巡飛彈對地物金屬目標的毫米波探測

張東陽，黨正正，劉朋楠

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

巡飛彈對地物金屬目標的毫米波探測

張東陽，黨正正，劉朋楠

(沈陽理工大學 裝備工程學院，遼寧 沈陽 110159)

對地物表面運動金屬目標的有效探測是實現(xiàn)精確打擊的重要保障。根據(jù)地物表面運動金屬目標的毫米波輻射特性，建立了基于毫米波輻射計的巡飛彈對地物金屬目標的毫米波探測數(shù)學模型。通過改變巡飛彈飛行參數(shù)，對該數(shù)學模型進行了數(shù)值仿真，結(jié)果表明：巡飛彈的有效旋轉(zhuǎn)速度為30～70rad/s，有效采樣時間為0.1105～0.275ms，有效飛行高度為17～28m時，可實現(xiàn)對金屬目標的有效探測。

毫米波輻射計；巡飛彈；金屬目標；探測

現(xiàn)代戰(zhàn)爭形勢對武器的探測系統(tǒng)提出了更高的要求，需要在復雜戰(zhàn)場環(huán)境中提高武器的精確探測制導能力、目標識別能力、攻擊能力。巡飛彈作為現(xiàn)代武器的一種常規(guī)性彈藥，易于攜帶且多模式觸發(fā)等優(yōu)點引起了許多國家的重視，美國、俄羅斯等多個國家對該種彈藥投入了大量的精力[1]。與無人機相比，巡飛彈不僅有普通彈藥的威力，可應用各種武器平臺發(fā)射或投射，而且能夠快速進入作戰(zhàn)區(qū)域，具有速度快、突擊能力強、精度高、附帶毀傷小等特點，使裝備的火力體系更加完善，提高其執(zhí)行作戰(zhàn)任務的靈活性[2-3]。巡飛彈的主要性能如巡飛時間和距離主要由動力裝置確定，一般巡飛時間為15min～12h；巡飛高度取決于探測裝置的性能；巡飛彈道段的飛行速度，一般為30～100m/s；彈體尺寸：一般直徑為120～330mm、長度為0.5～1.5m；制導方式分為中段和巡飛段，采用GPS/慣性制導，巡飛段探測和末段制導采用激光雷達導引頭(攻擊型)或電視攝像頭(偵察型)。把巡飛彈的各個性能參數(shù)準確探測出來以便對其精確制導，是對巡飛彈總體設(shè)計的一項迫切任務[4]。

文獻[5]從設(shè)計輻射計參數(shù)和有效處理信號的角度實現(xiàn)對坦克頂甲的探測。文獻[6]采用毫米波輻射計依靠角度測量及目標輻射率差異進行目標識別，能夠克服主動毫米波系統(tǒng)在近距離探測時存在的目標閃爍效應，可以對目標進行準確識別與定位。本文采用毫米波輻射計根據(jù)物質(zhì)輻射特性探測金屬目標，建立巡飛彈載輻射計探測金屬目標的模型，一旦確定為敵方的金屬目標，可立即對其進行精確打擊。

1 被動式毫米波輻射計的應用原理

1.1 毫米波輻射計特性

在整個電磁波頻譜上，自然界的所有物質(zhì)只要處于絕對零度以上，都會自發(fā)地向外輻射電磁能量(即電磁波)。物體輻射的能量可表示為表觀溫度[6]，記為Tap(θ,φ)。Tap(θ,φ)與物體實際表面溫度T之比定義為該物體的頻譜發(fā)射率ε(θ,φ)。

式中：T為物體的實際溫度；θ為波束入射角；φ為波束方位角。應用毫米波輻射計探測金屬目標時，無論金屬目標處在什么背景環(huán)境下，由于金屬目標的毫米波輻射的表觀溫度近于零，典型地物在不同波長下表面的發(fā)射率如表1所示[6]。對輻射計而言，金屬目標相當于“冷”目標，地物表面相當于“熱”目標，兩者有明顯的輻射差異性。本文主要根據(jù)天線接收的兩者溫度對比度判斷金屬目標。

1.2 毫米波輻射計輻射工作原理

當輻射計天線波束掃描到金屬目標時，天線附近溫度TBT為

TBT=ρTTs+ρTTat

(1)

式中：ρT為金屬目標的反射系數(shù)；Ts和Tat分別為天空和大氣的真實溫度。

對于近距離探測，可忽略大氣衰減，天線掃描到地面時，天線附近的溫度TBg為

TBg(θ,φ,pi,Δf)=ρg(θ)Ts+εg(θ)Tg+

εat(θ)Tat+ρg(θ)Tatεat

(2)

式中：ρg為地物表面的反射系數(shù)；εg(θ)和εat(θ)分別為地物表面和大氣的反射系數(shù)。

表1 典型地物表面的頻譜發(fā)射率

地物表面與金屬目標的溫度對比度ΔTT為

ΔTT=TBg(θ,φ,pi,Δf)-TBT

(3)

將式(1)、式(2)代入式(3)得

ΔTT=ρg(θ)Ts+εg(θ)Tg+εat(θ)Tat+

ρg(θ)Tatεat(θ)-ρTTs-ρTTatεat(θ)

計算出地物表面與金屬的溫度對比度ΔTT，通過檢測天線溫度對比度即可探測地面金屬(如金屬、坦克)目標[7-9]。

2 巡飛彈的數(shù)學模型建立

巡飛彈不僅靈巧機動，飛行速度快，而且其內(nèi)部裝有傳感器設(shè)備。巡飛彈作為飛行載體，將對偶式毫米波輻射計置于彈體頭部，根據(jù)輻射計輻射特性可對地面金屬目標進行探測，根據(jù)該種巡飛彈及毫米波輻射計的特性，建立數(shù)學模型，如圖1所示。

當巡飛彈飛越目標上空時，彈上的天線波束掃過目標，輻射計參數(shù)確定后，波束掃描地物表面，遇到金屬目標后會產(chǎn)生一個鐘形脈沖信號。若把巡飛彈看成一個剛體,則其在空間運動過程便看作是質(zhì)心移動和繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的合成運動，否則受氣動力作用剛體易變形，而且發(fā)動機工作燃料不斷消耗，巡飛彈的質(zhì)量隨之減小，故巡飛彈的運動比剛體運動復雜得多。為使問題簡化，把巡飛彈與目標的運動看成在某一時刻的質(zhì)點運動，即進行參數(shù)固化，只研究巡飛彈飛行末制導階段探測到金屬目標這一交會時刻的數(shù)學建模仿真。

圖1 輻射計掃描金屬目標交會時的數(shù)學模型

根據(jù)毫米波理論，只要天線檢測到地物表面與金屬的溫度對比度ΔTT，便能識別介質(zhì)中的金屬目標。天線掃描金屬目標時天線溫度變化為

(4)

式中G(θ,φ)為天線增益函數(shù)且采用對稱旋轉(zhuǎn)波束，即有G(θ,φ)=G(θ)=G0e-bθ2，b=400。當輻射計探測金屬目標的交會情況如圖1所示時，設(shè)天線離oxy平面高度為H，金屬目標B(x1，y1)在x軸上投影為D，溫度對比度為ΔTT的金屬目標在oxy平面上。實現(xiàn)任意彈目相對位置下天線溫度計算，毫米波輻射計波束以α夾角掃描oxy面的金屬目標，與y軸旋轉(zhuǎn)角的變化量為β，天線掃描轉(zhuǎn)到任意位置金屬目標A(x,y)為地面任一微面元dxdy。由圖1可知

l1=H/cosβ

(5)

y1=Htanβ

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

將式(11)代入式(4)并統(tǒng)一單位得到

(12)

為實現(xiàn)任意目標的探測，積分范圍取決于矩形目標，目標取向為長邊和短邊分別平行于坐標系的x軸和y軸。目標的尺度在x方向為l，在y方向為w。

3 對金屬目標的探測與仿真

根據(jù)圖1所示的巡飛彈數(shù)學模型,地物表面上有一平面金屬目標B(x1,y1)，式(12)對未知的運動金屬目標A(x,y)進行仿真。假定輻射計參數(shù)為[10]:天線增益G0=32.041dB；天線3dB波束寬度θ3dB=7.5°；輻射計方向與地面法線夾角θF=30°；巡飛彈的恒定旋轉(zhuǎn)速度為40rad/s。同時假設(shè)目標與背景的對比度為50度，采樣間隔為0.1875ms。根據(jù)式(12)可求出任意交會情況下的仿真輸出波形。當方位角α=0°,偏移量d=0m時,若對運動金屬目標(7.9m×3.65m)從高度15～25m進行毫米波輻射計的天線波束掃描,當高度為22m時，利用Matlab軟件對其仿真，旋轉(zhuǎn)720°輻射計輸出波形如圖2所示，由于空間運動存在一些外在干擾，因此仿真出的波形出現(xiàn)許多抖動，不平滑。

圖2 毫米波探測金屬目標輸出波形

圖2表明，在輻射計繞x軸旋轉(zhuǎn)0°～90°間，天線波束首先掃描到地面，天線接收地面輻射的信號;當輻射計波束掃描金屬目標邊沿，輻射計天線接收金屬目標的毫米波輻射溫度，由于地面和金屬存在溫度差異，輻射計輸出金屬目標的脈沖信號。掃描點接近目標中心時，天線接收的溫度下降；遠離目標中心時，天線溫度上升。輻射計掃描完地面，天線接收到對天空掃描的信號，若天空沒有金屬目標出現(xiàn)，即為旋轉(zhuǎn)角90°～270°的波形；270°～360°為天線波束未接收到掃描地面金屬目標溫度的波形。360°～720°是天線波束掃描的下一個周期。

圖3是目標7.9m×3.65m在不同高度交會時仿真出的波形。隨著探測器的高度不斷升高，同一個目標信號的峰值變小脈沖變大，波束易受方向角和偏移量的影響，發(fā)散性隨高度升高而減弱。相同高度下目標尺寸不同鐘形脈沖也有明顯而穩(wěn)定的差異。圖3中0°～90°范圍的鐘形脈沖信號,其能量、峰值、脈沖寬度、最大最小升降斜率及波形的對稱性等反映了目標的幾何尺寸、探測系統(tǒng)與目標的交會情況等信息。

圖3 不同高度時7.9m×3.65m目標輸出波形

巡飛彈有效探測時,參數(shù)G0=32.041dB，θ3dB=7.5°，θF=30°，金屬目標尺寸7.9m×3.65m，目標與背景的對比度為50度，根據(jù)仿真實驗，改變?nèi)我粎?shù)并保證波形不失真的情況下，得出該參數(shù)變化的范圍。

(1)巡飛彈有效旋轉(zhuǎn)速度w范圍為30～70rad/s，采樣間隔t為0.1875ms，高度22m，當w=70rad/s時，探測到的波形如圖4所示。

圖4 巡飛彈旋轉(zhuǎn)速度為70rad/s的波形圖

由圖4可知，當巡飛彈旋轉(zhuǎn)速度w大于70rad/s時建立的模型不具有穩(wěn)定性，輻射計將不能準確探測到金屬目標。

(2)巡飛彈有效采樣時間t范圍為0.1105～0.275ms，旋轉(zhuǎn)速度w為40rad/s，高度22m，當t=0.275ms時，探測到的波形如圖5所示。

圖5 積分時間為0.275ms時的波形圖

由圖5可知，當巡飛彈采樣時間t大于0.275ms時建立的模型不具有穩(wěn)定性，輻射計將不能準確探測到金屬目標。

(3)巡飛高度h有效范圍為17m～28m，旋轉(zhuǎn)速度w為40rad/s，采樣間隔t為0.1875ms，當h=28m時，探測到的波形如圖6所示。

圖6 平飛高度為28m時的波形圖

由圖6可知，當巡飛高度大約28m時建立的模型不具有穩(wěn)定性，輻射計將不能準確探測到金屬目標。

4 結(jié)論

根據(jù)建立的毫米波輻射計探測模型，實現(xiàn)了巡飛彈對地面金屬目標的有效探測。得出巡飛彈的有效旋轉(zhuǎn)速度的范圍為30～70rad/s，有效采樣時間范圍為0.1105～0.275ms，有效飛行高度為17～28m。此模型可實現(xiàn)巡飛彈對地面金屬目標的有效探測和識別。

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(責任編輯：趙麗琴)

Ground Metal Target Detection Based on Scout Missile of Millimeter-wave Radiometer

ZHANG Dongyang,DANG Zhengzheng,LIU Pengnan

(Shenyang Ligong University,Shenyang 110159,China)

To detect the ground metal target effectively is an important guarantee for precision strike.Accordingly and in view of the millimeter-wave radiation characteristic of the ground metal target,a mathematical model was established based on Scout Missile about millimeter-wave detection to the ground metal target.Through changing parameters in the process of Scout Missile flight,the model goes on numerical simulation,the results show that:effective rotation speed of scout missile patrol is 30～70rad/s,effective sampling time is 0.1105～0.275ms,effective flight altitude is 17～28m,which is to achieve effective detection for the metal target.

： millimeter-wave radiometer;scout missile;armored target;detection

2014-04-16

張東陽(1967—)男，副教授，研究方向：多傳感器信息融合技術(shù)、目標探測與識別技術(shù)等.

1003-1251(2015)05-0066-05

TN958

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