            技术领域

本发明涉及微波波束扫描进行探测时的毫米波段入射微波束调制方法，具体是指用光学方法实现入射微波束调制的工艺。

                            现有技术

微波探测可广泛地用于军事领域的目标搜寻、地雷探测和战况监视等探测工作，同样也可用于地理环境、国土资源和地质矿藏普查等工作。其中毫米波段的微波因为具有良好的角分辨率，所以特别适合在恶劣天气中或移动频繁的情况下对战场战况探测和军事目标搜索等，或对地质地貌等的探查。良好的角分辨率取决于微波在金属或其他表面的反射波，因为反射波可用来确定被探测目标的形状、性质以及运动规律。而反射波的方向由入射微波束的方向和被探测的目标的性质所决定的，所以必须获得入射微波束并且使入射微波束转向才能探测物体。目前，入射微波束的成形和转向是由预先建立好的庞大的微波天线阵列基站和大功率的微波扫描设备进行调制的。然后通过相应的微波接收装置才能完成探测任务。使用如此庞大的装备获得入射微波束，使探测工作变得十分繁重复杂和局限性很大，而且探测成本也很高，如此直接影响了采用微波进行搜寻、探测和监视军事目标和普查地理、地质、环境和国土资源等的普及工作。

                            发明内容

本发明的目的在于公开一种工艺简单、成本低廉的毫米波段的入射微波束成形和转向的调制方法。用本发明的方法得到的入射微波束能产生相应的反射微波束，从而能直接确定被探测目标的形状、性质以及运动规律，完成搜寻、探测和监视军事目标或地理环境、国土资源和地质普查。

为了实现上述目的，本发明是这样进行的。首先，根据理论分析与模拟计算选取一种硅材料，该硅材料的微波频率为94GHz、载流子浓度为每平方厘米10¹²、载流子寿命为10^-4秒，表面载流子的复合速率达到10²～10³厘米/秒的范围。然后采用脉冲激光照射该硅材料表面，脉冲激光采用1.06微米，照射的激光能量达到10^-5焦耳/平方厘米数量级，并且在硅表面形成常数为0.7～0.8厘米的光栅条纹，该光栅的亮条纹与暗条纹对比度相当明显。最后，用微波发生器发出微波频率为94～100GHz的入射微波束，并以与已形成光栅的硅表面的法线为30°的入射角入射，在硅表面法线的另一侧，将产生30°夹角的反射微波束，使得在硅表面的亮条纹与暗条纹的位置随时间连续变化，连续变化的范围为反射微波束与硅表面法线成30°～60°之间，从而完成了入射微波束的成形和转向。

本发明的最大优点是利用硅表面的载流子浓度可由光学方法控制和调制的特性，在硅材料表面形成入射微波束，当微波束的入射角不变时，反射微波束的方向就随时间被调制，实现了微波束的转向，从而控制了反射微波束的方向。即不仅是微波束在硅材料上的入射和反射可以用光学控制实现，而且微波束的成形和转向也可通过对微波束的振幅调制得以实现。因此，本发明的工艺十分简单、成本仅为现有成本的1/10不到。

本发明的另一个优点是由于在硅材料表面形成的入射微波束是毫米波段的，因此不光被广泛地用于军事领域的目标搜寻、探测和监视等以及地理环境、国土资源和地质普查等，而且特别适合应用在恶劣天气下的战场的探测或搜索灵活移动的军事目标。

本发明还有一个优点是扩大了探测应用领域，由于采用了微波发生器发出的入射微波束的振幅进行调制，即在到达硅表面时，能产生入射微波束或人为的改变反射微波束的方向，而不需要庞大的微波天线阵列基站，因此本发明可应用于其它如海关查毒品等领域，具有十分重要的意义。

                             附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图

图2为本发明的受脉冲激光照射后硅表面形成的相位光栅示意图

                          具体实施方式

请参阅图1和2。首先委托加工一块硅板，要求该硅板的微波频率为94GHz的波段，载流子浓度每平方厘米为10¹²、载流子寿命约为10^-4秒，硅板表面载流子的复合速率达到10²~10³厘米/秒的范围。然后在与硅板的法线成90度，即与硅板表面垂直方向，采用1.06微米的脉冲激光照射硅表面，脉冲激光的激光能量达到10^-5焦耳/平方厘米数量级，利用光学干涉技术可在硅板表面形成相位光栅：光栅常数约为0.7～0.8厘米，从图2可见，亮条纹与暗条纹对比度相当明显。接着，采用一个微波发生器，发出的入射微波束以与硅板表面法线成30°的入射角入射到硅板时，其反射微波束在硅板表面法线的另一侧，亦为30°夹角。当硅板表面的相位光栅通过脉冲激光的激光光强空间调制时，使得在硅表面的亮条纹与暗条纹的位置随时间连续变化，就可以使反射微波束与硅板表面法线成30°～60°的范围内变化，从而实现微波束的转向与调制。只要通过与其相匹配的传统的微波接收装置，就可以完成探测任务。

工作原理

在高强度激光照射下，半导体材料中的束缚电子产生非简谐运动，使得材料的光学特性发生改变。本发明选用的硅材料吸收了脉冲激光产生的入射光后，硅中的价带电子吸收光子跃迁到导带，在材料内部形成了电子-空穴对，这时硅的折射率将发生改变：当用光强空间调制方法，使脉冲激光在某个方向上具有空间周期分布的强度调制时，在硅表面由光激发形成的电子-空穴对的浓度在该方向上也会形成周期性的变化。由此引起的硅折射率的变化也具有相同的空间周期调制特征。这就是在硅材料中形成光诱导的相位光栅的原理。

当微波发生器发出的入射微波束入射到具有光诱导相位光栅的硅表面时，此微波束就会在硅表面发生反射。反射微波束的方向由入射角和硅表面的相位光栅的光栅常数决定。这就是著名的布拉格衍射方程。

                sinφ+sinθ＝mλ/Λ

其中φ为微波束的入射角，θ为反射角，m为反射级次，λ为微波束的波长，Λ为诱导光栅的光栅常数。

当用本发明方法调制硅表面的电子-空穴对浓度时，硅折射率变化受到相同的调制，从而硅表面相位光栅的光栅常数Λ也受到相同的调制。由布拉格衍射方程可知，当微波束的入射角不变时，反射微波束的方向就随着被调制，这就实现了微波束的转向。由于本调制方法是使用光学方法，故称为用光学方法实现微波束的调制。