1.2 毫米波辐射特性的研究现状

1.3 本文的主要任务

    本文的研究内容是利用毫米波研究水体污染问题。第一，综述毫米波辐射探测的发展背景以及无源毫米波目标特性应用意义。第二，概述毫米波辐射探测水面目标的基本原理和方法。第三，根据无源毫米波辐射计系统，选择试验波段，通过理论和试验对水面目标辐射特性进行分析。

  在本文中，我们可采用由3mm波段或8mm波段直流辐射计组成的毫米波辐射特性探测系统进行相关实验。

  辐射系统主要技术指标为：

  工作频率：94GHz或35GHz；

  天线：368mm卡赛格伦天线；

  波束宽度：0.5°或1.5°。

本文各章节内容如下：

第一章 提出课题的研究背景，介绍水体污染监测的意义及毫米波技术的现状，并介绍全文的内容。

第二章 介绍普朗克黑体定律，说明温度与功率关系，以理清毫米波辐射特性，为测量应用奠定理论基础。

第三章 介绍两种毫米波辐射计，简单阐述其测量与工作原理。

第四章 利用毫米波测量原理对探测目标进行建模。通过模型分析探测指数，通过测量数据，仿真并得出结论。

2 毫米波辐射特性的物理原理

任何物体都不停地辐射电磁波(黑体为理想情况，实际中并不存在)，不同的物体在不同波段地辐射率不同。这种现象称为物体的热辐射。利用这种原理，可以根据目标景物、背景的温度和辐射发射率的差异来形成场景的辐射亮度温度分布的图像。论文网

2.1 辐射测量原理

2.1.1普朗克黑体辐射定律

广义地讲，任何一个物体都是一个辐射源，在一定温度下物体要发射电磁波，同时也被别的物体发射的电磁波所照射。从能量守恒的观点看，入射辐射的能量应等于被反射的辐射能量和被吸收的辐射能量之和。能够在热力学定理允许的范围内最大限度地把热能转变成辐射能的理想辐射体称为绝对黑体(简称黑体)，它在任何温度下能够吸收任何频率的全部入射辐射而无丝毫反射，它是理想的，自然界中并不存在。在毫米波段，黑体就是在该频段所有频率上都能吸收落在它上面的全部辐射而无反射的理想物体，即吸收率为1，反射率为0。黑体除了是一个良好的发射体，还是一个良好的吸收体。

处于绝对零度以上的所有物质，由于分子能级之间或原子能级之间的跃迁，都会辐射出电磁能量。量子理论解释了原子和分子的辐射机理。以原子形式存在的气体在离散的频率上辐射电磁波具有线光谱，每根谱线对应于电子从一个能级到另一个较低能级的特定的跃迁;若入射波的频率满足玻尔条件，则投射到原子的能量被吸收，提供电子跃迁到较高能级所必需的能量，所形成的吸收谱与发射谱完全相同。分子气体、液体和固体的辐射与吸收也可以按此解释，只不过他们的结构更加复杂，以至于分子气体的谱线紧密地排列在一起，液体和固体的辐射谱实际上成为连续的，在所有频率上都能辐射，一个原子与其它原子或质点的碰撞引起原子的辐射发射，碰撞发生的概率取决于原子的密度和它们的随机运动的动能。因为物质的动能由它的绝对温度所决定，所以物质辐射能量的强度随它的温度的增加而增加。文献综述

在热力学平衡条件下，处于某一温度下的物体，在某一波长下的谱出射率与该物体吸收率的比值，等于黑体在同一温度和波长下的谱出射率。物质辐射能量的强度随它的温度的增加而增加。

黑体在所有方向上均匀辐射，根据黑体辐射的出射率与其亮度的关系，可以得到黑体的谱亮度 为：