反涂層隱身地面金屬目標(biāo)的毫米波輻射探測方法

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，南京 210094)

1 引 言

隨著武器系統(tǒng)電子對抗技術(shù)的發(fā)展，隱身與反隱身問題已日益凸顯[1-3]。目前常用的隱身技術(shù)主要包括涂層隱身、外形隱身以及加復(fù)數(shù)負(fù)載技術(shù)等[4]，這些措施主要是針對雷達(dá)系統(tǒng)隱身而言的，其反隱身措施也是針對雷達(dá)系統(tǒng)所實施的，如提高雷達(dá)發(fā)射功率或采用雷達(dá)組網(wǎng)等方法[2]。實際上，輻射探測技術(shù)是對常規(guī)雷達(dá)探測的一種有效補充[5]，它作為一種重要的反隱身手段已越來越受到重視，因此開展此類研究具有重要的理論價值和現(xiàn)實意義。

對于涂層隱身地面金屬目標(biāo)來說，涂層材料一般為電磁波吸收材料，當(dāng)其受到雷達(dá)照射時，涂層隱身材料將入射的電磁波轉(zhuǎn)換為熱能，再以噪聲的形式輻射出去，減小了雷達(dá)反射波，從而達(dá)到了目標(biāo)對雷達(dá)隱身的效果[6]。當(dāng)涂層隱身地面金屬目標(biāo)的物理溫度和周圍環(huán)境溫度一致、涂層隱身材料和地面背景的輻射率相似時，降低了目標(biāo)與背景之間的輻射溫度對比度，從而達(dá)到了目標(biāo)對被動探測系統(tǒng)隱身的效果[7]。因此，無論對于主動探測系統(tǒng)(雷達(dá))或者被動探測系統(tǒng)(輻射計)來說，地面金屬目標(biāo)在涂層隱身后都將難以被探測。

在實際情況下，大多數(shù)地面金屬目標(biāo)為運動中的裝甲目標(biāo)，其發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下的物理溫度將遠(yuǎn)高于周圍環(huán)境溫度。此時，若涂覆在其表面的隱身涂層對雷達(dá)的隱身性能越好，則其輻射能力越強，將越容易被輻射計所發(fā)現(xiàn)[4]。本文在理論分析的基礎(chǔ)上實驗驗證這一現(xiàn)象，并利用研制的3 mm頻段全功率交流輻射計工程樣機(jī)，在草地上對涂覆有吸波材料的溫控金屬板進(jìn)行了模擬探測實驗，實驗結(jié)果驗證了利用毫米波交流輻射計探測發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下涂層隱身地面金屬目標(biāo)的可行性和有效性。

2 毫米波交流輻射計及探測原理

毫米波輻射計本身不向外發(fā)射電磁波，具有較好的隱蔽性，并兼具了微波和紅外的特點，因而在靈巧與精確制導(dǎo)等彈藥系統(tǒng)中日益發(fā)揮著重要作用。

2.1 系統(tǒng)組成及指標(biāo)

用于某彈載場合的毫米波交流輻射計實質(zhì)上是一臺高靈敏度寬帶接收機(jī)，它利用目標(biāo)和背景的毫米波輻射溫度差異來探測和識別目標(biāo)[8]，其工作原理如圖1所示。

圖1 毫米波交流輻射計原理框圖Fig.1 Block diagram of the MMW alternating current radiometer

如圖1所示，與天線相連的是毫米波超外差接收機(jī)，其后為平方律檢波器、視頻放大器、低通濾波器以及信號處理電路，其中毫米波超外差接收機(jī)主要由本振、混頻器以及中頻放大器組成。由于輻射計系統(tǒng)的輸出電壓需與天線溫度成線性關(guān)系，因此本系統(tǒng)采用平方律檢波。

實際工程樣機(jī)的主要參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 毫米波交流輻射計工程樣機(jī)參數(shù)指標(biāo)Table 1 Parameters of the MMW alternating current radiometer

2.2 探測原理

當(dāng)毫米波交流輻射計以一定入射角度探測地面金屬目標(biāo)時，天線波束和目標(biāo)交會如圖2所示[9]。

圖2 輻射計天線波束與目標(biāo)交會示意圖Fig.2 Schematic diagram of the intersection of antenna beam and target

圖2中H為天線距離地面高度，θF為天線波束中心線和水平面垂線的夾角，θT為天線半功率波束寬度。

目標(biāo)和地面背景的輻射溫度差異反映到輻射計天線輸出端即為天線溫度差ΔTA，由文獻(xiàn)[10]可知，可利用天線波束立體角ΩA和目標(biāo)立體角ΩT來描述ΔTA，其表達(dá)式為

FB(εTTT+ρTTSKY-ρGTSKY-εGTG)

(1)

式中，TT、TSKY和TG分別為目標(biāo)的物理溫度、天空的輻射溫度以及地面背景的物理溫度；εT和ρT分別為目標(biāo)的發(fā)射率及反射率；εG和ρG分別為地面背景的發(fā)射率及反射率；ΩT為目標(biāo)對天線所張的立體角；ΩA為輻射計天線對目標(biāo)所張的立體角；FB=ΩT/ΩA為輻射計天線的波束填充系數(shù)。

當(dāng)輻射計近距離探測目標(biāo)時，由于天線波束寬度較窄，天線波束投影到目標(biāo)處的面積將小于目標(biāo)面積，那么有FB≈1，此時式(1)可以改寫為

ΔTA=ΔTT=εTTT+ρTTSKY-ρGTSKY-εGTG

(2)

根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，上述天線溫度對比度ΔTA在輻射計輸出端引起的電壓變化量ΔVd可表示為

ΔVd=CdKpgLFkBΔTA

(3)

式中，Cd為平方率檢波器功率靈敏度，Kp為混頻、中放總增益，gLF為低通濾波器增益，B為檢波前系統(tǒng)帶寬，k為玻爾茲曼常數(shù)。

因此，由式(3)可知：通過分析毫米波交流輻射計輸出端信號特征的變化即可對背景中的目標(biāo)進(jìn)行探測與識別。

3 目標(biāo)輻射特性分析及理論計算

下面以草地為背景，結(jié)合表1中所示實際輻射計工程樣機(jī)的具體參數(shù)指標(biāo)，分別討論未隱身金屬目標(biāo)、發(fā)動機(jī)不工作時涂層隱身金屬目標(biāo)以及發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下涂層隱身金屬目標(biāo)的輻射特性，并通過計算天線溫度對比度，得出毫米波交流輻射計輸出端的理論計算值。其中設(shè)地面草地背景的物理溫度為TG=10℃，發(fā)動機(jī)運轉(zhuǎn)時目標(biāo)的平均物理溫度為TT=70℃，3 mm頻段的天空輻射溫度為TSKY=80 K。

3.1 未隱身金屬目標(biāo)輻射特性分析

對于草地上的金屬目標(biāo)，由于其表面光滑、導(dǎo)電率較高，因此目標(biāo)的反射率ρT≈1，此時目標(biāo)主要反射天空的輻射溫度，天空輻射溫度通常遠(yuǎn)低于地面溫度，即TSKY<

由此可見，可利用目標(biāo)和背景輻射溫度差來探測及識別目標(biāo)。毫米波末敏探測技術(shù)就是基于這一基本原理：當(dāng)金屬目標(biāo)未采取涂層隱身措施時，毫米波交流輻射計能夠在草地背景中準(zhǔn)確探測金屬目標(biāo)，此時金屬目標(biāo)為“冷”目標(biāo)，且目標(biāo)自身的物理溫度不會影響目標(biāo)的天線溫度，從而不會對目標(biāo)和背景的天線溫度對比度產(chǎn)生顯著影響。

3.2 發(fā)動機(jī)未工作時涂層隱身金屬目標(biāo)輻射特性分析

對于被動探測系統(tǒng)，涂層隱身原理是減小目標(biāo)和周圍環(huán)境的輻射特性差異，從而降低被輻射計探測、識別的概率。

當(dāng)涂層隱身金屬目標(biāo)的發(fā)動機(jī)不工作時，其物理溫度將會與草地的物理溫度接近，即TT≈TG；如果選用的涂層隱身材料發(fā)射率與草地相同，即εT≈εG，則根據(jù)式(2)可知此時的天線溫度對比度ΔTA2≈0，因此由式(3)得，毫米波交流輻射計輸出端的電壓幅度變化量ΔVd2≈0。

由此可見，當(dāng)涂層隱身金屬目標(biāo)的物理溫度和周圍背景物理溫度基本一致時，毫米波交流輻射計將難以區(qū)分目標(biāo)，從而達(dá)到對被動探測系統(tǒng)隱身的效果。

3.3 發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)下涂層隱身金屬目標(biāo)輻射特性分析

根據(jù)能量守恒定律，表面涂覆有隱身材料的金屬目標(biāo)，其電磁輻射能力將遠(yuǎn)高于未采取隱身措施的表面光滑金屬目標(biāo)。

當(dāng)涂層隱身金屬目標(biāo)的發(fā)動機(jī)工作時，由于發(fā)動機(jī)部位溫度較高，從而使得涂覆在金屬目標(biāo)上的隱身材料的物理溫度也隨之上升，而這個溫度通常遠(yuǎn)高于草地的溫度，即TT>>TG。在3 mm頻段，設(shè)εT≈εG≈1，根據(jù)式(2)可知此時天線溫度對比度為ΔTA3=TT-TG=60 K，因此由式(3)可得毫米波交流輻射計輸出端的電壓幅度變化量為ΔVd3=1.242 V。

由此可見，當(dāng)草地上的涂層隱身金屬目標(biāo)發(fā)動機(jī)工作時，隱身涂層的物理溫度將高于背景的物理溫度，再加上涂層隱身材料良好的電磁輻射能力，增加了目標(biāo)的輻射溫度，從而突現(xiàn)了背景中的目標(biāo)。因此對于被動探測系統(tǒng)而言，此時的涂層隱身材料不但沒有將金屬目標(biāo)隱身，反而由于發(fā)動機(jī)的工作增加了涂層隱身金屬目標(biāo)的輻射溫度，使得涂層隱身金屬目標(biāo)成為草地背景上的“熱”目標(biāo)，這為利用毫米波交流輻射計反涂層隱身地面金屬目標(biāo)提供了一條新的思路。

4 探測實驗及分析

利用研制的3 mm頻段全功率交流輻射計工程樣機(jī)在草地上對有關(guān)目標(biāo)進(jìn)行模擬實驗，實驗場景見圖3，目標(biāo)為定制的溫控金屬板及涂層隱身材料。

圖3 探測實驗場景Fig.3 Experimental scene of anti-coating-stealth detection

如圖3所示，毫米波交流輻射計工程樣機(jī)固定在三腳架上，天線距離地面高度為1.5 m，天線波束中心線和水平垂線成30°夾角；溫控金屬板尺寸為30 cm×20 cm；地面溫度為10℃，天空晴朗無云，3 mm頻段天空輻射溫度約為80 K。

(a)掃描草地背景

(b)掃描未隱身金屬板

(c)掃描隱身且不加熱金屬板

(d)掃描未隱身且加熱金屬板

(e)掃描隱身且加熱金屬板圖4 反涂層隱身探測模擬實驗波形Fig.4 Output signals of the MMW radiometer in anti-coating-stealth detection

利用毫米波交流輻射計工程樣機(jī)對不同狀態(tài)下目標(biāo)進(jìn)行探測，實驗過程如下：

(1)對草地背景進(jìn)行掃描探測，其輸出波形見圖4(a)；

(2)對放置在草地背景上的未涂覆隱身材料且未加熱的溫控金屬板進(jìn)行掃描探測，其輸出波形見圖4(b)；

(3)對涂覆有隱身材料且未加熱的溫控金屬板進(jìn)行掃描探測，其輸出波形見圖4(c)；

(4)對未涂覆隱身材料且加熱至70 ℃的溫控金屬板進(jìn)行掃描探測，其輸出波形見圖4(d)；

(5)對涂覆隱身材料且加熱至70 ℃的溫控金屬板進(jìn)行掃描探測，其輸出波形見圖4(e)。

值得注意的是，由于交流輻射計中隔直電容對直流及部分低頻信號的濾除作用，使得輻射計輸出信號產(chǎn)生畸變，從而在有用信號的相反一端產(chǎn)生上突或下陷信號，例如圖4(b)和圖4(d)中跟隨脈沖上升沿所產(chǎn)生的上突，以及圖4(e)中隨著脈沖下降沿所產(chǎn)生的下陷信號，這些畸變信號并不會對有用信號產(chǎn)生影響，因此也不會影響輻射計的探測效果。

由圖4(a)和(c)可知，當(dāng)涂覆隱身材料的溫控金屬板不加熱時，毫米波交流輻射計得到的輸出波形和它掃描草地背景時的輸出波形基本相同，這說明發(fā)動機(jī)不工作的涂層隱身金屬目標(biāo)對被動探測系統(tǒng)有著良好的隱身效果。

由圖4(b)和(d)可知，當(dāng)毫米波交流輻射計掃描到未涂覆隱身材料的溫控金屬板時，無論其是否加熱，輻射計的輸出波形都基本相同，且從圖中可以明顯看出金屬板的天線溫度低于周圍草地背景的天線溫度。這說明未隱身的金屬目標(biāo)無論其是否加熱，在草地背景上均呈“冷”目標(biāo)，能夠很容易被毫米波交流輻射計探測到。

當(dāng)涂覆隱身材料的溫控金屬板加熱后，由圖4(e)可以看出此時目標(biāo)的天線溫度高于周圍草地背景的天線溫度，涂層隱身金屬目標(biāo)成為常溫草地背景上的“熱”目標(biāo)，因此突現(xiàn)在背景上?？梢?，由于涂層隱身金屬目標(biāo)發(fā)動機(jī)工作時的自加熱效應(yīng)，毫米波交流輻射計能夠有效對其進(jìn)行探測。

從圖4(b)和(d)中還可以看到輸出的負(fù)脈沖幅度大約為-4 V，比理論計算的-4.202 V稍低，而從圖4(e)可以看到輸出的正脈沖幅度大約為1 V，比理論計算的1.242 V稍低，其原因是由于草地和涂層材料不可能為理想黑體所引起的，即其發(fā)射系數(shù)并不為理想狀態(tài)下的1，而應(yīng)是略小于1，那么根據(jù)式(2)可得此時天線溫度對比度略小于理論計算值，因此由式(3)可得此時輸出端電壓幅度變化量也將略小于理論電壓變化量。

5 結(jié) 論

隱身技術(shù)的出現(xiàn)使得處于信息化戰(zhàn)爭中的任何軍事目標(biāo)都面臨著巨大威脅，對戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)防御系統(tǒng)提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，從而促使反隱身技術(shù)成為一項緊迫的任務(wù)和要求。目前常用的反隱身措施主要是針對雷達(dá)系統(tǒng)所實施的，這些方法通常結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高。本文采用毫米波輻射探測技術(shù)，通過提取目標(biāo)自身輻射在不同情況下存在差異所產(chǎn)生的信息進(jìn)行識別，盡管目標(biāo)涂覆吸波材料，但其自身的輻射特性使其在輻射計探測下成為明顯目標(biāo)。由于毫米波輻射計自身不向外發(fā)射電磁波，因此其隱蔽性較好，同時具有功耗低、體積小及靈敏度高等特點，并可全天候工作。理論分析和實驗研究均驗證了本文方法的可行性及有效性，為反涂層隱身技術(shù)提供了一種新方法，具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。而針對發(fā)動機(jī)未工作時的涂層隱身地面金屬目標(biāo)探測問題，則可從增加隱身涂層亮度溫度的角度出發(fā)，通過采用寬帶且與輻射計同頻段的毫米波噪聲源對目標(biāo)進(jìn)行照射的辦法來增強毫米波輻射計的探測能力，這將是后續(xù)研究工作的重點。

參考文獻(xiàn)：

[1] Eugene F Knott, John F Shaeffer,Michael T Tuley. Radar Cross Section[M]. 2nd ed.Raleigh,NC:SciTech Publishing, 2004.

[2] 趙小華, 渠亮. 雷達(dá)反隱身技術(shù)的淺析[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007, 29(3):17-18.

ZHAO Xiao-hua,QU Liang. Analysis of Radar Countermeasures against Stealth Technology[J]. Modern Radar, 2007, 29(3): 17-18.(in Chinese)

[3] 李南.外形設(shè)計對飛機(jī)隱身性能影響分析雷達(dá)隱身與反隱身技術(shù)[J]. 電訊技術(shù),2007,47(10):153-155.

LI Nan. Analysis of Contour Design Effects on Fighter Stealth Performance[J]. Telecommunication Engineering, 2007, 47(10): 153-155. (in Chinese)

[4] 阮穎錚. 雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,1998.

RUAN Ying-zheng. Radar Cross Section and Stealth Technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1998. (in Chinese)

[5] 彭樹生, 李興國.毫米波輻射計反空中涂層隱身飛機(jī)的分析[J].紅外與毫米波學(xué)報,1998, 17(6):454-458.

PENG Shu-sheng,LI Xing-guo. Analysis of anti-coating-stealth-airplane with a millimeter wave radiometer[J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves, 1998, 17(6):454-458. (in Chinese)

[6] 彭樹生, 李興國. 主動毫米波輻射計反空中涂層隱身研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 1998(4):27-30.

PENG Shu-sheng,LI Xing-guo. Study on Anti-Coating-Stealth Objective in Air with an Active Millimeter Wave Radiometer[J]. Journal of Systems Engineering and Electronics, 1998 (4):27-30. (in Chinese)

[7] 繆晨, 婁國偉, 李興國. 3mm涂層隱身材料的天線溫度模型[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2004, 23(3): 221-224.

MIAO Chen, LOU Guo-wei,LI Xing-guo. Antenna temperature model of 3mm coating stealth material[J]. Infrared and Millimeter Waves, 2004, 23(3):221-224. (in Chinese)

[8] Niels Skou，David Le Vine. Microwave Radiometer Systems: Design and Analysis[M]. 2nd ed.Norwood, MA: Artech House, 2006.

[9] 肖澤龍, 許建中, 彭樹生, 等. 彈載雙通道毫米波輻射計研究[J]. 兵工學(xué)報, 2007, 28(8): 939-942.

XIAO Ze-long, XU Jian-zhong, PENG Shu-sheng，et al. Study on Dual Channel Millimeter-wave Radiometer[J]. Acta Armamentar, 2007, 28(8):939-942. (in Chinese)

[10] 李興國.被動式毫米波引信反涂層隱身機(jī)理初探[J].制導(dǎo)與引信, 1994 (2):20-22.

LI Xing-guo. Research on the principle of Anti-Coating-Stealth with Passive Millimeter-wave Fuze[J]. Guidance and Fuze, 1994 (2):20-22. (in Chinese)

[11] 張祖蔭，林士杰.微波輻射測量技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,1995.

ZHANG Zu-yin，LIN Shi-jie. Microwave Radiometry and Its Application[M].Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 1995. (in Chinese)