反裝甲導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭制導(dǎo)性能分析

何 均

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

反裝甲導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭制導(dǎo)性能分析

何 均

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

分析了雷達導(dǎo)引頭用于反裝甲導(dǎo)彈的技術(shù)方案。在目標的特性分析基礎(chǔ)上,論證了導(dǎo)引頭適宜采用的信號類型及具體的高分辨信號形式,設(shè)計了導(dǎo)引頭在地面段和空中段的工作模式及工作過程。采用一組工作參數(shù)仿真分析了導(dǎo)引頭達到的測量精度,結(jié)果表明,雷達導(dǎo)引頭的測距精度小于1 m,角速率誤差小于0.2°/s,隨彈目距離的減小,精度進一步提高。導(dǎo)引頭具備較高的制導(dǎo)性能和技術(shù)可實現(xiàn)性,對反裝甲導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭的工程應(yīng)用具有一定參考價值。

反裝甲導(dǎo)彈;雷達導(dǎo)引頭;毫米波;制導(dǎo)性能

1 引 言

地面坦克、裝甲車、重型火炮一直以來都是現(xiàn)代戰(zhàn)爭重點打擊的目標類型[2]。從效費比的角度考慮,攻擊此類目標時多采用成本較低、精度較高、作用距離較近的導(dǎo)彈。SAR成像末制導(dǎo)體制成本較高、數(shù)據(jù)處理量較大、對彈道要求嚴格,難以適用。除光電、紅外、激光末制導(dǎo)導(dǎo)彈外,雷達末制導(dǎo)導(dǎo)彈以其全天時、全天候工作的特點受到廣泛的關(guān)注和研究。由于此類目標通常處于復(fù)雜的地理環(huán)境中,地雜波影響嚴重,而目標的雷達散射截面較小,處于靜止或運動狀態(tài),受地物環(huán)境影響較大,難以進行有效的檢測和判別。如何從復(fù)雜多變的地面環(huán)境準確檢測目標成為雷達導(dǎo)引頭研究的關(guān)鍵因素。南京理工大學(xué)的胡體玲[1]、陳金[2]等對高分辨雷達信號進行了分析。本文以常規(guī)低成本的研究角度,首先通過對高距離分辨信號的分析提出反裝甲導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭應(yīng)采用的信號形式,進而設(shè)計了導(dǎo)引頭的工作流程、目標檢測算法等,通過仿真分析論證導(dǎo)引頭達到的性能指標。

2 導(dǎo)引頭的信號分析

2.1 目標特性分析

雷達末制導(dǎo)導(dǎo)引頭通常工作于毫米波頻段,波長遠小于目標尺寸,工作于光學(xué)區(qū),雷達信號照射到目標后將形成多個散射中心,若采用寬帶發(fā)射信號,目標回波的距離像包含多個反映目標特性的峰值,有利于對目標進行識別。地面目標體積較小、雷達發(fā)射截面積不大,其毫米波段的 RCS約為 10～100 m2,受地面其他目標如地形起伏、樹林、建筑物等影響嚴重。對低分辨雷達而言,目標的回波將淹沒于噪聲和雜波之中,這時的目標檢測較難,達不到進行可靠檢測所需的信噪比要求。此外,目標可能處于靜止或慢速運動狀態(tài),也不能采用常規(guī)MTI雷達采用的動目標檢測手段。因此,需要利用目標特征信息,采用距離高分辨信號對目標進行檢測,在此基礎(chǔ)上進一步識別目標[3]。

反裝甲雷達導(dǎo)引頭采用高分辨發(fā)射信號,從而可以實現(xiàn):

(1)高分辨回波信號形成具有多個峰值的目標一維距離像,利用距離像信息對目標進行識別,提高目標識別能力;

(2)利用距離高分辨減小單個距離單元內(nèi)雜波的回波能量,而目標回波能量主要由散射中心決定,受距離單元大小影響不大,從而提高信雜比;

(3)高分辨回波在距離像形成多個峰值,峰值的個數(shù)在一定范圍內(nèi)相對固定,從而抑制突然出現(xiàn)的單個峰值或大片峰值的干擾信號,提高抗干擾能力。

2.2 高分辨雷達信號分析

為獲得高分辨距離信息,導(dǎo)引頭需采用寬帶發(fā)射信號,主要的寬帶信號包括線性調(diào)頻信號、調(diào)頻步進頻信號、相位編碼信號等[4],在高分辨率雷達系統(tǒng)中,線性調(diào)頻脈沖壓縮信號和調(diào)頻步進頻信號是用得最多的兩種,下面針對這兩種信號進行分析。

(1)線性調(diào)頻脈沖壓縮信號

式中,k為調(diào)頻斜率,A為發(fā)射信號幅度,0為發(fā)射信號初相,f0為發(fā)射信號的載頻。

該信號的模糊函數(shù)為

(2)調(diào)頻步進頻信號

式中,Tr為脈沖重復(fù)周期,T為子脈沖寬度,f0為載頻起始頻率,Δf為頻率步進量,N為頻率步進數(shù)量。

信號的模糊函數(shù)為

分析兩種信號的模糊圖可以看出:線性調(diào)頻信號具有良好的距離(時間)和速度(頻率)分辨力,信號主要能量及峰值位于Td=Fd的直線上,具有較好的抗雜波干擾能力;調(diào)頻步進信號的模糊圖存在多個相互獨立的模糊帶,在頻率維存在多值性,而在時間維具有較高的分辨力,由于信號能量主要集中于各模糊帶上,因此具有較好的雜波抑制能力。

3 導(dǎo)引頭工作模式設(shè)計

系統(tǒng)工作過程主要分地面段和空中段兩個階段。

3.1 地面段

(1)任務(wù)加載

由于不同目標具有不同的一維距離像特征,因此,在導(dǎo)彈發(fā)射之前,需要對導(dǎo)引頭進行任務(wù)加載,主要包括待打擊的目標類型及目標的特征數(shù)據(jù)庫等信息。

(2)系統(tǒng)自檢

通過查看導(dǎo)引頭的BIT信號判斷各模塊是否工作正常。同時,利用測試接口輸入相應(yīng)的測試信號,檢驗導(dǎo)引頭主要指標是否滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)的要求。

3.2 空中段

導(dǎo)引頭在飛行過程中的工作過程如圖1所示。

圖1 導(dǎo)引頭的工作過程Fig.1 The working process of radar seeker

(1)導(dǎo)引頭開發(fā)射前

此階段導(dǎo)引頭加電,但由于彈目距離較遠,在導(dǎo)引頭的威力范圍外,為了避免導(dǎo)引頭發(fā)射信號被對方探測并被干擾,同時降低系統(tǒng)電源消耗,功放處于不發(fā)射狀態(tài)。導(dǎo)引頭將天線指向起始掃描位置,并由伺服系統(tǒng)實現(xiàn)天線的電鎖定,導(dǎo)引頭處于掃描準備狀態(tài)。

(2)目標區(qū)搜索

當導(dǎo)彈進入導(dǎo)引頭威力范圍后,導(dǎo)引頭打開發(fā)射機,按照預(yù)先設(shè)定或解算得到的搜索范圍對目標區(qū)快速進行掃描。采集目標及地物背景回波,進行脈沖壓縮、相參積累等處理,獲得目標的一維距離像及單脈沖波束銳化圖像。

(3)目標識別捕獲

利用獲取的圖像,提取目標的特征信息,檢測超過一定門限的峰值信號,識別出待攻擊目標,實現(xiàn)對目標的捕獲,同時,采用平滑濾波等技術(shù)進行角閃爍抑制處理。

(4)目標跟蹤

導(dǎo)引頭采用和差比幅單脈沖體制提取目標的角度信息,同時,采用數(shù)字式比相器,與傳統(tǒng)的模擬比相器相比,數(shù)字比相器對三通道接收機的相位一致性要求大為降低。單脈沖跟蹤精度很高,隨著彈目距離的減小、信噪比的提高,其跟蹤精度將進一步提高。

當彈目距離小于某值(如50 m)時,進入導(dǎo)引頭的工作盲區(qū),導(dǎo)引頭停止輸出彈目信息,導(dǎo)彈以慣性飛向目標。

在導(dǎo)引頭工作的各個模式中,目標的檢測捕獲至關(guān)重要?？紤]到導(dǎo)引頭系統(tǒng)采用高分辨雷達體制后,信雜比一般都在10 dB以上,而且需檢測的目標變成了一定長度的擴展目標,在一維距離像上,表現(xiàn)為一段起伏的回波,而孤立的雜波源或雜波邊界在徑向上的擴展長度與目標信號相比是比較短的。因此,如果知道待檢測目標沿徑向的粗略長度,并以該長度為擴展目標檢測的基準單位(第二門限),那么,首先設(shè)置一預(yù)檢測門限(第一門限),將超過該門限的散射點檢測出來,然后利用這些散射點在徑向上的位置信息與基準單位進行比較,則很容易剔除假目標信號和雜波干擾信號,檢測出真實的目標信號。而且,在距離向上的目標數(shù)目再多,只要其徑向分布具有一定的長度,都將被檢測出來。這種方法利用了目標前后散射點的位置相關(guān)信息。

4 導(dǎo)引頭制導(dǎo)性能分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置導(dǎo)引頭工作參數(shù)如下:工作頻段為W頻段;發(fā)射功率300 mW;發(fā)射信號形式為LFMCW;發(fā)射脈沖重復(fù)頻率8 kHz;調(diào)頻帶寬400 MHz;天線尺寸為160 mm×60 mm(收發(fā)天線分開);和波束增益35 dB;和波束寬度 1.4°×3.6°;天線形式為平板裂縫天線;天線方位掃描范圍±20°;俯仰掃描范圍-20°～ +20°;測角方法為二維單脈沖。

4.2 導(dǎo)引頭的測距精度

雷達的測距精度σR,即距離誤差可用下式表示[5]:

式中,σG為距離單元量化誤差,σN為噪聲引入的誤差,σt為脈沖前沿抖動誤差,σc為雜波與干擾引入的誤差,σA為多路徑引入的誤差,σF為目標閃爍引入的誤差,σD為距離多普勒耦合誤差,σT為傳播引入的誤差。

根據(jù)上述各項計算結(jié)果,計算出導(dǎo)引頭的距離精度 σR=0.986 m。

4.3 方位與俯仰測角精度

導(dǎo)引頭的主要測角誤差包括表1的各分量[6]。

表1 導(dǎo)引頭的主要角誤差分量Table 1 Main angle error element of seeker

根據(jù)導(dǎo)彈飛行情況和導(dǎo)引頭參數(shù)設(shè)計,按照角誤差最大的情況通過捷變頻、平滑濾波改善后的目標的方位、俯仰的導(dǎo)引頭電軸測角誤差估計結(jié)果見圖2。

圖2 導(dǎo)引頭的電軸測角誤差Fig.2 The electricity axis angle error of seeker

從圖中可以看出,跟蹤段(假定從2.5 km開始跟蹤)方位/俯仰測角誤差最大值為0.12°,近距離時方位/俯仰測角誤差δ小于0.2°。

4.4 方位與俯仰角速率精度

目標跟蹤視線角速率誤差直接決定導(dǎo)彈最終的命中精度,目標視線角速率誤差主要由電軸測角誤差及導(dǎo)引頭跟蹤回路角速率誤差引起。綜合這幾類誤差分量,計算導(dǎo)引頭方位與俯仰的角速率誤差如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭的角速率精度Fig.3 The angle velocity error of seeker

從圖3可以看出,導(dǎo)引頭的角跟蹤精度在遠距離時較大,難以滿足系統(tǒng)要求。隨著距離的逐漸減小,小于1.4 km時角速率誤差也越來越小,低于0.2°/s。

通過上述分析可知,為滿足較高的制導(dǎo)性能,反裝甲導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭在進行系統(tǒng)設(shè)計時,需采用以下技術(shù):

(1)采用高分辨距離信號,有利于提高反裝甲雷達導(dǎo)引頭對目標的識別和檢測能力,提高測距精度;

(2)采用較高的工作頻段,在有限的空間中獲得較高的天線增益和窄的波束寬度,提高導(dǎo)引頭的信噪比和測角精度;

(3)采用連續(xù)波體制,降低導(dǎo)引頭的峰值發(fā)射功率和被截獲概率。

5 結(jié) 論

本文在對反裝甲雷達導(dǎo)引頭采用的信號形式、工作過程進行設(shè)計分析的基礎(chǔ)上,采用一組具有代表性的導(dǎo)引頭參數(shù),仿真論證導(dǎo)引頭達到的制導(dǎo)性能,較為全面地對導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(shù)進行了論證,可為科研人員進行導(dǎo)引頭設(shè)計提供相關(guān)的技術(shù)支撐。對處于復(fù)雜環(huán)境下的裝甲目標,僅采用雷達導(dǎo)引頭存在一定的困難,應(yīng)采用與其他制導(dǎo)方式(如紅外等)復(fù)合進行制導(dǎo)。

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ZHAI Hou-ming.Research on LFMCW Radar Seeker Signal and Information Processing System[D].Nanjing:Nanjing U-niversity of Science&Technology,2005.(in Chinese)

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HE Jun was born in Xichong,Sichuan Province,in 1975.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns radar system design.

Email:hjxwl@sina.com

Guidance Performance Analysis of Anti-armor Missile Radar Seeker

HE Jun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The technical scheme for anti-armor missile radar seeker is analysed.Based on the analysis of the target characteristics,the signal type and the specific form of high-resolution signal for seeker are expounded.The work mode and work processare designedwhen seeker is in the ground segment and air segment.The measurement accuracy of the seeker is simulated.The result shows that the ranging accuracy of radar seeker is less than 1meter and the angular rate error is less than 0.2°/s.With the distance decreasing,the precision is improved progressively.The seeker has high guidance performance and can be realized by present technology.The work in this paper has a certain reference value for the engineering application of anti-armor missile radar seekers.

anti-armor missile;radar seeker;millimeter wave;guidance performance

TN959.2

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.007

1001-893X(2012)06-0869-04

2012-02-28;

2012-06-07

何 均(1975—),男,四川西充人,碩士,工程師,主要研究方向為雷達系統(tǒng)設(shè)計。