基于有源對消的裝甲目標被動毫米波隱身技術研究

王文濤 黃家露

①(中國北方車輛研究所 北京 100072)

②(北京理工大學自動化學院 北京 100081)

1 引言

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

目前，末敏彈毫米波被動探測輻射計的干擾手段主要有假目標[6–8]和隱身[9,10]兩種技術。假目標干擾技術分為無源干擾和有源干擾這兩種方法。假目標無源干擾方法采用與裝甲目標相似外形且輻射率低的材料來模擬地面裝甲目標，誘騙末敏彈識別、攻擊虛假目標，從而達到保護真實裝甲目標的目的[6,7]。假目標有源干擾方法則通過毫米波干擾機發射誘餌信號，而該信號近似于末敏彈輻射計穩態掃描地面裝甲目標時的輸出信號，使得敵對末敏彈誤將毫米波干擾機當作目標，從而達到防護真實裝甲目標的目的[8]。但假目標干擾技術的干擾范圍有限、布設機動性差，而且易受假目標本身尺寸與反射特性、氣候條件等條件限制。

隱身技術則是采用某種方法減少地面裝甲目標與背景之間毫米波波段的輻射溫度對比度，將目標“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，通過目標外形設計和目標表面涂隱身材料等措施來減少目標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)，并且在工程實現上難度大[9,10]。此外，壓制干擾方式需要信號直接加入毫米波輻射計接收端，這在實戰中是無法實現的，僅適用于理論仿真分析[11]。

鑒于上述末敏彈干擾技術存在的不足，本文提出一種通過有源手段實現裝甲目標隱身的方法。該方法通過在裝甲目標上安裝毫米波干擾機，垂直向上發射與輻射計工作頻段相同的低功率寬帶掃頻信號，使得輻射計在探測裝甲目標時接收得到更多的毫米波輻射能量，可大幅降低裝甲目標與實戰環境(草地、砂石地等)的輻射溫度差。本方法可對裝甲目標正上方90°立體空域內Ka波段、W波段末敏彈輻射計進行有效干擾，并且裝甲目標的隱身效能分別達到–20～–8 dB, –15～–8 dB，其防護空域、隱身效能較無源隱身技術均有一定的提升。

2 末敏彈毫米波被動探測機理

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

如表1所示，地面裝甲目標的毫米波輻射率約為0，而地面背景的輻射率遠大于目標輻射率甚至接近1。則由式(1)知：目標的輻射溫度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正是利用該輻射溫度差輸出一個鐘形脈沖信號，并根據脈沖波形特征(高度、寬度等)識別裝甲目標。

表1 幾種典型物質的輻射率

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

圖2 典型毫米波輻射計原理框圖

輻射計輸出電壓的數學表達式為

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

圖1 末敏彈穩態掃描示意圖

在式(2)中，Kp,B,Kv,Cd,Te為輻射計系統常參數，因此U0與 ?TA成 線性關系。輻射計根據U0判決、識別裝甲目標。

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(干擾機天線為全向天線)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與背景之間的輻射溫度對比度，使得裝甲目標在干擾機主波束360°方位上的輻射能量和背景相近，實現目標被動隱身功能。

圖3 被動毫米波隱身方法原理圖

當輻射計掃描到干擾機時，考慮到輻射計天線波束中心掃描對準干擾機天線最大增益方向時，接收的干擾機發射功率為最大。此時輻射計和干擾機有最大交疊面為S，面積大小為

其中，b為干擾機天線波形系數，?TJC為加載干擾機的裝甲目標與背景的輻射溫度差。

輻射計單位面積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、輻射計天線歸一化輻射功率。

令輻射計帶寬為?f，則有

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

此時開啟干擾機，若使 ?TJC=0，理論上輻射計接收到的干擾信號功率為

其中，U1,U2分別為干擾前(未加載干擾機或干擾機關閉)、干擾后(開啟干擾機)輻射計輸出信號與背景的電壓相對值。

3.2 干擾機設計

目前末敏彈毫米波輻射計的工作波長為3 mm或8 mm[1]，因此為了驗證該干擾技術的普適性，本文設計了3/8 mm波復合干擾機。如圖4所示，干擾機包含電源單元、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波復合干擾機結構框圖

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)混頻后再經高通濾波器輸出90～100 GHz，最后經放大電路和3 mm波天線向輻射計發射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，經放大電路和8 mm波天線向輻射計發射Ka波段干擾信號。

由圖5可知，干擾機天線的主波束角度超過90?立 體角。因此，該干擾機能實現其正上方9 0?立體空域內近似一致的輻射持性。

圖5 干擾機天線方向圖

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

表2 干擾機發射功率理論設置值

4 實驗驗證

為了驗證本文所提隱身方法的有效性，進行了實地測試。實驗場地布置如圖6所示，毫米波輻射計和與3/8 mm波復合干擾機連線高塔之間的夾角為30°，干擾機放置在2維調角支架上，支架下方放置3 m×8 m鐵皮(模擬地面裝甲目標)。

圖6 實驗場地布置示意圖

實驗陪試品為Ka波段、W波段被動毫米波輻射計，其主要性能參數如表3所示。

表3 實驗所用輻射計主要性能參數

實驗測試步驟如下：

(1) 選一處空曠、平坦的實測場地，按照場地布置圖架設實驗設備并設置其參數，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；干擾機天線法向首先垂直于地面(輻射計俯仰角度初始為30°)，并以任意水平方向為初始方位0°。

(2) 關閉干擾機，讀取此時Ka波段(W波段)末敏彈輻射計掃描目標時對應的相對峰值電平U1，記錄該值；

(3) 開啟干擾機并根據地面背景設置參數，發射相應功率干擾信號，記錄此時Ka波段(W波段)末敏彈輻射計掃描目標位置時對應的相對峰值電平U2；

(4) 計算裝甲目標隱身效能η=10 lg|U2/U1|；

(5) 調節干擾機2維支架，使得輻射計的俯仰角度分別為0?, 1 5?, 4 5?，重復(3)～(4)；

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

5 結論

針對末敏彈毫米波被動探測與識別機理，本文提出一種有源裝甲目標毫米波隱身方法。該方法充分利用了裝甲集群目標與實戰地面背景的輻射特性，通過在裝甲目標上安裝毫米波干擾機，垂直向上發射低功率連續寬帶Ka波段、W波段高速掃頻信號，使得末敏彈輻射計在目標區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與實戰背景之間的輻射溫度對比度，達到裝甲目標隱身的功能。實驗結果表明：在草地、砂石地等實戰環境下，該方法可使裝甲目標對其正上方90°立體空域內Ka波段、W波段末敏彈輻射計的隱身效能分別達到–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被動隱身實驗結果

表5 砂石地背景下裝甲目標被動隱身實驗結果