2.2　传感器电磁频谱与大气传播

由于传感器各组成部分（如发射机、接收机、孔径和检波器）大小与波长成正比，因此传感器可以按照其波长进行分类。

表2.1比较了微波、毫米波和光电/红外传感器的特性。

传感器的一个重要部件是其孔径，能量由此进入（接收）和/或离开（发射）传感器。微波和毫米波传感器的孔径是天线，而光电/红外和激光传感器的孔径是光学透镜和反射镜。

天线和透镜的方向性增益GD被定义为整个球面的立体角（4π球面度）与发射或接收能量主要集中处的立体角之比。对于矩形孔径，当立体角的-3 dB波束宽度为θB和φB时，我们有：

对圆形孔径和透镜而言，上式则变为：

式中，θB是天线的-3 dB波束宽度（半功率波速宽度）或是透镜的衍射边限。

根据天线理论（参见文献［20］或附录C），可以证明对直径为D的圆形孔径，其方向性增益为：

结合式（2.2）与式（2.3），可以得出：

式中，

例如，对于直径D=1 m=100 cm、工作在λ=3 cm的微波雷达天线来说，θB=1.13×3÷100=0.035 rad=35 mrad=2°，GD=4π÷（0.35）2 =10 314=40.1 dB。对工作在λ=10.6 μm、透镜直径D=10 cm的CO2激光器来说，θB=1.13×10.6÷（10×10-4）=1.19×10-4rad=0.119 mrad=0.0069°。

从上述例子可以推出，光电/红外传感器因波长极短而拥有极高的分辨率特性，这对成像和目标识别非常有用。相反，微波和毫米波雷达则因其较宽的波束宽度而有利于空域搜索、跟踪、制导和对光电/红外传感器的引导。

由式（2.1）～式（2.4）得到的理论值总是会超过实际值，因此必须用与天线和透镜的物理结构及电磁特性有关的一个有效因子η（0.6～0.7）进行修正。例如，微波天线的增益表示为G=ηGD，而好的天线设计通常将其有效因子设定为η=0.6～0.65。

表2.2给出了微波和毫米波雷达频段的频率划分范围，表2.3列出了红外频谱的划分范围。

设计任何传感器系统必须考虑的一个重要因素就是雨、雾、尘埃等大气效应，它们会使性能变差，还要考虑大气衰减与频率的关系。图2.1、图2.2和图2.3分别描述了单程的大气衰减（dB/km）与频率的关系、雨雾造成的衰减以及高频传感器在红外波段的大气传输系数。

由图2.1～图2.3可以看出，在不利的大气环境下，可见光和红外传感器的性能大幅下降，而毫米波雷达也会受到极大的影响。