本書分為9章。第1章緒論介紹了微波毫米波遙感技術(shù)在安防領(lǐng)域應(yīng)用的實際案例和未來發(fā)展前景。第2章和第3章簡要回顧了基本電磁波理論并詳細論述了電磁波與傳輸媒質(zhì)（如人體組織、大氣以及各類建筑和衣物材料）的相互作用。第4章和第5章分別論述了微波毫米波遙感器的基本組成部分——天線和接收機的基本理論和設(shè)計原理。第6～9章是對4類微波毫米波安防遙感器輻射計、雷達、成像系統(tǒng)和干涉式角速度測量儀的詳細論述，包括它們的基本原理、設(shè)計方法和實際應(yīng)用等。
適讀人群 ：本書可供從事微波毫米波安防遙感技術(shù)研究的工程技術(shù)人員參考，也可作為物理類和電子工
本書的許多章節(jié)實際上也與通用微波遙感技術(shù)密切相關(guān)，因此從事其他微波遙感領(lǐng)域的研究人員也會發(fā)現(xiàn)此書是一本有用的參考書。閱讀本書的讀者應(yīng)具備微積分和傅里葉分析的基本知識。盡管本書的內(nèi)容都是從基本原理討論起，但讀者若事先學(xué)習(xí)一些電磁波理論的知識會是非常有益的。
在眾多對公共安全的威脅因素變得越來越錯綜復(fù)雜的今天，微波毫米波遙感技術(shù)定會成為一個重要措施和手段。如在探測特定環(huán)境的侵入者時，需要探測設(shè)備有全天候的能力，要有穿透煙霧及其他遮蔽物的能力，要具有鑒別人與物的能力等。當(dāng)檢測攜帶有隱匿武器(如槍支、刀具和爆炸物)的暴力恐怖分子時，還需要設(shè)備有穿透衣物和墻壁，形成毫米級分辨率圖像的能力。在上述領(lǐng)域里，過去的10年見證了微波毫米波遙感技術(shù)空前的發(fā)展，積累了大量的成果。這些成果涵蓋了檢測隱匿武器的輻射計成像系統(tǒng)和雷達成像系統(tǒng)、探測侵入者的微波輻射計和多普勒雷達系統(tǒng)以及用于鑒別人體活動的微多普勒分析技術(shù)等。這個領(lǐng)域仍在繼續(xù)向前發(fā)展，并且將會產(chǎn)生許多新技術(shù)以應(yīng)對持續(xù)變化的安全防范領(lǐng)域?qū)b感技術(shù)的需求。本書致力于討論安防遙感技術(shù)的基本原理及各類先進技術(shù)。
撰寫本書的念頭起源于我在德克薩斯大學(xué)應(yīng)用研究實驗室(AppliedResearchLaboratories，ARL)工作時候。那時我的工作是研制各類被動式和主動式毫米波遙感器，用來檢測移動著或靜止的人群，以實現(xiàn)對侵入者的自動檢測。我當(dāng)時很快意識到，把微波輻射計應(yīng)用于安防遙感實際上是一個很新的題目，因為當(dāng)我研制此類毫米波輻射計時，我?guī)缀跽也坏阶銐虻膮⒖假Y料用于指導(dǎo)我的工作。我不得不在射電天文學(xué)和衛(wèi)星遙感技術(shù)領(lǐng)域里搜尋有關(guān)微波輻射計的文獻(有些文獻已經(jīng)脫銷很久了)。市面上找不到一本專門針對這樣一個特定應(yīng)用領(lǐng)域的微波遙感基本原理與技術(shù)的教材，這種情況使我很苦惱。那時，我的同事也正在全力以赴研制用于檢測人體移動的微多普勒雷達，試圖對人體活動進行甄別。隨著我和ARL的同事們在毫米波輻射成像技術(shù)方面工作的積累，以及文獻中逐漸出現(xiàn)的大量關(guān)于安檢成像方面的報道，我開始意識到安防已經(jīng)成為微波遙感技術(shù)應(yīng)用的一個新領(lǐng)域，編寫一本闡述微波毫米波安防遙感器基本原理與設(shè)計的教材將是大有裨益的。
本書將講述微波毫米波遙感技術(shù)應(yīng)用于安防領(lǐng)域的基本原理。微波遙感技術(shù)的基本物理原理包含兩個基本內(nèi)容，即電磁波傳播和遙感器設(shè)計。天線是這兩個基本內(nèi)容之間的過渡。遙感信息處理可以認為是遙感器設(shè)計之后的第三個基本內(nèi)容。由于遙感信息處理對安防應(yīng)用來說常常是非常專門化的，因此本書不安排討論安防遙感信息處理的內(nèi)容。本書的第1章是關(guān)于安防遙感技術(shù)的一個緒論，這里會給出許多已經(jīng)公開發(fā)表的遙感器的實例。第2章討論電磁波傳播的一般理論，而第3章則集中在電磁波在分層介質(zhì)，特別是安防遙感應(yīng)用中遇到的介質(zhì)中的傳播理論，包括空氣、煙、塵、霧、雨、墻壁、衣物以及人體組織等。第4章和第5章分別討論天線和接收機。微波輻射計的基本原理在第6章討論，這一章也包括黑體和灰體輻射以及各類微波輻射計的基本結(jié)構(gòu)，如全功率型和相關(guān)型輻射計等內(nèi)容。第7章討論雷達的基本原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中很大一部分篇幅用于討論一個新領(lǐng)域——人體微多普勒技術(shù)。第8章討論成像系統(tǒng)，其大部分篇幅放在了微波輻射計干涉成像技術(shù)，這是一個嶄新的、非常有前途的安防遙感應(yīng)用新技術(shù)。在本書的最后一章，即第9章，討論一個新技術(shù)，即利用相關(guān)式干涉儀測量運動物體的角速度。
本書的閱讀對象是安防遙感應(yīng)用領(lǐng)域的實際科研工作者和學(xué)習(xí)微波遙感技術(shù)的高年級大學(xué)生和研究生。本書的許多章節(jié)實際上也與通用微波遙感技術(shù)密切相關(guān)，因此從事其他微波遙感領(lǐng)域的研究人員也會發(fā)現(xiàn)此書是一本有用的參考書。閱讀本書的讀者應(yīng)具備微積分和傅里葉分析的基本知識。盡管本書的內(nèi)容都是從基本原理討論起，但讀者若事先學(xué)習(xí)一些電磁波理論的知識會是非常有益的。
在此，我要向那些在本書的形成過程中給予我支持與幫助的人們表示最衷心的感謝。我要特別感謝我的手稿的審閱者，他們是密歇根州立大學(xué)的AndrewTemme，約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的SalvadorTalisa和KeirLauritzen。我也要感謝ArtechHouse出版社的工作人員，感謝他們的專業(yè)精神、支持與詳盡細致的審閱。感謝CarlNielson，他幫助我整理了第3章中的部分圖表。感謝我在約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室的同事們，是他們給予我一直以來的鼓勵和幫助。我還要向那些給予我教育并幫助我開啟事業(yè)的人們表達我的謝意，他們是密歇根州立大學(xué)的EdRothwell，德克薩斯大學(xué)應(yīng)用研究實驗室(ARL)的BobRogers，以及德克薩斯大學(xué)的HaoLing。最后，我要向我的妻子和孩子們表達最衷心的謝意，感謝他們支持我寫這本書，容忍我把大量的時間花在這本書上。
JeffreyANanzer
譯者序
原書前言
第1章緒論1
1.1安防遙感 1
1.1.1對安防遙感的需求 1
1.1.2微波毫米波遙感器的優(yōu)勢 2
1.2遙感技術(shù)概述 2
1.2.1輻射計 3
1.2.2雷達系統(tǒng) 3
1.2.3成像系統(tǒng) 4
1.2.4角速度的干涉測量法 4
1.2.5其他領(lǐng)域的微波毫米波遙感技術(shù)5
1.3微波毫米波頻譜5
1.3.1頻段的命名5
1.3.2微波毫米波輻射的傳播7
1.4安防遙感器舉例8
1.4.1探測違禁品的主動成像系統(tǒng)8
1.4.2探測違禁品的被動成像系統(tǒng)10
1.4.3人體的探測11
1.4.4人體的識別和人體行為的甄別13
1.4.5穿墻探測17
1.4.6生命特征探測17
參考文獻19
第2章平面電磁波基礎(chǔ)25
2.1麥克斯韋方程組26
2.1.1本構(gòu)參數(shù)27
2.2時諧電磁場28
2.2.1波動方程28
2.2.2平面波29
2.2.2.1相速30
2.2.2.2E與H之間的關(guān)系31
2.2.3能量和功率32
2.3波的極化33
2.3.1線極化34
2.3.2橢圓極化35
參考文獻37
第3章媒質(zhì)中的電磁波38
3.1無界媒質(zhì)中的平面波傳播39
3.1.1良導(dǎo)體41
3.1.2良介質(zhì)41
3.1.3媒質(zhì)中的波阻抗42
3.1.4復(fù)介電常數(shù)與色散42
3.2平面波在有界媒質(zhì)中的傳播44
3.2.1垂直入射時波的反射與透射45
3.2.2任意入射時波的反射與透射46
3.2.2.1橫電波（垂直極化波）入射46
3.2.2.2橫磁波（平行極化波）入射49
3.2.3功率反射系數(shù)與透射系數(shù)50
3.2.4全透射與全反射51
3.2.5分層介質(zhì)52
3.3特定媒質(zhì)中的電磁傳播54
3.3.1大氣傳播效應(yīng)54
3.3.2波透過建筑材料的傳播59
3.3.3波透過服裝材料的傳播60
3.3.4爆炸物、塑料和金屬的介質(zhì)特性62
3.3.5人體組織的介質(zhì)特性64
參考文獻72
第4章天線74
4.1電磁位75
4.1.1由電流密度J確定的電磁位75
4.1.2由磁流密度Jm確定的電磁位76
4.1.3無窮小偶極子的輻射77
4.1.4遠場輻射78
4.1.5無窮小偶極子遠場輻射81
4.2天線參數(shù)81
4.2.1輻射功率密度和總輻射功率81
4.2.2天線方向圖82
4.2.3天線方向圖的波束寬度83
4.2.4天線立體角85
4.2.5方向性系數(shù)85
4.2.6增益86
4.2.7口徑面積和方向圖立體角87
4.2.8天線溫度和噪聲功率88
4.2.9極化88
4.3線天線的性質(zhì)89
4.3.1無窮小偶極子天線89
4.3.2長偶極子90
4.4口面天線91
4.4.1鏡像原理92
4.4.2等效原理93
4.4.3矩形口面的輻射94
4.4.4圓口面的輻射97
4.5天線陣列100
4.5.1直線陣列理論100
4.5.2平面陣列102
4.5.3天線陣列的波束寬度104
4.5.4相控陣104
4.5.5陣列構(gòu)架106
4.5.5.1饋電網(wǎng)絡(luò)106
4.5.5.2波束控制108
4.6常用的微波和毫米波天線108
4.6.1喇叭天線108
4.6.2縫隙天線110
4.6.3微帶天線110
4.6.4反射面天線系統(tǒng)113
4.6.5透鏡天線系統(tǒng)115
參考文獻116
第5章接收機118
5.1接收機的一般工作原理118
5.2接收機噪聲121
5.2.1接收機噪聲的來源122
5.2.1.1熱噪聲122
5.2.1.2散粒噪聲123
5.2.1.3閃爍噪聲123
5.2.2等效噪聲帶寬124
5.2.3毫米波頻段的熱噪聲125
5.3噪聲系數(shù)和噪聲溫度127
5.3.1噪聲系數(shù)127
5.3.2噪聲溫度128
5.3.3衰減器的噪聲系數(shù)129
5.3.4級聯(lián)系統(tǒng)的噪聲130
5.3.5ADC噪聲133
5.4接收機的線性特性136
5.4.1增益壓縮136
5.4.2交調(diào)產(chǎn)物139
5.4.3三階截斷點140
5.4.4級聯(lián)系統(tǒng)的三階截斷點141
5.4.5動態(tài)范圍142
5.4.6無雜散動態(tài)范圍143
參考文獻144
第6章輻射計145
6.1輻射測量學(xué)基礎(chǔ)146
6.1.1亮度146
6.1.2亮度與距離147
6.1.3通量密度和源分布148
6.1.4天線的影響149
6.2黑體輻射150
6.2.1普朗克黑體輻射定律150
6.2.2普朗克定律的近似153
6.2.3普朗克定律的帶限積分154
6.3應(yīng)用輻射測量學(xué)155
6.3.1輻射源的分辨156
6.3.1.1可分辨的源157
6.3.1.2不可分辨的源157
6.3.2接收功率的卷積形式158
6.3.3發(fā)射率和輻射溫度158
6.3.3.1人體皮膚和常見材料的發(fā)射率159
6.3.3.2環(huán)境的輻射溫度161
6.4輻射計接收機163
6.4.1靈敏度163
6.4.2全功率輻射計165
6.4.2.1全功率響應(yīng)166
6.4.2.2靈敏度167
6.4.3干涉式相關(guān)輻射計170
6.4.3.1空間點源的響應(yīng)171
6.4.3.2靈敏度174
6.5實際應(yīng)用中的問題177
6.5.1接收機不穩(wěn)定性177
6.5.2狄克輻射計178
6.5.3輻射計定標(biāo)179
6.6掃描型輻射計系統(tǒng)181
6.6.1空間分辨率181
6.6.2駐留時間183
6.6.3測量的不確定性185
6.6.3.1一維掃描185
6.6.3.2二維掃描186
參考文獻187
第7章雷達189
7.1雷達基礎(chǔ)190
7.1.1雷達系統(tǒng)配置與測量190
7.1.2雷達距離方程192
7.2發(fā)射機系統(tǒng)194
7.2.1發(fā)射機功能194
7.2.2發(fā)射機噪聲196
7.2.3毫米波振蕩器199
7.3雷達測量靈敏度200
7.3.1測量誤差200
7.3.1.1距離測量誤差201
7.3.1.2頻率測量誤差201
7.3.1.3角度測量誤差201
7.3.1.4舉例201
7.3.2時間帶寬積對測量誤差的影響206
7.4微多普勒208
7.4.1安防應(yīng)用中雷達的微多普勒208
7.4.2微多普勒理論209
7.4.3人體微多普勒特征213
7.5連續(xù)波雷達218
7.5.1連續(xù)波多普勒219
7.5.2調(diào)頻連續(xù)波223
7.5.3多頻連續(xù)波225
7.5.4動目標(biāo)指示雷達226
7.6高距離分辨率雷達231
7.6.1脈沖雷達231
7.6.2線性頻率調(diào)制233
7.6.3步進頻率調(diào)制235
參考文獻236
第8章成像系統(tǒng)239
8.1掃描式成像系統(tǒng)240
8.1.1掃描式成像儀分類240
8.1.2掃描式系統(tǒng)的性能243
8.1.2.1視場范圍和空間分辨率243
8.1.2.2幀速243
8.2干涉式成像系統(tǒng)244
8.2.1簡介244
8.2.2成像原理245
8.2.2.1可視度函數(shù)245
8.2.2.2可視度與輻射溫度之間的傅里葉變換關(guān)系247
8.2.2.3相關(guān)式干涉儀的空間濾波效應(yīng)248
8.2.3可視度的采樣250
8.2.4二維可視度254
8.2.5成像靈敏度255
8.2.6成像分辨率和視場范圍257
8.2.7干涉式成像陣列261
8.2.7.1米爾斯十字陣262
8.2.7.2T形陣263
8.2.7.3Y形陣264
8.2.7.4圓環(huán)形陣列264
參考文獻266
第9章角速度的干涉測量269
9.1角向運動點源的干涉響應(yīng)270
9.1.1干涉系統(tǒng)的方向圖270
9.1.2角向運動物體的頻率偏移272
9.1.3與多普勒頻移的比較272
9.1.4大場角下的頻率不確定性274
9.1.5小角度近似274
9.2干涉儀的譜響應(yīng)275
9.2.1廣義譜響應(yīng)275
9.2.2方向圖為sinc函數(shù)的干涉系統(tǒng)的響應(yīng)275
9.2.3干涉儀的時頻響應(yīng)279
9.3運動人體的干涉測量281
9.3.1窄波束系統(tǒng)對運動人體的響應(yīng)282
9.3.2寬波束系統(tǒng)對運動人體的響應(yīng)284
參考文獻286
符號表287
縮略語表293
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