微波技术与天线

微波技术与天线论文摘要：遥感技术是以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的一门新兴的多学科交叉的综合性技术。遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思，即不直接接触物体本身，从远处通过遥感器探测和收集来自目标物体的数据资料（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并经过信息的传输及其分析处理，进而识别物体的属性及其分布等特征。作为遥感技术重要分支的微波遥感以其全天候工作、对地表有穿透能力及其有别于红外线、可见光以外的特征信息等特点，在军事、民用等方面得到了广泛的应用。Remotesensingtechnologyisbasedontheaerialphotographytechnology,isdevelopedintheearly1960sanewandmoreinterdisciplinarycomprehensivetechnology.Remotesensingistheuseofremotesensorstodetectthenatureofthegroundobjectfromtheair,it'sdifferentaccordingtodifferentobjectsofspectralresponse,theprincipleoftheidentificationonthegroundofvariouskindsofgroundobjects,aremotesensingthemeaningofthings,thatisnotdirectcontactwiththeobjectitself,fromadistanceviaremotesensordetectionanddatacollectedfromthetargetobjects(suchaselectricfield,magneticfield,electromagneticwaveandseismicwaveinformation),andthroughtheinformationtransmissionanditsanalysisandprocessing,andthenidentifytheobject'spropertiesandtheirdistributioncharacteristics.Asanimportantbranchofmicrowaveremotesensingremotesensingtechnologywithitsall-weatherwork,havepenetrationonthesurfaceandthecharacteristicofinfraredandvisiblelightinformationandothercharacteristics,widelyinthefieldofmilitaryandcivilianapplications.关键词：微波遥感系统；组成；基本原理1.前言：遥感技术是以航空摄影技术为基础，在20世纪60年代初发展起来的一门新兴的多学科交叉的综合性技术。经过几十年的迅速发展，到21世纪初遥感技术已广泛应用于资源环境、水文、气象，地质地理等各个领域，成为空间技术与电子技术相结合的先进产物。遥感是利用遥感器从空中来探测地面物体性质的，它根据不同物体对波谱产生不同响应的原理，识别地面上各类地物，具有遥远感知事物的意思，即不直接接触物体本身，从远处中央民族大学本科生论文2通过遥感器探测和收集来自目标物体的数据资料（如电场、磁场、电磁波、地震波等信息），并经过信息的传输及其分析处理，进而识别物体的属性及其分布等特征。作为遥感技术重要分支的微波遥感以其全天候工作、对地表有穿透能力及其有别于红外线、可见光以外的特征信息等特点，在军事、民用等方面得到了广泛的应用。2．微波遥感概述微波遥感是以地球为研究对象，通过电磁波传感器，收集地面目标辐射或反射的电磁波，获得其特征信息，经过接收记录、数据传输和加工处理，变成人们可以直接识别的信息或图像，从而揭示被测目标的性质和变化规律。微波遥感系统遥感工作平台、遥感器、无线电通信系统及信号处理系统组成，负责对探测对象电磁波辐射的收集、传输、校正、转换和处理的全部过程。也就是将物质与环境的电磁波特性转换成图像或数字形式。其一般过程为：地面目标的电磁辐射通过周围环境进入遥感器后，遥感器将目标的特征信息加以接收、记录和处理后，再以无线电方式送给信息处理系统，信息处理系统将遥感器信息进行加工处理，变成人们能够识别和分析的信号或图像。基本过程如图1。图1微波遥感基本过程3．微波遥感系统组成模块及其工作原理3.1遥感工作平台3.1.1主要分类遥感工作平台是安装遥感器仪器的运载工具，用于安置各种遥感仪器，使其从一定高度或距离对地面目标进行探测，并为其提供相关技术保障和工作条件。现代遥感平台有气球、飞机、人造地球卫星和载人航天器等。根据遥感目的、对象和技术特点（如观测的高度或距离、范围、周期，寿命和运行方式等），大体分为：①地面遥感平台，高度约为0-50米，如固定的遥感塔、可移动的遥感车、舰船等；②航空遥感平台(空中平台)，高度约为百米至万米不等，如各种固定翼和旋翼式飞机、系留气球、自由气球、探空火箭等；③航天遥感平台（空间平台），高度约为150-36000千米，如各种不同高度的人造地球卫星、载人或不载人的宇宙飞船、航天站和航天飞机等。这些具有不同技术性能、工作方式和技术经济效益的遥感平台，组成一个多层、立体化的现代化遥感信息获取系统，为遥感器无线电通信系统信号处理系统电磁波接收控制分析、处理解译记录传输数据图像中央民族大学本科生论文3完成专题的或综合的、区域的或全球的、静态的或动态的各种遥感活动提供了技术保证。3.1.2工作原理（以航天遥感平台为例）航天遥感资料主要来自于人造卫星。在不同高度的遥感平台上，可以获得不同面积，不同分辨率的遥感图像数据。遥感平台飞行中主要出现三轴倾斜姿态：滚动（横向摇摆），俯仰（纵向摇摆），偏航（偏移运行轨道），如图2。图2三轴倾斜卫星在空间运行，遵循天体运动的开普勒三定律：（1）开普勒第一定律：星体绕地球（或太阳）运动的轨迹是一个椭圆，地球（太阳）位于椭圆的一个焦点上。轨道离地球最近的点成为近地点，反之为远地点。（2）开普勒第二定律：也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。卫星在离地球近的地方经过时的速度快，远的位置速度较慢。（3）开普勒第三定律，也称调和定律，也称周期定律：是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，K是常数，其大小只与中心天体的质量有关。常用于椭圆轨道的计算。即：，其中，，M为中心天体的质量。另外，遥感卫星高度，即卫星距地面高度为H=（T２/C）１／３-R，从该式也可求出运行周期T。而重复周期为卫星从某地上空开始运行，经过时间的运行后回到该地上空时所用的天数。3.2微波遥感器3.2.1主要分类微波遥感系统的遥感器工作在微波波段，遥感方式可分为被动遥感和主动遥感。所谓被动遥感，是指遥感器直接接收目标的反射或散射信号；而主动遥感是指利用人工辐射源向目标发射电磁波，在接收由目标反射或散射的电磁波。另外，由带有微波发射源，能产生微波并把它发射出去探测远处的景物，再接收从景物反射或散射回来的微波的遥感器，称为有源微波遥感器，如侧视雷达、微波散射计、微中央民族大学本科生论文4波高度计等。不带有微波发射源，不能产生和发射微波，只接收景物自身辐射出来的微波的遥感器，称为无源微波遥感器，如各种类型的微波辐射计。3.2.2工作原理微波入射土地表面时，它的一部分能量被地表面散射到大气中，其余部分则穿过表面进入土地内部。表面散射的现象称为面散射。进入由不均匀媒质组成的土地的微波还会发生散射现象，称为体散射。体散射的结果又使一部分能量穿过地表界面回到大气中。体散射发生深度通常称为穿透深度，用δp表示。影响穿透深度的两个主要因素是波长和媒质的含水量。一般干燥物体的穿透深度近似地可表示为式中λ0为自由空间的波长;ε′和ε″分别为复介电常数的实部和虚部,ε′为介电常数,通常为1.2～6,ε″为损耗因子,一般小于0.1。对于干燥物质,ε″/ε′1,穿透深度至少可以达到几个波长。L波段的微波(如λ0＝23.5厘米)在干旱沙漠地区的穿透深度很大。水分含量对穿透深度有很大影响。由于水的ε′和ε″一般比干燥物质大一个数量级以上,穿透深度将按指数律下降。波长越长或水分越少，穿透深度就越大。对于多层媒介物质，例如雪或植被覆盖下的土地，要获取上层地物（雪、植被）的数据或图像，必须使用较短的波长；要检测被雪或植被掩盖下的地貌特征，则应采用较长的波长。使用较长波长的成像雷达所获得的图像不仅能显示出被植被掩盖着的某些地表特征，还能显示出干燥土层下面的地质构造特征。成像雷达的这些特点对于干旱地区和森林茂密地区的勘察和开发极为有益。根据经典衍射限分辨率的概念，光学和微波成像系统的空间分辨力直接与波长有关，波长越长，分辨能力越差，可近似地表示为式中ρ为线性分辨力；λ为波长；D为天线的孔径尺寸(在光学成像系统中D为光学成像透镜的孔径);R为天线或透镜与景物的距离。微波的波长比可见光和红外线的波长大得多，因此一般微波遥感器（合成孔径雷达除外）的空间分辨力比可见光系统或红外系统的低得多。(1)微波辐射计任何温度高于绝对零度的物体，都会有热辐射，热辐射的波长范围从1um到1m左右，而热辐射的频率主要取决于物体的温度和比辐射率。比辐射率表示物体通过辐射释放热量的难易程度，两个在同样环境中温度形同的物体，具有较高比辐射率的物体将更强烈地辐射出热射线。从天线接收到的微波辐射能量和参考负载在开关的控制下交替输入到接收机，开关周期t一般为10﹣３至10﹣１s。于是检波前部分的输入功率分别来自天线的信号和参考负载的噪声功率，忽略输入开关的上升、衰落时间对接收机波形的影响，则开方率检波后的直流电压为u=CGkB(T+T1)或u=CGkB(T+T1)。其中，C为平方律检波灵敏度，k为玻尔兹曼中央民族大学本科生论文5常数，G,B分别为滤波放大部分的增益和带宽。如图3为微波比较辐射计工作原理。图3微波比较辐射计工作原理根据辐射定律，辐射计接收到一般物体的微波热辐射功率为P＝kεTB，式中k为玻耳兹曼常数；ε为物体表面发射率(0＜ε＜1)，它与物体的表面性质、复介电常数和实际温度有关，也与频率、极化和测量时的入射角有关;T为物体的绝对温度；B为辐射计的射频带宽。通常把乘积εT称为物体的亮度温度（简称亮温）Tb，或称视在温度。于是上式可写成P＝kTbB这表明,辐射计接收到的辐射功率P直接与物体的亮温成比例，而亮温则隐含有物体的某些特征信息。热成像微波辐射计一般为扫描型，通常由一开关式接收机、一个可扫描的天线和一套数据处理设备组成。天线对地表扫描，地面目标的热辐射通过接收设备形成目标的亮度温度分布，再通过数据处理设备转换成正比于亮温的灰度分布，从而得到以灰度等级显示的图像。（2）微波成像雷达主动式微波遥感器实质上就是遥感雷达，它向目标发射微波信号，由于目标的几何形状、性质不同，接收到的回波的强度、极化、散射特性也不同，从而可以提取所需信息。在遥感雷达中，微波成像雷达是典型的，它能提供目标图像。微波成像雷达可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达两类。机载测试雷达是将一个长的水平孔径天线装在飞机的一侧或两侧，天线将微波能量集中成一个窄的扇形波束并在地面形成窄带，如图4,。天线将脉冲微波能量相继照射到窄带各点，不同距离目标反射回来的回波在接收机中按时间先后分开，一个同步的强度调制光点在摄影胶片或显示器上横扫一条线，以便在于目标的地面距离成比例的地方记录目标的回波，当各条回拨记录好后，再发另一个脉冲经行另一次扫描，从而产生条带状的雷达图像。中央民族大学本科生论文6图4机