陳曦，陳自力，許建中，孟春祥

(1.南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210094;2.空軍勤務(wù)學(xué)院，江蘇 徐州221000)

0 引言

末端敏感彈藥(簡(jiǎn)稱末敏彈)是一種能夠在彈道末段自動(dòng)探測(cè)、識(shí)別目標(biāo)并使戰(zhàn)斗部朝著目標(biāo)方向引爆的智能彈藥，具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、命中概率高、毀傷威力大、高效費(fèi)比和“打了不管”等特點(diǎn)[1－3]。在21 世紀(jì)信息化戰(zhàn)場(chǎng)上，末敏彈已經(jīng)成為坦克裝甲集群的重大威脅，可以對(duì)遠(yuǎn)距離裝甲集群目標(biāo)實(shí)施裝甲防護(hù)和主動(dòng)攔截難以抵御的有效攻擊。因此，通過電子對(duì)抗手段對(duì)末敏彈探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)進(jìn)行干擾，降低末敏彈的打擊效能，是一種必要的技術(shù)策略，具有重大的軍事應(yīng)用價(jià)值。目前軍事科技領(lǐng)域尚未有公認(rèn)的應(yīng)對(duì)措施，現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)末敏彈的干擾研究主要為無源干擾，包括箔條云和假目標(biāo)兩種手段[4－7]。前者通過箔條云衰減、阻斷毫米波的傳播，降低毫米波輻射計(jì)探測(cè)目標(biāo)的能力，使其丟失目標(biāo);但箔條云的使用受氣候條件、遮蔽場(chǎng)地面積、箔條云車載量等因素限制，尤其受風(fēng)速影響很大。后者采用毫米波假目標(biāo)作為無源誘餌，對(duì)毫米波輻射計(jì)實(shí)現(xiàn)欺騙干擾，但實(shí)際干擾效率受布置方法、氣候條件、戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)使用等條件限制而降低。

針對(duì)上述干擾方法的不足，本文提出了一種基于波形誘騙的有源干擾新方法。該方法根據(jù)末敏彈毫米波交流輻射計(jì)探測(cè)金屬目標(biāo)時(shí)彈目交會(huì)特點(diǎn)和信號(hào)處理電路特性，采用毫米波干擾源發(fā)射合適功率的干擾信號(hào)，使輻射計(jì)接收系統(tǒng)獲得具有大時(shí)寬等幅的天線溫度信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)視頻放大器低頻截止作用后發(fā)生頻率失真，輸出信號(hào)失真為具有正、負(fù)脈沖形式的分裂信號(hào)，其中負(fù)脈沖信號(hào)可以模擬探測(cè)真實(shí)金屬目標(biāo)的輸出信號(hào)，從而誘騙目標(biāo)識(shí)別器輸出起爆信號(hào)，實(shí)現(xiàn)干擾作用。

1 金屬目標(biāo)天線溫度信號(hào)分析

當(dāng)敏感器(毫米波交流輻射計(jì))天線波束掃過金屬目標(biāo)時(shí)，利用金屬目標(biāo)與地面背景的毫米波輻射特性差異，天線接收的輻射功率可用天線溫度對(duì)比度來表示，為一個(gè)“鐘形”脈沖信號(hào)。其中信號(hào)峰值和寬度特征反映了目標(biāo)主要的敏感信息。根據(jù)毫米波輻射計(jì)探測(cè)金屬目標(biāo)的經(jīng)典理論[8－10]，脈沖信號(hào)峰值可用目標(biāo)位于天線波束中心時(shí)引起的天線溫度變化量來近似計(jì)算，即

式中:ΔTT為金屬目標(biāo)與地面背景的輻射溫度對(duì)比度(為一固定負(fù)值);ATM為波束域內(nèi)目標(biāo)投影面積;b 為表征天線方向圖的常數(shù);H 為探測(cè)高度;θF為探測(cè)角。

在天線波束中心掃描經(jīng)過目標(biāo)的整個(gè)過程中，目標(biāo)響應(yīng)的脈沖寬度wT可用天線波束尺寸與掃過的目標(biāo)線性尺寸之和與天線掃描線速度之比來近似表示，即

式中:D 為目標(biāo)線性尺寸;R=H/cos θF為探測(cè)距離;θM為天線波束寬度(視場(chǎng)角);n 為天線圓錐掃描轉(zhuǎn)速。

根據(jù)(1)式和(2)式所示的信號(hào)波形特征參量，可采用高斯擬合函數(shù)對(duì)天線溫度變化量進(jìn)行波形逼近，以掃描點(diǎn)位于目標(biāo)中心位置作為時(shí)間參考零點(diǎn)時(shí)，探測(cè)金屬目標(biāo)天線信號(hào)溫度的擬合函數(shù)可表示為

圖1 給出了不同探測(cè)高度時(shí)獲得的天線溫度對(duì)比度信號(hào)波形曲線。由圖1 可見，對(duì)于給定探測(cè)條件，隨著輻射計(jì)探測(cè)高度不斷下降，信號(hào)峰值大小(ΔTAmax/ΔTT)顯著增加，信號(hào)寬度也隨之增大。

圖1 探測(cè)金屬目標(biāo)時(shí)天線溫度對(duì)比度Fig.1 The antenna temperature contrast in metal target detection

2 毫米波干擾源天線溫度信號(hào)建模

若將地面金屬目標(biāo)替換為毫米波干擾源，需要重新分析輻射計(jì)掃描過程并進(jìn)行信號(hào)建模。圖2 為輻射計(jì)掃描地面毫米波干擾源的示意圖。

圖2 輻射計(jì)掃描毫米波干擾源示意圖Fig.2 Schema of the radiometer scanning MMW interference source

考慮到輻射計(jì)天線波束中心掃描對(duì)準(zhǔn)干擾源天線最大增益方向時(shí)，接收的干擾源發(fā)射功率為最大。此時(shí)輻射計(jì)和干擾源2 個(gè)波束有最大交疊面S，輻射計(jì)對(duì)干擾源的探測(cè)可近似為對(duì)波束中心的圓形面目標(biāo)S 的掃描，如圖2(b)所示。根據(jù)幾何關(guān)系可得，等效目標(biāo)S 的面積

式中ΔTTJ用來表征干擾源與地面背景的輻射溫度對(duì)比度，可表示為

其中:PJ為干擾源發(fā)射功率;GJ(θ'，φ')為干擾源天線增益方向圖;η 為天線接收效率;R 為輻射計(jì)天線與干擾源的探測(cè)距離;TC為背景的輻射溫度。

由(5)式可知，通過合理控制干擾源發(fā)射功率，使干擾源與地面背景的輻射溫度對(duì)比度基本恒定，即ΔTTJ一定時(shí)(為一固定正值)，得到的天線溫度信號(hào)峰值固定不變，與H 無關(guān)。但根據(jù)雷達(dá)方程，隨著H 的降低，輻射計(jì)天線接收到來自干擾源的信號(hào)能量應(yīng)增大，由能量守恒原理可知，其信號(hào)寬度將會(huì)增大。因此，探測(cè)干擾源時(shí)將獲得一個(gè)脈沖寬度較寬的天線溫度信號(hào)，參考(3)式可將探測(cè)干擾源時(shí)天線溫度信號(hào)表示為

式中k 值一般取2.5 ～4.

與相同探測(cè)高度下(如H=60 m)金屬目標(biāo)天線溫度信號(hào)對(duì)比，其波形曲線如圖3 所示。

3 輻射計(jì)波形干擾機(jī)理

天線接收的輻射功率(天線溫度信號(hào))作為輻射計(jì)系統(tǒng)輸入信號(hào)，通過接收機(jī)系統(tǒng)進(jìn)一步信號(hào)處理，得到輻射測(cè)量的最終輸出信號(hào)。毫米波交流輻射計(jì)接收系統(tǒng)一般由毫米波低噪聲放大器、平方律檢波器和視頻放大器組成[11－12]，其簡(jiǎn)化的工作原理框圖如圖4 所示。

由于接收的輻射能量非常微弱，首先需要經(jīng)過前級(jí)高增益、低噪聲的毫米波放大器將射頻輸入信號(hào)放大，達(dá)到檢波器輸入信號(hào)的要求;檢波器工作于小信號(hào)平方律特性，其檢波輸出的電壓信號(hào)為

圖3 探測(cè)干擾源和金屬目標(biāo)時(shí)天線溫度對(duì)比度Fig.3 The antenna temperature contrast in the detection of interference source and metal target

圖4 交流輻射計(jì)工作原理框圖Fig.4 Principle diagram of alternating current radiometer

式中:k 為波爾茲曼常數(shù);接收機(jī)系統(tǒng)的等效電氣參數(shù)分別為平方律檢波器功率靈敏度Cd、檢波前電路的等效帶寬B、功率增益Kp、接收機(jī)系統(tǒng)噪聲溫度Te;ΔTA(t)為天線溫度信號(hào)(ΔTA(t)=f(t)|mtΔTT或ΔTA(t)=f(t)|isΔTTJ).

實(shí)際應(yīng)用中，通常要求毫米波交流輻射計(jì)系統(tǒng)開機(jī)后立刻進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定過程為毫秒量級(jí)。檢波器與視頻放大器之間采用阻容耦合，使本機(jī)噪聲的平均直流分量不通過視頻放大器，只傳輸有用的交流信號(hào)。因此輻射計(jì)系統(tǒng)中視頻放大器的低頻截止頻率不為0，可看作一個(gè)有源帶通濾波器(通頻帶一般為4 ～200 Hz)，其低頻端截止角頻率ω0L=由阻容耦合電容Ce和視頻放大器輸入阻抗ri決定。當(dāng)輸入視頻放大器信號(hào)頻率低于有源帶通濾波器低頻端截止頻率時(shí)，發(fā)生頻率失真，視頻放大器作用于微分運(yùn)算，則視頻放大器輸出信號(hào)可表示為

式中:h(t)為視頻放大器沖激響應(yīng)函數(shù);Kv為視頻放大器電壓增益;τ 為微分電路時(shí)間常數(shù)。

對(duì)于探測(cè)金屬目標(biāo)獲得的輸入脈沖信號(hào)，系統(tǒng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)保證時(shí)間常數(shù)τ 遠(yuǎn)大于脈沖上升沿和下降沿時(shí)間，耦合電容Ce只起交流耦合作用，相當(dāng)于短路。但是，當(dāng)采用同樣的接收機(jī)系統(tǒng)處理探測(cè)干擾源獲得的脈沖信號(hào)時(shí)，由第2 節(jié)分析可知，其信號(hào)等幅展寬，且探測(cè)高度越低，脈沖信號(hào)寬度越寬，即低頻成分越多，使得其信號(hào)頻率小于帶通濾波器低頻端截止頻率，此時(shí)耦合電容Ce起微分作用，以時(shí)間常數(shù)τ 進(jìn)行充放電。探測(cè)金屬目標(biāo)與探測(cè)干擾源時(shí)獲得的接收機(jī)系統(tǒng)輸入信號(hào)以圖3 所示信號(hào)為例，則視頻輸出信號(hào)如圖5 所示。

圖5 探測(cè)干擾源時(shí)視頻輸出信號(hào)Fig.5 The video output signal in the interference source detection

從圖5 可看出，對(duì)于探測(cè)干擾源時(shí)獲得的等幅寬時(shí)天線溫度信號(hào)，由于輻射計(jì)系統(tǒng)中視頻放大器固有的低頻截止特性，使輸入的寬時(shí)信號(hào)發(fā)生頻率失真，變?yōu)榫哂姓?、?fù)脈沖形式的分裂信號(hào)，其中右半部分的脈沖信號(hào)反向后為實(shí)際系統(tǒng)輸出信號(hào)(因?yàn)閷?shí)際系統(tǒng)中運(yùn)算放大器為反相放大，且單電源供電，負(fù)脈沖部分被切削，故用虛線表示，圖中只給出大于零電平信號(hào))。將其與圖中經(jīng)輻射計(jì)接收系統(tǒng)線性處理后獲得的探測(cè)金屬目標(biāo)視頻輸出信號(hào)對(duì)比可知，其信號(hào)一維波形特征具有較大的相似性。

實(shí)際使用時(shí)干擾源發(fā)射功率的合理控制是實(shí)現(xiàn)末敏彈干擾效果的前提，發(fā)射功率過小，無法對(duì)輻射計(jì)產(chǎn)生干擾作用;發(fā)射功率過大將導(dǎo)致輻射計(jì)系統(tǒng)飽和，產(chǎn)生阻塞效應(yīng)。已知干擾源發(fā)射功率為PJ，發(fā)射天線增益為GJ，當(dāng)距離干擾源R 遠(yuǎn)處的輻射計(jì)接收天線主瓣方向在干擾源發(fā)射天線主波束范圍內(nèi)時(shí)，根據(jù)弗利斯傳輸公式可知，接收天線口面處的功率為

為了使干擾源信號(hào)到達(dá)檢波器前的功率滿足檢波管的小信號(hào)平方律要求，即滿足檢波器動(dòng)態(tài)范圍為－40 ～－20 dBm，以94 GHz(λ =3.2 mm)直檢式交流輻射計(jì)為例，其典型的參數(shù)為輻射計(jì)接收天線增益為33 dB，前端損耗為4 dB，射頻放大器增益為58 dB.在末敏彈探測(cè)距離為20 ～120 m 范圍內(nèi)，若發(fā)射天線增益為GJ=6 dB，則代入(10)式計(jì)算可得，干擾源發(fā)射功率的工作范圍約為0.04 ～1.1 mW.

當(dāng)作用的干擾源發(fā)射功率滿足上述條件時(shí)，能夠保證輻射計(jì)整個(gè)探測(cè)過程中會(huì)獲得展寬約2.5 ～4 倍的等幅寬時(shí)信號(hào)，從而經(jīng)后續(xù)輻射計(jì)系統(tǒng)電路處理后可以產(chǎn)生與探測(cè)金屬目標(biāo)時(shí)相似的信號(hào)波形，將此模擬波形送入判決裝置后滿足探測(cè)金屬目標(biāo)信號(hào)特征的判決準(zhǔn)則，進(jìn)而給出引爆信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)末敏彈誘騙干擾作用。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文基于波形誘騙的毫米波有源干擾方法的有效性，進(jìn)行了靶場(chǎng)實(shí)際測(cè)量。其中毫米波干擾源為一個(gè)小型毫米波發(fā)射機(jī)，主要由干擾源天線，干擾源和控制器組成。輻射計(jì)系統(tǒng)樣機(jī)主要指標(biāo)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件見表1.圖6 為探測(cè)距離60 m 時(shí)，兩次掃過地面金屬目標(biāo)獲取的實(shí)測(cè)信號(hào)，圖中A 位置處對(duì)應(yīng)金屬目標(biāo)。在不改變探測(cè)條件前提下，采用毫米波干擾源代替金屬目標(biāo)進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)，獲得的輸出信號(hào)如圖7 所示。對(duì)比圖6 和圖7 可以看出，輸出波形B 與輸出波形A 相似，具有相同的目標(biāo)特征量，從而實(shí)現(xiàn)了波形誘騙的干擾效果。

表1 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要指標(biāo)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Parameters of prototype and experimental conditions

圖6 掃描金屬目標(biāo)時(shí)輻射計(jì)輸出的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Output signal in metal target detection

圖7 掃描毫米波干擾源時(shí)輻射計(jì)輸出的實(shí)驗(yàn)波形Fig.7 Output signal in MMW interference source detection

5 結(jié)論

針對(duì)通用型末敏彈毫米波交流輻射計(jì)的工作原理和電路特性，提出了一種基于波形模擬的有源干擾新方法，其核心是產(chǎn)生與探測(cè)真實(shí)金屬目標(biāo)輸出信號(hào)一維波形特征相似的模擬波形，具體實(shí)現(xiàn)是通過控制毫米波干擾源發(fā)射功率，獲得具有大時(shí)寬等幅的天線溫度信號(hào)送入輻射計(jì)接收系統(tǒng)，使視頻放大器固有的低頻截止特性產(chǎn)生微分作用，輸出信號(hào)失真為具有正、負(fù)脈沖形式的分裂信號(hào)，其中負(fù)脈沖波形可以模擬金屬目標(biāo)輸出信號(hào)，從而誘騙末敏彈目標(biāo)識(shí)別器，實(shí)現(xiàn)干擾作用，具有熱源產(chǎn)生冷目標(biāo)探測(cè)效果的特點(diǎn)。本文在建立探測(cè)毫米波干擾源時(shí)天線溫度信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，分析了干擾方法的作用機(jī)理，并通過實(shí)際測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性，為末敏彈干擾與抗干擾研究提供了一種理論依據(jù)。

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