CN207780235U - 水污染微波主被动复合探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种水污染微波主被动复合探测装置，其包括天线系统(1)、X波段雷达发射机(2)、环流器(3)、X波段雷达接收机(4)、主被动开关(5)、Ka波段辐射计接收机(6)、调制器(7)、信息产生与采集系统(8)；所述天线系统(1)通过环流器(3)分别与X波段雷达发射机(2)和X波段雷达接收机(4)相连，Ka波段辐射计接收机(6)与天线系统(1)直接相连。本实用新型水污染微波主被动复合探测装置,电磁兼容好、相互干扰小、能共用平台同时工作。

Description

水污染微波主被动复合探测装置

技术领域

本实用新型属于水污染监测技术领域，特别是一种电磁兼容好，相互干扰小，能共用平台同时工作的水污染微波主被动复合探测装置。

背景技术

随着环境保护和可持续发展的要求，对水域进行实时高分辨率检测的需求越来越迫切。由于遥感技术具有实时性好、可以长时间不间断检测等优势，越来越多的应用于水污染检测领域。

由于水面植被既会造成水污染，亦可用于治理水污染，所以水面植被是水污染物中的重要研究对象。

通过遥感方式对水污染区域的进行监测，可以有效地分析出被污染水域的污染程度，微波遥感中的两种重要的探测设备为雷达和辐射计系统。雷达探测技术是上个世纪50年代发展起来的，由于雷达具有全天候、全天时、远距离测带，以及易于从固定背景中区分运动目标的能力，雷达成像技术受到广泛重视。雷达成像技术应用最广的方面是合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，简称SAR)。

当前，机载和星载SAR的应用已十分广泛，已可得到亚米级的分辨率，场景图像的质量可与同类用途的光学图像相媲美。利用SAR的高分辨能力，并结合其它雷达技术，SAR还可完成场景的高程测量，以及在场景中显示地面运动目标。

雷达平台相对于固定地面运动形成合成孔径，实现SAR成像。反过来，若雷达平台固定，而目标运动，则以目标为基准，雷达在发射信号过程中，也等效地反向运动而形成阵列，据此也可对目标成像，通称为逆合成孔径雷达(ISAR)。

除了上述主动雷达可以获取的散射信息，微波辐射计可以获取目标的辐射信息。由于物体内大量原子、分子的电磁辐射以非相干的方式叠加，形成物体的电磁辐射。物体电磁辐射具有非相干的特点，其频谱非常宽，扩展到整个电磁波段，具有“似噪”的特点(白噪声)。从能量转换的角度看，物体中带电粒子热运动的能量转变为了辐射能，所有物体在温度高于绝对零度(0K)时都会辐射电磁能(电磁波)，因此物体的电磁辐射亦称为热辐射。被动微波探测系统在实现探测及成像时需要根据具体应用考虑其空间分辨率、温度灵敏度、积分时间、扫描速度等几个方面的技术指标。进入21世纪后，除了欧空局星载MIRAS遥感应用外，国外安检毫米波成像方面也得到了快速的发展，美国几家公司已相继研制出了多种毫米波成像系统，如Trex、TRW、Lockheed Martin、Millivision、L-3Communications等，同时英国的QinetiQ、ThruVision、Andrews等公司也有相关的成像系统报道。

根据统计，地球上40％～60％的地区经常被云层所覆盖，特别是在占地球表面3/5的水面上，气候变化很大，常常被云层遮蔽。在这种情况下，利用可见光或红外遥感来进行观测有一定难度，但是微波遥感受气候影响较小，可以穿透云层以及雾气，且不依赖于太阳作照明源，可以全天时全天候的进行检测水体，在检测水体方面，有一定优势。另外，微波波段的倍频程，即最长与最短工作波长之比，大于实际使用的最长红外波长与最短可见波长之比，这一特点使微波遥感能得到更多信息，更容易识别地面目标。由于微波遥感的上述优点，逐渐成为未来发展的一个趋势。

微波同频式主被动复合阵列探测系统主要指各通道的工作频率相同，在计算机控制下，系统工作于主动工作状态时，毫米波照射源开通，照射源经天线毫米波中间馈源和天线聚焦系统向目标发射毫米波功率，经目标反射的毫米波信号中含有探测器与目标之间的距离信息和目标的特征信息。回波经天线进入阵列接收机，接收机输出经计算机分析和处理，获得主动状态下目标的特征信息。系统工作于被动状态时，发射源关闭，目标的毫米波辐射信号经阵列天线进入阵列辐射计。辐射计输出经计算机处理获得目标毫米波辐射特征信息。毫米波频分式主被动复合探测系统是按工作频率不同将主动和被动通道分开。通常频分式主被动复合系统比时分式主被动复合系统的成本高。随着毫米波宽带低噪声器件的发展，宽频带的高分辨雷达及超宽频带的高灵敏度毫米波辐射计已达到实用水平，主动和被动通道射频前端之间的工作频率间隔不断加大。对于结构紧凑、成本较低、作用距离较近的近程主被动复合系统，应进一步优化工作带宽，使系统既满足主被动兼容，又达到实际应用功能要求。

水污染遥感监测具有快速、宏观、实时的特点,其数据能直观反映水污染在区域上的分布情况，是对大面积水域的污染情况进行监测的有效途径。但是国内对水污染微波遥感监测技术只停留在主动微波研究阶段，在实际监测中应用中通常采用被动光学、红外探测器与主动雷达相复合应用，极少将被动工作的微波辐射计引入到水污染遥感探测中，尤其是没有在同一飞行及运载平台下对水污染的目标区域进行探测。

主动和被动微波复合探测技术各是一种获得场景和目标的毫米波辐射、散射信息的主要手段，但由于系统的复杂使得主动雷达系统与被动辐射计探测系统通常是各自独立工作，即使是用于军事领域的主被动探测器通常主动被动探测器不同时工作。因此如能将主动雷达散射信息和被动辐射计探测系统通过部分器部件的共用，就可以大大拓宽获取的目标信息，如可以获得距离、散射、辐射及多普勒等有用信息。

毫米波频分式主被动复合探测系统是按工作频率不同将主动和被动通道分开。在主被动通道同时工作，探测同一目标的状态下，尽量减小主被动之间的干扰，提高毫米波主被动系统内部的电磁兼容能力。通常频分式主被动复合系统比时分式主被动复合系统的成本高。为尽量降低频分复合系统的成本，减小系统尺寸，可将频分式主被动复合探测系统分为射频频分式、中频频分式和视频频分式三种。射频频分式主被动复合探测系统主要由主动和被动通道的射频前端工作频率差异来实现主动和被动的兼容。随着毫米波宽带低噪声器件的发展，宽频带的高分辨雷达及超宽频带的高灵敏度毫米波辐射计已达到实用水平，主动和被动通道射频前端之间的工作频率间隔不断加大。对于结构紧凑、成本较低、作用距离较近的近程主被动复合系统，应进一步优化工作带宽，使系统既满足主被动兼容，又达到实际应用功能要求。

上述频分与时分主被动系统主要用于小型化应用，系统的工作时间较短，且获取的目标信息时间短较为单一，不适用于长时间的对水面监控遥感。现有微波水污染监测中存在的最大问题是相互干扰，尤其是辐射计的接收信号为微微瓦的量级，主动雷达的泄漏信号为微瓦以上量级，主动雷达和同波段的辐射计同一平台同时工作是无法解决的，解决电磁兼容的主要手段是分时和分频，对于需要满足能同时工作的主动被动系统只能用分频技术和谐波抑制来解决电磁兼容问题。

总之，现有技术存在的问题是：用于水污染监测的主被动复合探测技术电磁不兼容，相互干扰大，不能共用平台同时工作。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种水污染微波主被动复合探测装置,电磁兼容好，相互干扰小，能共用平台同时工作。

实现本实用新型目的的技术解决方案为：

一种水污染微波主被动复合探测装置，搭载于无人机上，包括天线系统1、X波段雷达发射机2、环流器3、X波段雷达接收机4、主被动开关5、Ka波段辐射计接收机6、调制器7、信息产生与采集系统8；所述天线系统1通过环流器3分别与X波段雷达发射机2和X波段雷达接收机4相连，Ka波段辐射计接收机6与天线系统1直接相连；所述X波段雷达发射机2一方面直接与信息产生与采集系统8，另一方面通过调制器7与信息产生与采集系统8相连，所述X波段雷达接收机4一方面直接与信息产生与采集系统8相连，另一方面通过调制器7与信息产生与采集系统8相连；所述主被动开关5一方面与信息产生与采集系统8相连，同时分别与Ka波段辐射计接收机6和X波段雷达接收机4相连；所述Ka波段辐射计接收机6还与信息产生与采集系统8直接相连。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点为：

1、复用天线口面：主动和被动辐射探测系统可以通过共用或独立使用各自的馈源，通过共用反射主面分别获取水污染区域的辐射、散射和距离信息。同等尺寸的天馈系统保证了获取辐射、散射信息的准确性和可比性。

2、异频异制：实现主动-被动复合探测的关键在于使用主动被动信息的电磁兼容，通过选用不同的工作波段如X、Ka波段和不同的接收机体制，如主动通道为混频式，被动为直接检波式接收机可以有效解决主动和被动系统的电磁兼容，减轻系统的体积重量。

3、共用平台同时工作：避免了其它主被动复合体制的时分复用或者分别工作的弊端，可以同时获取目标辐射和散射信息，采用较高频段的被动辐射计接收机，分辨率可以满足成像探测要求，提高了对目标的判别的科学性和准确性。

4、近似垂直入射获取信息：在主被动异频复合探测工作中，分别利用主动系统采用近似垂直入射的方式获取水污染区域目标的距离和散射信息，利用被动系统获取水污染区域目标的辐射信息，即提高了系统的分辨率又大大降低了雷达发射功率的要求，从而整体上提高了平台的可行性、可靠性和准确性。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型水污染微波主被动复合探测装置的结构示意图。

图2为本实用新型水污染微波主被动复合探测装置的运行流程图。

图中，天线系统1、X波段雷达发射机2、环流器3、X波段雷达接收机4、主被动开关5、Ka波段辐射计接收机6、调制器7、信息产生与采集系统8、距离信息9、散射信息10和辐射信息11。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型水污染微波主被动复合探测装置，搭载于无人机上，包括天线系统1、X波段雷达发射机2、环流器3、X波段雷达接收机4、主被动开关5、Ka波段辐射计接收机6、调制器7、信息产生与采集系统8；

所述天线系统1通过环流器3分别与X波段雷达发射机2和X波段雷达接收机4相连，Ka波段辐射计接收机6与天线系统1直接相连；

所述X波段雷达发射机2一方面直接与信息产生与采集系统8，另一方面通过调制器7与信息产生与采集系统8相连，所述X波段雷达接收机4一方面直接与信息产生与采集系统8相连，另一方面通过调制器7与信息产生与采集系统8相连；

所述主被动开关5一方面与信息产生与采集系统8相连，同时分别与Ka波段辐射计接收机6和X波段雷达接收机4相连；

所述Ka波段辐射计接收机6还与信息产生与采集系统8直接相连。

作为实施例，考虑水污染探测的实际情况，异频微波主动与被动复合探测系统共用的主天线面由西安恒达微波技术开发公司的360mm抛物面天线。但采用不同的工作波段和接收机体制，其中被动工作设备为南京理工大学Ka波段辐射计，波束宽度1.5°，中心频率35GHz，带宽3GHz，其中Ka波段辐射计必须采用直接检波式接收机，直接检波放大噪声系数3dB，灵敏度0.1K；主动方式设备可采用电子科技大学X波段LFWCW雷达，波束宽度5.2°，雷达系统中心频率9.8GHz，带宽100MHz，探测距离小于1000m；X波段雷达和Ka波段辐射计以及数据采集模块搭载于主控平台上，可以用于飞机、直升机及无人机搭载，并采用近似垂直的入射角测试水污染区域。主动通道采样速率40MHz，进行距离和散射信息采集。被动数据采集模块需要足够的积分时间，通常采样频率1Hz、10Hz、20Hz可选。主被动复合系统工作于同一平台，便于无人机和机载搭载携带。

本实用新型水污染微波主被动复合探测装置的工作过程与连接步骤如下：

天线系统1与X波段雷达发射机2的馈源通过环流器3实现主动信号的发射，与X波段雷达接收机4构成雷达的接收通道，通过主被动开关5实现Ka波段辐射计接收机6的工作，调制器7为X波段雷达的发射和接收提供调制信号和本振信号，其信号来源于信号产生与采集系统8，并为测距提供比较信号。信号采集与产生系统8分别输出距离信息9、散射信息0和辐射信息11，这些信息经过各自定标计算和成像处理后可以判别目标的尺寸区域和辐射、散射性质。其中调制器7与雷达发射机2中的振荡器经功率放大后经定向耦合通过环流器3发射出去作为主动发射信号，其中一部分作为X波段雷达接收机4混频的信号，再经放大器放大、检波器、包络放大后信号进入信息采集与处理系统8，根据调制周期进行测距，提取目标距离信息9和散射信息10。

天线系统1中的抛物面与Ka波段辐射计接收机6的馈源构成被动辐射通道，同样经过共用抛物面口面通过天线系统1，毫米波辐射信息经过射频放大器进行直接检波，检波信号经过低频放大后，经定标转换后，提取目标辐射信息11。以上各部分组成模块均为现有比较成熟的设备与技术。

上述系统与工作的优点就是在同一平台下X波段雷达与Ka波段辐射计实现电磁兼容，并且可以同时工作，最终本实用新型经过主动、被动两路技术实现方法的综合测量、计算和分析，就可以确定水污染源的基本类别和分布范围，为相关部门的水污染治理提供科学依据和实验支撑。

如图2所示，水污染微波主被动复合探测方法，包括如下步骤：

(10)系统初始化:系统上电联通，测试主动被动各模块工作性能是否正常，分别利用标准定标体对主动通道定标，利用标准高低温黑体，对被动通道进行温度定标；

(20)主动扫描:探测平台采集存储水污染区域目标数据，主动信息中的距离信息和散射信息存入目标性质数据库；

(30)被动扫描:主动扫描同时采集被动微波辐射亮温电压数值，经系统定标后转为天线温度值，存入目标性质数据库，通过比对数据库得到探测区域内的目标材料、背景信息；

(40)目标特性确定:根据主动定标数据和被动定标数据，由主动扫描和被动扫描数据，计算目标几何特性、目标探测距离，并将其与目标的主动定标和被动辐射定标曲线比较，确定目标的散射特性和辐射特性；

(50)目标分布确定:根据扫描平台运动方式和数据插值，实现拟合成像，利用无源毫米波辐射遥感图像特征描述、提取与识别方法，获取目标的周长面积、中心点信息；

(60)实时监测:综合目标特性和目标分布，实现对水污染目标的性质类别、几何特征、中心点信息的实时监测。

优选地，所述(20)主动扫描步骤中，探测平台采用逐行或小角度圆锥扫描的方式飞行。

Claims (1)

1.一种水污染微波主被动复合探测装置，搭载于无人机上，其特征在于：

包括天线系统(1)、X波段雷达发射机(2)、环流器(3)、X波段雷达接收机(4)、主被动开关(5)、Ka波段辐射计接收机(6)、调制器(7)、信息产生与采集系统(8)；

所述天线系统(1)通过环流器(3)分别与X波段雷达发射机(2)和X波段雷达接收机(4)相连，Ka波段辐射计接收机(6)与天线系统(1)直接相连；

所述X波段雷达发射机(2)一方面直接与信息产生与采集系统(8)，另一方面通过调制器(7)与信息产生与采集系统(8)相连，所述X波段雷达接收机(4)一方面直接与信息产生与采集系统(8)相连，另一方面通过调制器(7)与信息产生与采集系统(8)相连；

所述主被动开关(5)一方面与信息产生与采集系统(8)相连，同时分别与Ka波段辐射计接收机(6)和X波段雷达接收机(4)相连；

所述Ka波段辐射计接收机(6)还与信息产生与采集系统(8)直接相连。