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    用于射頻/紅外復合制導半實物仿真的波束組合器

    2006-03-09 《現代防御技術》雜志社xdfyjs

    聲明:本文為《現代防御技術》雜志社供《中國軍工網》獨家稿件。未經許可,請勿轉載。

    作者簡介:張盈(1968-),女,北京人,高工,學士,主要從事可見光/紅外制導控制系統仿真研究。
    張盈,虞紅
    摘要:射頻/紅外雙模復合制導技術的不斷發展引發了對射頻/紅外雙模復合制導半實物仿真系統的需求,而波束組合器是半實物仿真系統的關鍵部件。討論了波束組合器技術以及波束組合器對單脈沖雷達測角精度影響的測試方法。
    關鍵詞:波束組合器;射頻/紅外復合制導;半實物仿真
    中圖分類號:V448.134;TP391.9文獻標識碼:A文章編號:1009086X(2006)01007605

    The beam combiner in the RF/IR dualmode compound
    guidance hardwareintheloop simulation
    ZHANG Ying,YU Hong
    (National Defense Key laboratory,Beijing Simulation Center,Beijing 100854,China)

    Abstract:The development of the RF/IR dualmode guidance technology has made an requirement of the dualmode RF/IR hardwareintheloop simulation system. The beam combiner is the key component of such a facility. The beam combiner technology and the method to test the influence which the beam combiner exerts on the RF seeker was discussed.
    Key words:Beam combiner; RF/IR dualmode compound guidance; Semi physical simulation(Hardwareintheloop simulation)

    1引言
    在進行射頻/紅外復合制導半實物仿真時,由于紅外源和射頻源要從不同的位置、不同方向分別產生信號,必須使用波束組合器完成紅外和射頻信號的復合,以保證紅外和射頻信號同時進入導引頭,因此波束組合器就成為半實物仿真的關鍵部件,其技術指標直接影響仿真實驗的真實程度。
    圖1微波/紅外復合制導半實物仿真系統
    Fig.1RF/IR dualmode compound guidance
    hardwareintheloop simulation system
    2波束組合技術
    微波/紅外波束組合器是微波/紅外復合制導半實物仿真系統的關鍵部件之一。如圖1[1]所示。為了將微波和紅外輻射組合在一起并充滿導引頭的視場,波束組合器要具有透射微波和反射紅外輻射的能力。首先要考慮在微波暗室的電磁環境下,微波輻射與波束組合器之間的相互作用以及對單脈沖雷達的影響;其次要考慮波束組合器的材質選擇,要在工程經驗和實驗測試的基礎上對可能的材質進行選擇。當微波導引頭和紅外導引頭采用不共軸、不共面的結構時,為了覆蓋微波和紅外導引頭的視場,波束組合器的尺寸必須足夠大,因此在制造工藝方面如均勻性、應力變形、強度、鍍膜等帶來了很大的難度。波束組合器目前主要有2種實現途徑:鍍有紅外反射膜的光學平板和光學衍射器件。
    2.1鍍膜平面板
    鍍膜平面板是在絕緣材料上鍍紅外反射膜,使得平面板能夠反射紅外輻射、透射微波,從而將紅外和微波輻射組合起來,進入雙模導引頭視場。 如圖2所示。鍍膜平面板要選用非常薄的絕緣介質,并在上面鍍上多層紅外反射膜,介質材料的厚度要根據微波的入射角度,使得微波的反射盡可能地小。膜系的選擇要使微波能夠不受干擾地通過,同時要保證高紅外反射系數。
    現代防御技術·仿真技術張盈,虞紅:用于射頻/紅外復合制導半實物仿真的波束組合器現代防御技術2006年第34卷第1期
    圖2鍍膜平面板示意圖
    Fig.2Dielectric slab with film coating

    在波束組合器材料的選取方面,主要從兩方面進行考慮。首先,要考慮電磁波經過波束組合器的傳播效應,即波束組合器對微波的振幅和相位的影響。為了減少對電磁波的影響,材料的介電常數要盡可能接近真空的介電常數(ε真空=1)且損耗系數要足夠低。其次,要考慮材料的機械強度等工藝性能,是否能加工成為大尺寸的反射鏡,以及是否易于裝配。如果要通過波束組合器為紅外目標/背景提供角運動,則對材料的工藝性能要求就更高。目前有3種材料比較接近上述要求。
    2.1.1溶膠-凝膠法(Sol-gel)制造的玻璃[2]
    溶膠凝膠法制造玻璃的初始原料主要為金屬(如鋁)烴氧化物。首先調制金屬烴氧化物的乙醇溶液,然后加水起水解作用,產生水解和縮聚反應,生成無機聚合物。當無機聚合物的聚合度較低時,它能均勻地分散在聚合物溶液中,稱之為溶液。隨著反應的進行,聚合度進一步增加,溶液的粘度也增加而失去流動性,即達到膠化形成凝膠。
    經過上述的制備過程,凝膠內含有大量的溶媒或水,稱為濕膠。凝膠是在臨界液體的條件下干燥的,保留了纖細稀疏的固態分子網絡結構,因此氣凝膠的結構很疏松,孔隙率比較高。 凝膠具有極其纖細的微觀結構,它的分子大小和分子間的距離是可見光波長的幾分之一。 凝膠還具有很低的熱傳導率和衍射系數。凝膠獨特的微觀結構和高孔隙率使得它具有很好的絕緣性能。這是因為氣凝膠結構疏松,有許多微孔,內含有大量空氣,因此絕緣性非常好。在描述材料的損耗特性時,可用損耗正切(損耗系數與介電常數的比值)來表示。介電系數主要影響材料的共振頻率,而損耗正切決定了材料對微波的吸收。
    二氧化硅氣凝膠屬于剛性凝膠,親水性差,不易被水浸濕。因此在制備過程中表面聚集了一部分水。有機氣溶膠屬彈性凝膠,親水性好,因此在制備過程中,有機溶膠內含有大量的水分。含水量對氣凝膠的性能有一定的影響,在進行性能測試時要考慮到這個問題,對有機氣凝膠只需進行一次測試,對二氧化硅氣凝膠需進行二次測試。首先將制備好的二氧化硅氣凝膠和有機氣凝膠暴露在40%的濕度環境中,靜置幾天后進行測試。然后,再將表面含水量高的二氧化硅氣凝膠進行烘干處理,再進行測試。經查閱相關測試資料可知,二氧化硅氣凝膠的介電常數與測試信號的頻率無關,而與氣凝膠的密度呈線性關系。
    烘干前:k′=160×10-3ρ,
    烘干后:k′=148×10-3ρ,
    式中:k′為介電常數;ρ為溶膠的密度(kg/m3)。
    二氧化硅氣溶膠的損耗正切也是密度的函數。
    烘干前:tan δ=172×10-4ρ,
    烘干后:tan δ=43×10-3ρ。
    從上式可看出,盡管損耗正切是密度的函數,但對損耗正切起決定作用的是氣凝膠的含水量。與二氧化硅氣凝膠相比,有機氣溶膠的介電常數更大,損耗也更高。
    2.1.2高溫聚合物HTP[2]
    高溫聚合物HTP是一種高分子材料,是石英纖維聚合而成的,具有強度高、質量輕、介電常數很低的特點。由美國加洲的洛克希德公司生產的HTP已經廣泛應用在航天飛機上。根據不同配方,可制備不同密度、不同介電常數、不同損耗正切的HTP,如表1所示。
    表1高溫聚合物HTP的技術參數
    Table 1Technical parameter of HTP
    配方〖〗頻率
    /GHz〖〗密度
    /(kg·m-3)〖〗介電常數
    εr〖〗損耗
    正切HTP-6-22〖〗10〖〗9〖〗1.07〖〗0.000 5HTP-12-22〖〗10〖〗24〖〗1.22〖〗0.001 0HTP-16-22〖〗10〖〗24〖〗1.27〖〗0.001 1HTP-60-22〖〗17〖〗90〖〗2.11〖〗0.001 7
    2.1.3光學塑料——聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
    光學塑料的精密模壓成型技術是20世紀80年代發展起來的新型光學零件制造工藝,目前已廣泛用于制造照相機目鏡、取景器等非球面透鏡。在軍事上也廣泛應用于微光夜視鏡、光電制導炮彈的導引頭和激光測距儀。與傳統的玻璃零件相比,光學塑料具有成本低、質量輕和易加工的優點,主要缺點是經受不住溫度的大幅變化和表面劃傷,考慮到實驗室的條件,完全可避免這些缺點。
    聚甲基丙烯酸甲酯是最重要、用途最廣的熱塑性光學塑料。它是所有光學塑料中硬度最高、抗劃傷能力最好、機械強度最高的一種,其性能指標如表2所示。
    采用PMMA零件成型后,在對其表面進行鍍膜時,需要注意幾個問題。由于塑料本身的特性,須采用抽氣速率更高的真空鍍膜設備,蒸鍍前要用離子流對待鍍表面進行轟擊處理和放電處理,以保證膜層的質量。
    采用鍍膜平面板主要存在一個問題。由于微波是以一定的角度傾斜入射到平面鍍膜板上,因此會引起微波偏振狀態的改變,即水平和垂直2個方向上的振動分量的反射系數是不同的。因此圓偏振微波經過傾斜放置的鍍膜平面板后就會變成橢圓偏振微波。只有經過補償,才能恢復圓偏振狀態。

    表2聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的技術參數
    Table 2Technical parameter of PMMA
    性能〖〗單位〖〗PMA折射率Nd〖〗〖〗1.491阿貝數υd〖〗〖〗57.2折射溫度系數dn/dt〖〗×10-5/℃〖〗-12.5混濁度〖〗%〖〗<2透過率(厚度為3.175 mm)〖〗%〖〗92臨界角ic〖〗(°)〖〗42.1密度〖〗×10-3kg/m3〖〗1.19硬度〖〗〖〗M97絕緣常數60 Hz
    1 GHz〖〗〖〗3.7
    2.2
    2.2衍射光柵
    針對鍍膜平面板存在的問題,可在平面板上蝕刻凹槽,形成反射型閃耀光柵,對入射的紅外輻射產生衍射,鋸齒刻槽面的衍射滿足反射定律的方向,如圖3所示。根據光柵的閃耀角αB 選擇入射角αi,使得衍射角為0,則衍射光柵可垂直放置在導引頭前面,微波輻射垂直通過光柵,解決了平面鍍膜板的偏振問題。如采用圖3所示的另一種結構,當αi=2 αB時,衍射光束垂直出射。通常衍射光柵需要鍍金屬膜,由于蝕刻的凹槽的高度和周期都只有幾微米,而且金屬膜是不連續的,所以微波輻射是能夠通過的。
    例如, 美國加州的波段公司微波/紅外復合制導半實物仿真系統[3]采用衍射光柵作為波束組合,材料為聚乙烯甲基丙烯酸酯,鍍有不連續的金屬反射膜,其中:波長:λ=47 μm;蝕刻間隔:∧=83 μm;入射角αi=34°;衍射角αd=0°;閃耀角αB=17°。
    鍍有金屬膜的閃耀光柵對微波的透過率主要與薄膜厚度s和表面傳導率σ有關,與電矢量的極化圖3衍射光柵
    Fig.3Diffraction grating
    方向也有關。光柵對平行于凹槽的電矢量影響很大,而對垂直于凹槽的電矢量的影響很小[1]。這主要是由于平行于凹槽的電矢量在狹長的金屬膜層內激發了縱向電流,為了消除這種影響,可在垂直于膜層的方向上進行刻劃,使金屬膜不連續,無法產生電流。
    3波束組合器對單脈沖雷達的影響及測試方法3.1波束組合器對單脈沖雷達的影響
    目前廣泛使用的單脈沖雷達避免了波束的機械掃描同時還提高了測角精度,放置在單脈沖雷達前面的波束組合器對平面波的振幅、位相的影響是必須考慮的問題。假設波束組合器帶來了波前畸變,我們必須搞清它對單脈沖雷達的影響。單脈沖雷達可通過2個天線饋電測出視線角偏差,這2個天線饋電還能組成2個典型波束,波束相對視線的傾角等于波束寬度的一半。饋電的輸出可合成2個決定彈目相對視線角的重要信號:delta信號和sum信號。天線饋電的輸出與振幅和相位的特征值,一起在單脈沖比較器中進行處理,因此不管是比幅型還是比相型雷達,振幅和相位對測角精度都很關鍵。因此平面波通過波束組合器后,振幅和相位均受到影響,再進入單脈沖雷達后,將在輸出的兩通道內造成相位和振幅的相對誤差。
    3.2波束組合器的測試方法
    假設通道1和通道2的相位和振幅的相對誤差都在通道2上,通道1既不受相位的影響也不受振幅的影響。基于這種假設,可采用2個典型的12.7 cm(5英寸)的孔徑天線來模擬相位和振幅的相對誤差。采用這種方法就可估算出通道1和通道2之間的相對誤差對雷達的影響。
    美國導彈司令部與美國阿拉巴瑪大學[4]曾做過這種實驗,如圖4所示。采用絕緣的透射毫米波的紅外反射鏡為波束組合器,材料的介電常數盡可能接近真空介電常數1,即εr≈1,以20°的傾角放置在雷達導引頭前面,當目標角位置分別為0.25°,0.50°,0.75°,1.00°時,改變通道1和通道2之間的相位的相對誤差,使相位差由0°變化到360°,可測出雷達輸出的角位置誤差。例如,當相位差為30°時,雷達測出的各個位置的目標的相對誤差都為05 mrad左右。同樣,也可將振幅的誤差加到通道2上,將振幅的誤差設計為斜坡函數,使它比通道1的振幅值高20%,再測出振幅變化對雷達的影響。例如,當視線角為0.25°、通道2的振幅為通道1的1.05倍時,測角誤差為0.5 mrad。
    上述實驗結果表明,平面波經過波束組合器后振幅和相位的改變,引起電磁波產生畸變,對單脈沖雷達測角精度帶來一定的誤差。在選擇波束組合器時必須充分考慮這部分誤差,并將其降至最低。
    4結束語
    本文分析了射頻/紅外復合制導半實物仿真系圖4對波束組合器的測試
    Fig.4Testing of the beam combiner
    統的關鍵技術——波束組合器的技術途徑、材質選擇等問題。鍍膜平面板工藝相對簡單,但是改變了微波的偏振狀態,需要進行補償;衍射光柵克服了偏振問題,但制造工藝比較復雜。為了分析波束組合器對雷達的影響,本文還介紹了一種測試方法,模擬了波束組合器對微波振幅和相位的改變,以及對單脈沖雷達測角精度的影響,對今后射頻/紅外復合制〖〗導半實物仿真系統中波束組合器的研制具有一定的借鑒和參考作用。
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    (上接第64頁)
    此,本文得出的結論對雙基地雷達在布局方面的實際應用有重要的參考價值。
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