基于波形诱骗的末敏弹毫米波有源干扰研究

陈曦，陈自力，许建中，孟春祥

(1.南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京210094;2.空军勤务学院，江苏 徐州221000)

0 引言

末端敏感弹药(简称末敏弹)是一种能够在弹道末段自动探测、识别目标并使战斗部朝着目标方向引爆的智能弹药，具有作战距离远、命中概率高、毁伤威力大、高效费比和“打了不管”等特点[1－3]。在21 世纪信息化战场上，末敏弹已经成为坦克装甲集群的重大威胁，可以对远距离装甲集群目标实施装甲防护和主动拦截难以抵御的有效攻击。因此，通过电子对抗手段对末敏弹探测和识别目标进行干扰，降低末敏弹的打击效能，是一种必要的技术策略，具有重大的军事应用价值。目前军事科技领域尚未有公认的应对措施，现有文献对末敏弹的干扰研究主要为无源干扰，包括箔条云和假目标两种手段[4－7]。前者通过箔条云衰减、阻断毫米波的传播，降低毫米波辐射计探测目标的能力，使其丢失目标;但箔条云的使用受气候条件、遮蔽场地面积、箔条云车载量等因素限制，尤其受风速影响很大。后者采用毫米波假目标作为无源诱饵，对毫米波辐射计实现欺骗干扰，但实际干扰效率受布置方法、气候条件、战术机动使用等条件限制而降低。

针对上述干扰方法的不足，本文提出了一种基于波形诱骗的有源干扰新方法。该方法根据末敏弹毫米波交流辐射计探测金属目标时弹目交会特点和信号处理电路特性，采用毫米波干扰源发射合适功率的干扰信号，使辐射计接收系统获得具有大时宽等幅的天线温度信号。该信号经视频放大器低频截止作用后发生频率失真，输出信号失真为具有正、负脉冲形式的分裂信号，其中负脉冲信号可以模拟探测真实金属目标的输出信号，从而诱骗目标识别器输出起爆信号，实现干扰作用。

1 金属目标天线温度信号分析

当敏感器(毫米波交流辐射计)天线波束扫过金属目标时，利用金属目标与地面背景的毫米波辐射特性差异，天线接收的辐射功率可用天线温度对比度来表示，为一个“钟形”脉冲信号。其中信号峰值和宽度特征反映了目标主要的敏感信息。根据毫米波辐射计探测金属目标的经典理论[8－10]，脉冲信号峰值可用目标位于天线波束中心时引起的天线温度变化量来近似计算，即

式中:ΔTT为金属目标与地面背景的辐射温度对比度(为一固定负值);ATM为波束域内目标投影面积;b 为表征天线方向图的常数;H 为探测高度;θF为探测角。

在天线波束中心扫描经过目标的整个过程中，目标响应的脉冲宽度wT可用天线波束尺寸与扫过的目标线性尺寸之和与天线扫描线速度之比来近似表示，即

式中:D 为目标线性尺寸;R=H/cos θF为探测距离;θM为天线波束宽度(视场角);n 为天线圆锥扫描转速。

根据(1)式和(2)式所示的信号波形特征参量，可采用高斯拟合函数对天线温度变化量进行波形逼近，以扫描点位于目标中心位置作为时间参考零点时，探测金属目标天线信号温度的拟合函数可表示为

图1 给出了不同探测高度时获得的天线温度对比度信号波形曲线。由图1 可见，对于给定探测条件，随着辐射计探测高度不断下降，信号峰值大小(ΔTAmax/ΔTT)显著增加，信号宽度也随之增大。

图1 探测金属目标时天线温度对比度Fig.1 The antenna temperature contrast in metal target detection

2 毫米波干扰源天线温度信号建模

若将地面金属目标替换为毫米波干扰源，需要重新分析辐射计扫描过程并进行信号建模。图2 为辐射计扫描地面毫米波干扰源的示意图。

图2 辐射计扫描毫米波干扰源示意图Fig.2 Schema of the radiometer scanning MMW interference source

考虑到辐射计天线波束中心扫描对准干扰源天线最大增益方向时，接收的干扰源发射功率为最大。此时辐射计和干扰源2 个波束有最大交叠面S，辐射计对干扰源的探测可近似为对波束中心的圆形面目标S 的扫描，如图2(b)所示。根据几何关系可得，等效目标S 的面积

式中ΔTTJ用来表征干扰源与地面背景的辐射温度对比度，可表示为

其中:PJ为干扰源发射功率;GJ(θ'，φ')为干扰源天线增益方向图;η 为天线接收效率;R 为辐射计天线与干扰源的探测距离;TC为背景的辐射温度。

由(5)式可知，通过合理控制干扰源发射功率，使干扰源与地面背景的辐射温度对比度基本恒定，即ΔTTJ一定时(为一固定正值)，得到的天线温度信号峰值固定不变，与H 无关。但根据雷达方程，随着H 的降低，辐射计天线接收到来自干扰源的信号能量应增大，由能量守恒原理可知，其信号宽度将会增大。因此，探测干扰源时将获得一个脉冲宽度较宽的天线温度信号，参考(3)式可将探测干扰源时天线温度信号表示为

式中k 值一般取2.5 ～4.

与相同探测高度下(如H=60 m)金属目标天线温度信号对比，其波形曲线如图3 所示。

3 辐射计波形干扰机理

天线接收的辐射功率(天线温度信号)作为辐射计系统输入信号，通过接收机系统进一步信号处理，得到辐射测量的最终输出信号。毫米波交流辐射计接收系统一般由毫米波低噪声放大器、平方律检波器和视频放大器组成[11－12]，其简化的工作原理框图如图4 所示。

由于接收的辐射能量非常微弱，首先需要经过前级高增益、低噪声的毫米波放大器将射频输入信号放大，达到检波器输入信号的要求;检波器工作于小信号平方律特性，其检波输出的电压信号为

图3 探测干扰源和金属目标时天线温度对比度Fig.3 The antenna temperature contrast in the detection of interference source and metal target

图4 交流辐射计工作原理框图Fig.4 Principle diagram of alternating current radiometer

式中:k 为波尔兹曼常数;接收机系统的等效电气参数分别为平方律检波器功率灵敏度Cd、检波前电路的等效带宽B、功率增益Kp、接收机系统噪声温度Te;ΔTA(t)为天线温度信号(ΔTA(t)=f(t)|mtΔTT或ΔTA(t)=f(t)|isΔTTJ).

实际应用中，通常要求毫米波交流辐射计系统开机后立刻进入稳定状态，稳定过程为毫秒量级。检波器与视频放大器之间采用阻容耦合，使本机噪声的平均直流分量不通过视频放大器，只传输有用的交流信号。因此辐射计系统中视频放大器的低频截止频率不为0，可看作一个有源带通滤波器(通频带一般为4 ～200 Hz)，其低频端截止角频率ω0L=由阻容耦合电容Ce和视频放大器输入阻抗ri决定。当输入视频放大器信号频率低于有源带通滤波器低频端截止频率时，发生频率失真，视频放大器作用于微分运算，则视频放大器输出信号可表示为

式中:h(t)为视频放大器冲激响应函数;Kv为视频放大器电压增益;τ 为微分电路时间常数。

对于探测金属目标获得的输入脉冲信号，系统电路参数设计时保证时间常数τ 远大于脉冲上升沿和下降沿时间，耦合电容Ce只起交流耦合作用，相当于短路。但是，当采用同样的接收机系统处理探测干扰源获得的脉冲信号时，由第2 节分析可知，其信号等幅展宽，且探测高度越低，脉冲信号宽度越宽，即低频成分越多，使得其信号频率小于带通滤波器低频端截止频率，此时耦合电容Ce起微分作用，以时间常数τ 进行充放电。探测金属目标与探测干扰源时获得的接收机系统输入信号以图3 所示信号为例，则视频输出信号如图5 所示。

图5 探测干扰源时视频输出信号Fig.5 The video output signal in the interference source detection

从图5 可看出，对于探测干扰源时获得的等幅宽时天线温度信号，由于辐射计系统中视频放大器固有的低频截止特性，使输入的宽时信号发生频率失真，变为具有正、负脉冲形式的分裂信号，其中右半部分的脉冲信号反向后为实际系统输出信号(因为实际系统中运算放大器为反相放大，且单电源供电，负脉冲部分被切削，故用虚线表示，图中只给出大于零电平信号)。将其与图中经辐射计接收系统线性处理后获得的探测金属目标视频输出信号对比可知，其信号一维波形特征具有较大的相似性。

实际使用时干扰源发射功率的合理控制是实现末敏弹干扰效果的前提，发射功率过小，无法对辐射计产生干扰作用;发射功率过大将导致辐射计系统饱和，产生阻塞效应。已知干扰源发射功率为PJ，发射天线增益为GJ，当距离干扰源R 远处的辐射计接收天线主瓣方向在干扰源发射天线主波束范围内时，根据弗利斯传输公式可知，接收天线口面处的功率为

为了使干扰源信号到达检波器前的功率满足检波管的小信号平方律要求，即满足检波器动态范围为－40 ～－20 dBm，以94 GHz(λ =3.2 mm)直检式交流辐射计为例，其典型的参数为辐射计接收天线增益为33 dB，前端损耗为4 dB，射频放大器增益为58 dB.在末敏弹探测距离为20 ～120 m 范围内，若发射天线增益为GJ=6 dB，则代入(10)式计算可得，干扰源发射功率的工作范围约为0.04 ～1.1 mW.

当作用的干扰源发射功率满足上述条件时，能够保证辐射计整个探测过程中会获得展宽约2.5 ～4 倍的等幅宽时信号，从而经后续辐射计系统电路处理后可以产生与探测金属目标时相似的信号波形，将此模拟波形送入判决装置后满足探测金属目标信号特征的判决准则，进而给出引爆信号，实现对末敏弹诱骗干扰作用。

4 实验验证

为验证本文基于波形诱骗的毫米波有源干扰方法的有效性，进行了靶场实际测量。其中毫米波干扰源为一个小型毫米波发射机，主要由干扰源天线，干扰源和控制器组成。辐射计系统样机主要指标参数及实验条件见表1.图6 为探测距离60 m 时，两次扫过地面金属目标获取的实测信号，图中A 位置处对应金属目标。在不改变探测条件前提下，采用毫米波干扰源代替金属目标进行相同的实验，获得的输出信号如图7 所示。对比图6 和图7 可以看出，输出波形B 与输出波形A 相似，具有相同的目标特征量，从而实现了波形诱骗的干扰效果。

表1 实验样机主要指标参数及实验条件Tab.1 Parameters of prototype and experimental conditions

图6 扫描金属目标时辐射计输出的实验波形Fig.6 Output signal in metal target detection

图7 扫描毫米波干扰源时辐射计输出的实验波形Fig.7 Output signal in MMW interference source detection

5 结论

针对通用型末敏弹毫米波交流辐射计的工作原理和电路特性，提出了一种基于波形模拟的有源干扰新方法，其核心是产生与探测真实金属目标输出信号一维波形特征相似的模拟波形，具体实现是通过控制毫米波干扰源发射功率，获得具有大时宽等幅的天线温度信号送入辐射计接收系统，使视频放大器固有的低频截止特性产生微分作用，输出信号失真为具有正、负脉冲形式的分裂信号，其中负脉冲波形可以模拟金属目标输出信号，从而诱骗末敏弹目标识别器，实现干扰作用，具有热源产生冷目标探测效果的特点。本文在建立探测毫米波干扰源时天线温度信号模型的基础上，分析了干扰方法的作用机理，并通过实际测量实验验证了该方法的可行性和有效性，为末敏弹干扰与抗干扰研究提供了一种理论依据。

References)

[1]杨绍卿.末敏弹系统理论[M].西安:陕西科学技术出版社，2009:1 －3.YANG Shao－qing.System theory of terminal－sensitive projectile[M].Xi’an:Shaanxi Science and Technology Press，2009:1 －3.(in Chinese)

[2]杨绍卿.灵巧弹药工程[M].北京:国防工业出版社，2010:21 －24.YANG Shao－qing.Smart munition engineering[M].Beijing:National Defense Industry Press，2010:21 －24.(in Chinese)

[3]王宏波，庄志洪，李运生，等.末敏弹引信与战斗部系统的仿真研究[J].兵工学报，2011，32(5):532 －536.WANG Hong－bo，ZHUANG Zhi－hong，LI Yun－sheng，et al.Research on the fuze－warhead system simulation of terminal sensitive munitions[J].Acta Armamentarii，2011，32(5):532 －536.(in Chinese)

[4]高东华，田万顷，徐庆丰.箔条幕防御反舰导弹的原理论证与作战仿真研究[J].兵工学报，2005，26(3):418 －422.GAO Dong－hua，TIAN Wan－qing，XU Qing－feng.Study on principle demonstration and fighting simulation of jamming anti－ship missile by chaff screen[J].Acta Armamentarii，2005，26(3):418－422.(in Chinese)

[5]Sun P L，Cai Q，Tang J，et al.On spreading chaff cloud for countering the terminal guidance missile[C]∥IEEE CIE International Conference on Radar.Chengdu，China:IEEE，2011:845－849.

[6]Zhou W G，Luo J R，Jia Y G，et al.Performance evaluation of radar and decoy system counteracting antiradiation missile[J].Aerospace and Electronic Systems，2011，47:2026 －2036.

[7]薛建国，巨养锋.末敏弹干扰诱饵效能评估[J].光电技术应用，2012，27(1):12 －15.XUE Jian－guo，JU Yang－feng.Effectiveness evaluation on decoy for jamming terminal－sensitive projectile[J].Electro－optic Technology Application，2012，27(1):12 －15.(in Chinese)

[8]Kaste O C.The comparison of signal and noise value with measurement value about 35 GHz passive radiometer，AD－A 040366[R].US:ASTIA，1980:16 －24.

[9]时翔，娄国伟，李兴国，等.装甲目标毫米波辐射温度的建模与计算[J].红外与毫米波学报，2007，26(1):43 －46.SHI Xiang，LOU Guo－wei，LI Xing－guo，et al.Modelling and calculating of millimeter wave radiant temperature for armored target[J].J Infrared Millim Waves，2007，26(1):43 －46.(in Chinese)

[10]汪亚玲，邱燕.弹载毫米波辐射计仿真系统研究[J].武汉科技大学学报:自然科学版，2006，29(3):263 －265.WANG Ya－ling，QIU Yan.Simulation of millimeter wave radiometer on bomb[J].J of Wuhan Uni of Sci ＆ Tech:Natural Science Edition，2006，29(3):263 －265.(in Chinese)

[11]钱嵩松，李兴国.毫米波交流全功率辐射计的信号恢复处理[J].南京理工大学学报，2007，31(3):350 －354.QIAN Song－song，LI Xing－guo.Single recovery of AC total power MMW radiometer[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology，2007，31(3):350 －354.(in Chinese)

[12]许建中.无线电近感系统[M].南京:南京理工大学，2000:167.XU Jian－zhong.Radio proximity system[M].Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2000:167.(in Chinese)