聶建英， 李興國， 婁國偉

(1.福州大學(xué)數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)(軟件)學(xué)院，福州 350108; 2.南京理工大學(xué)毫米波、光波近感技術(shù)研究所，南京 210094)

0 引言

隱身技術(shù)又稱低可探測(cè)技術(shù)或目標(biāo)特征控制技術(shù)。為探測(cè)隱身目標(biāo)，美、俄、英、德、法等發(fā)達(dá)國家都在積極發(fā)展各種反隱身技術(shù)，并將研究非常規(guī)探測(cè)技術(shù)作為反隱身的重要研究方向之一，列入國防研究的關(guān)鍵技術(shù)。如這些國家正在研究被動(dòng)無源雷達(dá)反隱身技術(shù)，以及研究利用電臺(tái)、電視、或手機(jī)發(fā)射臺(tái)發(fā)射信號(hào)對(duì)隱身目標(biāo)的微弱反射等二次輻射來探測(cè)隱身目標(biāo)等非常規(guī)反隱身技術(shù)問題。

毫米波探測(cè)技術(shù)是指利用物體的毫米波輻射及散射特征，探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)的技術(shù)［1－2］。文章研究涉及的毫米波被動(dòng)探測(cè)，主要是探測(cè)隱身目標(biāo)的輻射亮度溫度，與目前國外研究的被動(dòng)探測(cè)反隱身研究是完全不同的概念。國外研究的被動(dòng)探測(cè)實(shí)質(zhì)上仍是針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)反隱身技術(shù)，也有別于他們正在開發(fā)的利用隱身目標(biāo)對(duì)廣播、電視等信號(hào)的微弱反射來發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)的做法［3－4］。

文章分析了毫米波被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)特性分析，給出了毫米波被動(dòng)探測(cè)隱身要素分析，指出被動(dòng)探測(cè)隱身目標(biāo)的表征量刻畫，及裝甲目標(biāo)被動(dòng)探測(cè)圖像的多尺度邊緣檢測(cè)，為研究毫米波被動(dòng)探測(cè)隱身與反隱身技術(shù)提供必要的理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 毫米波被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)分析

毫米波探測(cè)系統(tǒng)具有全天候或低能見度條件下，如霧、多云、煙霧或沙塵暴等會(huì)“制盲”可見光或紅外傳感器的低能見度條件下進(jìn)行探測(cè)與成像的能力。對(duì)于軍事應(yīng)用來說，低能見度是一種優(yōu)勢(shì)［1－2，5－9］。

毫米波被動(dòng)體制輻射計(jì)主要探測(cè)目標(biāo)的輻射溫度，利用目標(biāo)與場(chǎng)景的輻射溫度差異ΔTT來探測(cè)分辨識(shí)別目標(biāo)，不發(fā)射電磁波，具有很高的隱蔽性，并有很好的抗干擾性能。

任何物體輻射的能量可表達(dá)為物體的表觀溫度TAp(θ，φ)=ε(θ，φ)To，To為物體本身的溫度(物理溫度);ε為物體的發(fā)射率;ρ為物體的反射率;TAp(θ，φ)為物體的表觀溫度。

當(dāng)目標(biāo)的發(fā)射率與背景物體的發(fā)射率有明顯差異時(shí)，目標(biāo)可被輻射計(jì)探測(cè)到。由于金屬目標(biāo)的毫米波發(fā)射率近似為零，當(dāng)用被動(dòng)式毫米波輻射計(jì)探測(cè)地面目標(biāo)時(shí)，無論金屬目標(biāo)處于高溫還是低溫，由于其毫米波發(fā)射率為零，故其輻射溫度為零。它僅能反射天空的毫米波輻射溫度。而常見背景的毫米波輻射比較強(qiáng)，可看成熱背景。輻射計(jì)利用這種輻射差異，很容易從地面檢測(cè)金屬目標(biāo)。對(duì)于紅外，只有金屬目標(biāo)自身發(fā)熱時(shí)才易檢測(cè)。當(dāng)金屬目標(biāo)與周圍地面溫度相同時(shí)，紅外探測(cè)器無法檢測(cè)和區(qū)分地面金屬目標(biāo)。另外，被動(dòng)毫米波探測(cè)中的雜波變異比其他傳感器圖像中的要小得多，這使得具有較小誤報(bào)警的自動(dòng)目標(biāo)探測(cè)變得比較容易。

圖1顯示出了在200～300 m距離處對(duì)集群坦克的光學(xué)和被動(dòng)毫米波成像圖，圖2示出某坦克的光學(xué)和被動(dòng)毫米波圖像的對(duì)比［3－4］。

圖1 200～300 m處某坦克群成像圖Fig.1 Images of a tank group at 200 ～300 m

圖2 100 m處坦克成像圖Fig.2 Images of a tank at 100 m

從圖1b、圖2b中可以看出，坦克可以清晰地從地物背景中識(shí)別出來，目標(biāo)不同部位的輻射特性差異亦很明顯。通過分析可以知道，地面目標(biāo)除了要積極進(jìn)行雷達(dá)隱身及紅外隱身，還必須積極進(jìn)行被動(dòng)毫米波隱身，以減少來自被動(dòng)毫米波輻射計(jì)的探測(cè)威脅。

2 毫米波被動(dòng)探測(cè)隱身要素分析

毫米波被動(dòng)探測(cè)能力與目標(biāo)的投影截面面積，目標(biāo)的輻射特性，輻射傳播路徑，以及被動(dòng)輻射計(jì)各參數(shù)，天線口徑、靈敏度、信噪比等接收機(jī)的品質(zhì)都有著密切相關(guān)。我們利用波束占空比來推導(dǎo)與考察其探測(cè)能力。

記毫米波被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)相對(duì)的立體角為ΩT，毫米波輻射計(jì)天線立體角為 ΩA，其中 ΩT＜ΩA，則由文獻(xiàn)［1］，天線波束的立體角可表示為

式中:ηA為天線孔徑效率;ηa為天線輻射效率;λ為波長;D為天線口徑尺寸;ΩM為天線主波束立體角;ηB為天線波束效率。同樣，目標(biāo)投影等效截面AT對(duì)應(yīng)的立體角可用探測(cè)距離R表示為

由文獻(xiàn)［1］可知，毫米波被動(dòng)輻射計(jì)的系統(tǒng)溫度為

式中:2是考慮鏡像響應(yīng)的系數(shù);Ts為接收機(jī)輸入溫度(包括天線溫度及天線到接收機(jī)輸入端的損耗輻射溫度。忽略天線損耗及聯(lián)接損耗時(shí)，Ts=Ta，Ta為天線溫度);Trn表示接收機(jī)總噪聲溫度。

接收機(jī)總噪聲溫度通常用接收機(jī)噪聲系數(shù)Frn及其環(huán)境溫度Tbj來表示:

毫米波輻射計(jì)信噪比為

系統(tǒng)溫度的變化量可表示為ΔTsy=2ΔTa，設(shè)Kr為輻射計(jì)體制常數(shù)，則輻射計(jì)信噪比(SNR)為

于是可導(dǎo)出輻射計(jì)靈敏度，最小可探測(cè)的溫度平均值是RS，N=1時(shí)的ΔTa值，即輻射計(jì)的靈敏度ΔTmin為

式中:BN為檢波后帶寬;Bif為檢波前帶寬;Kr為輻射計(jì)體制常數(shù)，由輻射計(jì)類型及信號(hào)處理形式?jīng)Q定。

在被動(dòng)毫米波探測(cè)中，可用天線溫度變化量ΔTa來表示輻射計(jì)探測(cè)目標(biāo)信號(hào)的大小，而ΔTa又可利用目標(biāo)輻射溫度的變化量ΔTT來表示。當(dāng)考慮天線輻射效率時(shí)，可得出立體角表示的天線溫度變化量ΔTa與ΔTT的關(guān)系式為

式中:ηa為天線輻射效率。由式(8)可導(dǎo)出被動(dòng)毫米波輻射計(jì)探測(cè)的距離方程為

對(duì)上述距離公式分析可知:

1)(ηAπD2/4λ2)表示天線參數(shù)對(duì)距離的影響，天線直徑增大，作用距離也增大，工作頻率提高，作用距離也增加;

根據(jù)距離公式，顯然易知1)～3)僅與輻射計(jì)本身的品質(zhì)有關(guān)，與目標(biāo)無關(guān)。而則完全反映了目標(biāo)本身的特性。即一旦毫米波輻射計(jì)的接收機(jī)參數(shù)和大氣影響因子等條件都確定，被動(dòng)毫米波探測(cè)距離與(ATΔTT)的大小成正比關(guān)系。因此控制與縮減目標(biāo)的投影等效截面AT與目標(biāo)和環(huán)境的輻射溫度變化量ΔTT就能縮小被探測(cè)的距離。

如當(dāng)(ATΔTT)的值縮減為原來的1/10，即下降10 dB，則R就縮小原來距離的32%。因此，目標(biāo)的毫米波被動(dòng)隱身關(guān)鍵是縮減參數(shù)目標(biāo)與環(huán)境的輻射溫度變化量ΔTT與目標(biāo)投影等效截面AT的大小。特別地，目標(biāo)外形投影等效截面AT變化量縮減受一定影響，因此目標(biāo)隱身的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)是ΔTT。即被動(dòng)毫米波輻射計(jì)隱身技術(shù)的實(shí)質(zhì)為目標(biāo)輻射特性的控制(ATΔTT)。

3 毫米波被動(dòng)探測(cè)圖像的多尺度邊緣檢測(cè)

探測(cè)圖像中的邊緣結(jié)構(gòu)常常是模式識(shí)別中最重要的特征。毫米波被動(dòng)探測(cè)成像的邊緣，正是目標(biāo)輻射特征差異的明顯變化區(qū)域，是目標(biāo)毫米波被動(dòng)探測(cè)與目標(biāo)識(shí)別的重要依據(jù)。

由于小波變換在各尺度上都提供了圖像的邊緣信息，故稱為多尺度邊緣。小波變換能夠把圖像分解成多種尺度成分，并對(duì)大小不同的尺度成分采用相應(yīng)的時(shí)域或空域取樣步長，從而能夠不斷地聚焦到對(duì)象的任意微小細(xì)節(jié)。對(duì)于被動(dòng)探測(cè)，多尺度邊緣正是目標(biāo)輻射特征差異的各微小變化區(qū)域。

通過檢測(cè)二維小波變換的模極大點(diǎn)可以確定圖像的邊緣點(diǎn)。沿著邊界方向?qū)⑷我獬叨认碌倪吘夁B接起來可形成該尺度下沿著邊界的模極大曲線，構(gòu)成圖像的邊緣檢測(cè)。在二維情況下，邊緣檢測(cè)算法通過計(jì)算圖像信號(hào)f(x，y)∈L2(R2)的梯度向量的模的局部極大值來尋找圖像邊緣的空間位置。梯度向量的方向指出了圖像灰度值變換最快的方向［10］。

多尺度邊緣檢測(cè)是將圖像曲面用一個(gè)核函數(shù)θ(x，y)的伸縮作卷積平滑。設(shè)平滑函數(shù)θ(x，y)關(guān)于x，y可積，且當(dāng)x與y趨于無窮時(shí)積分為0，函數(shù)可微。需要兩個(gè)方向的二維小波，它們分別是平滑函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)，記為

于是這兩個(gè)尺度小波可表示成［3］

由于 ψ1(x，y)，ψ2(x，y)是平滑函數(shù) θ(x，y)的偏導(dǎo)數(shù)，所以二維二進(jìn)小波變換的兩個(gè)分量等價(jià)于圖像f(x，y)被平滑后的梯度向量的兩個(gè)分量，即

在尺度2j下的邊緣點(diǎn)是這樣的一點(diǎn)v，使得Mf(u，2j)沿 u=v+λ nj(v)，當(dāng)|λ|充分小時(shí)在 u=v取到極大值。這樣的點(diǎn)稱為小波變換模極大點(diǎn)，通過檢測(cè)二維小波變換的模極大點(diǎn)可以確定圖像的邊緣點(diǎn)。且Af(u，2j)指明了邊緣的方向。利用二維離散二進(jìn)小波變換的atrous［10］算法給出圖1b的多尺度邊緣檢測(cè)如圖3所示。

圖3 被動(dòng)毫米波圖像及其多尺度邊緣檢測(cè)圖Fig.3 Original PMMW image and multiscale edge image

4 毫米波被動(dòng)探測(cè)目標(biāo)實(shí)驗(yàn)分析

考察目標(biāo)的毫米波被動(dòng)探測(cè)輻射特性實(shí)測(cè)與分析。本文以3 mm，94 GHz直流Dicke式輻射計(jì)為例。輻射計(jì)的原理框圖如圖4所示。

圖4 3 mm直流Dicke式輻射計(jì)Fig.4 3 mm direct current Dicke radiometer

采用液氮黑體低溫與常溫黑體定標(biāo)法，以提高探測(cè)精確度，可得定標(biāo)方程:T=19.598U+208.4。

為分析目標(biāo)輻射特性，參照?qǐng)D6擺放好輻射計(jì)及待測(cè)物體。圖5外圍為地面背景，中間3×5區(qū)域覆蓋待測(cè)物體隱身目標(biāo)。按照編號(hào)順序探測(cè)每個(gè)區(qū)塊的輻射電壓，并依次存入記錄表中，參見表1。每個(gè)區(qū)域記錄3個(gè)電壓值，取其平均值作為該區(qū)域的輻射能量電壓值。再利用定標(biāo)方程與Matlab計(jì)算出溫度，并畫出目標(biāo)的輻射分布圖。

圖5 分區(qū)編號(hào)圖Fig.5 Serial number

表1 雙層隱身迷彩測(cè)試數(shù)據(jù)Table 1 Testing data of stealth material coating

從圖6中可以看出雙層隱身迷彩布輻射溫度分布特點(diǎn)，雙層隱身迷彩布輻射溫度的強(qiáng)輻射區(qū)域在前甲部與四周，中間輻射溫度較小。因此需要控制與縮減目標(biāo)的前甲部和四周和環(huán)境的輻射溫度差異，便可達(dá)到低可探測(cè)的目的。

圖6 雙層隱身迷彩布輻射溫度分布圖Fig.6 Radiation temperature distribution of the stealth material coating

5 結(jié)束語

毫米波被動(dòng)探測(cè)廣泛地應(yīng)用于目標(biāo)的精確制導(dǎo)與探測(cè)。為研究毫米波被動(dòng)探測(cè)隱身目標(biāo)，在分析毫米波被動(dòng)探測(cè)能力與要素的基礎(chǔ)上，得到結(jié)論，控制與縮減目標(biāo)的(ATΔTT)表征量，是被動(dòng)毫米波輻射計(jì)隱身技術(shù)的實(shí)質(zhì)因素。同時(shí)文章給出了毫米波被動(dòng)探測(cè)裝甲目標(biāo)圖像的多尺度邊緣檢測(cè)，及被動(dòng)輻射計(jì)探測(cè)雙層隱身迷彩目標(biāo)的輻射能量的實(shí)測(cè)與特性分析。只要控制與縮減目標(biāo)的前甲部和四周和環(huán)境的輻射溫度差異，便可達(dá)到低可探測(cè)的目的。

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