反涂层隐身地面金属目标的毫米波辐射探测方法

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094)

1 引 言

随着武器系统电子对抗技术的发展，隐身与反隐身问题已日益凸显[1-3]。目前常用的隐身技术主要包括涂层隐身、外形隐身以及加复数负载技术等[4]，这些措施主要是针对雷达系统隐身而言的，其反隐身措施也是针对雷达系统所实施的，如提高雷达发射功率或采用雷达组网等方法[2]。实际上，辐射探测技术是对常规雷达探测的一种有效补充[5]，它作为一种重要的反隐身手段已越来越受到重视，因此开展此类研究具有重要的理论价值和现实意义。

对于涂层隐身地面金属目标来说，涂层材料一般为电磁波吸收材料，当其受到雷达照射时，涂层隐身材料将入射的电磁波转换为热能，再以噪声的形式辐射出去，减小了雷达反射波，从而达到了目标对雷达隐身的效果[6]。当涂层隐身地面金属目标的物理温度和周围环境温度一致、涂层隐身材料和地面背景的辐射率相似时，降低了目标与背景之间的辐射温度对比度，从而达到了目标对被动探测系统隐身的效果[7]。因此，无论对于主动探测系统(雷达)或者被动探测系统(辐射计)来说，地面金属目标在涂层隐身后都将难以被探测。

在实际情况下，大多数地面金属目标为运动中的装甲目标，其发动机工作状态下的物理温度将远高于周围环境温度。此时，若涂覆在其表面的隐身涂层对雷达的隐身性能越好，则其辐射能力越强，将越容易被辐射计所发现[4]。本文在理论分析的基础上实验验证这一现象，并利用研制的3 mm频段全功率交流辐射计工程样机，在草地上对涂覆有吸波材料的温控金属板进行了模拟探测实验，实验结果验证了利用毫米波交流辐射计探测发动机工作状态下涂层隐身地面金属目标的可行性和有效性。

2 毫米波交流辐射计及探测原理

毫米波辐射计本身不向外发射电磁波，具有较好的隐蔽性，并兼具了微波和红外的特点，因而在灵巧与精确制导等弹药系统中日益发挥着重要作用。

2.1 系统组成及指标

用于某弹载场合的毫米波交流辐射计实质上是一台高灵敏度宽带接收机，它利用目标和背景的毫米波辐射温度差异来探测和识别目标[8]，其工作原理如图1所示。

图1 毫米波交流辐射计原理框图Fig.1 Block diagram of the MMW alternating current radiometer

如图1所示，与天线相连的是毫米波超外差接收机，其后为平方律检波器、视频放大器、低通滤波器以及信号处理电路，其中毫米波超外差接收机主要由本振、混频器以及中频放大器组成。由于辐射计系统的输出电压需与天线温度成线性关系，因此本系统采用平方律检波。

实际工程样机的主要参数指标见表1。

表1 毫米波交流辐射计工程样机参数指标Table 1 Parameters of the MMW alternating current radiometer

2.2 探测原理

当毫米波交流辐射计以一定入射角度探测地面金属目标时，天线波束和目标交会如图2所示[9]。

图2 辐射计天线波束与目标交会示意图Fig.2 Schematic diagram of the intersection of antenna beam and target

图2中H为天线距离地面高度，θF为天线波束中心线和水平面垂线的夹角，θT为天线半功率波束宽度。

目标和地面背景的辐射温度差异反映到辐射计天线输出端即为天线温度差ΔTA，由文献[10]可知，可利用天线波束立体角ΩA和目标立体角ΩT来描述ΔTA，其表达式为

FB(εTTT+ρTTSKY-ρGTSKY-εGTG)

(1)

式中，TT、TSKY和TG分别为目标的物理温度、天空的辐射温度以及地面背景的物理温度；εT和ρT分别为目标的发射率及反射率；εG和ρG分别为地面背景的发射率及反射率；ΩT为目标对天线所张的立体角；ΩA为辐射计天线对目标所张的立体角；FB=ΩT/ΩA为辐射计天线的波束填充系数。

当辐射计近距离探测目标时，由于天线波束宽度较窄，天线波束投影到目标处的面积将小于目标面积，那么有FB≈1，此时式(1)可以改写为

ΔTA=ΔTT=εTTT+ρTTSKY-ρGTSKY-εGTG

(2)

根据文献[11]可知，上述天线温度对比度ΔTA在辐射计输出端引起的电压变化量ΔVd可表示为

ΔVd=CdKpgLFkBΔTA

(3)

式中，Cd为平方率检波器功率灵敏度，Kp为混频、中放总增益，gLF为低通滤波器增益，B为检波前系统带宽，k为玻尔兹曼常数。

因此，由式(3)可知：通过分析毫米波交流辐射计输出端信号特征的变化即可对背景中的目标进行探测与识别。

3 目标辐射特性分析及理论计算

下面以草地为背景，结合表1中所示实际辐射计工程样机的具体参数指标，分别讨论未隐身金属目标、发动机不工作时涂层隐身金属目标以及发动机工作状态下涂层隐身金属目标的辐射特性，并通过计算天线温度对比度，得出毫米波交流辐射计输出端的理论计算值。其中设地面草地背景的物理温度为TG=10℃，发动机运转时目标的平均物理温度为TT=70℃，3 mm频段的天空辐射温度为TSKY=80 K。

3.1 未隐身金属目标辐射特性分析

对于草地上的金属目标，由于其表面光滑、导电率较高，因此目标的反射率ρT≈1，此时目标主要反射天空的辐射温度，天空辐射温度通常远低于地面温度，即TSKY<

由此可见，可利用目标和背景辐射温度差来探测及识别目标。毫米波末敏探测技术就是基于这一基本原理：当金属目标未采取涂层隐身措施时，毫米波交流辐射计能够在草地背景中准确探测金属目标，此时金属目标为“冷”目标，且目标自身的物理温度不会影响目标的天线温度，从而不会对目标和背景的天线温度对比度产生显著影响。

3.2 发动机未工作时涂层隐身金属目标辐射特性分析

对于被动探测系统，涂层隐身原理是减小目标和周围环境的辐射特性差异，从而降低被辐射计探测、识别的概率。

当涂层隐身金属目标的发动机不工作时，其物理温度将会与草地的物理温度接近，即TT≈TG；如果选用的涂层隐身材料发射率与草地相同，即εT≈εG，则根据式(2)可知此时的天线温度对比度ΔTA2≈0，因此由式(3)得，毫米波交流辐射计输出端的电压幅度变化量ΔVd2≈0。

由此可见，当涂层隐身金属目标的物理温度和周围背景物理温度基本一致时，毫米波交流辐射计将难以区分目标，从而达到对被动探测系统隐身的效果。

3.3 发动机工作状态下涂层隐身金属目标辐射特性分析

根据能量守恒定律，表面涂覆有隐身材料的金属目标，其电磁辐射能力将远高于未采取隐身措施的表面光滑金属目标。

当涂层隐身金属目标的发动机工作时，由于发动机部位温度较高，从而使得涂覆在金属目标上的隐身材料的物理温度也随之上升，而这个温度通常远高于草地的温度，即TT>>TG。在3 mm频段，设εT≈εG≈1，根据式(2)可知此时天线温度对比度为ΔTA3=TT-TG=60 K，因此由式(3)可得毫米波交流辐射计输出端的电压幅度变化量为ΔVd3=1.242 V。

由此可见，当草地上的涂层隐身金属目标发动机工作时，隐身涂层的物理温度将高于背景的物理温度，再加上涂层隐身材料良好的电磁辐射能力，增加了目标的辐射温度，从而突现了背景中的目标。因此对于被动探测系统而言，此时的涂层隐身材料不但没有将金属目标隐身，反而由于发动机的工作增加了涂层隐身金属目标的辐射温度，使得涂层隐身金属目标成为草地背景上的“热”目标，这为利用毫米波交流辐射计反涂层隐身地面金属目标提供了一条新的思路。

4 探测实验及分析

利用研制的3 mm频段全功率交流辐射计工程样机在草地上对有关目标进行模拟实验，实验场景见图3，目标为定制的温控金属板及涂层隐身材料。

图3 探测实验场景Fig.3 Experimental scene of anti-coating-stealth detection

如图3所示，毫米波交流辐射计工程样机固定在三脚架上，天线距离地面高度为1.5 m，天线波束中心线和水平垂线成30°夹角；温控金属板尺寸为30 cm×20 cm；地面温度为10℃，天空晴朗无云，3 mm频段天空辐射温度约为80 K。

(a)扫描草地背景

(b)扫描未隐身金属板

(c)扫描隐身且不加热金属板

(d)扫描未隐身且加热金属板

(e)扫描隐身且加热金属板图4 反涂层隐身探测模拟实验波形Fig.4 Output signals of the MMW radiometer in anti-coating-stealth detection

利用毫米波交流辐射计工程样机对不同状态下目标进行探测，实验过程如下：

(1)对草地背景进行扫描探测，其输出波形见图4(a)；

(2)对放置在草地背景上的未涂覆隐身材料且未加热的温控金属板进行扫描探测，其输出波形见图4(b)；

(3)对涂覆有隐身材料且未加热的温控金属板进行扫描探测，其输出波形见图4(c)；

(4)对未涂覆隐身材料且加热至70 ℃的温控金属板进行扫描探测，其输出波形见图4(d)；

(5)对涂覆隐身材料且加热至70 ℃的温控金属板进行扫描探测，其输出波形见图4(e)。

值得注意的是，由于交流辐射计中隔直电容对直流及部分低频信号的滤除作用，使得辐射计输出信号产生畸变，从而在有用信号的相反一端产生上突或下陷信号，例如图4(b)和图4(d)中跟随脉冲上升沿所产生的上突，以及图4(e)中随着脉冲下降沿所产生的下陷信号，这些畸变信号并不会对有用信号产生影响，因此也不会影响辐射计的探测效果。

由图4(a)和(c)可知，当涂覆隐身材料的温控金属板不加热时，毫米波交流辐射计得到的输出波形和它扫描草地背景时的输出波形基本相同，这说明发动机不工作的涂层隐身金属目标对被动探测系统有着良好的隐身效果。

由图4(b)和(d)可知，当毫米波交流辐射计扫描到未涂覆隐身材料的温控金属板时，无论其是否加热，辐射计的输出波形都基本相同，且从图中可以明显看出金属板的天线温度低于周围草地背景的天线温度。这说明未隐身的金属目标无论其是否加热，在草地背景上均呈“冷”目标，能够很容易被毫米波交流辐射计探测到。

当涂覆隐身材料的温控金属板加热后，由图4(e)可以看出此时目标的天线温度高于周围草地背景的天线温度，涂层隐身金属目标成为常温草地背景上的“热”目标，因此突现在背景上。可见，由于涂层隐身金属目标发动机工作时的自加热效应，毫米波交流辐射计能够有效对其进行探测。

从图4(b)和(d)中还可以看到输出的负脉冲幅度大约为-4 V，比理论计算的-4.202 V稍低，而从图4(e)可以看到输出的正脉冲幅度大约为1 V，比理论计算的1.242 V稍低，其原因是由于草地和涂层材料不可能为理想黑体所引起的，即其发射系数并不为理想状态下的1，而应是略小于1，那么根据式(2)可得此时天线温度对比度略小于理论计算值，因此由式(3)可得此时输出端电压幅度变化量也将略小于理论电压变化量。

5 结 论

隐身技术的出现使得处于信息化战争中的任何军事目标都面临着巨大威胁，对战略和战术防御系统提出了严峻挑战，从而促使反隐身技术成为一项紧迫的任务和要求。目前常用的反隐身措施主要是针对雷达系统所实施的，这些方法通常结构复杂、成本较高。本文采用毫米波辐射探测技术，通过提取目标自身辐射在不同情况下存在差异所产生的信息进行识别，尽管目标涂覆吸波材料，但其自身的辐射特性使其在辐射计探测下成为明显目标。由于毫米波辐射计自身不向外发射电磁波，因此其隐蔽性较好，同时具有功耗低、体积小及灵敏度高等特点，并可全天候工作。理论分析和实验研究均验证了本文方法的可行性及有效性，为反涂层隐身技术提供了一种新方法，具有一定的理论价值和现实意义。而针对发动机未工作时的涂层隐身地面金属目标探测问题，则可从增加隐身涂层亮度温度的角度出发，通过采用宽带且与辐射计同频段的毫米波噪声源对目标进行照射的办法来增强毫米波辐射计的探测能力，这将是后续研究工作的重点。

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