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    用于射频/红外复合制导半实物仿真的波束组合器

    2006-03-09 《现代防御技术》杂志社xdfyjs

    声明:本文为《现代防御技术》杂志社供《中国军工网》独家稿件。未经许可,请勿转载。

    作者简介:张盈(1968-),女,北京人,高工,学士,主要从事可见光/红外制导控制系统仿真研究。
    张盈,虞红
    摘要:射频/红外双模复合制导技术的不断发展引发了对射频/红外双模复合制导半实物仿真系统的需求,而波束组合器是半实物仿真系统的关键部件。讨论了波束组合器技术以及波束组合器对单脉冲雷达测角精度影响的测试方法。
    关键词:波束组合器;射频/红外复合制导;半实物仿真
    中图分类号:V448.134;TP391.9文献标识码:A文章编号: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
    在进行射频/红外复合制导半实物仿真时,由于红外源和射频源要从不同的位置、不同方向分别产生信号,必须使用波束组合器完成红外和射频信号的复合,以保证红外和射频信号同时进入导引头,因此波束组合器就成为半实物仿真的关键部件,其技术指标直接影响仿真实验的真实程度。
    图1微波/红外复合制导半实物仿真系统
    Fig.1RF/IR dualmode compound guidance
    hardwareintheloop simulation system
    2波束组合技术
    微波/红外波束组合器是微波/红外复合制导半实物仿真系统的关键部件之一。如图1[1]所示。为了将微波和红外辐射组合在一起并充满导引头的视场,波束组合器要具有透射微波和反射红外辐射的能力。首先要考虑在微波暗室的电磁环境下,微波辐射与波束组合器之间的相互作用以及对单脉冲雷达的影响;其次要考虑波束组合器的材质选择,要在工程经验和实验测试的基础上对可能的材质进行选择。当微波导引头和红外导引头采用不共轴、不共面的结构时,为了覆盖微波和红外导引头的视场,波束组合器的尺寸必须足够大,因此在制造工艺方面如均匀性、应力变形、强度、镀膜等带来了很大的难度。波束组合器目前主要有2种实现途径:镀有红外反射膜的光学平板和光学衍射器件。
    2.1镀膜平面板
    镀膜平面板是在绝缘材料上镀红外反射膜,使得平面板能够反射红外辐射、透射微波,从而将红外和微波辐射组合起来,进入双模导引头视场。 如图2所示。镀膜平面板要选用非常薄的绝缘介质,并在上面镀上多层红外反射膜,介质材料的厚度要根据微波的入射角度,使得微波的反射尽可能地小。膜系的选择要使微波能够不受干扰地通过,同时要保证高红外反射系数。
    现代防御技术·仿真技术张盈,虞红:用于射频/红外复合制导半实物仿真的波束组合器现代防御技术2006年第34卷第1期
    图2镀膜平面板示意图
    Fig.2Dielectric slab with film coating

    在波束组合器材料的选取方面,主要从两方面进行考虑。首先,要考虑电磁波经过波束组合器的传播效应,即波束组合器对微波的振幅和相位的影响。为了减少对电磁波的影响,材料的介电常数要尽可能接近真空的介电常数(ε真空=1)且损耗系数要足够低。其次,要考虑材料的机械强度等工艺性能,是否能加工成为大尺寸的反射镜,以及是否易于装配。如果要通过波束组合器为红外目标/背景提供角运动,则对材料的工艺性能要求就更高。目前有3种材料比较接近上述要求。
    2.1.1溶胶-凝胶法(Sol-gel)制造的玻璃[2]
    溶胶凝胶法制造玻璃的初始原料主要为金属(如铝)烃氧化物。首先调制金属烃氧化物的乙醇溶液,然后加水起水解作用,产生水解和缩聚反应,生成无机聚合物。当无机聚合物的聚合度较低时,它能均匀地分散在聚合物溶液中,称之为溶液。随着反应的进行,聚合度进一步增加,溶液的粘度也增加而失去流动性,即达到胶化形成凝胶。
    经过上述的制备过程,凝胶内含有大量的溶媒或水,称为湿胶。凝胶是在临界液体的条件下干燥的,保留了纤细稀疏的固态分子网络结构,因此气凝胶的结构很疏松,孔隙率比较高。 凝胶具有极其纤细的微观结构,它的分子大小和分子间的距离是可见光波长的几分之一。 凝胶还具有很低的热传导率和衍射系数。凝胶独特的微观结构和高孔隙率使得它具有很好的绝缘性能。这是因为气凝胶结构疏松,有许多微孔,内含有大量空气,因此绝缘性非常好。在描述材料的损耗特性时,可用损耗正切(损耗系数与介电常数的比值)来表示。介电系数主要影响材料的共振频率,而损耗正切决定了材料对微波的吸收。
    二氧化硅气凝胶属于刚性凝胶,亲水性差,不易被水浸湿。因此在制备过程中表面聚集了一部分水。有机气溶胶属弹性凝胶,亲水性好,因此在制备过程中,有机溶胶内含有大量的水分。含水量对气凝胶的性能有一定的影响,在进行性能测试时要考虑到这个问题,对有机气凝胶只需进行一次测试,对二氧化硅气凝胶需进行二次测试。首先将制备好的二氧化硅气凝胶和有机气凝胶暴露在40%的湿度环境中,静置几天后进行测试。然后,再将表面含水量高的二氧化硅气凝胶进行烘干处理,再进行测试。经查阅相关测试资料可知,二氧化硅气凝胶的介电常数与测试信号的频率无关,而与气凝胶的密度呈线性关系。
    烘干前:k′=160×10-3ρ,
    烘干后:k′=148×10-3ρ,
    式中:k′为介电常数;ρ为溶胶的密度(kg/m3)。
    二氧化硅气溶胶的损耗正切也是密度的函数。
    烘干前:tan δ=172×10-4ρ,
    烘干后:tan δ=43×10-3ρ。
    从上式可看出,尽管损耗正切是密度的函数,但对损耗正切起决定作用的是气凝胶的含水量。与二氧化硅气凝胶相比,有机气溶胶的介电常数更大,损耗也更高。
    2.1.2高温聚合物HTP[2]
    高温聚合物HTP是一种高分子材料,是石英纤维聚合而成的,具有强度高、质量轻、介电常数很低的特点。由美国加洲的洛克希德公司生产的HTP已经广泛应用在航天飞机上。根据不同配方,可制备不同密度、不同介电常数、不同损耗正切的HTP,如表1所示。
    表1高温聚合物HTP的技术参数
    Table 1Technical parameter of HTP
    配方〖〗频率
    /GHz〖〗密度
    /(kg·m-3)〖〗介电常数
    εr〖〗损耗
    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光学塑料——聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)
    光学塑料的精密模压成型技术是20世纪80年代发展起来的新型光学零件制造工艺,目前已广泛用于制造照相机目镜、取景器等非球面透镜。在军事上也广泛应用于微光夜视镜、光电制导炮弹的导引头和激光测距仪。与传统的玻璃零件相比,光学塑料具有成本低、质量轻和易加工的优点,主要缺点是经受不住温度的大幅变化和表面划伤,考虑到实验室的条件,完全可避免这些缺点。
    聚甲基丙烯酸甲酯是最重要、用途最广的热塑性光学塑料。它是所有光学塑料中硬度最高、抗划伤能力最好、机械强度最高的一种,其性能指标如表2所示。
    采用PMMA零件成型后,在对其表面进行镀膜时,需要注意几个问题。由于塑料本身的特性,须采用抽气速率更高的真空镀膜设备,蒸镀前要用离子流对待镀表面进行轰击处理和放电处理,以保证膜层的质量。
    采用镀膜平面板主要存在一个问题。由于微波是以一定的角度倾斜入射到平面镀膜板上,因此会引起微波偏振状态的改变,即水平和垂直2个方向上的振动分量的反射系数是不同的。因此圆偏振微波经过倾斜放置的镀膜平面板后就会变成椭圆偏振微波。只有经过补偿,才能恢复圆偏振状态。

    表2聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的技术参数
    Table 2Technical parameter of PMMA
    性能〖〗单位〖〗PMA折射率Nd〖〗〖〗1.491阿贝数υd〖〗〖〗57.2折射温度系数dn/dt〖〗×10-5/℃〖〗-12.5混浊度〖〗%〖〗<2透过率(厚度为3.175 mm)〖〗%〖〗92临界角ic〖〗(°)〖〗42.1密度〖〗×10-3kg/m3〖〗1.19硬度〖〗〖〗M97绝缘常数60 Hz
    1 GHz〖〗〖〗3.7
    2.2
    2.2衍射光栅
    针对镀膜平面板存在的问题,可在平面板上蚀刻凹槽,形成反射型闪耀光栅,对入射的红外辐射产生衍射,锯齿刻槽面的衍射满足反射定律的方向,如图3所示。根据光栅的闪耀角αB 选择入射角αi,使得衍射角为0,则衍射光栅可垂直放置在导引头前面,微波辐射垂直通过光栅,解决了平面镀膜板的偏振问题。如采用图3所示的另一种结构,当αi=2 αB时,衍射光束垂直出射。通常衍射光栅需要镀金属膜,由于蚀刻的凹槽的高度和周期都只有几微米,而且金属膜是不连续的,所以微波辐射是能够通过的。
    例如, 美国加州的波段公司微波/红外复合制导半实物仿真系统[3]采用衍射光栅作为波束组合,材料为聚乙烯甲基丙烯酸酯,镀有不连续的金属反射膜,其中:波长:λ=47 μm;蚀刻间隔:∧=83 μm;入射角αi=34°;衍射角αd=0°;闪耀角αB=17°。
    镀有金属膜的闪耀光栅对微波的透过率主要与薄膜厚度s和表面传导率σ有关,与电矢量的极化图3衍射光栅
    Fig.3Diffraction grating
    方向也有关。光栅对平行于凹槽的电矢量影响很大,而对垂直于凹槽的电矢量的影响很小[1]。这主要是由于平行于凹槽的电矢量在狭长的金属膜层内激发了纵向电流,为了消除这种影响,可在垂直于膜层的方向上进行刻划,使金属膜不连续,无法产生电流。
    3波束组合器对单脉冲雷达的影响及测试方法3.1波束组合器对单脉冲雷达的影响
    目前广泛使用的单脉冲雷达避免了波束的机械扫描同时还提高了测角精度,放置在单脉冲雷达前面的波束组合器对平面波的振幅、位相的影响是必须考虑的问题。假设波束组合器带来了波前畸变,我们必须搞清它对单脉冲雷达的影响。单脉冲雷达可通过2个天线馈电测出视线角偏差,这2个天线馈电还能组成2个典型波束,波束相对视线的倾角等于波束宽度的一半。馈电的输出可合成2个决定弹目相对视线角的重要信号:delta信号和sum信号。天线馈电的输出与振幅和相位的特征值,一起在单脉冲比较器中进行处理,因此不管是比幅型还是比相型雷达,振幅和相位对测角精度都很关键。因此平面波通过波束组合器后,振幅和相位均受到影响,再进入单脉冲雷达后,将在输出的两通道内造成相位和振幅的相对误差。
    3.2波束组合器的测试方法
    假设通道1和通道2的相位和振幅的相对误差都在通道2上,通道1既不受相位的影响也不受振幅的影响。基于这种假设,可采用2个典型的12.7 cm(5英寸)的孔径天线来模拟相位和振幅的相对误差。采用这种方法就可估算出通道1和通道2之间的相对误差对雷达的影响。
    美国导弹司令部与美国阿拉巴玛大学[4]曾做过这种实验,如图4所示。采用绝缘的透射毫米波的红外反射镜为波束组合器,材料的介电常数尽可能接近真空介电常数1,即εr≈1,以20°的倾角放置在雷达导引头前面,当目标角位置分别为0.25°,0.50°,0.75°,1.00°时,改变通道1和通道2之间的相位的相对误差,使相位差由0°变化到360°,可测出雷达输出的角位置误差。例如,当相位差为30°时,雷达测出的各个位置的目标的相对误差都为05 mrad左右。同样,也可将振幅的误差加到通道2上,将振幅的误差设计为斜坡函数,使它比通道1的振幅值高20%,再测出振幅变化对雷达的影响。例如,当视线角为0.25°、通道2的振幅为通道1的1.05倍时,测角误差为0.5 mrad。
    上述实验结果表明,平面波经过波束组合器后振幅和相位的改变,引起电磁波产生畸变,对单脉冲雷达测角精度带来一定的误差。在选择波束组合器时必须充分考虑这部分误差,并将其降至最低。
    4结束语
    本文分析了射频/红外复合制导半实物仿真系图4对波束组合器的测试
    Fig.4Testing of the beam combiner
    统的关键技术——波束组合器的技术途径、材质选择等问题。镀膜平面板工艺相对简单,但是改变了微波的偏振状态,需要进行补偿;衍射光栅克服了偏振问题,但制造工艺比较复杂。为了分析波束组合器对雷达的影响,本文还介绍了一种测试方法,模拟了波束组合器对微波振幅和相位的改变,以及对单脉冲雷达测角精度的影响,对今后射频/红外复合制〖〗导半实物仿真系统中波束组合器的研制具有一定的借鉴和参考作用。
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    (上接第64页)
    此,本文得出的结论对双基地雷达在布局方面的实际应用有重要的参考价值。
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    (上接第72页)参考文献:
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