基于波形誘騙的末敏彈毫米波有源干擾研究

陳曦，陳自力，許建中，孟春祥

(1.南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094;2.空軍勤務學院，江蘇 徐州221000)

0 引言

末端敏感彈藥(簡稱末敏彈)是一種能夠在彈道末段自動探測、識別目標并使戰斗部朝著目標方向引爆的智能彈藥，具有作戰距離遠、命中概率高、毀傷威力大、高效費比和“打了不管”等特點[1－3]。在21 世紀信息化戰場上，末敏彈已經成為坦克裝甲集群的重大威脅，可以對遠距離裝甲集群目標實施裝甲防護和主動攔截難以抵御的有效攻擊。因此，通過電子對抗手段對末敏彈探測和識別目標進行干擾，降低末敏彈的打擊效能，是一種必要的技術策略，具有重大的軍事應用價值。目前軍事科技領域尚未有公認的應對措施，現有文獻對末敏彈的干擾研究主要為無源干擾，包括箔條云和假目標兩種手段[4－7]。前者通過箔條云衰減、阻斷毫米波的傳播，降低毫米波輻射計探測目標的能力，使其丟失目標;但箔條云的使用受氣候條件、遮蔽場地面積、箔條云車載量等因素限制，尤其受風速影響很大。后者采用毫米波假目標作為無源誘餌，對毫米波輻射計實現欺騙干擾，但實際干擾效率受布置方法、氣候條件、戰術機動使用等條件限制而降低。

針對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。該方法根據末敏彈毫米波交流輻射計探測金屬目標時彈目交會特點和信號處理電路特性，采用毫米波干擾源發射合適功率的干擾信號，使輻射計接收系統獲得具有大時寬等幅的天線溫度信號。該信號經視頻放大器低頻截止作用后發生頻率失真，輸出信號失真為具有正、負脈沖形式的分裂信號，其中負脈沖信號可以模擬探測真實金屬目標的輸出信號，從而誘騙目標識別器輸出起爆信號，實現干擾作用。

1 金屬目標天線溫度信號分析

當敏感器(毫米波交流輻射計)天線波束掃過金屬目標時，利用金屬目標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比度來表示，為一個“鐘形”脈沖信號。其中信號峰值和寬度特征反映了目標主要的敏感信息。根據毫米波輻射計探測金屬目標的經典理論[8－10]，脈沖信號峰值可用目標位于天線波束中心時引起的天線溫度變化量來近似計算，即

式中:ΔTT為金屬目標與地面背景的輻射溫度對比度(為一固定負值);ATM為波束域內目標投影面積;b 為表征天線方向圖的常數;H 為探測高度;θF為探測角。

在天線波束中心掃描經過目標的整個過程中，目標響應的脈沖寬度wT可用天線波束尺寸與掃過的目標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 為目標線性尺寸;R=H/cos θF為探測距離;θM為天線波束寬度(視場角);n 為天線圓錐掃描轉速。

根據(1)式和(2)式所示的信號波形特征參量，可采用高斯擬合函數對天線溫度變化量進行波形逼近，以掃描點位于目標中心位置作為時間參考零點時，探測金屬目標天線信號溫度的擬合函數可表示為

圖1 給出了不同探測高度時獲得的天線溫度對比度信號波形曲線。由圖1 可見，對于給定探測條件，隨著輻射計探測高度不斷下降，信號峰值大小(ΔTAmax/ΔTT)顯著增加，信號寬度也隨之增大。

圖1 探測金屬目標時天線溫度對比度Fig.1 The antenna temperature contrast in metal target detection

2 毫米波干擾源天線溫度信號建模

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

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

考慮到輻射計天線波束中心掃描對準干擾源天線最大增益方向時，接收的干擾源發射功率為最大。此時輻射計和干擾源2 個波束有最大交疊面S，輻射計對干擾源的探測可近似為對波束中心的圓形面目標S 的掃描，如圖2(b)所示。根據幾何關系可得，等效目標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比度，可表示為

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

由(5)式可知，通過合理控制干擾源發射功率，使干擾源與地面背景的輻射溫度對比度基本恒定，即ΔTTJ一定時(為一固定正值)，得到的天線溫度信號峰值固定不變，與H 無關。但根據雷達方程，隨著H 的降低，輻射計天線接收到來自干擾源的信號能量應增大，由能量守恒原理可知，其信號寬度將會增大。因此，探測干擾源時將獲得一個脈沖寬度較寬的天線溫度信號，參考(3)式可將探測干擾源時天線溫度信號表示為

式中k 值一般取2.5 ～4.

與相同探測高度下(如H=60 m)金屬目標天線溫度信號對比，其波形曲線如圖3 所示。

3 輻射計波形干擾機理

天線接收的輻射功率(天線溫度信號)作為輻射計系統輸入信號，通過接收機系統進一步信號處理，得到輻射測量的最終輸出信號。毫米波交流輻射計接收系統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，首先需要經過前級高增益、低噪聲的毫米波放大器將射頻輸入信號放大，達到檢波器輸入信號的要求;檢波器工作于小信號平方律特性，其檢波輸出的電壓信號為

圖3 探測干擾源和金屬目標時天線溫度對比度Fig.3 The antenna temperature contrast in the detection of interference source and metal target

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

式中:k 為波爾茲曼常數;接收機系統的等效電氣參數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、接收機系統噪聲溫度Te;ΔTA(t)為天線溫度信號(ΔTA(t)=f(t)|mtΔTT或ΔTA(t)=f(t)|isΔTTJ).

實際應用中，通常要求毫米波交流輻射計系統開機后立刻進入穩定狀態，穩定過程為毫秒量級。檢波器與視頻放大器之間采用阻容耦合，使本機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。因此輻射計系統中視頻放大器的低頻截止頻率不為0，可看作一個有源帶通濾波器(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。當輸入視頻放大器信號頻率低于有源帶通濾波器低頻端截止頻率時，發生頻率失真，視頻放大器作用于微分運算，則視頻放大器輸出信號可表示為

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

對于探測金屬目標獲得的輸入脈沖信號，系統電路參數設計時保證時間常數τ 遠大于脈沖上升沿和下降沿時間，耦合電容Ce只起交流耦合作用，相當于短路。但是，當采用同樣的接收機系統處理探測干擾源獲得的脈沖信號時，由第2 節分析可知，其信號等幅展寬，且探測高度越低，脈沖信號寬度越寬，即低頻成分越多，使得其信號頻率小于帶通濾波器低頻端截止頻率，此時耦合電容Ce起微分作用，以時間常數τ 進行充放電。探測金屬目標與探測干擾源時獲得的接收機系統輸入信號以圖3 所示信號為例，則視頻輸出信號如圖5 所示。

圖5 探測干擾源時視頻輸出信號Fig.5 The video output signal in the interference source detection

從圖5 可看出，對于探測干擾源時獲得的等幅寬時天線溫度信號，由于輻射計系統中視頻放大器固有的低頻截止特性，使輸入的寬時信號發生頻率失真，變為具有正、負脈沖形式的分裂信號，其中右半部分的脈沖信號反向后為實際系統輸出信號(因為實際系統中運算放大器為反相放大，且單電源供電，負脈沖部分被切削，故用虛線表示，圖中只給出大于零電平信號)。將其與圖中經輻射計接收系統線性處理后獲得的探測金屬目標視頻輸出信號對比可知，其信號一維波形特征具有較大的相似性。

實際使用時干擾源發射功率的合理控制是實現末敏彈干擾效果的前提，發射功率過小，無法對輻射計產生干擾作用;發射功率過大將導致輻射計系統飽和，產生阻塞效應。已知干擾源發射功率為PJ，發射天線增益為GJ，當距離干擾源R 遠處的輻射計接收天線主瓣方向在干擾源發射天線主波束范圍內時，根據弗利斯傳輸公式可知，接收天線口面處的功率為

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

當作用的干擾源發射功率滿足上述條件時，能夠保證輻射計整個探測過程中會獲得展寬約2.5 ～4 倍的等幅寬時信號，從而經后續輻射計系統電路處理后可以產生與探測金屬目標時相似的信號波形，將此模擬波形送入判決裝置后滿足探測金屬目標信號特征的判決準則，進而給出引爆信號，實現對末敏彈誘騙干擾作用。

4 實驗驗證

為驗證本文基于波形誘騙的毫米波有源干擾方法的有效性，進行了靶場實際測量。其中毫米波干擾源為一個小型毫米波發射機，主要由干擾源天線，干擾源和控制器組成。輻射計系統樣機主要指標參數及實驗條件見表1.圖6 為探測距離60 m 時，兩次掃過地面金屬目標獲取的實測信號，圖中A 位置處對應金屬目標。在不改變探測條件前提下，采用毫米波干擾源代替金屬目標進行相同的實驗，獲得的輸出信號如圖7 所示。對比圖6 和圖7 可以看出，輸出波形B 與輸出波形A 相似，具有相同的目標特征量，從而實現了波形誘騙的干擾效果。

表1 實驗樣機主要指標參數及實驗條件Tab.1 Parameters of prototype and experimental conditions

圖6 掃描金屬目標時輻射計輸出的實驗波形Fig.6 Output signal in metal target detection

圖7 掃描毫米波干擾源時輻射計輸出的實驗波形Fig.7 Output signal in MMW interference source detection

5 結論

針對通用型末敏彈毫米波交流輻射計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，其核心是產生與探測真實金屬目標輸出信號一維波形特征相似的模擬波形，具體實現是通過控制毫米波干擾源發射功率，獲得具有大時寬等幅的天線溫度信號送入輻射計接收系統，使視頻放大器固有的低頻截止特性產生微分作用，輸出信號失真為具有正、負脈沖形式的分裂信號，其中負脈沖波形可以模擬金屬目標輸出信號，從而誘騙末敏彈目標識別器，實現干擾作用，具有熱源產生冷目標探測效果的特點。本文在建立探測毫米波干擾源時天線溫度信號模型的基礎上，分析了干擾方法的作用機理，并通過實際測量實驗驗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。

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