基于三次谐波接收的近程金属结目标探测器

0　引言

微波照射的人工金属结构物(枪械、坦克、装甲车辆、武装直升机、舰船和飞机等)可经再辐射产生谐波。利用金属结目标对入射电磁波产生的后向谐波散射来探测目标的装置称为谐波目标探测器,也称为非线性目标探测器或谐波雷达。由于人工金属结构物的谐波转换效率较低,通常这种探测器适用于近距探测。其与常规雷达工作机理区别在于它接收的是由目标产生的谐波散射,而多数自然物包括植物、地面和海洋并不产生谐波。因此,谐波体制的目标探测器在抗地物、植物、海浪等背景干扰方面有明显优点。

谐波雷达的理论和工程应用研究都可起源于上世纪70年代。在理论上,提出了谐波雷达的有效目标———非线性目标的物理模型,并对金属接点采用3种不同的方法进行研究:1)基于物理学中电子隧道效应基础理论,建立非线性接点模型,导出谐波再辐射信号的表达式[1-2];2)用不同的材料如钢、铝、铜、镍等,做成不同的形状的接点,在各种频率、间距、压力条件下,具体测量非线性接点的谐波再辐射能力,总结出规律和经验的实验方法[3];3)从非线性网络的观点出发,建立非线性接点模型,研究入射电磁波与散射电磁波之间的定量关系,计算非线性接点的转移函数[4]。

上世纪70年代谐波雷达已用于汽车防撞、图书馆和超市安全监视系统。谐波雷达具有的测定非线性金属结构的能力使其在跟踪通讯系统的外部互调干扰源(“锈螺栓”效应)时非常有效。而其抗散射干扰性能已是指用于探测自然背景下的军事目标,如国外已将之用于探测近地叶族中的非线性散射体。美国陆军机动装备研究中心研制成的一种轻便型、直升机载式的金属目标监测系统METRRA,由一大功率发射机和三次谐波接收机组成,检测地面、地下金属目标,主要用在越南战场上探测大量武器设备、军事伪装工事和设施,其作用距离超过1 km。与普通雷达相比,多数人工金属物体的电磁转换效率低,作用距离近,因此,谐波雷达的应用受到限制。尽管受弹上空间条件限制,谐波目标探测器的作用距离不可能远,但对于弹载近程探测器领域的应用是可能的,而且有独特的抗地物干扰能力[5]。本文将谐波探测技术引入弹载探测器,讨论谐波目标探测的工作机理和基于三次谐波接收金属目标的弹载近程探测器。

1　目标非线性模型

近程谐波目标探测器感兴趣的是人造金属目标,一般为复杂金属目标。两块同种或异种金属接触后,在适当条件(如压力、距离)下,特别是中间有一层氧化物(例如生锈)时,即形成金属结,或金属-氧化物-金属结。用晶体管特性测试仪能够直接观察到金属结的伏安特性曲线,如图1所示。金属结的伏安特性与PN结点的正向伏安特性相似,即可以看成为指数形式。金属结的正、反向伏安特性曲线可近似认为它是一个奇函数曲线。金属结中电流的形成主要是隧道效应,其次是小部分超过势垒高度的热能量热电子发射。在击穿电压以内,金属结的伏安特性都是非线性的。这种非线性就是金属结能够产生谐波再辐射的基本物理机制[6]。由于金属目标所含金属结非线性元的V-I特性是一反对称特性曲线,其只能产生奇次谐波,并以三次谐波最强,这是近程谐波目标探测器感兴趣的。