王文濤 黃家露

①(中國北方車輛研究所 北京 100072)

②(北京理工大學(xué)自動化學(xué)院 北京 100081)

1 引言

末敏彈是一種專門用來攻擊地面裝甲目標(biāo)頂甲的新型智能彈藥，具有作戰(zhàn)距離遠(yuǎn)、識別命中概率高、毀傷威力大、高效費(fèi)比等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為坦克裝甲集群的重大威脅[1,2]。末敏彈多采用紅外/毫米波復(fù)合探測機(jī)制[3]。目前，對末敏彈紅外波段干擾技術(shù)研究較為成熟，包括煙幕干擾、紅外隱身材料、隔熱材料等技術(shù)；而對末敏彈毫米波干擾技術(shù)的研究則相對較晚，并且干擾效能有限。末敏彈毫米波探測原理是依靠輻射計(jì)利用目標(biāo)與背景的輻射溫差來發(fā)現(xiàn)識別目標(biāo)[4]。因此，本文采用末敏彈毫米波輻射計(jì)干擾技術(shù)來降低末敏彈的探測識別概率是一種必要的技術(shù)策略，具有重大的軍事應(yīng)用價值[5]。

目前，末敏彈毫米波被動探測輻射計(jì)的干擾手段主要有假目標(biāo)[6–8]和隱身[9,10]兩種技術(shù)。假目標(biāo)干擾技術(shù)分為無源干擾和有源干擾這兩種方法。假目標(biāo)無源干擾方法采用與裝甲目標(biāo)相似外形且輻射率低的材料來模擬地面裝甲目標(biāo)，誘騙末敏彈識別、攻擊虛假目標(biāo)，從而達(dá)到保護(hù)真實(shí)裝甲目標(biāo)的目的[6,7]。假目標(biāo)有源干擾方法則通過毫米波干擾機(jī)發(fā)射誘餌信號，而該信號近似于末敏彈輻射計(jì)穩(wěn)態(tài)掃描地面裝甲目標(biāo)時的輸出信號，使得敵對末敏彈誤將毫米波干擾機(jī)當(dāng)作目標(biāo)，從而達(dá)到防護(hù)真實(shí)裝甲目標(biāo)的目的[8]。但假目標(biāo)干擾技術(shù)的干擾范圍有限、布設(shè)機(jī)動性差，而且易受假目標(biāo)本身尺寸與反射特性、氣候條件等條件限制。

隱身技術(shù)則是采用某種方法減少地面裝甲目標(biāo)與背景之間毫米波波段的輻射溫度對比度，將目標(biāo)“隱藏”在背景之中。隱身方面目前開展的研究集中于無源方法，通過目標(biāo)外形設(shè)計(jì)和目標(biāo)表面涂隱身材料等措施來減少目標(biāo)與背景之間毫米波波段的輻射溫度對比度。但是這些方法不僅隱身效能有限(約–8～–3 dB)，并且在工程實(shí)現(xiàn)上難度大[9,10]。此外，壓制干擾方式需要信號直接加入毫米波輻射計(jì)接收端，這在實(shí)戰(zhàn)中是無法實(shí)現(xiàn)的，僅適用于理論仿真分析[11]。

鑒于上述末敏彈干擾技術(shù)存在的不足，本文提出一種通過有源手段實(shí)現(xiàn)裝甲目標(biāo)隱身的方法。該方法通過在裝甲目標(biāo)上安裝毫米波干擾機(jī)，垂直向上發(fā)射與輻射計(jì)工作頻段相同的低功率寬帶掃頻信號，使得輻射計(jì)在探測裝甲目標(biāo)時接收得到更多的毫米波輻射能量，可大幅降低裝甲目標(biāo)與實(shí)戰(zhàn)環(huán)境(草地、砂石地等)的輻射溫度差。本方法可對裝甲目標(biāo)正上方90°立體空域內(nèi)Ka波段、W波段末敏彈輻射計(jì)進(jìn)行有效干擾，并且裝甲目標(biāo)的隱身效能分別達(dá)到–20～–8 dB, –15～–8 dB，其防護(hù)空域、隱身效能較無源隱身技術(shù)均有一定的提升。

2 末敏彈毫米波被動探測機(jī)理

其中，ε, 1?ε分 別為目標(biāo)輻射率、反射率；T(θ,φ),Tg(θ,φ) 表示在空間方向(θ,φ)上的目標(biāo)輻射溫度、天空輻射溫度；T0表示目標(biāo)物理溫度。

如表1所示，地面裝甲目標(biāo)的毫米波輻射率約為0，而地面背景的輻射率遠(yuǎn)大于目標(biāo)輻射率甚至接近1。則由式(1)知：目標(biāo)的輻射溫度T(θ,φ)約等于天空輻射溫度Tg(θ,φ)，而地面背景的輻射溫度約等于自身的物理溫度。于是目標(biāo)與地面背景存在一定的輻射溫度差，而末敏彈毫米波輻射計(jì)正是利用該輻射溫度差輸出一個鐘形脈沖信號，并根據(jù)脈沖波形特征(高度、寬度等)識別裝甲目標(biāo)。

表1 幾種典型物質(zhì)的輻射率

末敏彈多采用毫米波全功率交流輻射計(jì)，這種輻射計(jì)的溫度靈敏度高，其典型原理框圖如圖2所示[14]。

圖2 典型毫米波輻射計(jì)原理框圖

輻射計(jì)輸出電壓的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

其中，U0為 輸出電壓；Kp,B為檢波前電路的級聯(lián)電壓增益、帶寬；Kv為 視頻放大器電壓增益；Cd為檢波器功率靈敏度；?TA為目標(biāo)與背景的輻射溫度差；Te為輻射計(jì)噪聲溫度； k表示玻爾茲曼常數(shù)。

圖1 末敏彈穩(wěn)態(tài)掃描示意圖

在式(2)中，Kp,B,Kv,Cd,Te為輻射計(jì)系統(tǒng)常參數(shù)，因此U0與 ?TA成 線性關(guān)系。輻射計(jì)根據(jù)U0判決、識別裝甲目標(biāo)。

3 被動毫米波隱身方法

3.1 算法原理

如圖3所示，通過車載毫米波干擾機(jī)(干擾機(jī)天線為全向天線)垂直向天空主動輻射毫米波能量，以此來減小甚至消除目標(biāo)與背景之間的輻射溫度對比度，使得裝甲目標(biāo)在干擾機(jī)主波束360°方位上的輻射能量和背景相近，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)被動隱身功能。

圖3 被動毫米波隱身方法原理圖

當(dāng)輻射計(jì)掃描到干擾機(jī)時，考慮到輻射計(jì)天線波束中心掃描對準(zhǔn)干擾機(jī)天線最大增益方向時，接收的干擾機(jī)發(fā)射功率為最大。此時輻射計(jì)和干擾機(jī)有最大交疊面為S，面積大小為

其中，b為干擾機(jī)天線波形系數(shù)，?TJC為加載干擾機(jī)的裝甲目標(biāo)與背景的輻射溫度差。

輻射計(jì)單位面積d?接收到的功率為

其中，Aeff為天線等效口徑面積；ρ(θ,φ),F(θ,φ)分別為 (θ,φ)上的譜亮度分布、輻射計(jì)天線歸一化輻射功率。

令輻射計(jì)帶寬為?f，則有

其中，?T1表 示天線照射到地面的空間角，?T2為裝甲目標(biāo)所對應(yīng)的空間角，T2(θ,φ)為裝甲目標(biāo)的輻射溫度，θM=?T1+?T2。

此時開啟干擾機(jī)，若使 ?TJC=0，理論上輻射計(jì)接收到的干擾信號功率為

其中，U1,U2分別為干擾前(未加載干擾機(jī)或干擾機(jī)關(guān)閉)、干擾后(開啟干擾機(jī))輻射計(jì)輸出信號與背景的電壓相對值。

3.2 干擾機(jī)設(shè)計(jì)

目前末敏彈毫米波輻射計(jì)的工作波長為3 mm或8 mm[1]，因此為了驗(yàn)證該干擾技術(shù)的普適性，本文設(shè)計(jì)了3/8 mm波復(fù)合干擾機(jī)。如圖4所示，干擾機(jī)包含電源單元、控制單元、毫米波單元、天線單元等。其中毫米波單元包含毫米波驅(qū)動電路、3 mm波射頻電路、8 mm波射頻電路，天線單元包含兩根3 mm波天線及兩根8 mm波天線。

圖4 3/8 mm波復(fù)合干擾機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3 mm波射頻電路中中頻掃頻信號頻率為4～14 GHz，中頻信號與2倍本振信號(fLO=43 GHz)混頻后再經(jīng)高通濾波器輸出90～100 GHz，最后經(jīng)放大電路和3 mm波天線向輻射計(jì)發(fā)射W波段干擾信號；8 mm波射頻電路中中頻掃頻信號頻率為30～40 GHz，經(jīng)放大電路和8 mm波天線向輻射計(jì)發(fā)射Ka波段干擾信號。

由圖5可知，干擾機(jī)天線的主波束角度超過90?立 體角。因此，該干擾機(jī)能實(shí)現(xiàn)其正上方9 0?立體空域內(nèi)近似一致的輻射持性。

圖5 干擾機(jī)天線方向圖

在典型作戰(zhàn)背景下(草地、砂石地等)，干擾機(jī)Ka波段信號、W波段信號的發(fā)射功率理論設(shè)置值如表2所示(地面裝甲目標(biāo)的長寬一般為3 m×8 m)。

表2 干擾機(jī)發(fā)射功率理論設(shè)置值

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提隱身方法的有效性，進(jìn)行了實(shí)地測試。實(shí)驗(yàn)場地布置如圖6所示，毫米波輻射計(jì)和與3/8 mm波復(fù)合干擾機(jī)連線高塔之間的夾角為30°，干擾機(jī)放置在2維調(diào)角支架上，支架下方放置3 m×8 m鐵皮(模擬地面裝甲目標(biāo))。

圖6 實(shí)驗(yàn)場地布置示意圖

實(shí)驗(yàn)陪試品為Ka波段、W波段被動毫米波輻射計(jì)，其主要性能參數(shù)如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)所用輻射計(jì)主要性能參數(shù)

實(shí)驗(yàn)測試步驟如下：

(1) 選一處空曠、平坦的實(shí)測場地，按照場地布置圖架設(shè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備并設(shè)置其參數(shù)，在距塔52 m處放置3 m×8 m鐵皮，在鐵皮正中心放置干擾機(jī)；干擾機(jī)天線法向首先垂直于地面(輻射計(jì)俯仰角度初始為30°)，并以任意水平方向?yàn)槌跏挤轿?°。

(2) 關(guān)閉干擾機(jī)，讀取此時Ka波段(W波段)末敏彈輻射計(jì)掃描目標(biāo)時對應(yīng)的相對峰值電平U1，記錄該值；

(3) 開啟干擾機(jī)并根據(jù)地面背景設(shè)置參數(shù)，發(fā)射相應(yīng)功率干擾信號，記錄此時Ka波段(W波段)末敏彈輻射計(jì)掃描目標(biāo)位置時對應(yīng)的相對峰值電平U2；

(4) 計(jì)算裝甲目標(biāo)隱身效能η=10 lg|U2/U1|；

(5) 調(diào)節(jié)干擾機(jī)2維支架，使得輻射計(jì)的俯仰角度分別為0?, 1 5?, 4 5?，重復(fù)(3)～(4)；

(6) 將干擾機(jī)水平位置順時針旋轉(zhuǎn) 90?, 1 80?,270?，重復(fù)(3)～(5)。

5 結(jié)論

針對末敏彈毫米波被動探測與識別機(jī)理，本文提出一種有源裝甲目標(biāo)毫米波隱身方法。該方法充分利用了裝甲集群目標(biāo)與實(shí)戰(zhàn)地面背景的輻射特性，通過在裝甲目標(biāo)上安裝毫米波干擾機(jī)，垂直向上發(fā)射低功率連續(xù)寬帶Ka波段、W波段高速掃頻信號，使得末敏彈輻射計(jì)在目標(biāo)區(qū)域接收到更多的毫米波(Ka波段、W波段)輻射能量，從而大幅降低甚至消除裝甲目標(biāo)與實(shí)戰(zhàn)背景之間的輻射溫度對比度，達(dá)到裝甲目標(biāo)隱身的功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在草地、砂石地等實(shí)戰(zhàn)環(huán)境下，該方法可使裝甲目標(biāo)對其正上方90°立體空域內(nèi)Ka波段、W波段末敏彈輻射計(jì)的隱身效能分別達(dá)到–20～–8 dB, –15～–8 dB，并且隱身效能較無源隱身方法也有一定的提升。

表4 草地背景下裝甲目標(biāo)被動隱身實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表5 砂石地背景下裝甲目標(biāo)被動隱身實(shí)驗(yàn)結(jié)果