基于有源对消的装甲目标被动毫米波隐身技术研究

2022-12-28王文涛黄家露

电子与信息学报 2022年12期

王文涛黄家露

①(中国北方车辆研究所北京 100072)

②(北京理工大学自动化学院北京 100081)

1 引言

末敏弹是一种专门用来攻击地面装甲目标顶甲的新型智能弹药，具有作战距离远、识别命中概率高、毁伤威力大、高效费比等优点，已经成为坦克装甲集群的重大威胁[1,2]。末敏弹多采用红外/毫米波复合探测机制[3]。目前，对末敏弹红外波段干扰技术研究较为成熟，包括烟幕干扰、红外隐身材料、隔热材料等技术；而对末敏弹毫米波干扰技术的研究则相对较晚，并且干扰效能有限。末敏弹毫米波探测原理是依靠辐射计利用目标与背景的辐射温差来发现识别目标[4]。因此，本文采用末敏弹毫米波辐射计干扰技术来降低末敏弹的探测识别概率是一种必要的技术策略，具有重大的军事应用价值[5]。

目前，末敏弹毫米波被动探测辐射计的干扰手段主要有假目标[6–8]和隐身[9,10]两种技术。假目标干扰技术分为无源干扰和有源干扰这两种方法。假目标无源干扰方法采用与装甲目标相似外形且辐射率低的材料来模拟地面装甲目标，诱骗末敏弹识别、攻击虚假目标，从而达到保护真实装甲目标的目的[6,7]。假目标有源干扰方法则通过毫米波干扰机发射诱饵信号，而该信号近似于末敏弹辐射计稳态扫描地面装甲目标时的输出信号，使得敌对末敏弹误将毫米波干扰机当作目标，从而达到防护真实装甲目标的目的[8]。但假目标干扰技术的干扰范围有限、布设机动性差，而且易受假目标本身尺寸与反射特性、气候条件等条件限制。

隐身技术则是采用某种方法减少地面装甲目标与背景之间毫米波波段的辐射温度对比度，将目标“隐藏”在背景之中。隐身方面目前开展的研究集中于无源方法，通过目标外形设计和目标表面涂隐身材料等措施来减少目标与背景之间毫米波波段的辐射温度对比度。但是这些方法不仅隐身效能有限(约–8～–3 dB)，并且在工程实现上难度大[9,10]。此外，压制干扰方式需要信号直接加入毫米波辐射计接收端，这在实战中是无法实现的，仅适用于理论仿真分析[11]。

鉴于上述末敏弹干扰技术存在的不足，本文提出一种通过有源手段实现装甲目标隐身的方法。该方法通过在装甲目标上安装毫米波干扰机，垂直向上发射与辐射计工作频段相同的低功率宽带扫频信号，使得辐射计在探测装甲目标时接收得到更多的毫米波辐射能量，可大幅降低装甲目标与实战环境(草地、砂石地等)的辐射温度差。本方法可对装甲目标正上方90°立体空域内Ka波段、W波段末敏弹辐射计进行有效干扰，并且装甲目标的隐身效能分别达到–20～–8 dB, –15～–8 dB，其防护空域、隐身效能较无源隐身技术均有一定的提升。

2 末敏弹毫米波被动探测机理

其中，ε, 1−ε分别为目标辐射率、反射率；T(θ,φ),Tg(θ,φ) 表示在空间方向(θ,φ)上的目标辐射温度、天空辐射温度；T0表示目标物理温度。

如表1所示，地面装甲目标的毫米波辐射率约为0，而地面背景的辐射率远大于目标辐射率甚至接近1。则由式(1)知：目标的辐射温度T(θ,φ)约等于天空辐射温度Tg(θ,φ)，而地面背景的辐射温度约等于自身的物理温度。于是目标与地面背景存在一定的辐射温度差，而末敏弹毫米波辐射计正是利用该辐射温度差输出一个钟形脉冲信号，并根据脉冲波形特征(高度、宽度等)识别装甲目标。

表1 几种典型物质的辐射率

末敏弹多采用毫米波全功率交流辐射计，这种辐射计的温度灵敏度高，其典型原理框图如图2所示[14]。

图2 典型毫米波辐射计原理框图

辐射计输出电压的数学表达式为

其中，U0为输出电压；Kp,B为检波前电路的级联电压增益、带宽；Kv为视频放大器电压增益；Cd为检波器功率灵敏度；∆TA为目标与背景的辐射温度差；Te为辐射计噪声温度； k表示玻尔兹曼常数。

图1 末敏弹稳态扫描示意图

在式(2)中，Kp,B,Kv,Cd,Te为辐射计系统常参数，因此U0与 ∆TA成线性关系。辐射计根据U0判决、识别装甲目标。

3 被动毫米波隐身方法

3.1 算法原理

如图3所示，通过车载毫米波干扰机(干扰机天线为全向天线)垂直向天空主动辐射毫米波能量，以此来减小甚至消除目标与背景之间的辐射温度对比度，使得装甲目标在干扰机主波束360°方位上的辐射能量和背景相近，实现目标被动隐身功能。

图3 被动毫米波隐身方法原理图

当辐射计扫描到干扰机时，考虑到辐射计天线波束中心扫描对准干扰机天线最大增益方向时，接收的干扰机发射功率为最大。此时辐射计和干扰机有最大交叠面为S，面积大小为

其中，b为干扰机天线波形系数，∆TJC为加载干扰机的装甲目标与背景的辐射温度差。

辐射计单位面积dΩ接收到的功率为

其中，Aeff为天线等效口径面积；ρ(θ,φ),F(θ,φ)分别为 (θ,φ)上的谱亮度分布、辐射计天线归一化辐射功率。

令辐射计带宽为∆f，则有

其中，ΩT1表示天线照射到地面的空间角，ΩT2为装甲目标所对应的空间角，T2(θ,φ)为装甲目标的辐射温度，θM=ΩT1+ΩT2。

此时开启干扰机，若使 ∆TJC=0，理论上辐射计接收到的干扰信号功率为

其中，U1,U2分别为干扰前(未加载干扰机或干扰机关闭)、干扰后(开启干扰机)辐射计输出信号与背景的电压相对值。

3.2 干扰机设计

目前末敏弹毫米波辐射计的工作波长为3 mm或8 mm[1]，因此为了验证该干扰技术的普适性，本文设计了3/8 mm波复合干扰机。如图4所示，干扰机包含电源单元、控制单元、毫米波单元、天线单元等。其中毫米波单元包含毫米波驱动电路、3 mm波射频电路、8 mm波射频电路，天线单元包含两根3 mm波天线及两根8 mm波天线。

图4 3/8 mm波复合干扰机结构框图

3 mm波射频电路中中频扫频信号频率为4～14 GHz，中频信号与2倍本振信号(fLO=43 GHz)混频后再经高通滤波器输出90～100 GHz，最后经放大电路和3 mm波天线向辐射计发射W波段干扰信号；8 mm波射频电路中中频扫频信号频率为30～40 GHz，经放大电路和8 mm波天线向辐射计发射Ka波段干扰信号。

由图5可知，干扰机天线的主波束角度超过90◦立体角。因此，该干扰机能实现其正上方9 0◦立体空域内近似一致的辐射持性。

图5 干扰机天线方向图

在典型作战背景下(草地、砂石地等)，干扰机Ka波段信号、W波段信号的发射功率理论设置值如表2所示(地面装甲目标的长宽一般为3 m×8 m)。

表2 干扰机发射功率理论设置值

4 实验验证

为了验证本文所提隐身方法的有效性，进行了实地测试。实验场地布置如图6所示，毫米波辐射计和与3/8 mm波复合干扰机连线高塔之间的夹角为30°，干扰机放置在2维调角支架上，支架下方放置3 m×8 m铁皮(模拟地面装甲目标)。

图6 实验场地布置示意图

实验陪试品为Ka波段、W波段被动毫米波辐射计，其主要性能参数如表3所示。

表3 实验所用辐射计主要性能参数

实验测试步骤如下：

(1) 选一处空旷、平坦的实测场地，按照场地布置图架设实验设备并设置其参数，在距塔52 m处放置3 m×8 m铁皮，在铁皮正中心放置干扰机；干扰机天线法向首先垂直于地面(辐射计俯仰角度初始为30°)，并以任意水平方向为初始方位0°。

(2) 关闭干扰机，读取此时Ka波段(W波段)末敏弹辐射计扫描目标时对应的相对峰值电平U1，记录该值；

(3) 开启干扰机并根据地面背景设置参数，发射相应功率干扰信号，记录此时Ka波段(W波段)末敏弹辐射计扫描目标位置时对应的相对峰值电平U2；

(4) 计算装甲目标隐身效能η=10 lg|U2/U1|；

(5) 调节干扰机2维支架，使得辐射计的俯仰角度分别为0◦, 1 5◦, 4 5◦，重复(3)～(4)；

(6) 将干扰机水平位置顺时针旋转 90◦, 1 80◦,270◦，重复(3)～(5)。

5 结论

针对末敏弹毫米波被动探测与识别机理，本文提出一种有源装甲目标毫米波隐身方法。该方法充分利用了装甲集群目标与实战地面背景的辐射特性，通过在装甲目标上安装毫米波干扰机，垂直向上发射低功率连续宽带Ka波段、W波段高速扫频信号，使得末敏弹辐射计在目标区域接收到更多的毫米波(Ka波段、W波段)辐射能量，从而大幅降低甚至消除装甲目标与实战背景之间的辐射温度对比度，达到装甲目标隐身的功能。实验结果表明：在草地、砂石地等实战环境下，该方法可使装甲目标对其正上方90°立体空域内Ka波段、W波段末敏弹辐射计的隐身效能分别达到–20～–8 dB, –15～–8 dB，并且隐身效能较无源隐身方法也有一定的提升。