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作者簡介：張盈（1968-），女，北京人，高工，學(xué)士，主要從事可見光/紅外制導(dǎo)控制系統(tǒng)仿真研究。
張盈，虞紅
摘要：射頻/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展引發(fā)了對射頻/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)的需求，而波束組合器是半實物仿真系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。討論了波束組合器技術(shù)以及波束組合器對單脈沖雷達(dá)測角精度影響的測試方法。
關(guān)鍵詞：波束組合器；射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)；半實物仿真
中圖分類號：V448.134；TP391.9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009086X（2006）01007605
The beam combiner in the RF/IR dualmode compound
guidance hardwareintheloop simulation
ZHANG Ying，YU Hong
(National Defense Key laboratory，Beijing Simulation Center，Beijing 100854,China)
Abstract:The development of the RF/IR dualmode guidance technology has made an requirement of the dualmode RF/IR hardwareintheloop 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 dualmode compound guidance； Semi physical simulation(Hardwareintheloop simulation)
1引言
在進(jìn)行射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)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(chǎn)生信號，必須使用波束組合器完成紅外和射頻信號的復(fù)合，以保證紅外和射頻信號同時進(jìn)入導(dǎo)引頭，因此波束組合器就成為半實物仿真的關(guān)鍵部件，其技術(shù)指標(biāo)直接影響仿真實驗的真實程度。
圖1微波/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)
Fig.1RF/IR dualmode compound guidance
hardwareintheloop simulation system
2波束組合技術(shù)
微波/紅外波束組合器是微波/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)的關(guān)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(dǎo)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(huán)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(dá)的影響；其次要考慮波束組合器的材質(zhì)選擇，要在工程經(jīng)驗和實驗測試的基礎(chǔ)上對可能的材質(zhì)進(jìn)行選擇。當(dāng)微波導(dǎo)引頭和紅外導(dǎo)引頭采用不共軸、不共面的結(jié)構(gòu)時，為了覆蓋微波和紅外導(dǎo)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(yīng)力變形、強(qiáng)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(xiàn)途徑：鍍有紅外反射膜的光學(xué)平板和光學(xué)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(jìn)入雙模導(dǎo)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(zhì)，并在上面鍍上多層紅外反射膜，介質(zhì)材料的厚度要根據(jù)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(shù)。
現(xiàn)代防御技術(shù)·仿真技術(shù)張盈，虞紅：用于射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實物仿真的波束組合器現(xiàn)代防御技術(shù)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(jìn)行考慮。首先，要考慮電磁波經(jīng)過波束組合器的傳播效應(yīng)，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(shù)要盡可能接近真空的介電常數(shù)（ε真空=1）且損耗系數(shù)要足夠低。其次，要考慮材料的機(jī)械強(qiáng)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(biāo)/背景提供角運(yùn)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(diào)制金屬烴氧化物的乙醇溶液，然后加水起水解作用，產(chǎn)生水解和縮聚反應(yīng)，生成無機(jī)聚合物。當(dāng)無機(jī)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(yīng)的進(jìn)行，聚合度進(jìn)一步增加，溶液的粘度也增加而失去流動性，即達(dá)到膠化形成凝膠。
經(jīng)過上述的制備過程，凝膠內(nèi)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(xì)稀疏的固態(tài)分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此氣凝膠的結(jié)構(gòu)很疏松，孔隙率比較高。 凝膠具有極其纖細(xì)的微觀結(jié)構(gòu)，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(dǎo)率和衍射系數(shù)。凝膠獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)疏松，有許多微孔，內(nèi)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(shù)與介電常數(shù)的比值）來表示。介電系數(shù)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(jī)氣溶膠屬彈性凝膠，親水性好,因此在制備過程中，有機(jī)溶膠內(nèi)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(jìn)行性能測試時要考慮到這個問題，對有機(jī)氣凝膠只需進(jìn)行一次測試，對二氧化硅氣凝膠需進(jìn)行二次測試。首先將制備好的二氧化硅氣凝膠和有機(jī)氣凝膠暴露在40%的濕度環(huán)境中，靜置幾天后進(jìn)行測試。然后，再將表面含水量高的二氧化硅氣凝膠進(jìn)行烘干處理，再進(jìn)行測試。經(jīng)查閱相關(guān)測試資料可知，二氧化硅氣凝膠的介電常數(shù)與測試信號的頻率無關(guān)，而與氣凝膠的密度呈線性關(guān)系。
烘干前：k′＝160×10-3ρ，
烘干后：k′＝148×10-3ρ，
式中：k′為介電常數(shù)；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(shù)。
烘干前：tan δ＝172×10-4ρ，
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(shù)，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(jī)氣溶膠的介電常數(shù)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(qiáng)度高、質(zhì)量輕、介電常數(shù)很低的特點(diǎn)。由美國加洲的洛克希德公司生產(chǎn)的HTP已經(jīng)廣泛應(yīng)用在航天飛機(jī)上。根據(jù)不同配方，可制備不同密度、不同介電常數(shù)、不同損耗正切的HTP，如表1所示。
表1高溫聚合物HTP的技術(shù)參數(shù)
Table 1Technical parameter of HTP
配方〖〗頻率
/GHz〖〗密度
/（kg·m-3）〖〗介電常數(shù)
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(xué)塑料——聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）
光學(xué)塑料的精密模壓成型技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的新型光學(xué)零件制造工藝，目前已廣泛用于制造照相機(jī)目鏡、取景器等非球面透鏡。在軍事上也廣泛應(yīng)用于微光夜視鏡、光電制導(dǎo)炮彈的導(dǎo)引頭和激光測距儀。與傳統(tǒng)的玻璃零件相比，光學(xué)塑料具有成本低、質(zhì)量輕和易加工的優(yōu)點(diǎn)，主要缺點(diǎn)是經(jīng)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(diǎn)。
聚甲基丙烯酸甲酯是最重要、用途最廣的熱塑性光學(xué)塑料。它是所有光學(xué)塑料中硬度最高、抗劃傷能力最好、機(jī)械強(qiáng)度最高的一種，其性能指標(biāo)如表2所示。
采用PMMA零件成型后，在對其表面進(jìn)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(shè)備，蒸鍍前要用離子流對待鍍表面進(jìn)行轟擊處理和放電處理，以保證膜層的質(zhì)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(tài)的改變，即水平和垂直2個方向上的振動分量的反射系數(shù)是不同的。因此圓偏振微波經(jīng)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(jīng)過補(bǔ)償，才能恢復(fù)圓偏振狀態(tài)。
表2聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的技術(shù)參數(shù)
Table 2Technical parameter of PMMA
性能〖〗單位〖〗PMA折射率Nd〖〗〖〗1.491阿貝數(shù)υd〖〗〖〗57.2折射溫度系數(shù)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(shù)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(chǎn)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(jù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，當(dāng)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(xù)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(fù)合制導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)［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(xù)的金屬反射膜，其中:波長：λ＝47 μm；蝕刻間隔：∧＝83 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?zhèn)鲗?dǎo)率σ有關(guān)，與電矢量的極化圖3衍射光柵
Fig.3Diffraction grating
方向也有關(guān)。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(nèi)激發(fā)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(jìn)行刻劃，使金屬膜不連續(xù)，無法產(chǎn)生電流。
3波束組合器對單脈沖雷達(dá)的影響及測試方法3.1波束組合器對單脈沖雷達(dá)的影響
目前廣泛使用的單脈沖雷達(dá)避免了波束的機(jī)械掃描同時還提高了測角精度，放置在單脈沖雷達(dá)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(shè)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(dá)的影響。單脈沖雷達(dá)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(jìn)行處理，因此不管是比幅型還是比相型雷達(dá)，振幅和相位對測角精度都很關(guān)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(jìn)入單脈沖雷達(dá)后，將在輸出的兩通道內(nèi)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(shè)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(shè)，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(dá)的影響。
美國導(dǎo)彈司令部與美國阿拉巴瑪大學(xué)［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(shù)盡可能接近真空介電常數(shù)1，即εr≈1，以20°的傾角放置在雷達(dá)導(dǎo)引頭前面，當(dāng)目標(biāo)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(dá)輸出的角位置誤差。例如，當(dāng)相位差為30°時，雷達(dá)測出的各個位置的目標(biāo)的相對誤差都為05 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(shè)計為斜坡函數(shù)，使它比通道1的振幅值高20%，再測出振幅變化對雷達(dá)的影響。例如，當(dāng)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(jié)果表明，平面波經(jīng)過波束組合器后振幅和相位的改變，引起電磁波產(chǎn)生畸變，對單脈沖雷達(dá)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(jié)束語
本文分析了射頻/紅外復(fù)合制導(dǎo)半實物仿真系圖4對波束組合器的測試
Fig.4Testing of the beam combiner
統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)——波束組合器的技術(shù)途徑、材質(zhì)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(tài)，需要進(jìn)行補(bǔ)償；衍射光柵克服了偏振問題，但制造工藝比較復(fù)雜。為了分析波束組合器對雷達(dá)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(dá)測角精度的影響,對今后射頻/紅外復(fù)合制〖〗導(dǎo)半實物仿真系統(tǒng)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(jié)論對雙基地雷達(dá)在布局方面的實際應(yīng)用有重要的參考價值。
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（上接第72頁）參考文獻(xiàn)：
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