毫米波輻射計反空中涂層隱身飛機的分析

毫米波輻射計反空中涂層隱身飛機的分析
摘要利用毫米被輻射計匣空中津?qū)与[身龜機的基豐機理和美國標(biāo)準(zhǔn)尢氣模型(1975)及IAebe 毫米波傳輸模型(1985)，模擬{十算了大氣和地面等背囂引^ 的天線噪聲溫度和輻射計天逝溫度 的信雜比．

引言 無線溫度信雜比 隱身技術(shù)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭的重要技術(shù)之一，在軍用飛行器上已得到廣泛的應(yīng)用． 現(xiàn)代隱身技術(shù)主要著力于研究減小雷達的后向散射面積～雷達截面積(RCS)．采用的有效 途徑主要有三種 ]：(1)外形技術(shù)，采用后向散射小的外形結(jié)構(gòu)f(2)表 涂層技術(shù)，將吸收 材料涂在飛行器的表面上；(3)加復(fù)數(shù)負載技術(shù)．針對隱身技術(shù)，現(xiàn)有的反隱身技術(shù)主要分成 兩大類 ：(1)抑制隱身技術(shù)，如采用雷達網(wǎng)和低載頻等技術(shù)，提高隱身目標(biāo)的雷達截面秘； (2)提高雷達的探測能力，如加大雷達發(fā)射功率增大隱身目標(biāo)的回波信號．電子稱| 熱像儀| 頻閃儀| 測高儀| 測距儀| 金屬探測器| 試驗機| 扭力計| 流速儀| 粗糙度儀| 流量計| 平衡儀| 本文分析r利用 毫米渡輻射計反空中涂層隱身飛機這一新技術(shù)．

1 基本機理 毫米波(微波)吸收材料(非透明體)與它周圍環(huán)境的相互作用是：
(1)本身輻射電磁波；
(2)吸收部分外界電磁渡；
(3)反射其余的電磁波．它的吸收系數(shù)a和反射系數(shù)P的關(guān)系式 為 ：。+P一1，當(dāng)雷達照射到涂層吸收材料時，雷達信號。部分被吸收轉(zhuǎn)換為熱能， ·部分 被反射．涂層隱身的目的就是增大吸收系數(shù)a，減小反射系數(shù)P．根據(jù)黑體輻射理 侖，涂層吸 收材料在吸收的同時．它本身也在向外輻射噪聲電磁波信號．它的輻射系數(shù)l-等于吸收系數(shù) 。(即：s一。)．在天空冷背景r．對輻射計來說涂層E機成為明顯的熱目標(biāo)．涂層吸收材料的 回波損耗越大．反射信號就越小，而它本身的輻射信號就越大． 涂層E機的輻射信號透過大氣被輻射計天線接收，輻射計的天線溫度 為 日標(biāo)的立體角．了1 和丁 分別是背景和日標(biāo)引入的天線錦度，表達式為 了1 一Ⅱ 一 了1 (口． P( 一 dn／ P( 一 dn 了一m一』T 了一 c ， P c ， an，』T P c ， an一 由式(2)和(3)．得到輻射汁天線溫度的信雜比：SCR=T ／了

2 背景天線溫度 ．
(2) (3) 背景的輻射噪聲 要來自夫氣的輛射千¨地面的輻時，圖]給出r背景輻射噪聲溫度對 天線溫度貢獻的示意圖·輻射計犬線放置在高度為H 的地方，以天線的位置為球坐標(biāo)原點， 滅頂方向為z軸方向，則背景的輻射噪聲溫度為： l ( ． )．0<口< ； 了1礎(chǔ)( ， )一 【[ +(1一 )了1 ( 一 ． ) +Tv(O— )一號< < (4) 式(4)中了1一(口． )是大氣向r輻射的噪盧溫度^ 干u T 分別是地 的輻射率和物理溫度，Z’D 為從反射點D劍天線點0之 HJ的大氣光學(xué)厚度，丁 ( ． )是從D到0的大氣輻射溫度． 2．1 大氣輻射噪聲 大氣向r的輻射包含：大氣 各種成分的輻射和字宙背景的輻射，其表達式為： 丁 ( ． )一』 丁( ) ( )exp(一 n( )d ) +T,~exp(一j a(1)d1)． 了1 I a(z)seeOdz—rDsecO (5) (6) (7) 式L}『了1(f)是在距離 處的夫 物 溫度．n(f)是人 t的吸收系數(shù)，了1 是字市背景輻射噪聲 溫度(一2．7K)．7 ， 是人氣的’ 均溫度，z是乖直高度， 是火氣在0 h-向的總光學(xué)厚度 是人氣存天頂方向的總光學(xué)厚度． 在厘米波和毫米波波段，大氣巾主要吸收成分是與氣象參數(shù)有密切關(guān)系ff{J氧分子、水蒸 汽分子和液態(tài)水(如：霧和雨)等．本文采用l 976年版的美國標(biāo)準(zhǔn)大氣模型 氣象參數(shù)，氧分 子、水蒸汽和液態(tài)水吸收系數(shù)的計算采用Liebe模型 ]．大氣向下輻射溫度的計算結(jié)果如圖 2所示．
2．2 背景噪聲 在毫米波波段，可以把地面看成是隨機極化的噪聲源，本文中地面輻射系數(shù)e取0．9． 物理溫度取288．15K(美目標(biāo)準(zhǔn)大氣模型的海平面溫度)．這樣地面輻射溫度約為259K．圖 3給出了當(dāng)輻射汁天線放置在距地面lore高處時的背景噪聲溫度
2．3 背景天線溫度 模擬汁算中天線方向圖采用一階余弦冪函數(shù)分 布激勵的輻射場．且方向 與方位角 無關(guān)： ．天線 方向圖的表達式為： P(O， 一(1+ cos0) {cosu／[1一(2u／rr) ]} ／4， (8) je巾．“一arrsinO／．~．a(chǎn)／a足以波長為單位的相對天線 E1．徑．if。箅巾分別取50，100，200．圖4給出r天線的 電軸對著不同方向利用式(3)得到的背景天線溫度． 0／(。) (a】 270 瞎{3 背景噪聲溫度 (實線一95GHz，虛線35GHz) Fig r 3 Noise tempe rature of background (solid line：95GHz，dashed line：35GHz) 0／(。) (b) 4 背景天線溫度 (a)_廠一35GHz (b)F一95GHz Fig·4 Antenna temperature introduced by background

3 目標(biāo)天線溫度及信雜比計算 由目標(biāo)引入的天線溫度包括兩部分：目標(biāo)輻射的噪聲溫度致目標(biāo)反射地面和環(huán)境輻射 的噪聲溫度．涂層吸收材料是高損耗的，而且地面和環(huán)境輻射和噪聲溫度也不高(~300K)． 在此忽略目標(biāo)反射的噪聲部分，這樣，涂層飛機的輻射噪聲溫度為： 式(9)中 為涂層回波損耗． ( ． 為目標(biāo)物理溫度，r 為從日標(biāo)到天線的光學(xué)厚度． 假設(shè)日標(biāo)在天線 波束的最大處(即天線對準(zhǔn)目標(biāo))．則目標(biāo)引入的天線溫度為： T^^一n^ ∞( ． ／ll P( ， d口． (10) JJ 4f 取隱身 機的輻射面積為lOOm ]，由式(1o)可計算出 種天線在三種距離R(1km、5km、 10km)時得到的天線溫度．圖5給出目標(biāo)在不同天頂角度位置時的天線溫度信雜比(網(wǎng)波損 耗取20dB，且目標(biāo)的物理溫度為所處位置大氣的溫度)，其中圖5(a)、(b)、(c)對應(yīng)35GHz 頻率，對應(yīng)的距離分別是lkm、5kin、10km：圖5(d)、(e)、(f)對應(yīng)95GHz頻率．對應(yīng)的距離 分別是lkm、5km、10km．圖5(a)和(d)巾實線和虛線重疊．

5 結(jié)語 (采用毫米波輻射計反宅巾涂層隱身飛機是一種新的方法．從圖5可得到以下幾點結(jié)論： (1)采用大口徑天線可得到大的信雜比SCR；(2)在相對口徑(n“)相同時．采用35GHz頻率 SCR比采用95GHz時高，這是由于大氣對35GHz的衰減小；(3)在前面假定的參數(shù)情況下， 隱身飛機在lkm距離(各個方向)時，三種天線使用兩種頻率都可得到較好的信雜比，在 5km距離，只有大L『往天線信雜比較好，在lOkm距離．i種天線得到的信雜比都較��；(4) 信雜比隨天頂角的增大析減小．從上面分析可見，天線口徑越大探測距離越遠．采用合適口 徑的天線可探測到幾公里之內(nèi)的空中隱身飛機．如果采用大El徑的天線和超低副瓣的激勵 ’ 源，或采用合成孔徑天線，使天線的主波束更窄和旁瓣更低，會得到更好的天線溫度信雜比．