巡飞弹对地物金属目标的毫米波探测

张东阳，党正正，刘朋楠

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

巡飞弹对地物金属目标的毫米波探测

张东阳，党正正，刘朋楠

(沈阳理工大学 装备工程学院，辽宁 沈阳 110159)

对地物表面运动金属目标的有效探测是实现精确打击的重要保障。根据地物表面运动金属目标的毫米波辐射特性，建立了基于毫米波辐射计的巡飞弹对地物金属目标的毫米波探测数学模型。通过改变巡飞弹飞行参数，对该数学模型进行了数值仿真，结果表明：巡飞弹的有效旋转速度为30～70rad/s，有效采样时间为0.1105～0.275ms，有效飞行高度为17～28m时，可实现对金属目标的有效探测。

毫米波辐射计；巡飞弹；金属目标；探测

现代战争形势对武器的探测系统提出了更高的要求，需要在复杂战场环境中提高武器的精确探测制导能力、目标识别能力、攻击能力。巡飞弹作为现代武器的一种常规性弹药，易于携带且多模式触发等优点引起了许多国家的重视，美国、俄罗斯等多个国家对该种弹药投入了大量的精力[1]。与无人机相比，巡飞弹不仅有普通弹药的威力，可应用各种武器平台发射或投射，而且能够快速进入作战区域，具有速度快、突击能力强、精度高、附带毁伤小等特点，使装备的火力体系更加完善，提高其执行作战任务的灵活性[2-3]。巡飞弹的主要性能如巡飞时间和距离主要由动力装置确定，一般巡飞时间为15min～12h；巡飞高度取决于探测装置的性能；巡飞弹道段的飞行速度，一般为30～100m/s；弹体尺寸：一般直径为120～330mm、长度为0.5～1.5m；制导方式分为中段和巡飞段，采用GPS/惯性制导，巡飞段探测和末段制导采用激光雷达导引头(攻击型)或电视摄像头(侦察型)。把巡飞弹的各个性能参数准确探测出来以便对其精确制导，是对巡飞弹总体设计的一项迫切任务[4]。

文献[5]从设计辐射计参数和有效处理信号的角度实现对坦克顶甲的探测。文献[6]采用毫米波辐射计依靠角度测量及目标辐射率差异进行目标识别，能够克服主动毫米波系统在近距离探测时存在的目标闪烁效应，可以对目标进行准确识别与定位。本文采用毫米波辐射计根据物质辐射特性探测金属目标，建立巡飞弹载辐射计探测金属目标的模型，一旦确定为敌方的金属目标，可立即对其进行精确打击。

1 被动式毫米波辐射计的应用原理

1.1 毫米波辐射计特性

在整个电磁波频谱上，自然界的所有物质只要处于绝对零度以上，都会自发地向外辐射电磁能量(即电磁波)。物体辐射的能量可表示为表观温度[6]，记为Tap(θ,φ)。Tap(θ,φ)与物体实际表面温度T之比定义为该物体的频谱发射率ε(θ,φ)。

式中：T为物体的实际温度；θ为波束入射角；φ为波束方位角。应用毫米波辐射计探测金属目标时，无论金属目标处在什么背景环境下，由于金属目标的毫米波辐射的表观温度近于零，典型地物在不同波长下表面的发射率如表1所示[6]。对辐射计而言，金属目标相当于“冷”目标，地物表面相当于“热”目标，两者有明显的辐射差异性。本文主要根据天线接收的两者温度对比度判断金属目标。

1.2 毫米波辐射计辐射工作原理

当辐射计天线波束扫描到金属目标时，天线附近温度TBT为

TBT=ρTTs+ρTTat

(1)

式中：ρT为金属目标的反射系数；Ts和Tat分别为天空和大气的真实温度。

对于近距离探测，可忽略大气衰减，天线扫描到地面时，天线附近的温度TBg为

TBg(θ,φ,pi,Δf)=ρg(θ)Ts+εg(θ)Tg+

εat(θ)Tat+ρg(θ)Tatεat

(2)

式中：ρg为地物表面的反射系数；εg(θ)和εat(θ)分别为地物表面和大气的反射系数。

表1 典型地物表面的频谱发射率

地物表面与金属目标的温度对比度ΔTT为

ΔTT=TBg(θ,φ,pi,Δf)-TBT

(3)

将式(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)

计算出地物表面与金属的温度对比度ΔTT，通过检测天线温度对比度即可探测地面金属(如金属、坦克)目标[7-9]。

2 巡飞弹的数学模型建立

巡飞弹不仅灵巧机动，飞行速度快，而且其内部装有传感器设备。巡飞弹作为飞行载体，将对偶式毫米波辐射计置于弹体头部，根据辐射计辐射特性可对地面金属目标进行探测，根据该种巡飞弹及毫米波辐射计的特性，建立数学模型，如图1所示。

当巡飞弹飞越目标上空时，弹上的天线波束扫过目标，辐射计参数确定后，波束扫描地物表面，遇到金属目标后会产生一个钟形脉冲信号。若把巡飞弹看成一个刚体,则其在空间运动过程便看作是质心移动和绕质心转动的合成运动，否则受气动力作用刚体易变形，而且发动机工作燃料不断消耗，巡飞弹的质量随之减小，故巡飞弹的运动比刚体运动复杂得多。为使问题简化，把巡飞弹与目标的运动看成在某一时刻的质点运动，即进行参数固化，只研究巡飞弹飞行末制导阶段探测到金属目标这一交会时刻的数学建模仿真。

图1 辐射计扫描金属目标交会时的数学模型

根据毫米波理论，只要天线检测到地物表面与金属的温度对比度ΔTT，便能识别介质中的金属目标。天线扫描金属目标时天线温度变化为

(4)

式中G(θ,φ)为天线增益函数且采用对称旋转波束，即有G(θ,φ)=G(θ)=G0e-bθ2，b=400。当辐射计探测金属目标的交会情况如图1所示时，设天线离oxy平面高度为H，金属目标B(x1，y1)在x轴上投影为D，温度对比度为ΔTT的金属目标在oxy平面上。实现任意弹目相对位置下天线温度计算，毫米波辐射计波束以α夹角扫描oxy面的金属目标，与y轴旋转角的变化量为β，天线扫描转到任意位置金属目标A(x,y)为地面任一微面元dxdy。由图1可知

l1=H/cosβ

(5)

y1=Htanβ

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

将式(11)代入式(4)并统一单位得到

(12)

为实现任意目标的探测，积分范围取决于矩形目标，目标取向为长边和短边分别平行于坐标系的x轴和y轴。目标的尺度在x方向为l，在y方向为w。

3 对金属目标的探测与仿真

根据图1所示的巡飞弹数学模型,地物表面上有一平面金属目标B(x1,y1)，式(12)对未知的运动金属目标A(x,y)进行仿真。假定辐射计参数为[10]:天线增益G0=32.041dB；天线3dB波束宽度θ3dB=7.5°；辐射计方向与地面法线夹角θF=30°；巡飞弹的恒定旋转速度为40rad/s。同时假设目标与背景的对比度为50度，采样间隔为0.1875ms。根据式(12)可求出任意交会情况下的仿真输出波形。当方位角α=0°,偏移量d=0m时,若对运动金属目标(7.9m×3.65m)从高度15～25m进行毫米波辐射计的天线波束扫描,当高度为22m时，利用Matlab软件对其仿真，旋转720°辐射计输出波形如图2所示，由于空间运动存在一些外在干扰，因此仿真出的波形出现许多抖动，不平滑。

图2 毫米波探测金属目标输出波形

图2表明，在辐射计绕x轴旋转0°～90°间，天线波束首先扫描到地面，天线接收地面辐射的信号;当辐射计波束扫描金属目标边沿，辐射计天线接收金属目标的毫米波辐射温度，由于地面和金属存在温度差异，辐射计输出金属目标的脉冲信号。扫描点接近目标中心时，天线接收的温度下降；远离目标中心时，天线温度上升。辐射计扫描完地面，天线接收到对天空扫描的信号，若天空没有金属目标出现，即为旋转角90°～270°的波形；270°～360°为天线波束未接收到扫描地面金属目标温度的波形。360°～720°是天线波束扫描的下一个周期。

图3是目标7.9m×3.65m在不同高度交会时仿真出的波形。随着探测器的高度不断升高，同一个目标信号的峰值变小脉冲变大，波束易受方向角和偏移量的影响，发散性随高度升高而减弱。相同高度下目标尺寸不同钟形脉冲也有明显而稳定的差异。图3中0°～90°范围的钟形脉冲信号,其能量、峰值、脉冲宽度、最大最小升降斜率及波形的对称性等反映了目标的几何尺寸、探测系统与目标的交会情况等信息。

图3 不同高度时7.9m×3.65m目标输出波形

巡飞弹有效探测时,参数G0=32.041dB，θ3dB=7.5°，θF=30°，金属目标尺寸7.9m×3.65m，目标与背景的对比度为50度，根据仿真实验，改变任一参数并保证波形不失真的情况下，得出该参数变化的范围。

(1)巡飞弹有效旋转速度w范围为30～70rad/s，采样间隔t为0.1875ms，高度22m，当w=70rad/s时，探测到的波形如图4所示。

图4 巡飞弹旋转速度为70rad/s的波形图

由图4可知，当巡飞弹旋转速度w大于70rad/s时建立的模型不具有稳定性，辐射计将不能准确探测到金属目标。

(2)巡飞弹有效采样时间t范围为0.1105～0.275ms，旋转速度w为40rad/s，高度22m，当t=0.275ms时，探测到的波形如图5所示。

图5 积分时间为0.275ms时的波形图

由图5可知，当巡飞弹采样时间t大于0.275ms时建立的模型不具有稳定性，辐射计将不能准确探测到金属目标。

(3)巡飞高度h有效范围为17m～28m，旋转速度w为40rad/s，采样间隔t为0.1875ms，当h=28m时，探测到的波形如图6所示。

图6 平飞高度为28m时的波形图

由图6可知，当巡飞高度大约28m时建立的模型不具有稳定性，辐射计将不能准确探测到金属目标。

4 结论

根据建立的毫米波辐射计探测模型，实现了巡飞弹对地面金属目标的有效探测。得出巡飞弹的有效旋转速度的范围为30～70rad/s，有效采样时间范围为0.1105～0.275ms，有效飞行高度为17～28m。此模型可实现巡飞弹对地面金属目标的有效探测和识别。

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[2]朱勇,刘莉.炮射巡逻弹药发展趋势及研究方向[J].飞航导弹,2008，(9):37-40.

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[5]张彦梅,崔占忠.利用毫米波辐射计探测坦克顶甲的研究[J].探测与控制学报，2004，(3):17-20.

[6]李兴国,李跃华.毫米波近感技术基础[M].北京:北京理工大学出版社，2009：2-4.

[7]时翔,娄国伟,李兴同，等．金属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.

[8]汪敏,李兴国.毫米波辐射计的波形模拟与目标识别[J].红外与毫米波学报，1988,17(4):255-261

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(责任编辑：赵丽琴)

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

张东阳(1967—)男，副教授，研究方向：多传感器信息融合技术、目标探测与识别技术等.

1003-1251(2015)05-0066-05

TN958

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