華北理工微博遙感講義第3節(jié) 天線、雷達(dá)方程和灰度方程

第三節(jié)天線、雷達(dá)方程和灰度方程天線是將發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁波發(fā)射出去，或者接收地物反射回來的電磁波，并傳送給接收機(jī)的重要中間環(huán)節(jié)。在雷達(dá)系統(tǒng)中，有時(shí)同時(shí)安置兩個(gè)天線以分別發(fā)射和接收電磁波，有時(shí)用同一天線兼?zhèn)鋬煞N功能。不論哪一種情況，天線都是自由空間傳播的電磁波和傳輸線內(nèi)傳輸?shù)碾姶挪ㄖg轉(zhuǎn)換區(qū)域。在將電磁輻射能量從傳輸線轉(zhuǎn)換到自由空間時(shí)，天線在各個(gè)方向上輻射的能量是不均勻的。所謂各向同性的天線，即在各方向輻射能量相同的天線是不存在的。天線輻射能量的空間分布稱為天線輻射方向圖，通常用平面方向圖代表天線立體方向圖，如下：Z軸為雷達(dá)波束方向，一般波束寬度即圖中半功率點(diǎn)寬度，在這個(gè)寬度內(nèi)構(gòu)成了天線輻射的主瓣，周圍還分布著一些能量很小的輻射，一般稱為旁瓣。對(duì)大多數(shù)天線來講，發(fā)射和接收時(shí)輻射方向圖是一致的，則稱為互易元件。天線互易性原理指出：同一天線用作發(fā)射或接收信號(hào)時(shí)，其性能不變。1、分貝（1）分貝的概念：分貝表示一種單位，即兩種電或聲功率之比或兩種電壓或電流值或類似聲量之比；分貝還是一種測量聲音相對(duì)響度的單位。 分貝是對(duì)數(shù)單位式中：P1與P2是兩個(gè)被比較的功率電平（2）分貝的應(yīng)用 功率增益，描述功率電平增加的術(shù)語。 增益＝輸出功率/輸入功率 功率損耗，描述功率電平降低的術(shù)語。損耗＝輸入功率/輸出功率天線所發(fā)射的電磁波是球面波，見書38頁，從輻射源發(fā)射的波束主瓣方向?yàn)閆軸，與它兩兩正交的X軸和Y軸視為矩形口徑的電場方向和磁場方向，變量r,q,f分別表示作用距離、仰角和方位角 表示在 方向每單位立體角內(nèi)的輻射功率。歸一化輻射方向圖在極坐標(biāo)系上繪制的天線歸一化輻射方向圖在較窄的q范圍內(nèi)天線的輻射強(qiáng)度很強(qiáng)，對(duì)應(yīng)這個(gè)角度范圍的窄立體角內(nèi)輻射出大部分天線的輻射功率，這部分天線波束稱為天線的主波束或者主瓣。隨著q角增加相繼出現(xiàn)一些峰值和谷值，并且這些峰值和谷值隨q的增加而減小，這些部分被稱為旁瓣，緊鄰主瓣的第一個(gè)峰形成的旁瓣成為第一旁瓣，其他為次旁瓣。q>90的部分稱為背瓣。2）半功率波束寬度歸一化輻射強(qiáng)度為最大值一半所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)方位角之間的角度定義為半功率波束寬度.以分貝表示，則=0.5相當(dāng)于-3dB，因而半功率波束寬度也稱為3dB波束寬度。第一零點(diǎn)之間的波束寬度此值表示主瓣的總寬度。所謂第一零點(diǎn)并不一定是輻射強(qiáng)度下降到零值之處。而是指在主瓣最大值兩側(cè)首先下降到最小值（谷點(diǎn)）的點(diǎn)，此點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位角為如果輻射方向圖是對(duì)稱的，第一零點(diǎn)之間的波束寬度為3）方向性系數(shù) 實(shí)際上天線在各個(gè)方向上發(fā)射的輻射強(qiáng)度是不同的，在主瓣內(nèi)集中了大部分輻射能量，并在某個(gè)方向上出現(xiàn)最大的輻射強(qiáng)度，為描述天線的這種特性，引入天線方向性的概念。在某個(gè)給定方向天線的方向性系數(shù)用表示，它是這個(gè)方向上的歸一化輻射強(qiáng)度與空間內(nèi)歸一化輻射強(qiáng)度平均值的比值：4）有效面積天線孔徑上電場振幅和相位的分布狀況影響天線的最大方向性系數(shù)。以矩形孔徑天線為例，當(dāng)電場振幅和相位均勻分布時(shí)，AP為天線孔徑的實(shí)際面積當(dāng)電場振幅分布不均勻時(shí)，最大方向性系數(shù)D0將小于振幅分布均勻的D0值在非均勻分布的情況下，最大方向性D0由一個(gè)天線孔徑有效面積Aeff確定ηa為天線的孔徑效率天線孔徑面積愈大，它具有更強(qiáng)的方向性（更窄的波束寬度）；孔徑效率低導(dǎo)致方向性變壞。但，孔徑效率愈高，天線的主波束效率將隨之下降，因而天線的方向性強(qiáng)與波束效率高之間有矛盾。為了研究一個(gè)有耗天線的方向性，引入天線增益的概念。在某一規(guī)定方向上天線增益的定義是被測天線輻射的功率密度與相同供電功率下無耗各向同性天線輻射功率密度Sri的比值，則有被測天線輻射的總功率（在半徑為r的球面上對(duì)Sr求積分得到）無耗各向同性天線將供電功率全部轉(zhuǎn)化為輻射功率可以將增益函數(shù)與方向性系數(shù)聯(lián)系起來：在最大輻射方向，最大增益是由此可見，增益不僅表示天線的方向性特性