毫米波无源干扰技术研究进展

张 倩，高欣宝，李天鹏，赵科义

（军械工程学院，石家庄050003）

1 毫米波技术在武器系统中的应用

随着信息和光电技术的发展及其在军事中的应用，以不同波段的光波为工作体制的光电侦察设备、精确制导弹药、通信指挥和控制系统以及激光武器等得到了迅猛发展，并在海湾战争、科索沃战争、伊拉克战争等局部战争中得到广泛使用，并取得了良好的作战效果。

由于红外和光系统的局限性，特别是它们在穿透烟尘、云雾等恶劣环境和夜间工作的局限性已不能满足全天候及恶劣气象条件下的作战要求；而毫米波波长为1～10mm，从频谱分布来看，毫米波低端与微波相连，高端则与红外、光波相连，其长波长弥补了红外和微波系统所面临的不足，具有测距精度高、多普勒效应明显、全天候、抗恶劣天气及干扰能力强等特点；毫米波还具有窄波束低旁瓣和高定向的特点，在同样口径天线下，短波长能实现窄波束、低幅瓣，进而在目标跟踪和识别上能提供极高的精度和良好的分辨率，能提高低仰角下的探测精度和跟踪能力，给电子对抗设备造成难以截获、监视和干扰的困难；毫米波带宽极宽，高达273.5GHz（通常认为毫米波频率范围为26.5～300GHz），要模拟产生一个宽带干扰信号在技术上还存在一定困难，这对弹药的精确制导非常有利；因此，20世纪80年代，毫米波技术得到强烈复苏［1］。除此之外，微波频谱拥挤的现状、毫米波自身具有的特殊优势及精确制导武器系统的快速发展促使人们不断把系统的工作频率往上延伸，导致毫米波技术广泛应用于精确制导武器和侦察器材。和微波相比，毫米波波长短，因而其设备体积小、重量轻、机动性好。这些特点正是精确制导武器和各种飞行器必备的，因此，各发达国家都把毫米波频段的开辟作为其军事电子技术发展的主要内容，毫米波制导和侦察武器得到快速发展。目前，美、英、法、德等国在已装备和正在研制的武器系统中越来越多地采用了毫米波或红外／毫米波复合制导技术。毫米波制导武器见表1。

表1 毫米波制导武器

2 毫米波无源干扰技术内涵及技术途径分析

毫米波制导技术的优势以及它在精确制导武器中的大量应用使得己方重要军事装备、设施等受到严重威胁，为提高军事目标的战场生存能力，世界各国纷纷探索研究对抗毫米波制导或侦察的新技术和新途径，毫米波干扰技术得到了快速发展。20世纪80年代以前，人们的精力主要投入到毫米波有源干扰技术的研究，但随着研究的深入，毫米波有源干扰技术的发展遇到了一些技术瓶颈，如功率、覆盖范围等，因此，80年代后，各国普遍重视了对毫米波无源干扰技术的研究［2］。

无源光电干扰技术以其操作简单、成本低廉、效费比高等特点越来越受到各国的普遍重视。它利用干扰材料改变光电侦察和精确制导武器的电磁波传播特性，虚拟和减弱目标回波，干扰敌光电探测系统、制导系统，从而达到保证坦克、飞机、舰艇、指挥中心、雷达阵地、导弹阵地、后勤阵地等军事平台安全的目的［3］。

毫米波无源干扰技术是一项利用烟火的光、声、烟、热及其电磁效应对敌方探测器材和来袭导弹进行信号干扰［4］，改变目标对电磁波的反射，从而达到改变电磁波传播方向及特性的目的，使敌方毫米波探测器材和毫米波制导弹药的雷达搜索不到目标或搜索到烟火虚拟目标，以妨碍或破坏敌方侦察和攻击的行为［5］。

目前，根据电磁波干扰理论可知，实现毫米波无源干扰的技术途径主要有光学干扰、伪装干扰和遮蔽干扰。

2.1 光学干扰

光学干扰主要指的是利用干扰材料改变电磁波的传播方向和传播特性，削弱目标在敌方雷达系统中的信号，使敌方无法探测到目标和准确跟踪目标，达到保护己方目标的目的。目前，此类干扰材料主要有箔条、箔片、超薄导电片、胶质泡沫等。

2.1.1 干扰条／片

干扰条／片主要是指箔条、箔片、超薄导电片或纤维类干扰材料。

（1）箔条／箔片

箔条是一种传统的无源干扰材料，是指具有一定长度（一般为雷达半波长）的金属或介质表面涂覆金属的条状、丝状物质。毫米波箔条类似于微波箔条，利用散布于空中随机分布的大量半波偶极子群对电磁波散射后所产生的二次辐射对毫米波雷达进行干扰。理论分析和实践表明，利用半波偶极子干扰雷达，用料最省，散射最强，遵循谐振散射，为线散射体特性。其半波长箔条偶极子谐振点的单个偶极子有效散射面积为σ＝0.86λ2cosθ，其中λ为入射频率，θ为入射雷达波的电场矢量与箔条偶极子轴线的夹角。

由于毫米波波长短，要达到好的干扰效果，需要的箔条量很大，对弹药装填工艺、发射器材等要求较高，且在战场上很难实现如此大量箔条的投放。由于反射式箔条在干扰毫米波方面存在的这些不足，人们研制了箔片干扰材料，箔片是特征尺寸远大于波长（或面积大于波长平方）的金属或表面涂金属的介质薄片。由于质量的原因，目前，金属箔片已被镀金属玻璃纤维、尼龙覆银等介质薄片所替代。箔片为典型的面散射体，它不同于箔条的谐振型干扰，其散射机理基于惠更斯波动光学理论，箔片受到电磁波照射时，箔片上的各点成为发射电磁波的新波源。其单片雷达散射截面为：σ＝4πs2／λ2，其中λ为入射频率，s为箔片的几何面积。可见随着λ的减小，雷达截面积快速增加，具有较大的雷达截面，频率高端不受限制［6］，因此，箔片可弥补箔条的不足，两者掺杂使用可获得较好的干扰效果。

（2）超薄导电片［7］

南京理工大学研制出一种新型3mm波干扰材料，是将鳞片石墨通过湿法球磨得到厚度约50μm、粒径约0.1～1.5mm的超薄导电片。测试结果表明，材料的留空时间较长，电导率较高。理论分析表明，此种材料对毫米波的衰减主要是对电磁波的散射和吸收。通过与3mm波铝箔条材料干扰试验的对比，结果表明该材料对3mm电磁波的干扰性能较强，是一种潜在的军事应用干扰材料。

（3）纤维类干扰材料

US5148173利用猛炸药将3～15mm碳纤维分散在预定空域形成4～6m干扰烟幕，该遮蔽剂的主要成分为环氧树脂粘合的聚丙烯腈碳纤维粒和涂覆石墨的碳纤维粒。其中碳纤维粒为长3～15mm、直径为3～7μm的Celion－C－6Ns遮光碳纤维，能有效地对抗毫米波探测器或毫米波制导类武器。欧洲专利EP390580利用特制的纤维对毫米波进行吸收或反射，从而达到干扰或遮蔽电磁波的目的。该纤维是将染料、抗静电剂、表面活性剂、二氧化硅、二氧化钛、抗氧化剂、荧光剂、青铜粉、石墨粉、氧化铝粉、氧化铁粉等共融，制成金属聚合物、经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个反射性能与导弹目标相同的假目标，从而诱导对方的毫米波制导雷达跟踪摧毁假目标，达到保护真目标的目的。角反射器一般是由2个或3个相互垂直的金属面组成的刚性结构，采用较多的是三面角反射器，主要进行雷达对抗，降低敌方雷达对我方目标的探测概率、干扰敌方攻击性武器（真假混合）和改变敌方地形匹配武器的攻击概率等。理论研究表明，研制一个折叠的全向角反射器，其雷达截面积在低频端相当于2倍飞机的雷达截面。但该反射器的RCS值固定不变，伪装欺骗类型受到限制。为了克服该缺点，人们研制了可变角反射器，同一角反射器可形成不同的RCS值，伪装不同类型的目标，军事应用前景广阔［9］。

2.1.3 泡沫干扰［10］

胶质泡沫、水基泡沫等特种干扰泡沫由于其干扰频带宽（可同时干扰可见光［11］、红外［12］、激光［13］、毫米波等各种频段的电磁波［14］）的特点受到专家学者们的广泛关注［15］。泡沫表面光滑，具有较大的反射比，在空中大量泡沫连接成片，能够长时间漂浮，对电磁波可达到全反射效应，具有不同曲率半径的液膜对电磁波还具有强散射作用。除此之外，泡沫材料本身和添加剂对电磁波还能产生吸收作用，对多波段电磁波的干扰效果较好，适合遮蔽和伪装己方目标尤其是固定目标。

2.2 伪装干扰

伪装干扰主要有两方面的意思：一是隐真；二是示假。隐真指的是通过在目标表面涂覆电磁波反射或吸收层，通过目标保护材料对电磁波的导电损耗、高频介质损耗、磁滞损耗等来吸收电磁波的能量，使目标的回波减弱或消失，从而达到目标隐身的目的。目前对毫米波隐身的技术研究较多的是毫米波吸收层，铁氧体是较成熟的一类毫米波干扰材料。示假指的是通过诱饵体技术，利用目标模拟体（诱饵体）虚拟目标回波，从而对侦察器材和制导导弹进行干扰。诱饵体技术就是在多维目标模拟体表面涂覆诱饵剂，使其具有跟目标相近或更强的电磁波反射特性和辐射特征，且多维结构上也与目标极为相似，诱骗采用多波段探测手段结合的高精尖武器制导系统，从而造成敌方雷达屏幕的搜索信号锁定在目标模拟体上，达到保护目标的目的。目前，该项技术已相对成熟，其中气囊技术可模拟坦克、军用飞机、炮兵阵地等军事目标的特征。专利US14754描述了一种成像化假目标，该假目标可以从标准弹体中释放出膨胀性诱饵，用以模拟真目标的发生特性，可有效干扰红外或毫米波探测器。

2.3 等离子体干扰

毫米波等离子体干扰的作用机理是利用爆炸、热电离及放射性核素产生等离子群，通过等离子群对电磁波的吸收、反射和散射作用，使得探测和制导雷达对目标的回波信号减弱或使得信号偏离，从而达到干扰的目的。1997年美国海军研发了等离子体隐身天线［16］，俄罗斯克尔德什研究中心将研制的等离子体发生器成功地用于新型战斗机［17］。等离子体不仅可用于雷达的无源干扰及各种武器平台的隐身，而且可用于巡航导弹等GPS制导类武器的阻隔性干扰［18］。

2.4 烟幕遮蔽干扰

烟幕干扰技术就是通过在空中施放大量气溶胶微粒，以改变电磁波介质传输特性来实施对光电探测、观瞄、制导武器系统干扰的一种技术手段。烟幕干扰技术具有“隐真”和“示假”的双重功能。它具有实时对抗敌方光电武器攻击的特点，尤其是能对光电制导威胁作出快速反应，降低其命中率。因此，在光电制导武器迅猛发展和大量使用的今天，烟幕干扰材料及其相应的布设、施放和成形器材都受到各国军方的重视，并且发展很快［19－20］。法国 Microturbo公司研制了一种能够用于干扰毫米波的发烟设备，该设备利用涡轮机产生的强大气流将吸波粉末或雾油等高速排出，从而形成烟幕。德国一家公司研制的设备可释放卤化物构成的云团，当厚度达1 m时可使电磁波衰减到百万分之一［21］。尽管上述干扰材料能够对毫米波有一定的干扰效果，但干扰效果并不如人意，这主要是由于毫米波与红外和可见光相比，其波长较长，烟幕粒子的直径远小于波长，电磁波衰减理论不遵从Mie理论，属于瑞利散射，电磁波的散射强度与λ－4成正比，因而传统烟幕对毫米波的消光能力大大降低［22］，能够用于毫米波干扰的烟幕材料相对较少［23］。

3 新型毫米波干扰材料研究现状

如前所述，无论何种干扰形式，都是有效地利用介质的散射和吸收效应，而总效应受粒子相对尺度影响较大。传统的干扰红外及可见光的粒子尺度一般较小，不适合干扰毫米波，为了增加对毫米波的干扰效果，通常采用的方法是增加干扰材料的粒径，从而提高粒子对毫米波粒子的消光能力，但此举无疑使粒子本身的重量增加，干扰材料的滞空时间大大缩短，除此之外，随着粒子重量的增加，单发弹药所形成烟幕的空间浓度势必会逐渐降低，对干扰效果也会产生不好的影响。因此毫米波遮蔽干扰的一个瓶颈问题就是干扰材料的留空时间短。为有效地解决这一问题，轻质镀金属材料和膨胀石墨成为两大研究热点，其中气悬体干扰材料和膨胀石墨是典型的2种新型毫米波干扰材料。

3.1 气悬体

气悬体是一种由悬浮在气体介质中的物质微粒所组成的干扰体系，其作用主要是用来反射、折射和吸收电磁波能量［24］。与铝箔条相比，气悬体散开速度快、干扰频带宽、留空时间长、极化特性好，可以满足干扰毫米波导引头的需要。可以通过对空心微珠、玻璃纤维、碳纤维、竹纤维等轻质非金属材料进行表面金属化改性，使之成为新型毫米波干扰材料。其中，竹纤维是一种新型天然纤维，密度只有0.49～0.90g／cm3。有报道称，在竹纤维表面镀上金属铜以后，电阻率从铜的16.7nΩ／m变为铜镀层的19.2nΩ／m，表明镀铜后有一定的电导率，具有散射和吸收效果［25］。半波长镀铝中空玻璃纤维和镀覆金属的碳纤维也是研究较多的毫米波干扰材料。它们除了具有较好的电性能外，还具有较长的留空时间及便于切割等优点，其表面积比传统的箔条大43%以上。因此，新型毫米波干扰材料正向着轻质、高效的方向发展。

3.2 膨胀石墨

膨胀石墨是近年来研究较多的一种新型毫米波烟幕干扰材料［26－27］。膨胀石墨具有较大的表面积及较小的密度，沉降速度低，可长时间漂浮于空中；粒径大（1～10mm），具有较高的导电率、独特的空腔结构，对毫米波作用强烈，所有这些特点决定了其作为烟幕干扰材料的巨大应用前景［28］。美国专利US5656794公布的全波段发烟剂，其主要组分就是可膨胀石墨。1995年，德国Nico公司发明了NG19全波段烟幕复合干扰材料。Nico公司的野外试验证明，该发烟剂的氧化剂和还原剂反应放出大量的热量，产生的瞬时高温可将可膨胀石墨膨化，生成低密度、大尺度（1～10mm）膨胀石墨，能够对可见光、红外、毫米波等多波段电磁波产生较好的干扰效果，且干扰时间较长（1min甚至更长）［29］，该烟幕的主要成分及组成见表2。此试验无疑证实了膨胀石墨作为宽波段干扰烟幕的潜在价值。

表2 NG19组成

利用静态样板测试法，烟幕科技工作者们研究了膨胀石墨和箔条对3mm、8mm波的衰减性能，结果见表3［30］。

表3 膨胀石墨与铝箔条对3mm、8mm波衰减结果

由上述试验结果可以看出，在同等条件下膨胀石墨较铝箔条对毫米波的衰减效果要好。

目前膨胀石墨应用于毫米波无源干扰的常见方法主要有两种：爆炸法和燃烧法。爆炸法是将可膨胀石墨和能量供给剂混合形成装药，可膨胀石墨在爆炸产生的高温高压下实现膨胀及分散［31］。另一种燃烧法是将可膨胀石墨和发烟剂按一定比例混合，利用烟火药燃烧时释放出热量膨化可膨胀石墨。相对爆炸分散法，该方式比较简单，但存在很明显的缺点，膨胀石墨蠕虫粒子难以聚集在一起，瞬时成烟速度慢，难以产生大面积干扰烟幕［32］。但无论是爆炸法或燃烧法都必须使用大量的能量供给剂，这就限制了可膨胀石墨在烟幕干扰弹中的应用。要想获得较好的干扰效果，制备低温高膨化倍率及高性能的可膨胀石墨是亟待解决的关键技术。除此之外，膨胀石墨尽管是一种宽波段干扰材料，其自身对毫米波干扰性能较好，但其红外或激光干扰性能并不理想，目前对红外、毫米波和激光中的2种或2种以上均产生较强干扰的干扰材料均采用物理组合的方式，而非一体化干扰材料。

4 毫米波无源干扰的发展趋势

随着多模复合制导技术的快速发展及毫米波器件在武器装备上大量应用，军事目标受到严重威胁，而对抗复合制导技术的无源干扰技术相对落后，在未来一段时间，它将重点在以下几个方面发展：

（1）新干扰机理研究。利用电磁波干扰理论进行新干扰机理的探索研究，旨在提出一种具有新干扰原理的干扰方法，从而应对目前日益发展的多模复合制导技术。

（2）新型干扰剂研制。研制宽波段高效干扰剂，做到无源干扰的“一弹多功能”或“一剂多频谱”，旨在解决目前无源干扰频段窄及干扰弹功能单一的问题，从而实现烟幕干扰的全波段化。

（3）干扰方法及干扰策略研究。目前探测或制导技术利用的往往不止一种手段，为应对探测或干扰手段的多样化，需对探测及制导光电部件的干扰需求进行论证，进而提出应对策略及方法。

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