一种新型探测技术在空空导弹近炸引信领域的应用探究

材料和非极性液体有着良好的穿透性，且空气中的灰尘、烟尘对其散射作用远小于可见光和红外光：三是光谱分辨本领，由于很多材料在这一频段有着强烈的吸收和色散特性，因而可以用来分辨未知物质。

2 基于太赫兹技术的空空导弹近炸引信工作原理概述

与激光、主动式无线电引信相比，基于太赫兹技术的空空导弹近炸引信（后简称太赫兹引信）只是采用了新型探测波束，因此其工作原理并无太大差异，只是采用了不同的发射、探测系统。太赫兹引信的工作模式为：发射探测波束——照射目标——回波接收——混频——滤波——放大——信号处理——决策输出，如图2所示。

3 太赫兹引信优势分析

基于前文论述，太赫兹技术的优势主要表现在宽带性、高穿透性和光谱分辨率等几个方面，将太赫兹技术应用在引信领域能够显著改善引信的整体性能指标。

3.1 太赫兹波宽带性——探测隐形目标

现代战争中，隐形飞机正发挥着越来越重要的作用，而对于隐形飞机的探测，无线电引信存在着一定的局限性：虽然“隐身”的主要目的是“致盲”雷达导引头，但由于同样采用无线电发射接收工作模式，理论上，隐身的设计有可能对工作在相近波段的无线电引信带来很大影响。如降低探测精度、作用距离等，这将限制无线电引信的正常工作。太赫兹脉冲源的单个脉冲频带可以覆盖从GHz至几十THz的范围，这一特征使得太赫兹引信能够有效探测隐形目标。

对隐形飞机的外形而言。当用常规无线电引信发射波束接触到目标时。若经过外形隐身的飞机处于发射波段的瑞利区、光学区或谐振区的极小频率值附近，外形隐身的作用将得到充分的发挥，引信探测系统性能可能会大幅降低，甚至无法进行目标识别。超宽带无线电太赫兹引信工作时，散射中心返回的超宽带太赫兹回波是一系列回波，而不是窄带的一个集中回波，使得外形无法对全波段同时隐身，加之太赫兹比无线电更高的空间分辨率，由这两个特征可以实现对隐身飞机的目标识别；另外，涂覆吸波材料的隐形目标也是因为不能吸收全部波段的太赫兹辐射从而无法对太赫兹引信“隐身”。

3.2 太赫兹波穿透性——抗云烟干扰

若激光引信工作在浓烟环境下，如图3所示，则很容易将烟雾颗粒的回波信号识别为目标（“虚警”）甚至早炸，这是由光波在烟雾中的传播规律决定的。

（1）当微粒直径显著大于入射光波长时，微粒使光只产生反射和折射（激光引信的发射波束在烟雾中传播符合该种规律）；

（2）当微粒直径显著小于入射光波长时，符合瑞利散射规律，即分子散射，波长越长，则在烟雾中的散射和衰减吸收就越弱。

太赫兹波的波长一般在毫米、亚毫米级别，而烟尘颗粒直径一般在几微米到几十微米，远远小于波长的量级，理论上讲，太赫兹波对烟尘颗粒应具有很好的绕射性。为了进一步说明太赫兹波对烟尘的穿透性，相关研究人员应用FDTD（时域有限差分）方法模拟了连续太赫兹波在不同的烟尘环境中的传播情况，如图4所示。

图中圆形颗粒即为烟尘。以灰度代表太赫兹波电场相对强度，如图中标识所示。从模拟结果可以看到，在较高颗粒浓度的条件下，太赫兹波仍能保持较好的光束质量沿原方向传播。太赫兹波对烟尘的良好穿透性，使烟雾环境无法对太赫兹引信的正常工作构成威胁。

需要补充的是：作为穿透性很强的太赫兹射线，虽然可以穿透绝大多数干燥、非金属和非极性物质，但对金属的反射作用十分明显。图5所示为持有利刃的疑犯照片和太赫兹图像对比，从图中可以看到：人体的衣物、报纸等都已被穿透，而藏在报纸中的利刃却清晰可见，也就是说，理论上太赫兹引信可以在任何的烟雾浓度下进行目标识别，这是目前激光引信无法实现的。

3.3 太赫兹波指纹谱性——特征部位识别

大多极性分子、有机物大分子的振动和转动能级之间的能量间隔所辐射出的光子频率位于太赫兹波段，通过特有的光谱特征可以识别分子结构并分析物质成分，使太赫兹检测具有指纹般的唯一性。根据这些指纹谱，太赫兹光谱成像技术就能够分辨物体的形貌，鉴别物体的组成成分，分析物体的物理化学性质。

针对飞机的常用材料橡胶，有关人员做了太赫兹光谱研究实验，图6为太赫兹波对三种橡胶材料探测的时域光谱。

由于三种橡胶成分不同，它们的物理化学性质会引起不同的波速和光程，导致在时域光谱上不同的振幅衰减、延时和波形展宽特性，利用这些差异便能够判定到底为哪一种橡胶。依据太赫兹波的这一特点可以优化目前空空导弹的引战配合，增加引信的目标特征部位识别功能。

目标特征部位识别功能的原理是：由于飞机不同部位材料相异，因此在光谱上将显现出不同特征，导弹引信可依据这些特征判别材料，进而得知正在探测的飞机部位，从而合理地设置起爆延时或者战斗部的起爆方式，对目标进行最大化杀伤。其工作流程如图7所示。

首先，在引信的信号处理系统中建立数据库，内有典型目标特征部位材料在太赫兹波段的吸收光谱，引信开始工作后，太赫兹探测器接收到目标回波信号，经过信号处理系统得到回波的光谱信息，将其与数据库对比以判定飞机材料，再结合距离、速度等信息确定特征部位，最终给出决策输出，使多功能战斗部进行针对性毁伤。

值得一提的是，虽然实现该功能所需要的典型目标材料信息一般都是秘密的，然而，由于不同的材料都是为了完成某种特定功能而被选择的，随着人们对于材料性质的全面认识，在理论上将会形成共识，从而可以在一定程度上估计特征部位的材料组成，再依据这些共识逐渐开展目标特征部位识别功能的设计研究。

特别地，作为空空导弹的典型目标之一。隐身飞机由于其功能需要。用到的涂料和材料相比普通飞机更加丰富。这些材料包括铅铁金属粉、不锈钢纤维、石墨粉、铝箔、炭黑、陶瓷电解质和铁氧体等。它们可以以添加剂的形式加入飞机的表面涂层中，也可以直接加入到橡胶、树脂等高分子粘合剂中，制成具有隐身性能的复合材料板或飞机结构。据报道，美国F—117A飞机的表皮涂层中就使用了至少6种以上的吸波材料；而B-2隐形轰炸机的机身和机翼都直接采用了吸波材料结构。图8为美国F-35战机蒙皮多种复合材料的示意图。隐形战机材料的多元化体现在光谱上即为信息量的极大丰富。为目标特征部位识别的实现提供了条件。

4 现存问题及解决方法

太赫兹波在引信上的应用相比激光、无线电虽然具有诸多优势，但在实际应用中也存在着一些问题。

4.1 太赫兹波段的选择

一般来说，无论激光引信还是无线电引信，由于是近程探测，大气衰减对引信的影响并不明显，选择大气传播阻带作为工作波段通常能够满足引信的探测能力，而且，远距的敌方有源干扰及阳光等强背景干扰在大气衰减下干扰效果将显著下降，因此，往往选择该频段以提高引信的抗干扰能力。对太赫兹引信而言，自然界中并不存在天然的太赫兹波，加之太赫兹波超宽带的特点，使其本身兼具了抗背景干扰和有源干扰的优势；另一方面，太赫兹波在大气中传播的衰减十分显著，如图9所示。美国的Khan等人采用美国标准大气条件，对0.1—1 THz频域的太赫兹波大气衰减进行了模拟，发现在0.2～0.3 THz间的大气衰减很低，高于0.3THz衰减上升迅速：仅有几个频率窗口衰减下降到低于0.1 dB/m的较低水平。如中心频率为0.28THz、0.42 THz、0.67 THz、0.85 THz等窗口。若引信发射的太赫兹波位于这些波段。探测波束就可以以很小的衰减在空间中传播，从而不会影响到对目标的探测。

由于太赫兹波本身的抗干扰特性以及在大气中传播衰减更加显著的特点，较之传统引信的设计思路，太赫兹引信更适合选用位于大气窗口附近的波段，以减小大气的衰减作用，从而更有效地对目标进行探测。

4.2 水汽对太赫兹波的吸收

大气对于太赫兹波衰减的一个主要原因是水汽对太赫兹波的吸收作用，为解决这一问题，宾夕法尼亚州立大学的研究人员尝试了一种复合光抗水汽吸收的实验，他们使用红外光为太赫兹波“开路”从而达到抗水汽吸收的目的。首先利用一片分光棱镜使红外光和太赫兹波光路重合（由于太赫兹波的穿透特性，棱镜将不会对太赫兹波的传播方向产生任何影响），实验时两种光波轮流发射，利用红外激光的热效应将水汽蒸发，从而使太赫兹波能以较低损耗穿过水汽，由距离棱镜2 m处的太赫兹波探测器进行探测。实验结果表明，采用红外激光与太赫兹轮流发射的方法达到了很好的抗水汽效果。

4.3 小型化的太赫兹器件

弹体大小决定了引信的尺寸，因此太赫兹辐射、探测器件在空空导弹近炸引信上的应用需要满足小型化要求。以发射系统为例，受太赫兹波发射技术的局限，现有辐射源体积还很大。因此需要更多此类小型化技术的支持。目前太赫兹辐射源技术中太赫兹激光器的发展水平相对成熟，就小型化和高效率而言。半导体激光器又是实际应用的理想光源，其中，太赫兹量子级联激光器的研制成功是半导体固态太赫兹辐射源发展的一个里程碑。量子级联激光器是只有电子参与的单极型激光器，电子从较高的能量状态跃迁到较低的能量状态，发射出光子，以激光的形式辐射出来，如图10所示。量子级联激光器体积小、能耗低、效率高、便于集成，易于控制太赫兹辐射的频率带宽。最近的研究使量子级联激光器的脉冲辐射的平均功率达到了50 mW。

5 结束语

作为一种新兴技术，太赫兹并不是万能的，只是在某些方面具有独特优势，作为其他技术的补充和延伸。由于太赫兹技术在辐射源、探测器及相关的功能元器件技术方面发展不够理想，尚不能广泛地实用化。因此，在短时间内形成一套完全成熟的太赫兹引信系统尚不现实。但作为一门新兴学科，世界各国都在对其进行大量研究，近些年来，诸如超快激光等技术的发展，更是为太赫兹辐射源的广泛应用带来了机遇，这也使得太赫兹引信的出现成为了可能。太赫兹技术或将成为引信系统不可替代的优势技术。

参考文献：

[1]袁正，孙志杰.空空导弹引战系统设计[M].北京：国防工业出版社，2007.

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