毫米波無源干擾技術(shù)研究進(jìn)展

張 倩，高欣寶，李天鵬，趙科義

（軍械工程學(xué)院，石家莊050003）

1 毫米波技術(shù)在武器系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著信息和光電技術(shù)的發(fā)展及其在軍事中的應(yīng)用，以不同波段的光波為工作體制的光電偵察設(shè)備、精確制導(dǎo)彈藥、通信指揮和控制系統(tǒng)以及激光武器等得到了迅猛發(fā)展，并在海灣戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭、伊拉克戰(zhàn)爭等局部戰(zhàn)爭中得到廣泛使用，并取得了良好的作戰(zhàn)效果。

由于紅外和光系統(tǒng)的局限性，特別是它們在穿透煙塵、云霧等惡劣環(huán)境和夜間工作的局限性已不能滿足全天候及惡劣氣象條件下的作戰(zhàn)要求；而毫米波波長為1～10mm，從頻譜分布來看，毫米波低端與微波相連，高端則與紅外、光波相連，其長波長彌補(bǔ)了紅外和微波系統(tǒng)所面臨的不足，具有測距精度高、多普勒效應(yīng)明顯、全天候、抗惡劣天氣及干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)；毫米波還具有窄波束低旁瓣和高定向的特點(diǎn)，在同樣口徑天線下，短波長能實(shí)現(xiàn)窄波束、低幅瓣，進(jìn)而在目標(biāo)跟蹤和識別上能提供極高的精度和良好的分辨率，能提高低仰角下的探測精度和跟蹤能力，給電子對抗設(shè)備造成難以截獲、監(jiān)視和干擾的困難；毫米波帶寬極寬，高達(dá)273.5GHz（通常認(rèn)為毫米波頻率范圍為26.5～300GHz），要模擬產(chǎn)生一個寬帶干擾信號在技術(shù)上還存在一定困難，這對彈藥的精確制導(dǎo)非常有利；因此，20世紀(jì)80年代，毫米波技術(shù)得到強(qiáng)烈復(fù)蘇［1］。除此之外，微波頻譜擁擠的現(xiàn)狀、毫米波自身具有的特殊優(yōu)勢及精確制導(dǎo)武器系統(tǒng)的快速發(fā)展促使人們不斷把系統(tǒng)的工作頻率往上延伸，導(dǎo)致毫米波技術(shù)廣泛應(yīng)用于精確制導(dǎo)武器和偵察器材。和微波相比，毫米波波長短，因而其設(shè)備體積小、重量輕、機(jī)動性好。這些特點(diǎn)正是精確制導(dǎo)武器和各種飛行器必備的，因此，各發(fā)達(dá)國家都把毫米波頻段的開辟作為其軍事電子技術(shù)發(fā)展的主要內(nèi)容，毫米波制導(dǎo)和偵察武器得到快速發(fā)展。目前，美、英、法、德等國在已裝備和正在研制的武器系統(tǒng)中越來越多地采用了毫米波或紅外／毫米波復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)。毫米波制導(dǎo)武器見表1。

表1 毫米波制導(dǎo)武器

2 毫米波無源干擾技術(shù)內(nèi)涵及技術(shù)途徑分析

毫米波制導(dǎo)技術(shù)的優(yōu)勢以及它在精確制導(dǎo)武器中的大量應(yīng)用使得己方重要軍事裝備、設(shè)施等受到嚴(yán)重威脅，為提高軍事目標(biāo)的戰(zhàn)場生存能力，世界各國紛紛探索研究對抗毫米波制導(dǎo)或偵察的新技術(shù)和新途徑，毫米波干擾技術(shù)得到了快速發(fā)展。20世紀(jì)80年代以前，人們的精力主要投入到毫米波有源干擾技術(shù)的研究，但隨著研究的深入，毫米波有源干擾技術(shù)的發(fā)展遇到了一些技術(shù)瓶頸，如功率、覆蓋范圍等，因此，80年代后，各國普遍重視了對毫米波無源干擾技術(shù)的研究［2］。

無源光電干擾技術(shù)以其操作簡單、成本低廉、效費(fèi)比高等特點(diǎn)越來越受到各國的普遍重視。它利用干擾材料改變光電偵察和精確制導(dǎo)武器的電磁波傳播特性，虛擬和減弱目標(biāo)回波，干擾敵光電探測系統(tǒng)、制導(dǎo)系統(tǒng)，從而達(dá)到保證坦克、飛機(jī)、艦艇、指揮中心、雷達(dá)陣地、導(dǎo)彈陣地、后勤陣地等軍事平臺安全的目的［3］。

毫米波無源干擾技術(shù)是一項利用煙火的光、聲、煙、熱及其電磁效應(yīng)對敵方探測器材和來襲導(dǎo)彈進(jìn)行信號干擾［4］，改變目標(biāo)對電磁波的反射，從而達(dá)到改變電磁波傳播方向及特性的目的，使敵方毫米波探測器材和毫米波制導(dǎo)彈藥的雷達(dá)搜索不到目標(biāo)或搜索到煙火虛擬目標(biāo)，以妨礙或破壞敵方偵察和攻擊的行為［5］。

目前，根據(jù)電磁波干擾理論可知，實(shí)現(xiàn)毫米波無源干擾的技術(shù)途徑主要有光學(xué)干擾、偽裝干擾和遮蔽干擾。

2.1 光學(xué)干擾

光學(xué)干擾主要指的是利用干擾材料改變電磁波的傳播方向和傳播特性，削弱目標(biāo)在敵方雷達(dá)系統(tǒng)中的信號，使敵方無法探測到目標(biāo)和準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，達(dá)到保護(hù)己方目標(biāo)的目的。目前，此類干擾材料主要有箔條、箔片、超薄導(dǎo)電片、膠質(zhì)泡沫等。

2.1.1 干擾條／片

干擾條／片主要是指箔條、箔片、超薄導(dǎo)電片或纖維類干擾材料。

（1）箔條／箔片

箔條是一種傳統(tǒng)的無源干擾材料，是指具有一定長度（一般為雷達(dá)半波長）的金屬或介質(zhì)表面涂覆金屬的條狀、絲狀物質(zhì)。毫米波箔條類似于微波箔條，利用散布于空中隨機(jī)分布的大量半波偶極子群對電磁波散射后所產(chǎn)生的二次輻射對毫米波雷達(dá)進(jìn)行干擾。理論分析和實(shí)踐表明，利用半波偶極子干擾雷達(dá)，用料最省，散射最強(qiáng)，遵循諧振散射，為線散射體特性。其半波長箔條偶極子諧振點(diǎn)的單個偶極子有效散射面積為σ＝0.86λ2cosθ，其中λ為入射頻率，θ為入射雷達(dá)波的電場矢量與箔條偶極子軸線的夾角。

由于毫米波波長短，要達(dá)到好的干擾效果，需要的箔條量很大，對彈藥裝填工藝、發(fā)射器材等要求較高，且在戰(zhàn)場上很難實(shí)現(xiàn)如此大量箔條的投放。由于反射式箔條在干擾毫米波方面存在的這些不足，人們研制了箔片干擾材料，箔片是特征尺寸遠(yuǎn)大于波長（或面積大于波長平方）的金屬或表面涂金屬的介質(zhì)薄片。由于質(zhì)量的原因，目前，金屬箔片已被鍍金屬玻璃纖維、尼龍覆銀等介質(zhì)薄片所替代。箔片為典型的面散射體，它不同于箔條的諧振型干擾，其散射機(jī)理基于惠更斯波動光學(xué)理論，箔片受到電磁波照射時，箔片上的各點(diǎn)成為發(fā)射電磁波的新波源。其單片雷達(dá)散射截面為：σ＝4πs2／λ2，其中λ為入射頻率，s為箔片的幾何面積。可見隨著λ的減小，雷達(dá)截面積快速增加，具有較大的雷達(dá)截面，頻率高端不受限制［6］，因此，箔片可彌補(bǔ)箔條的不足，兩者摻雜使用可獲得較好的干擾效果。

（2）超薄導(dǎo)電片［7］

南京理工大學(xué)研制出一種新型3mm波干擾材料，是將鱗片石墨通過濕法球磨得到厚度約50μm、粒徑約0.1～1.5mm的超薄導(dǎo)電片。測試結(jié)果表明，材料的留空時間較長，電導(dǎo)率較高。理論分析表明，此種材料對毫米波的衰減主要是對電磁波的散射和吸收。通過與3mm波鋁箔條材料干擾試驗的對比，結(jié)果表明該材料對3mm電磁波的干擾性能較強(qiáng)，是一種潛在的軍事應(yīng)用干擾材料。

（3）纖維類干擾材料

US5148173利用猛炸藥將3～15mm碳纖維分散在預(yù)定空域形成4～6m干擾煙幕，該遮蔽劑的主要成分為環(huán)氧樹脂粘合的聚丙烯腈碳纖維粒和涂覆石墨的碳纖維粒。其中碳纖維粒為長3～15mm、直徑為3～7μm的Celion－C－6Ns遮光碳纖維，能有效地對抗毫米波探測器或毫米波制導(dǎo)類武器。歐洲專利EP390580利用特制的纖維對毫米波進(jìn)行吸收或反射，從而達(dá)到干擾或遮蔽電磁波的目的。該纖維是將染料、抗靜電劑、表面活性劑、二氧化硅、二氧化鈦、抗氧化劑、熒光劑、青銅粉、石墨粉、氧化鋁粉、氧化鐵粉等共融，制成金屬聚合物、經(jīng)干燥后研磨或剪切成所需粒度的微粒，平均沉降速度小于5m／min［8］。

2.1.2 毫米波角反射器

毫米波角反射器的作用原理就是利用角反射器在空中或地面形成一個反射性能與導(dǎo)彈目標(biāo)相同的假目標(biāo)，從而誘導(dǎo)對方的毫米波制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤摧毀假目標(biāo)，達(dá)到保護(hù)真目標(biāo)的目的。角反射器一般是由2個或3個相互垂直的金屬面組成的剛性結(jié)構(gòu)，采用較多的是三面角反射器，主要進(jìn)行雷達(dá)對抗，降低敵方雷達(dá)對我方目標(biāo)的探測概率、干擾敵方攻擊性武器（真假混合）和改變敵方地形匹配武器的攻擊概率等。理論研究表明，研制一個折疊的全向角反射器，其雷達(dá)截面積在低頻端相當(dāng)于2倍飛機(jī)的雷達(dá)截面。但該反射器的RCS值固定不變，偽裝欺騙類型受到限制。為了克服該缺點(diǎn)，人們研制了可變角反射器，同一角反射器可形成不同的RCS值，偽裝不同類型的目標(biāo)，軍事應(yīng)用前景廣闊［9］。

2.1.3 泡沫干擾［10］

膠質(zhì)泡沫、水基泡沫等特種干擾泡沫由于其干擾頻帶寬（可同時干擾可見光［11］、紅外［12］、激光［13］、毫米波等各種頻段的電磁波［14］）的特點(diǎn)受到專家學(xué)者們的廣泛關(guān)注［15］。泡沫表面光滑，具有較大的反射比，在空中大量泡沫連接成片，能夠長時間漂浮，對電磁波可達(dá)到全反射效應(yīng)，具有不同曲率半徑的液膜對電磁波還具有強(qiáng)散射作用。除此之外，泡沫材料本身和添加劑對電磁波還能產(chǎn)生吸收作用，對多波段電磁波的干擾效果較好，適合遮蔽和偽裝己方目標(biāo)尤其是固定目標(biāo)。

2.2 偽裝干擾

偽裝干擾主要有兩方面的意思：一是隱真；二是示假。隱真指的是通過在目標(biāo)表面涂覆電磁波反射或吸收層，通過目標(biāo)保護(hù)材料對電磁波的導(dǎo)電損耗、高頻介質(zhì)損耗、磁滯損耗等來吸收電磁波的能量，使目標(biāo)的回波減弱或消失，從而達(dá)到目標(biāo)隱身的目的。目前對毫米波隱身的技術(shù)研究較多的是毫米波吸收層，鐵氧體是較成熟的一類毫米波干擾材料。示假指的是通過誘餌體技術(shù)，利用目標(biāo)模擬體（誘餌體）虛擬目標(biāo)回波，從而對偵察器材和制導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行干擾。誘餌體技術(shù)就是在多維目標(biāo)模擬體表面涂覆誘餌劑，使其具有跟目標(biāo)相近或更強(qiáng)的電磁波反射特性和輻射特征，且多維結(jié)構(gòu)上也與目標(biāo)極為相似，誘騙采用多波段探測手段結(jié)合的高精尖武器制導(dǎo)系統(tǒng)，從而造成敵方雷達(dá)屏幕的搜索信號鎖定在目標(biāo)模擬體上，達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的目的。目前，該項技術(shù)已相對成熟，其中氣囊技術(shù)可模擬坦克、軍用飛機(jī)、炮兵陣地等軍事目標(biāo)的特征。專利US14754描述了一種成像化假目標(biāo)，該假目標(biāo)可以從標(biāo)準(zhǔn)彈體中釋放出膨脹性誘餌，用以模擬真目標(biāo)的發(fā)生特性，可有效干擾紅外或毫米波探測器。

2.3 等離子體干擾

毫米波等離子體干擾的作用機(jī)理是利用爆炸、熱電離及放射性核素產(chǎn)生等離子群，通過等離子群對電磁波的吸收、反射和散射作用，使得探測和制導(dǎo)雷達(dá)對目標(biāo)的回波信號減弱或使得信號偏離，從而達(dá)到干擾的目的。1997年美國海軍研發(fā)了等離子體隱身天線［16］，俄羅斯克爾德什研究中心將研制的等離子體發(fā)生器成功地用于新型戰(zhàn)斗機(jī)［17］。等離子體不僅可用于雷達(dá)的無源干擾及各種武器平臺的隱身，而且可用于巡航導(dǎo)彈等GPS制導(dǎo)類武器的阻隔性干擾［18］。

2.4 煙幕遮蔽干擾

煙幕干擾技術(shù)就是通過在空中施放大量氣溶膠微粒，以改變電磁波介質(zhì)傳輸特性來實(shí)施對光電探測、觀瞄、制導(dǎo)武器系統(tǒng)干擾的一種技術(shù)手段。煙幕干擾技術(shù)具有“隱真”和“示假”的雙重功能。它具有實(shí)時對抗敵方光電武器攻擊的特點(diǎn)，尤其是能對光電制導(dǎo)威脅作出快速反應(yīng)，降低其命中率。因此，在光電制導(dǎo)武器迅猛發(fā)展和大量使用的今天，煙幕干擾材料及其相應(yīng)的布設(shè)、施放和成形器材都受到各國軍方的重視，并且發(fā)展很快［19－20］。法國 Microturbo公司研制了一種能夠用于干擾毫米波的發(fā)煙設(shè)備，該設(shè)備利用渦輪機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)大氣流將吸波粉末或霧油等高速排出，從而形成煙幕。德國一家公司研制的設(shè)備可釋放鹵化物構(gòu)成的云團(tuán)，當(dāng)厚度達(dá)1 m時可使電磁波衰減到百萬分之一［21］。盡管上述干擾材料能夠?qū)撩撞ㄓ幸欢ǖ母蓴_效果，但干擾效果并不如人意，這主要是由于毫米波與紅外和可見光相比，其波長較長，煙幕粒子的直徑遠(yuǎn)小于波長，電磁波衰減理論不遵從Mie理論，屬于瑞利散射，電磁波的散射強(qiáng)度與λ－4成正比，因而傳統(tǒng)煙幕對毫米波的消光能力大大降低［22］，能夠用于毫米波干擾的煙幕材料相對較少［23］。

3 新型毫米波干擾材料研究現(xiàn)狀

如前所述，無論何種干擾形式，都是有效地利用介質(zhì)的散射和吸收效應(yīng)，而總效應(yīng)受粒子相對尺度影響較大。傳統(tǒng)的干擾紅外及可見光的粒子尺度一般較小，不適合干擾毫米波，為了增加對毫米波的干擾效果，通常采用的方法是增加干擾材料的粒徑，從而提高粒子對毫米波粒子的消光能力，但此舉無疑使粒子本身的重量增加，干擾材料的滯空時間大大縮短，除此之外，隨著粒子重量的增加，單發(fā)彈藥所形成煙幕的空間濃度勢必會逐漸降低，對干擾效果也會產(chǎn)生不好的影響。因此毫米波遮蔽干擾的一個瓶頸問題就是干擾材料的留空時間短。為有效地解決這一問題，輕質(zhì)鍍金屬材料和膨脹石墨成為兩大研究熱點(diǎn)，其中氣懸體干擾材料和膨脹石墨是典型的2種新型毫米波干擾材料。

3.1 氣懸體

氣懸體是一種由懸浮在氣體介質(zhì)中的物質(zhì)微粒所組成的干擾體系，其作用主要是用來反射、折射和吸收電磁波能量［24］。與鋁箔條相比，氣懸體散開速度快、干擾頻帶寬、留空時間長、極化特性好，可以滿足干擾毫米波導(dǎo)引頭的需要?？梢酝ㄟ^對空心微珠、玻璃纖維、碳纖維、竹纖維等輕質(zhì)非金屬材料進(jìn)行表面金屬化改性，使之成為新型毫米波干擾材料。其中，竹纖維是一種新型天然纖維，密度只有0.49～0.90g／cm3。有報道稱，在竹纖維表面鍍上金屬銅以后，電阻率從銅的16.7nΩ／m變?yōu)殂~鍍層的19.2nΩ／m，表明鍍銅后有一定的電導(dǎo)率，具有散射和吸收效果［25］。半波長鍍鋁中空玻璃纖維和鍍覆金屬的碳纖維也是研究較多的毫米波干擾材料。它們除了具有較好的電性能外，還具有較長的留空時間及便于切割等優(yōu)點(diǎn)，其表面積比傳統(tǒng)的箔條大43%以上。因此，新型毫米波干擾材料正向著輕質(zhì)、高效的方向發(fā)展。

3.2 膨脹石墨

膨脹石墨是近年來研究較多的一種新型毫米波煙幕干擾材料［26－27］。膨脹石墨具有較大的表面積及較小的密度，沉降速度低，可長時間漂浮于空中；粒徑大（1～10mm），具有較高的導(dǎo)電率、獨(dú)特的空腔結(jié)構(gòu)，對毫米波作用強(qiáng)烈，所有這些特點(diǎn)決定了其作為煙幕干擾材料的巨大應(yīng)用前景［28］。美國專利US5656794公布的全波段發(fā)煙劑，其主要組分就是可膨脹石墨。1995年，德國Nico公司發(fā)明了NG19全波段煙幕復(fù)合干擾材料。Nico公司的野外試驗證明，該發(fā)煙劑的氧化劑和還原劑反應(yīng)放出大量的熱量，產(chǎn)生的瞬時高溫可將可膨脹石墨膨化，生成低密度、大尺度（1～10mm）膨脹石墨，能夠?qū)梢姽?、紅外、毫米波等多波段電磁波產(chǎn)生較好的干擾效果，且干擾時間較長（1min甚至更長）［29］，該煙幕的主要成分及組成見表2。此試驗無疑證實(shí)了膨脹石墨作為寬波段干擾煙幕的潛在價值。

表2 NG19組成

利用靜態(tài)樣板測試法，煙幕科技工作者們研究了膨脹石墨和箔條對3mm、8mm波的衰減性能，結(jié)果見表3［30］。

表3 膨脹石墨與鋁箔條對3mm、8mm波衰減結(jié)果

由上述試驗結(jié)果可以看出，在同等條件下膨脹石墨較鋁箔條對毫米波的衰減效果要好。

目前膨脹石墨應(yīng)用于毫米波無源干擾的常見方法主要有兩種：爆炸法和燃燒法。爆炸法是將可膨脹石墨和能量供給劑混合形成裝藥，可膨脹石墨在爆炸產(chǎn)生的高溫高壓下實(shí)現(xiàn)膨脹及分散［31］。另一種燃燒法是將可膨脹石墨和發(fā)煙劑按一定比例混合，利用煙火藥燃燒時釋放出熱量膨化可膨脹石墨。相對爆炸分散法，該方式比較簡單，但存在很明顯的缺點(diǎn)，膨脹石墨蠕蟲粒子難以聚集在一起，瞬時成煙速度慢，難以產(chǎn)生大面積干擾煙幕［32］。但無論是爆炸法或燃燒法都必須使用大量的能量供給劑，這就限制了可膨脹石墨在煙幕干擾彈中的應(yīng)用。要想獲得較好的干擾效果，制備低溫高膨化倍率及高性能的可膨脹石墨是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。除此之外，膨脹石墨盡管是一種寬波段干擾材料，其自身對毫米波干擾性能較好，但其紅外或激光干擾性能并不理想，目前對紅外、毫米波和激光中的2種或2種以上均產(chǎn)生較強(qiáng)干擾的干擾材料均采用物理組合的方式，而非一體化干擾材料。

4 毫米波無源干擾的發(fā)展趨勢

隨著多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展及毫米波器件在武器裝備上大量應(yīng)用，軍事目標(biāo)受到嚴(yán)重威脅，而對抗復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的無源干擾技術(shù)相對落后，在未來一段時間，它將重點(diǎn)在以下幾個方面發(fā)展：

（1）新干擾機(jī)理研究。利用電磁波干擾理論進(jìn)行新干擾機(jī)理的探索研究，旨在提出一種具有新干擾原理的干擾方法，從而應(yīng)對目前日益發(fā)展的多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)。

（2）新型干擾劑研制。研制寬波段高效干擾劑，做到無源干擾的“一彈多功能”或“一劑多頻譜”，旨在解決目前無源干擾頻段窄及干擾彈功能單一的問題，從而實(shí)現(xiàn)煙幕干擾的全波段化。

（3）干擾方法及干擾策略研究。目前探測或制導(dǎo)技術(shù)利用的往往不止一種手段，為應(yīng)對探測或干擾手段的多樣化，需對探測及制導(dǎo)光電部件的干擾需求進(jìn)行論證，進(jìn)而提出應(yīng)對策略及方法。

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