目标环境探测识别

3.1地震波传播理论基础3.1.1地震波的分类第三章地震动探测技术地震波体波面波纵波横波瑞雷波乐夫波传播方向与质点振动方向一致传播方向与质点振动方向垂直沿自由表面传播时，轨迹呈逆进椭圆垂直于波的传播方向且平行于界面在地球介质内独立传播在一定条件下形成相长干涉并叠加产生3.2.2信号分析对地震动信号进行变换处理，从中提取出反映目标本质属性的特征信息。任务：方法：时域、频域或时频特征分析与识别。1、过零分析对确定时间段内的时域信号将其幅值与设定阈值比较，计算信号正向越过或负向越过阈值的次数。信号的过零数与信号的采样率有一定关系，在一定采样率下，若信号是频率为f的正弦信号，则其过零数为：kfN3.2地震动信号检测系统3.2地震动信号检测系统人员行走信号时域图轮式车行驶信号时域图根据某一标准设定一门限值时，脚步信号的过零点数远低于车辆的过零点数。优点：不采用绝对值和实际零点，能够适应较多地质条件，且具有一定的抗干扰能力；与频谱分析比较它计算量小，算法简单，易实现，而且硬件成本低。3.2地震动信号检测系统信号的时域分析是最常用的信号分析手段，用示波器、万用表等普通仪器直接显示信号波形，读取特征参数。周期T，频率f=1/T峰值P，双峰值Pp-ptATPPp-p2、时域分析3.2地震动信号检测系统均值TTTxdttxtxE01)(lim)]([均值E[x(t)]表示集合平均值或数学期望值。0Atx均值：反映了信号变化的中心趋势，也称之为直流分量。3.2地震动信号检测系统均方值工程测量中仪器的表头示值就是信号的有效值。信号的均方值E[x2(t)]，表达了信号的强度；其正平方根值，又称为有效值(RMS)，也是信号平均能量的一种表达。22120xTTTExtxtdt[()]lim()3.2地震动信号检测系统方差方差：反映了信号绕均值的波动程度。信号x(t)的方差定义为：22120xTTxTExtExtxtdt[(()[()])]lim(())大方差小方差5.2.1几何截断定距（三角定距法）1、原理将4～6组激光发射器和接收器在弹体周向均匀排列形成360°的发射接受视场。安装时发射器与接受器存在一定倾角，这样使发射视场与接受视场在前方某一区域重合，发射光束轴线与接受光束轴线交与一点，其底边高即为作用距离。5.2激光的定距原理脉冲调制器点火电路激光器信号处理光敏管发射光学系统接收光学系统目标作用区接收视场由于半导体激光器发出激光通常具有较大的束散角，所以采用凸透镜或透镜组对激光器发出的激光进行准直，并采用柱镜或反射光锥在弹体径向进行扩束。2、组成发射光学系统接受光学系统将目标发射光能量收集并聚到光电探测器上。一般单个透镜，并将光电探测器放在透镜焦平面上。系统的半场视角为：,2fd系统立体角为：5.2激光的定距原理接收的回波功率由激光引信的距离方程可知：d—光电探测器直径；f—透镜焦距；Ad—光敏面积；fAd2注：接收视场的大小与光敏面积及光学透镜的焦距有关，获得尽可能大的接收视场必须选用光敏面积大的探测器及减小光学镜头焦距。22)(RAeRKPPrRrttrPr—接收功率；Pt—发射功率；ηt—发射光学系统效率；ηr—接收光学系统效率；K(R)—发射视场与接收视场部分重合造成的衰减；ρ—目标发射率；σ—大气衰减系数；R—激光器到目标的距离；Ar—接收光学系统的孔径面积；5.2激光的定距原理光电探测器中主要采用光敏二极管。光敏二极管原理与普通二极管基本相同。正常工作时，在未受光照时，电流几乎为零；受光照时，电流迅速增加并随光强度增加而增大。5.2激光的定距原理光电探测器注：光敏二极管需在反向偏压条件下工作。2、特点优点：定距精度高；360度全向探测；处理电路简单。缺点：对于发射特性差别大的目标难以设定统一的作用门限；作用距离不能现场装定。5.2激光的定距原理5.2.2距离选通定距1、原理脉冲调制器激励半导体激光器发射光脉冲，通过发射光学系统形成一定形状的激光束，光脉冲照射到目标后，一部分光反射到接收光学系统，然后聚在光敏管上输出电脉冲，经过放大整形等信号处理送到选通器。另一路脉冲调制器发出激励信号经延迟器适当延时后控制选通门。通过适当的延时可以实现预定距离范围内起爆。脉冲调制器延迟器选通器点火电路激光器放大器光敏管发射光学系统接收光学系统目标前置放大器，完成传感器与后续电路的性能匹配，要求必须为低噪声且有足够高的增益两项指标。原因：多级放大器的噪声模型为，等效到输入端的噪声电压为：2、组成5.2激光的定距原理放大电路222212222221222323212122222212122nonnnnnonnonnnnnsniKKKrIEKKrIEKrIERIEEEroi—第I级放大器的输出电阻；Eni—第I级放大器等效噪声电压；Ki—第I级增益；Ini—第I级放大器的等效噪声电流；Ens—信号源等效噪声电压。由上式可知：当第一级放大器的增益足够高时，多级级联放大器的等效输入噪声主要由第一级的噪声水平决定。主放大器需满足高增益和宽带频。为提高定距精度需调整主放大器增益来控制回波脉冲幅值。对于距离分档可调时，装定距离的同时装定增益使每个距离档对应一个增益档。另外对于目标反射率造成信号幅值变化则使用自动增益控制来解决。调整延时参数实现作用距离装定并补偿系统各元器件延时容差。5.2激光的定距原理延迟器选通器近似认为数字电路中的“与”门3、特点①利用脉冲相位差比利用脉冲强度更可靠，避免功率波动，目标光特性及大气传输条件的影响。②降低了虚警率，提高了效率。5.2激光的定距原理5.2.3脉冲鉴相定距原理1、原理选通器改为鉴相器，基本原理同上。脉冲调制器延迟器鉴相器点火电路激光器放大器光敏管发射光学系统接收光学系统目标5.2激光的定距原理2、组成脉冲鉴相器当回波脉冲与参考脉冲重合时即目标作用距离，或回波脉冲超前参考脉冲即小于目标距离。鉴相器触发输出信号，当回波脉冲滞后参考脉冲时鉴相器无输出信号。注：在较近距离时为避免空中悬浮粒子向后散射造成系统虚警，则采用双鉴相电路。3、特点①定距精度进一步提高。②作用距离现场装定。③抗干扰能力进一步提高第五章激光探测技术5.3激光的测距原理5.3.1脉冲激光测距机原理当回波脉冲与参考脉冲通过测定由测点射向目标，并经目标反射回来的光脉冲飞行时间来测定目标与测定间的距离。设光在大气中的传播速度均匀，测定到目标间距离r为:1、原理ctr21c—光速，t—脉冲飞行时间当测距精度为：)(21cttcr5.3激光的测距原理2、组成脉冲式激光测距机是通过时间的直接测量而测距的，即用脉冲光波，当发射的光脉冲被远处目标反射回来后，通过一个测量时间的装置直接测出激光往返的时间t，进而求出距离D。具体如下图所示，它包括时标振荡器、门电路、脉冲计数电路和记录装置几部分。脉冲激光测距机系统组成测距时，激光脉冲射向目标，在同一瞬间由光电二极管取出一小部分光脉冲信号送入接收系统的门电路，把“门”打开，使时标振荡器输出的时标脉冲通过“门”进入计数显示系统记录下来。当目标反射回来的脉冲信号被接收后，通过放大器送入门电路，即刻把“门”关闭，使计数器停止工作。5.3激光的测距原理5.3.2相位式激光测距机原理1、组成相位式激光测距机是对时间的间接测量，即用连续光波通过一个调制器让激光强度按调制信号随时间而变，测出该光波在时间t内的位相变化从而计算出时间t。具体组成如图示。回波信号经物镜接收后送到光电探测器，经鉴相器比较返回光束和发射光束之间的相位，从而求出相差：5.3激光的测距原理ftNN2)(2N—整数周期的数目；ΔN—周期的小数；f—调制频率。考虑时间与距离的关系，有：)(21NNfcctDc—光速，在测距机中，常称c/（2f）为测尺长度，f为测尺频率。激光器调制器发射系统接收系统鉴相器显示目标相位式激光测距机系统组成5.3激光的测距原理注：在鉴相器只能测出小数周期，还未能测出整数相位数N，为此在测距机设置几种不同的测尺频率进行分段测量。每一频率所测量的距离均小于相应的测尺长度，用它们分段测量某一距离，然后将各自所测的结果组合起来，就可得到所有测量的距离5.3.3激光测距的作用距离方程4422222121rAtAtrDrTrTKPPPr—接收到的回波信号功率；Pt—激光源的发射功率；TA1—激光光源到目标的大气透过率；TA2—目标到接收机的大气透过率；ηt、ηr—发射、接收光学系统光学效率；K—激光光束轮廓参数；θ—光束束宽；r1—发射机到目标距离；r2—目标到接收机的距离；Γ—目标的激光截面；D—接收机的接收系统有效孔径；能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体，叫黑体。在毫米波段，黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的物体。它是一个良好的吸收体，还是良好的发射体。1901年普朗克通过证明，假设能量辐射仅以离散能量的量子出现。则一个黑体在温度为T，频率为f，其亮度为：6.2毫米波辐射计的探测原理6.2.1物体的电磁辐射特性第六章毫米波探测技术1、黑体辐射11223KthfbbeChfLh—普朗克常数；K—波尔兹曼常数；C—光速t—温度，K；f—频率完全吸收并完全发射的绝对黑体实际不存在，它是一种理想的物体。为了与黑体这一术语相对应，实际的物体称为灰体。一个灰体辐射的功率，可用比该灰体实际温度更低的等效黑体所辐射的功率来代替。一般把此等效黑体的温度称为物体的表观温度，也叫亮度温度。物体表观温度与物体实际温度之比定义为该物体的频谱发射率。注：亮度定义是单位频率、单位黑体的发射面积、单位立体角的功率。亮度与频率和温度有关，与方向无关。2、表观温度6.2毫米波辐射计的探测原理注：在毫米波探测装置中均将频谱发射率简称为发射率。黑体的发射率为1，故黑体的表观温度与它的实际温度相等。在毫米波段，吸收室的高吸收材料可以很好近似为黑体，在有限的入射角范围内可以得到高达0.99的发射率。对于高导电金属板是良好的反射器，可以把它看作非发射体，其发射率为0。如一块金属板，发射率为0，常温t=300K，它的tap=0；当t=500K时，表观温度仍为0。6.2毫米波辐射计的探测原理6.2.2天线的基础知识1、天线的地位和作用无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。2、天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难。6.2毫米波辐射计的探测原理若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。立体方向图垂直面方向图水平面方向图立体方向图垂直面方向图6.2毫米波辐射计的探测原理也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向。平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。下面的水平面方向图说明了反射面的作用--反射面把功率反射到单侧方向。6.2毫米波辐射计的探测原理抛物反射面的使用，更能使天线的辐射，像光学中的探照灯那样，把能量集中到一个小立体角内，从而获得很高的增益。不言而喻，抛物面天线的构成包括两个基本要素：抛物反射面和放置在抛物面焦点上的辐射源。方向