一種用于火災(zāi)檢測的X波段輻射計系統(tǒng)

摘" 要： 為了解決傳統(tǒng)火災(zāi)檢測系統(tǒng)在森林、復(fù)雜的山區(qū)地形等場景下可能會出現(xiàn)誤報或漏報的問題，文中設(shè)計了一種用于火災(zāi)檢測的X波段輻射計系統(tǒng)，其主要包括兩部分，分別是前端高定向陣列天線以及直檢型輻射計通道。陣列天線經(jīng)實測，增益達(dá)到21.44 dB，3 dB波束寬度小于15°，輻射計通道包括低噪聲放大器模塊、帶通濾波器模塊和對數(shù)檢波模塊，該通道具有體積小、高集成度、低功耗等特點。實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠探測不同環(huán)境下溫度的輻射能量，并最終以電壓的方式呈現(xiàn)。

關(guān)鍵詞： 微波輻射計； 微帶陣列天線； 火災(zāi)檢測； 輻射計通道； X波段； 低噪聲放大器

中圖分類號： TN822?34" " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）05?0175?06

An X?band radiometer system suitable for fire detection

ZOU Yibei， FENG Li， ZHAO Yang， ZHENG Wenchao， LU Dong

（School of Electrical and Electronic Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan 430068， China）

Abstract： An X?band radiometer system specifically for fire detection is designed to get rid of the 1 alarms and missed detections that the traditional fire detection systems may encounter in forests and complex mountainous terrains. The system comprises two main components， namely a front?end highly?directional array antenna and a direct?detection radiometer channel. The array antenna， tested for performance， achieves a gain of 21.44 dB with a 3 dB beamwidth of less than 15°. The radiometer channel includes a low?noise amplifier module， a band?pass filter module， and a logarithmic detector module， characterized by its compact size， high integration and low power consumption. The experimental results demonstrate that the system can detect radiative energy from temperatures in various environments and ultimately represent it in the form of voltage.

Keywords： microwave radiometer; microstrip array antenna; fire detection; radiometer channel; X?band; low?noise amplifier

0" 引" 言

火災(zāi)檢測系統(tǒng)的研究和應(yīng)用在近年來受到了廣泛關(guān)注，主要因為火災(zāi)對人們的生命安全和財產(chǎn)安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。傳統(tǒng)的火災(zāi)檢測系統(tǒng)多基于煙霧、溫度或火焰的檢測[1]，但這些方法在某些場景（如森林或復(fù)雜的山區(qū)地形）下可能會出現(xiàn)誤報或漏報。微波技術(shù)的進(jìn)步為火災(zāi)檢測提供了一種新的解決方案，尤其是微波輻射能夠穿透植被和煙霧，對溫度變化高度敏感，使得檢測更具可靠性和準(zhǔn)確性。

微波輻射計系統(tǒng)的天線常采用喇叭天線[2]，喇叭天線的優(yōu)勢是具有較低的VSWR、良好的方向性和較好的增益。但是喇叭天線體積偏大，不利于集成。另一種常用天線為相控陣天線[3]，但由于相控陣天線成本相對較高、設(shè)計較為復(fù)雜，不適用于火災(zāi)探測系統(tǒng)。微帶天線由于其具備剖面低、結(jié)構(gòu)簡單、造價低、易于集成等特點，更適合本文系統(tǒng)[4]。微波輻射計是一種高靈敏度的接收機(jī)[5]，其能夠接收目標(biāo)發(fā)射出的微波熱輻射信號[6?9]，并且處于X波段的微波信號擁有較好的穿透效果。因此，理論上微波輻射計能夠探測到植被覆蓋下的熱輻射微波信號，進(jìn)而在著火前期獲得著火信息。

因此，本文設(shè)計了一種用于火災(zāi)檢測的X波段微波輻射計系統(tǒng)，其中第一級為X波段高定向陣列天線，其增益達(dá)到21.44 dB；第二級是兩個級聯(lián)的低噪聲放大器，將天線探測到的微弱信號進(jìn)行放大，同時保證噪聲系數(shù)盡可能低；第三級為帶通濾波器，濾除多余噪聲。最后采用對數(shù)檢波管將輻射功率轉(zhuǎn)換為電壓值輸出。

1" 理論依據(jù)

微波輻射計測量的基本工作原理是黑體輻射理論[10]，在絕對溫度為零度以上環(huán)境中的實際物體都會向周圍空間發(fā)出輻射能量，在絕對溫度為[T]、頻率為[f]的條件下，黑體輻射的普朗克定律為：

[Bf=2hf3c21ehf/kT-1] （1）

式中：[h]為普朗克常量，取值為6.63×[10-34]，單位為J?S；c為光速，取值為3×[108]，單位為m/s；[k]為波爾茲曼常數(shù)，取值為1.38×[10-23]，單位為J/K。

對普朗克公式進(jìn)行積分得到斯蒂芬?玻爾茲曼定律：

[P=kT4] （2）

斯蒂芬?玻爾茲曼定律描述了黑體總輻射功率與溫度的關(guān)系，說明了輻射功率與溫度的4次方成正比。對于微波輻射計測溫而言，其工作原理是基于天線接收的熱輻射功率來測量目標(biāo)溫度，這可以通過式（3）表示。

[P=k?TB?BW] （3）

式中：[TB]是輻射計系統(tǒng)亮溫，表示輻射源的等效溫度；BW是接收機(jī)的帶寬；微波輻射計測量的是亮度溫度[TB]，它是由物體輻射的微波能量轉(zhuǎn)化而來。在火災(zāi)探測中，微波輻射計可以利用它的高靈敏度來檢測火源產(chǎn)生的輻射。由于火災(zāi)通常導(dǎo)致環(huán)境溫度顯著上升，這會導(dǎo)致輻射功率[P]增加，從而增加亮度溫度[TB]，因此微波輻射計可以通過測量亮度溫度的變化來進(jìn)行火災(zāi)檢測。

2" 整體系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的用于火災(zāi)檢測的X波段輻射計系統(tǒng)應(yīng)用場景如圖1所示。在森林環(huán)境中，紅外探測信號會因為復(fù)雜的植被、煙霧等不利因素的影響，導(dǎo)致衰減過快、噪聲增加，進(jìn)而對著火點的探測效果變差。在這種情況下本文系統(tǒng)可通過搭載無人機(jī)等設(shè)備，利用微波輻射擁有的穿透效果來對火災(zāi)可能發(fā)生的地點進(jìn)行探測[11]。

X波段輻射計主要包括兩部分，即X波段陣列天線及其輻射計通道。本文利用特定的X波段頻率范圍設(shè)計了一套高靈敏度、高定向性的陣列天線。天線陣列的饋電和尺寸經(jīng)過優(yōu)化后，其具備高增益、低旁瓣、窄波束的性能，確保對著火點的微波輻射擁有最佳的接收效果。

本文的輻射計通道采用直檢型微波輻射計系統(tǒng)，陣列天線接收到來自火焰的微波輻射信號后，輻射計通道能夠快速處理該信號，具體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。X波段陣列天線接收到信號后，經(jīng)過高頻低噪聲放大器放大，再將放大后的信號輸入腔體濾波器濾除多余噪聲，最后由對數(shù)檢波管將輻射信號功率轉(zhuǎn)換為電壓值輸出。

3" 前端陣列天線設(shè)計

本文采用微帶貼片天線作為基本單元，設(shè)計并制作一個適用于X波段的陣列天線，為了適配后續(xù)的X波段火災(zāi)探測輻射計通道，陣列天線必須具備高指向性，陣列天線設(shè)計指標(biāo)如表1所示。

設(shè)計微帶陣列天線首先設(shè)計的是天線陣元，本文選定介電常數(shù)為3.66的RO4350B作為介質(zhì)基板，厚度[h]為0.508 mm。陣列天線采用開槽后的矩形微帶天線作為基本陣元[12]，并在有限元仿真軟件HFSS中進(jìn)行仿真。矩形微帶天線單元模型如圖3所示，優(yōu)化后得到天線長度[Lp]=9.34 mm，天線寬度[Wp]=12.16 mm，縫隙長度[Lg]=3.65 mm，縫隙寬度[Wg]=1.01 mm。

為了滿足X波段微波輻射系統(tǒng)需要的高增益、低旁瓣、窄波束的性能，需要對矩形微帶天線單元進(jìn)行組陣[12]。本文采用串并聯(lián)混合的饋電方式，使用切比雪夫陣列控制經(jīng)過每個單元貼片間的電流，使其具備高增益、低旁瓣、窄波束的性能。在給定的副瓣電平SLL=-20 dB和天線單元數(shù)[N]=8的條件下，電流幅值的計算公式為：

[In=cosNarccosβcosπ（n-1）N-1coshNacos（β）] （4）

[β=cosh1N-1arcosh110-S/10] （5）

由于本文設(shè)計的微帶天線陣列左右對稱，因此僅需要計算一側(cè)的饋電網(wǎng)絡(luò)。經(jīng)上述公式計算，得到天線子陣的各天線單元的歸一化電流幅值比為[I1∶I2∶I3∶I4=1∶0.884 7∶0.595 5∶0.287 3]（由陣列中心向兩端）。微帶饋線阻抗大小取為100 Ω，通過調(diào)整單元貼片的[14]波長阻抗變換段來進(jìn)行功率分配，使各陣列單元的激勵幅值服從切比雪夫分布，因此由陣列中心向兩端的[14]波長阻抗變換段的阻值為100 Ω、88.47 Ω、59.55 Ω和28.73 Ω，對應(yīng)的阻抗變換段寬度等陣列天線主要參數(shù)如表2所示。

通過上述計算，最終得到的天線模型圖如圖4a）所示，陣列天線的尺為180 mm×180 mm，實物圖如圖4b）所示。

為了驗證陣列天線的性能，本文對陣列天線進(jìn)行了加工，并在微波暗室中進(jìn)行了實測，暗室環(huán)境如圖5a）所示。相較于理論設(shè)計，實際的仿真結(jié)果往往會有所偏差。通過對天線參數(shù)的調(diào)整與優(yōu)化，陣列天線的回波損耗如圖5b）所示，可知在諧振頻率為8 GHz下，回波損耗約為-31 dB，10 dB的工作帶寬為100 MHz。實測結(jié)果有所偏移，但依舊能夠在8 GHz時有100 MHz帶寬，回波損耗約為-25 dB，表明陣列天線正常工作在8 GHz頻率下。

觀察仿真輻射方向圖（見圖6）和實測歸一化方向圖（見圖7）可知，陣列天線實現(xiàn)了良好的阻抗匹配，增益達(dá)到21.44 dB，滿足陣列天線高增益的要求；通過優(yōu)化天線單元的寬度和阻抗變換段的線寬，降低陣列天線的副瓣電平，E面、H面的副瓣電平分別為-22.44 dB、-31.24 dB，旁瓣抑制較好，達(dá)到了陣列天線所需低副瓣的要求；3 dB波束寬度分別為14.51°和14.16°，達(dá)到了陣列天線所需要的窄波束的需求。實測的方向圖結(jié)果與仿真有所誤差，但仍在設(shè)計指標(biāo)之內(nèi)，這可能是因為制板過程中產(chǎn)生了損耗導(dǎo)致的。

4" 輻射計通道設(shè)計

本文選用直檢型微波輻射計通道，相比超外差型輻射計的設(shè)計，直檢型輻射計具備體積小、功耗小的特點，適合火災(zāi)探測輻射計系統(tǒng)能夠在較小空間內(nèi)工作的需求。

4.1" 低噪放模塊

低噪聲放大器（LNA）的主要功能是在引入極小噪聲的同時放大接收到的信號，在保證信號質(zhì)量的前提下提高了信號的強(qiáng)度，從而使后續(xù)的信號處理更為高效和準(zhǔn)確[13]。為了滿足匹配陣列天線的需求，本文在設(shè)計和選擇LNA時，確定增益應(yīng)在45 dB以上。放大器的具體外觀如圖8所示。

本文選用了具有低噪聲特性和高放大效能的放大器芯片（Minicircuits PMA?183PLN+）。該設(shè)備基于MMIC技術(shù)構(gòu)建放大模塊，因其獨立芯片能提供約25 dB的放大增益，在電路板材料選擇上采用了羅杰斯4350b材料作為介質(zhì)基板并使用沉金技術(shù)，輸入與輸出端均采用SMA型同軸連接接口。

LNA實測結(jié)果如圖9所示，在4～19 GHz的頻帶范圍內(nèi)，[S21]參數(shù)均能夠達(dá)到24 dB，即單個低噪放模塊從輸入到輸出可以提供近24 dB的增益效果。為滿足系統(tǒng)所需的增益性能，本文通過使用兩個低噪放模塊級聯(lián)配置，從而實現(xiàn)接近45 dB的總體增益。

4.2" 腔體濾波器模塊

本文采用篩選頻率范圍在7.5～8.5 GHz的腔體帶通濾波器（HXLBQ?DTA544），為了匹配系統(tǒng)，需要濾波器具備高選擇性、低插入損耗、傳輸效率極高、匹配度良好并且有可靠的穩(wěn)定性。

圖10為腔體濾波器實物圖及[S]參數(shù)實測結(jié)果圖，結(jié)果表明輸入端口反射系數(shù)[S11]在頻率為7.5～8.5 GHz時可達(dá)到-25 dB左右，輸出端口反射系數(shù)[S22]在-28 dB左右。即在中心頻率8 GHz時，輸入回波損耗可達(dá)-24.87 dB，輸出回波損耗可達(dá)-27.89 dB。結(jié)果表明，回波對系統(tǒng)影響較小，信號傳輸效果較好，并且工作頻率外的7 GHz、9 GHz的阻帶抑制分別為-85.01 dB、-94.68 dB，表面濾波器的阻帶抑制較高，選擇性好。

4.3" 對數(shù)檢波模塊

對數(shù)均方根（Root Mean Square， RMS）檢波技術(shù)是一種適用于高動態(tài)范圍功率測量的先進(jìn)方法。該技術(shù)通過檢波電路接收信號，并將其轉(zhuǎn)換為對數(shù)形式的等效值。與傳統(tǒng)檢波技術(shù)相比，RMS檢波提供了更高的精度，因此更適合火災(zāi)檢測的場景。

本文基于ADL5906 RMS檢波芯片設(shè)計檢波模塊，采用羅杰斯4350b作為介質(zhì)基板，16引腳LFCSP封裝，得到的實物圖如圖11a）所示。該檢波器能夠在10 MHz～10 GHz的帶寬范圍內(nèi)工作，并在50 Ω阻抗匹配條件下提供-65～8 dBm的輸入功率動態(tài)范圍，以及最高21 dBm的輸入功率處理能力。該器件8 GHz頻率下對數(shù)檢波模塊輸入功率與輸出電壓的測試圖如圖11b）所示。輸入信號在-30～5 dBm范圍內(nèi)，輸出電壓與輸入功率的對數(shù)呈線性關(guān)系，說明器件性能滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。

5" 火焰探測可行性實驗

微波輻射計接收目標(biāo)發(fā)出的微波熱輻射信號是一種直接探測的方法，本文設(shè)計剖面低、體積小、靈敏度高，可搭載在無人機(jī)等設(shè)備上進(jìn)行測量。為了驗證X波段輻射計系統(tǒng)的火災(zāi)檢測的可行性，本文分別對火焰、鐵柜、空氣不同溫度狀態(tài)下進(jìn)行多次測量。首先在進(jìn)行火焰測溫實驗之前，通過將輻射計系統(tǒng)接觸鐵柜、空氣進(jìn)行實驗驗證。由于鐵柜在室溫狀態(tài)下通常低于周圍空氣溫度，因此分別對鐵柜、空氣進(jìn)行測量，發(fā)現(xiàn)在陣列天線從鐵柜移至空氣時，輻射計輸出電壓升高，表明輻射計系統(tǒng)對不同溫度會產(chǎn)生不同的諧振特性。

具體實驗步驟為：在輻射計系統(tǒng)通電之后，分別對空氣、火源位置以及經(jīng)遮擋的火源位置進(jìn)行測量，電壓測試結(jié)果如表3所示。發(fā)現(xiàn)對火源測量時輸出電壓值明顯升高，輸出電壓由1.91 V升高至2.36 V，證明輻射計系統(tǒng)對火焰測量具備可行性。同時，對含有遮擋物的火源測量時，對比直接測量火源輸出電壓有所下降。這可能是由于遮擋物發(fā)出熱輻射，輻射計系統(tǒng)先與遮擋物產(chǎn)生諧振，后接收到火源的微波能量造成的。系統(tǒng)整體圖及測試木炭隱燃結(jié)果如圖12所示。

6" 結(jié)" 語

本文首先在X波段頻率范圍內(nèi)設(shè)計了一套高靈敏度、高定向性的陣列天線。采用串并聯(lián)混合的方式進(jìn)行饋電，天線陣列的布局和尺寸均經(jīng)過優(yōu)化，使其具備高增益、低副瓣、窄波束的性能，以確保對特定的微波輻射有最佳的接收效果。之后，設(shè)計了直檢型X波段微波輻射計通道，并完成對系統(tǒng)火源檢測的實驗。整個系統(tǒng)體積小、造價低，未來可以作為對火災(zāi)探測、尤其是森林山火探測設(shè)備的一種補(bǔ)充。

本文僅著重于輻射計系統(tǒng)實物制作的研究，暫時未對輻射計結(jié)果的量化與反演進(jìn)行研究。因此，未來研究計劃主要包括：制作介電特性與火災(zāi)場景等效的標(biāo)準(zhǔn)源，完成輻射計系統(tǒng)的定標(biāo)工作；制作輻射計反演算法模型，完成對實驗測量結(jié)果的反演。

注：本文通訊作者為豐勵。

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基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（42241138）

作者簡介：鄒藝杯（1998—），男，河南周口人，碩士研究生，助理研究員，研究方向為射頻電路與天線。

豐" 勵（1982—），男，湖北武漢人，博士研究生，副教授，研究方向為射頻電路與天線。