無源毫米波成像雷達(dá)準(zhǔn)光路及聚焦天線設(shè)計(jì)

王楠楠,陸滿君,高昂卓,王碧芬,王鵬程,邱景輝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001;2.上海無線電設(shè)備研究所,上海 201109)

0 引言

對(duì)空中目標(biāo)尤其是空中隱身目標(biāo)的探測(cè),是當(dāng)前戰(zhàn)爭中的重要制敵手段。目前用于探測(cè)空中目標(biāo)的雷達(dá)主要有激光雷達(dá)[1-2]、紅外與可見光雷達(dá)[3]、微波主動(dòng)和被動(dòng)雷達(dá)等。微波主動(dòng)雷達(dá)[4]成像效果好,能夠形成高對(duì)比度的圖像,但由于自身發(fā)射信號(hào),導(dǎo)致隱蔽性較差。另外,隨著隱身技術(shù)的發(fā)展,目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積降低,這對(duì)微波主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)的隱身目標(biāo)探測(cè)性能提出了更高的要求。激光、紅外和可見光雷達(dá)探測(cè)受天氣和大氣影響大,無法實(shí)現(xiàn)全天候工作[5]。以非合作目標(biāo)為輻射源的微波被動(dòng)雷達(dá)[6]本身不發(fā)射電磁信號(hào),隱蔽性較好,也具有一定的隱身目標(biāo)探測(cè)能力。但由于依賴于其他各種非合作目標(biāo)發(fā)射的電磁信號(hào)[7],微波被動(dòng)雷達(dá)存在緊急狀態(tài)下因非合作目標(biāo)被關(guān)閉而失去探測(cè)跟蹤能力的情況[8]。

無源毫米波成像雷達(dá)利用毫米波段輻射計(jì),完全被動(dòng)地接收來自目標(biāo)和背景的毫米波段的輻射信號(hào),根據(jù)目標(biāo)和背景的輻射亮度溫度差異來探測(cè)目標(biāo)。無源毫米波成像雷達(dá)具有探測(cè)隱身目標(biāo)能力強(qiáng)、隱蔽性好、不依賴于非合作目標(biāo)發(fā)射信號(hào)的優(yōu)點(diǎn),并能實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候工作,對(duì)于空中目標(biāo)探測(cè)具有極其重要的意義。

相比于非成像無源毫米波雷達(dá),無源毫米波成像雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果更直觀,獲得的目標(biāo)細(xì)節(jié)特征更豐富。焦平面陣列成像是無源毫米波雷達(dá)成像探測(cè)的一種重要體制。該體制將毫米波輻射計(jì)陣列置于聚焦天線的焦平面上,采用凝視陣或輻射計(jì)線陣結(jié)合機(jī)械掃描來覆蓋視場(chǎng)。在焦平面陣列成像系統(tǒng)中,饋源天線偏離焦點(diǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生波束畸變,影響系統(tǒng)的空間分辨率。因此研究無源毫米波成像雷達(dá)的準(zhǔn)光路和聚焦天線設(shè)計(jì)方法,分析天線的聚焦特性,對(duì)于系統(tǒng)性能提升具有重要的意義。

本文采用理論建模、仿真分析的方法,設(shè)計(jì)用于無源毫米波成像雷達(dá)的準(zhǔn)光路和聚焦天線。對(duì)比拋物面和偏置拋物面兩種結(jié)構(gòu)形式的反射面聚焦天線的聚焦特性,并分析35 GHz和94 GHz頻段饋源焦徑比、偏焦角度等對(duì)聚焦天線性能的影響。采用角錐喇叭天線陣列作為聚焦天線饋源陣列,研究低互耦饋源天線陣列,并分析天線饋源支架對(duì)其聚焦特性的影響。比較喇叭饋源與理想高斯饋源照射時(shí),聚焦天線方向圖性能的差異。最后探討系統(tǒng)增加支架支撐的影響。

1 準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)及天線理論模型

1.1 無源毫米波成像準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)

(1) 準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)原理

為了平衡無源毫米波成像雷達(dá)成本與成像實(shí)時(shí)性的矛盾,在焦面陣成像系統(tǒng)中,通常采用輻射計(jì)線陣結(jié)合機(jī)械掃描的方式覆蓋視場(chǎng)。準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)示意圖

圖1中,以拋物面天線作為聚焦天線,聚焦天線口徑為D,毫米波輻射計(jì)陣列一維排布在以拋物面天線頂點(diǎn)為圓心、以拋物面焦距f為半徑、偏離聚焦天線軸線±θm的圓周上,饋源橫向排布范圍為2x。α為饋源天線對(duì)聚焦天線的半張角。無源毫米波雷達(dá)準(zhǔn)光系統(tǒng)通過一維輻射計(jì)和饋源天線陣列覆蓋俯仰向15°的視場(chǎng),通過機(jī)械掃描實(shí)現(xiàn)方位向360°空域覆蓋。同時(shí),可以通過俯仰向的掃描實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋。

(2) 角分辨率

根據(jù)瑞利準(zhǔn)則,無源焦平面成像系統(tǒng)最小分辨角δ(近似等于最佳照射時(shí)的天線半功率波束寬度)可表示為式中:λ為波長。采用中心工作頻率為35 GHz和94 GHz 的輻射計(jì),其工作波長分別為8.57 mm 和3.20 mm,當(dāng)聚焦天線口徑D為1 500 mm 時(shí),角分辨率分別為0.40°和0.15°。

(3) 采樣

為滿足奈奎斯特完全采樣條件,每個(gè)波束需采樣2次,則15°視場(chǎng)范圍內(nèi),35 GHz頻段需采樣75個(gè)點(diǎn),94 GHz頻段需采樣200個(gè)點(diǎn)。但實(shí)際上受限于輻射計(jì)天線陣列橫截面尺寸和系統(tǒng)成本,在輻射計(jì)線陣方向(本設(shè)計(jì)的俯仰向)通常采用欠采樣。

對(duì)于方位向采樣,不僅要考慮奈奎斯特采樣率,還要考慮采樣間隔、成像幀頻和輻射計(jì)積分時(shí)間的關(guān)系。每個(gè)波束采樣2次,360°視場(chǎng)范圍內(nèi),35 GHz頻段需采樣1 800個(gè)點(diǎn),94 GHz頻段需采樣4 800個(gè)點(diǎn)。若系統(tǒng)幀頻為0.33 Hz,掃描360°形成一幅條帶圖像所需時(shí)間為3 s,則35 GHz 頻段每個(gè)采樣點(diǎn)駐留的時(shí)間為1.670 ms,94 GHz頻段每個(gè)采樣點(diǎn)駐留的時(shí)間為0.625 ms。小型化全功率直接檢波式輻射計(jì)積分時(shí)間分別為0.5 ms(35 GHz頻段)和50μs(94 GHz頻段),均小于采樣點(diǎn)駐留時(shí)間,且可以通過多次采樣取平均值的方式進(jìn)一步提高系統(tǒng)的溫度靈敏度。

(4) 饋源陣列排布范圍

如圖1所示,以拋物面天線為例,輻射計(jì)和饋源天線陣列相對(duì)于拋物面聚焦天線頂點(diǎn)的張角為±θm,拋物面的焦距為f,則饋源陣列排布范圍2x可表示為

焦徑比F為天線的焦距f與口徑D之比,即F=f/D。拋物反射面焦徑比F為1時(shí),若拋物面天線口徑為1 500 mm,則饋源天線陣列與拋物面中心的距離等于拋物面焦距f,即該距離為1 500 mm。將饋源天線陣列單元的相位中心放置于以拋物面頂點(diǎn)為圓心、半徑為1 500 mm 的圓周上,饋源陣列的排布偏角范圍為±8°。此時(shí),計(jì)算可得饋源陣列排布范圍為0.42 m。

1.2 聚焦天線理論模型

金屬反射面聚焦天線對(duì)波束具有良好的聚焦效果,采用拋物面天線和偏置拋物面天線,對(duì)比二者在焦面陣成像系統(tǒng)中的聚焦特性。

(1) 拋物面聚焦天線

采用球坐標(biāo)系,將拋物面焦點(diǎn)o＇設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn),(r＇,θ＇,φ＇)表示球坐標(biāo)系下拋物面上的點(diǎn)坐標(biāo)。在直角坐標(biāo)系oxyz中,使拋物面的頂點(diǎn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)o,焦點(diǎn)位于點(diǎn)o＇,焦距為f。拋物面的口徑為d,拋物面深度(即拋物面頂點(diǎn)o到口面的距離)為h,位于焦點(diǎn)o＇處的饋源天線對(duì)于拋物面的半張角為θ0。拋物面聚焦天線結(jié)構(gòu)如圖2所示,幾何參數(shù)見表1。

表1 拋物面聚焦天線結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

圖2 拋物面聚焦天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖2,拋物面母線方程用極坐標(biāo)可表示為

(2) 偏置拋物面聚焦天線

偏置拋物面天線可以避免饋源天線陣列對(duì)波束的遮擋。偏置拋物面是由一個(gè)圓柱體與一個(gè)焦距為f的母拋物面所截而成。設(shè)偏置拋物面的坐標(biāo)系為ox＇y＇z＇,其點(diǎn)坐標(biāo)用(r＇,θ＇,φ＇)表示,母拋物面的坐標(biāo)系為oxyz,其點(diǎn)坐標(biāo)用(r1,θ1,φ1)表示。偏置拋物面幾何參數(shù)包括3個(gè),即f,θa,θc,其中θa為 中心軸偏置角,θc為偏置拋物面邊沿與焦點(diǎn)所在位置所成的半張角。偏置拋物面聚焦天線結(jié)構(gòu)如圖3所示,幾何參數(shù)見表2。其中d2為偏置拋物面在xoz平面內(nèi)的物理口徑,d1為偏置拋物面在xoz平面內(nèi)的x軸投影口徑,h1為偏置拋物面兩邊緣點(diǎn)在xoz平面內(nèi)z方向的距離,h2為偏置拋物面頂點(diǎn)與其下邊緣點(diǎn)在xoz平面內(nèi)z方向的距離,h3為偏置拋物面在xoz平面內(nèi)的口面深度。

表2 偏置拋物面結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)

圖3 偏置拋物面聚焦天線結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3,偏置拋物面方程可表示為

1.3 饋源天線設(shè)計(jì)

采用角錐喇叭天線作為饋源天線陣列單元。為了提高主瓣效率和聚焦天線的口面利用效率,將饋源天線對(duì)聚焦天線的邊緣照射電平設(shè)置為-10 dB。根據(jù)準(zhǔn)光路設(shè)計(jì),饋源喇叭天線對(duì)聚焦天線反射面的半張角約為26°,饋源天線增益約為15 dB。角錐喇叭模型參數(shù)見表3。其中ν為角錐喇叭天線工作頻率,a和b分別為角錐喇叭邊長,l為角錐喇叭深度。

表3 角錐喇叭模型參數(shù)

35 GHz和94 Hz角錐喇叭天線模型和方向圖仿真結(jié)果如圖4所示,天線增益均為15.5 dB。E面和H 面天線方向圖表明,邊緣照射電平約為-10 d B,符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 角錐喇叭天線模型和方向圖

2 天線聚焦特性仿真分析

2.1 焦徑比對(duì)天線波束畸變的影響

工程上設(shè)計(jì)反射面聚焦天線時(shí),天線焦徑比F的選取范圍一般是0.6～1.4。當(dāng)焦徑比較小時(shí),焦平面上饋源偏離焦點(diǎn)時(shí)焦斑畸變較嚴(yán)重,同時(shí)輻射計(jì)陣列的排布范圍變小,造成饋源間距變小、單元互耦變大,不滿足奈奎斯特采樣定理;當(dāng)焦徑比較大時(shí),為了獲得較高的主瓣效率,需要提高饋源天線的增益,這在緊密排列的焦平面陣列中亦不易實(shí)現(xiàn)。

以理想高斯源作為饋源,對(duì)口徑為1 500 mm的偏置拋物面天線進(jìn)行仿真分析,比較不同焦徑比條件下天線輻射方向圖的變化,不同頻率的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示?？梢?當(dāng)饋源位于拋物面焦點(diǎn)時(shí),焦徑比的變化不會(huì)導(dǎo)致波束畸變;當(dāng)饋源偏焦4°時(shí),隨著焦徑比從1.4變化到0.8,頻率為35 GHz 時(shí)天線增益由53.08 dB 下降至50.32 dB,94 GHz時(shí)天線增益由57.72 dB 下降至52.42 d B;當(dāng)饋源偏焦8°時(shí),隨著焦徑比從1.4變化到0.8,頻率為35 GHz 時(shí)天線增益由49.33 dB下降至44.51 dB,94 GHz時(shí)天線增益由50.43 dB下降至46.25 dB。饋源偏離拋物面焦點(diǎn)時(shí),天線的波束變寬且波束畸變程度隨偏焦角度的增大而增大,94 GHz 時(shí)的波束畸變與35 GHz時(shí)的相比更為嚴(yán)重。可見,增大焦徑比可以改善饋源偏焦時(shí)天線的波束畸變。

圖5 不同焦徑比時(shí)偏置拋物面天線方向圖(頻率為35 GHz)

圖6 不同焦徑比時(shí)偏置拋物面天線方向圖(頻率為94 GHz)

2.2 饋源偏焦對(duì)天線波束畸變的影響

在空中目標(biāo)毫米波焦平面陣列成像探測(cè)系統(tǒng)中,輻射計(jì)及饋源天線陣列在俯仰向覆蓋±7.5°視場(chǎng),因此,需要研究當(dāng)饋源天線偏離焦點(diǎn)時(shí),聚焦天線的波束畸變情況。以理想高斯源作為饋源,采用1.2節(jié)中所設(shè)計(jì)的拋物面天線和偏置拋物面天線,饋源位置在聚焦天線焦點(diǎn)至偏離焦點(diǎn)8°范圍內(nèi)變化(即饋源偏焦角θf為0°～8°),偏焦角變化間隔為1°,頻率為35 GHz和94 GHz時(shí)聚焦天線波束變化的仿真結(jié)果如圖7～圖10所示。

圖7 饋源偏焦對(duì)拋物面天線方向圖的影響(頻率為35 GHz)

由圖7和圖8可知,當(dāng)頻率為35 GHz時(shí),饋源偏焦角θf由0°增大至8°,拋物面天線增益由53.85 dB 下降至52.14 dB,3 dB 波束寬度由0.40°增大到0.48°;偏置拋物面天線增益由53.83 d B 下降至46.45 dB,3 d B 波束寬度由0.40°增大到0.53°。

圖8 饋源偏焦對(duì)偏置拋物面天線方向圖的影響(頻率為35 GHz)

由圖9和圖10可知,當(dāng)頻率為94 GHz時(shí),饋源偏焦角θf由0°增大至8°,拋物面天線增益由62.43 d B 下降至55.40 dB,3 d B 波束寬度由0.13°增大至0.23°;偏置拋物面天線增益由62.42 d B 下降至48.10 dB,3 d B 波束寬度由0.14°增大至0.31°。

圖9 饋源偏焦對(duì)拋物面天線方向圖的影響(頻率為94 GHz)

圖10 饋源偏焦對(duì)偏置拋物面天線方向圖的影響(頻率為94 GHz)

可見,隨著饋源偏焦角的增大,聚焦天線的增益逐漸下降,波束寬度逐漸展寬,波束不再是完美的“筆形”波束。與35 GHz頻段天線相比,相同口徑的聚焦天線在94 GHz頻段的電尺寸更大,增益隨偏焦角度變化更加劇烈,波束畸變也更加嚴(yán)重。比較拋物面天線和偏置拋物面天線,無論在35 GHz頻段還是94 GHz頻段,饋源天線偏焦時(shí)拋物面天線的波束畸變都小于偏置拋物面天線。仿真分析表明,在±7.5°的視場(chǎng)范圍內(nèi),波束畸變均可接受,當(dāng)饋源偏焦7.5°時(shí),94 GHz的偏置拋物面天線波束畸變最大,波束展寬為不偏焦情況的2倍左右。

2.3 饋源天線陣列設(shè)計(jì)

饋源天線陣列采用35 GHz和94 GHz雙頻喇叭天線陣列。35 GHz饋源天線采用2排交錯(cuò)排列,94 GHz饋源天線采用單排排列,間距均為2λ。以94 GHz頻段7單元饋源天線陣列為例進(jìn)行建模仿真,分析互耦對(duì)單元間傳輸參數(shù)和饋源天線方向圖的影響。該饋源喇叭天線排布結(jié)構(gòu)如圖11 所示。該饋源天線的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖12所示?？梢妴卧g互耦均小于-30 d B,滿足陣列單元互耦要求。

圖11 94 GHz頻段7單元饋源喇叭天線排布結(jié)構(gòu)圖

圖12 94 GHz頻段饋源天線的S 參數(shù)仿真結(jié)果

饋源天線組陣前后的輻射方向圖如圖13所示。饋源天線組成陣列后,對(duì)方向圖的影響較小,在35 GHz頻段,天線H 面邊緣照射電平比組陣前下降0.3 d B,在94 GHz頻段,天線H 面的邊緣照射電平略有上升,比組陣前上升0.2 dB,滿足準(zhǔn)光路的設(shè)計(jì)要求。

圖13 饋源喇叭天線組陣前后方向圖對(duì)比

2.4 饋源喇叭天線的反射面偏焦特性仿真

2.1和2.2節(jié)中的仿真分析采用了理想高斯饋源對(duì)聚焦天線進(jìn)行照射。為了對(duì)比采用理想高斯饋源和喇叭天線饋源的差別,利用設(shè)計(jì)的角錐喇叭天線對(duì)聚焦天線進(jìn)行照射,在FEKO 軟件中建模,采用多層快速多極子(MLFMM)和大面元物理光學(xué)(LEPO)法進(jìn)行仿真分析,不同饋源的聚焦天線參數(shù)仿真結(jié)果見表4。

表4 不同饋源的聚焦天線參數(shù)對(duì)比

以35 GHz頻段為例,采用喇叭天線作為饋源,與采用理想高斯饋源相比,聚焦天線增益略有下降,天線波束角變化較小。喇叭天線作為饋源的聚焦天線方向圖仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 喇叭天線作為饋源時(shí)的聚焦天線方向圖

2.5 支架影響分析

根據(jù)上述分析結(jié)果,在無源毫米波焦面陣成像探測(cè)系統(tǒng)中,與偏置拋物面天線相比,饋源偏離焦點(diǎn)時(shí)拋物面天線的波束畸變更小,但拋物面天線面臨支架、輻射計(jì)及饋源陣列對(duì)光路的遮擋問題。

選用理想的高斯饋源進(jìn)行照射,根據(jù)設(shè)計(jì)的天線尺寸,饋源排布偏角范圍為±7.5°,確定橫梁的尺寸為40 mm×40 mm×400 mm,用以模擬饋源陣列占據(jù)的空間,支架的橫截面尺寸為20 mm×20 mm,支架與橫梁連接,分析橫梁和支架對(duì)拋物面天線及偏置拋物面天線聚焦特性的影響。包含支架的聚焦天線結(jié)構(gòu)示意如圖15所示。

圖15 包含支架的聚焦天線結(jié)構(gòu)

在35 GHz和94 GHz頻段,有無支架的拋物面及偏置拋物面天線方向圖仿真結(jié)果分別如圖16和圖17所示。由圖16可知,對(duì)于拋物面天線,饋源陣列和支架對(duì)其旁瓣影響比較大,對(duì)主瓣的增益略有影響,但旁瓣的升高不影響天線的總體性能。由圖17可知,對(duì)于偏置拋物面天線,饋源陣列和支架造成的散射場(chǎng)影響很小,只導(dǎo)致天線方向圖旁瓣的微弱改變。

圖16 有無支架拋物面天線方向圖

圖17 有無支架偏置拋物面天線方向圖

3 結(jié)論

本文提出了空中目標(biāo)無源毫米波焦平面陣列成像探測(cè)的準(zhǔn)光路設(shè)計(jì)方法,將拋物面天線和偏置拋物面天線進(jìn)行對(duì)比,詳細(xì)分析了焦徑比對(duì)聚焦天線性能的影響,以及饋源偏離焦點(diǎn)時(shí)聚焦天線的波束畸變。仿真結(jié)果表明:焦徑比越大,饋源偏離焦點(diǎn)時(shí)對(duì)聚焦天線波束的影響越小;相比于偏置拋物面天線,當(dāng)饋源偏離焦點(diǎn)時(shí),拋物面天線具有更好的聚焦特性和較小的波束畸變。此外,本文模擬了饋源陣列和支架對(duì)聚焦天線波束的散射效應(yīng),為空中目標(biāo)無源毫米波成像探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用奠定了重要的理論基礎(chǔ)。