毫米波探测器的全功率辐射计原理解析

毫米波全功率辐射计是应用最早也是最简单的一种辐射计。由于受早期元器件水平的限制，这种辐射计灵敏度较低。但对于近距离探测，特别是对于弹载设备等（如引信）一些特殊应用情况，这种辐射计的应用价值较高。

典型的全功率辐射计系统框图如图6-12所示。输出电压U0加到终端指示器或控制系统。系统积分时间τ由检波后积分器确定，输出电压除了有用信号外还包括系统的内部噪声。

图6-12　全功率辐射计系统框图

检波器输出电压可由式（6-31）给出

式中，Cd为平方律检波器功率灵敏度常数，V/W；G为混频、中放总的增益；B为检波前系统的总带宽；ts、trn分别为检波器输入端的信号温度和噪声温度。

式中，ta为天线温度；t0是天线及将天线与接收机输入端相连的传输线的环境温度；L是由天线和传输线引起的欧姆损耗的损耗因子。一般

式中，ηa为天线辐射效率；Lt1是天线至辐射输入端的损耗。

式中，Frn为接收机的噪声系数，即

式中，Fi、Gi（i＝1，2，…，i-1）分别是第i级的噪声系数和增益。

在全功率辐射计中，检波电压由直流分量、噪声分量和增益起伏分量组成。低通滤波器或积分器的功能是通过在积分时间内对Ud积分以减少噪声变化。设由噪声起伏所引起的温度均方根起伏为Δtn，对一次保持固定温度取样，此值由一般统计平均值公式得

式中，n为取样次数。

当检波器后面有积分器时，即

式中，τ为检波器后积分时间。(www.xing528.com)

检波前滤波器带宽B的有效值可用滤波器的功率-增益谱计算

式中，G（f）为滤波器的功率增益谱。

检波后的低通滤波器的积分时间τ可用式（6-39）计算

式中，GLF（f）是作为频率函数的低通滤波器增益。理想积分时间τ与某些专用积分器的时间常数τc之间有一定关系。例如，一个简单的RC低通滤波器具有等于其时间常数2倍的有效积分时间，τ＝2τc。

由增益起伏ΔG引起的附加温度变化为

式中，ΔG为检波前部分功率增益变化的有效值（均方根值）。

噪声起伏和增益起伏可以认为在统计上是独立的，因而可以组合起来定义辐射计的灵敏度Δtmin如下

根据式（6-36）、式（6-37）、式（6-40）和式（6-41）可得全功率辐射计灵敏度为

根据以上分析，辐射计的灵敏度（即最小温度分辨率）可定义为：在接收机输出电平中产生一确定直流变化（相当于起伏分量的均方根）所需的最小输入温度变化。也可以把灵敏度看成系统可辨识的噪声温度的最小变化值。

从以上分析可知，影响近距离探测弹载辐射计灵敏度的主要因素是：

（1）辐射计系统噪声特性，主要是接收机的噪声温度trn，它受系统器件水平的限制。

（2）检波前系统带宽B，受高频和中频电路的影响。

为提高灵敏度（即减小Δtmin），可增大乘积Bτ。但增加带宽B等于以降低频谱灵敏度为代价来改进辐射计测量灵敏度。依据所用的高频和中频器件，当电路的频谱灵敏度Q降低时，要获得接近平直的频率响应曲线就变得更困难了。因频谱灵敏度

式中，f0为中心频率；B为有效带宽。

另外，对一般辐射计而言，τ的选择受到系统性能的限制。τ的下限通常由积分器前电路的响应时间所确定。对于旋转式或扫描式辐射计来说，积分时间受扫描速度、目标大小、天线波束影响，必须根据系统及目标特性来决定。