三模導(dǎo)引頭復(fù)合探測系統(tǒng)研究

盧福剛 ， 郭國強， 吳鵬， 馮濤

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西，西安 710065)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭日益復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，精確制導(dǎo)武器在攻擊過程中遇到的對抗手段越來越多，作為精確制導(dǎo)武器核心關(guān)鍵部件的導(dǎo)引頭遭遇的威脅和對抗也越來越突出[1-3]，單一制導(dǎo)方式的精確制導(dǎo)武器由于自身固有的弱點及局限性嚴重限制了其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮，難以應(yīng)付未來復(fù)雜、惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境，這就促使導(dǎo)引頭由單模向雙模及多模發(fā)展[4-6].綜合了光電與雷達探測技術(shù)的多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)通過組合不同類型的傳感器以充分發(fā)揮各種不同制導(dǎo)體制的特長彌補單一制導(dǎo)技術(shù)的缺陷，為目標識別提供更多可利用的信息，使整個制導(dǎo)系統(tǒng)在性能上得以互補，極大提高了導(dǎo)引頭自主制導(dǎo)及抗干擾能力，提高了武器系統(tǒng)智能化程度及生存能力，最大程度地保證武器系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮.

目前常見的制導(dǎo)方式有激光、電視、紅外、毫米波及四者之間的復(fù)合.相比較于單?；螂p模導(dǎo)引頭，激光/紅外/毫米波三模復(fù)合導(dǎo)引頭能有效提高武器系統(tǒng)復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下的全天候作戰(zhàn)能力、防區(qū)外“打了不管”的精確打擊能力、多類型目標攻擊能力、抗干擾能力及反隱身能力等，并且減少了導(dǎo)彈的種類，滿足了導(dǎo)彈通用化系列化的發(fā)展需求，有效降低了后勤維護費用.復(fù)合探測系統(tǒng)承擔了導(dǎo)引頭探測目標的功能，是集光電技術(shù)、雷達探測、控制技術(shù)、材料學及運籌學為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，是復(fù)合導(dǎo)引頭設(shè)計成敗的關(guān)鍵.

文章從半主動激光/紅外成像/主動毫米波三模復(fù)合導(dǎo)引頭復(fù)合探測系統(tǒng)的技術(shù)特點出發(fā)，論述了系統(tǒng)組成及涉及的關(guān)鍵技術(shù)，并對幾種類型的共口徑復(fù)合方案進行了歸納分析，以激光探測器前置、紅外和毫米波后端分光路方案為例，對復(fù)合探測系統(tǒng)進行了理論計算和仿真分析，驗證了總體方案的可行性.

1 三模復(fù)合導(dǎo)引頭總體技術(shù)

激光/紅外/毫米波三模復(fù)合導(dǎo)引頭是典型的異類傳感器復(fù)合導(dǎo)引頭，其參與復(fù)合的三種制導(dǎo)模式互不相同，且光學波段和毫米波雷達波段在電磁波譜上相距較遠，在探測功能和抗干擾功能等方面能實現(xiàn)功能互補，但在口徑的限制下實現(xiàn)三種傳感器的集成無疑使系統(tǒng)的復(fù)雜度大大提高.

激光、紅外及毫米波三種制導(dǎo)模式存在各自不可克服的缺點，使其檢測識別能力有時達不到所期望的要求，還存在很多需要改進的方面.與此同時激光、紅外和毫米波制導(dǎo)某些重要特性之間存在著交叉互補性，有些特性是一方的缺點，但卻是另一方的優(yōu)勢所在.導(dǎo)引頭總體設(shè)計要結(jié)合導(dǎo)彈的實際使用情況，在實現(xiàn)產(chǎn)品總體性能指標的前提下保證分機指標完備性并盡可能降低各個制導(dǎo)模式分機的實現(xiàn)難度，實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計.導(dǎo)引頭總體設(shè)計需要特別關(guān)注以下兩個方面：

① 三模導(dǎo)引頭提高了導(dǎo)彈智能化程度的同時帶來的弊端也同樣突出：增加了導(dǎo)引頭系統(tǒng)的復(fù)雜性并提高了成本.因此，導(dǎo)引頭總體設(shè)計的核心問題是要確保所花費的代價能有效地轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)性能指標和作戰(zhàn)效能的提升.必須圍繞這個核心問題綜合考慮導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使命、使用特點、導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)、目標特性及效費比等因素來確定導(dǎo)引頭的總體方案，如選擇導(dǎo)引頭的工作模式、工作流程、確定復(fù)合方式及平衡三個制導(dǎo)模式競爭關(guān)系等.

② 三模導(dǎo)引頭制導(dǎo)工作模式及策略的設(shè)計是導(dǎo)引頭總體設(shè)計的關(guān)鍵部分，與導(dǎo)彈總體設(shè)計密切相關(guān).在進行導(dǎo)引頭總體方案設(shè)計時必須重視三者之間的有機結(jié)合，制定出適合武器系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的工作策略，以彌補各自性能的不足，提升導(dǎo)引頭的整體性能.如導(dǎo)彈要求末制導(dǎo)的作用距離指標較遠的情況下，可以使激光模式在設(shè)計時增大通光孔徑，適當犧牲毫米波系統(tǒng)的口面效率，這樣在共口徑的設(shè)計前提下上述措施可以在較小程度降低毫米波模式探測性能的前提下顯著增加激光模式作用距離，在末制導(dǎo)遠距離段使用激光模式進行引導(dǎo)，到達紅外/毫米波探測范圍時接力工作，上述工作策略的制定可以有效地增加導(dǎo)引頭系統(tǒng)的作用距離.

2 復(fù)合探測系統(tǒng)

激光/紅外/毫米波三模復(fù)合導(dǎo)引頭具有三種探測模式，如何同時兼容異類探測器不同的傳輸特性要求并將三種模式有效地結(jié)合起來設(shè)計出性能優(yōu)良的復(fù)合探測系統(tǒng)是總體設(shè)計的關(guān)鍵.復(fù)合探測系統(tǒng)主要包含了多波段整流罩、共口徑探測系統(tǒng)、伺服控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)電氣直屬部分，本文主要針對整流罩和共口徑系統(tǒng)進行討論.

2.1 多波段整流罩

整流罩是導(dǎo)引頭的重要組成部分，既要滿足導(dǎo)彈氣動要求，適應(yīng)惡劣的飛行環(huán)境，又要滿足導(dǎo)引頭系統(tǒng)對透波率、瞄準誤差和功率傳輸系數(shù)等性能要求.為了兼顧各個模式探測性能的要求一般采用共口徑共平臺的方案，這就要求整流罩在滿足結(jié)構(gòu)和電氣設(shè)計的要求的同時能對激光、紅外、毫米波均具有較高的透過率.

多波段整流罩常用MgF2、ZnS、藍寶石和石英玻璃等，其力學和熱學部分性能如表1所示.在當前的技術(shù)條件下，每種材料都有自己的局限性，能夠滿足三種模式所有要求的整流罩材料實際上并不存在，特別是紅外模式中要求的窗口為長波紅外時其整流罩材料的選擇性會進一步縮小.

隨著近年來復(fù)合結(jié)構(gòu)材料研究的深入開展，新材料的制備加工技術(shù)的改進，以及參雜和鍍膜工藝的發(fā)展，本文中三模復(fù)合導(dǎo)引頭整流罩多采用對ZnS進行鍍膜的方法實現(xiàn)，這里不作為重點討論.

2.2 共口徑探測分系統(tǒng)

三模復(fù)合導(dǎo)引頭中共口徑探測設(shè)計的方法有利于減少平臺掃描硬件，三個傳感器位于同一平臺上，光軸和電軸相互重合，有利于保持瞄準線的校準.與此同時，激光和紅外的光學孔徑面積及毫米波雷達天線的口面效率得以最優(yōu)化.但共口徑探測系統(tǒng)作為伺服平臺的負載，存在體積大、質(zhì)量重且三個傳感器存在能量耦合、不易協(xié)同優(yōu)化等難題.

共口徑系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣直接影響到復(fù)合探測系統(tǒng)性能的好壞，甚至關(guān)系到整個導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計的成敗.這里重點分析4種三模共口徑復(fù)合設(shè)計的思路，在實際設(shè)計中需要結(jié)合總體方案考慮.需要注意，下述方案中三個傳感器均位于同一平臺上，導(dǎo)引頭光軸、電軸和彈軸重合.

激光/紅外/毫米波三種模式的探測器中激光和紅外探測器一般為成熟可選用的產(chǎn)品，而毫米波探測器相對成熟度不夠.方案1中毫米波分系統(tǒng)天線部分采用平板形式，多為波導(dǎo)裂縫陣或微帶貼片陣列天線，采取中心挖孔放置激光和紅外探測系統(tǒng)，然后在雷達天線后方采取分光的方式分別接收激光和紅外信號，如圖1所示.激光和紅外系統(tǒng)為透射式，設(shè)計裝調(diào)難度低；毫米波系統(tǒng)采用的平板陣列式天線副瓣及雜波抑制性能好，但是三種模式口面利用效率都不高.

方案2中激光和紅外模式采用探測器前置，激光探測器的光靶面向前，紅外探測器的光靶面向后，毫米波分系統(tǒng)天線采用卡塞格倫形式，毫米波饋源后置，如圖2所示.此方案中紅外分系統(tǒng)采用的卡氏光學系統(tǒng)能保證紅外模式能充分利用主反射面.與方案1相比較，有效通光口徑大，在光學輸入?yún)?shù)一定的條件下，成像質(zhì)量好，作用距離遠.激光和紅外探測器前置缺點一是會對毫米波分系統(tǒng)造成遮擋，影響測角及雜波抑制性能；二是體積重量較大，給結(jié)構(gòu)設(shè)計及激光和紅外探測系統(tǒng)的安裝調(diào)試帶來困難.

圖1 三模復(fù)合設(shè)計方案1

圖2 三模復(fù)合設(shè)計方案2

方案3采用激光探測器和毫米波饋源前置，主鏡采用不同曲率半徑的反射面，使激光和毫米波的焦點在軸向上分離，如圖3所示.此方案保證了毫米波及紅外模式的口面效率，而激光模式僅利用了主鏡邊緣部分反射的激光能量.相較與方案1，降低了結(jié)構(gòu)設(shè)計及安裝調(diào)試難度，但是存在毫米波饋源功放的發(fā)熱對激光和紅外成像存在不利影響的缺點.

圖3 三模復(fù)合設(shè)計方案3

方案4采用激光探測器前置，紅外和毫米波后端分光路，三種探測模式共用主反射面的共口徑設(shè)計.如圖4所示.與上述方案相比較，參與復(fù)合的三種模式都有效地利用了主反射面，增大了有效通光口徑及口面效率，提高了系統(tǒng)性能.但紅外和毫米波能量共同進入主反射面中心的光學系統(tǒng)時需要分光，分光鏡需要透射毫米波且反射紅外，分光鏡的面型參數(shù)設(shè)計及鍍膜的材料和工藝的選擇直接影響系統(tǒng)的成像質(zhì)量.因此，在設(shè)計階段應(yīng)綜合考慮上述因素，且需要反復(fù)試驗驗證，以達到最優(yōu)設(shè)計.

圖4 三模復(fù)合設(shè)計方案4

三模共口徑復(fù)合的方式不限于此，各有利弊，這里不再列舉.應(yīng)結(jié)合導(dǎo)引頭的技戰(zhàn)術(shù)指標和具體應(yīng)用環(huán)境選擇合理的復(fù)合方案，需要平衡性能指標、安裝調(diào)試工藝、物料成本及可靠性等因素.

3 三模復(fù)合方案分析

導(dǎo)引頭復(fù)合方案確定的關(guān)鍵在于分解總體指標要求、平衡各個模式的競爭關(guān)系并合理分配有限資源，折中權(quán)衡，最大程度地滿足三個模式的要求.以下以方案4為例，闡述在復(fù)合探測系統(tǒng)方案設(shè)計中如何實現(xiàn)分系統(tǒng)指標的合理分配和優(yōu)化設(shè)計.

3.1 理論計算

三模復(fù)合導(dǎo)引頭總體指標涉及全面且繁雜，這里僅列舉部分相關(guān)指標如下：外徑Φ=180 mm；對于地面裝甲目標(雷達散射截面積(RCS)典型值為30 m2)，半主動激光模式作用距離不小于7 km，長波紅外成像模式作用距離不小于4 km，W波段主動毫米波雷達作用距離不小于3 km.這里采用卡塞格林光學系統(tǒng)-拋物面天線復(fù)合的方案，其中毫米波饋源前置，采用主反射面中心挖孔放置紅外及激光光學系統(tǒng)(方案4)，按照框架角的要求，結(jié)合伺服系統(tǒng)設(shè)計要求，主反射面尺寸應(yīng)不大于155 mm.以下依照作用距離的指標要求分別分析三種模式的探測性能.

① 半主動激光分系統(tǒng).

依據(jù)成熟理論，考慮大氣傳輸?shù)挠绊?，對于面積為D的目標，系統(tǒng)照射方程的一般形式為[8]

(1)

式中：Pt和Pr分別為照射激光脈沖功率和導(dǎo)引頭接收到的激光信號功率；R1和R2分別為激光照射器和導(dǎo)引頭到目標的距離；ρ為目標的漫反射系數(shù);φ為目標視線與目標表面法線的夾角；γ為目標視線與導(dǎo)引頭光軸的夾角；Ar為導(dǎo)引頭光學系統(tǒng)接收口徑面積；μ1和μ2為激光照射器與目標之間光路上的大氣消光系數(shù)和導(dǎo)引頭與目標之間光路上的大氣消光系數(shù)；ωR1為目標靶處長時光斑半徑.

式(1)建立了半主動激光接收口面與系統(tǒng)作用距離的數(shù)學模型.經(jīng)計算，照射距離小于5 km，照射激光能量60 mJ，導(dǎo)引頭光學系統(tǒng)接收口面Ar應(yīng)大于3 020 mm2(直徑為62 mm)，作用距離能滿足7 km的要求.

② 紅外成像分系統(tǒng).

紅外光學系統(tǒng)為折返式，考慮目標背景特征、大氣傳輸損耗及探測器技術(shù)水平，選定探測器型號并依據(jù)下式建立口面尺寸與探測距離的數(shù)學模型[9]

(2)

經(jīng)計算，在最大作用距離4 km的限制下，導(dǎo)引頭光學系統(tǒng)等效口面直徑應(yīng)大于115 mm.

③ 主動毫米波雷達分系統(tǒng).

基本雷達方程為

(3)

雷達天線的增益與口面的關(guān)系由下式?jīng)Q定

(4)

那么，毫米波雷達天線口面尺寸與探測距離可建立方程如下

(5)

式中：D為主反射面直徑；d為主反射面中心挖孔直徑；A為天線口面面積；G為天線增益；λ為波長；Rmax為最大作用距離；σ為目標RCS；Pt為雷達發(fā)射功率；Smin為雷達接收機最小可檢測信號功率.

經(jīng)計算，在最大作用距離3 km的限制下，發(fā)射功率值取1 W，毫米波雷達天線等效口面直徑應(yīng)不小于126 mm.

通過上述計算分析，得到了三種模式的等效口面的數(shù)值，基于方案4，需要確定主反射面中心挖孔的尺寸.中心挖孔的尺寸需要考慮紅外探測器的選型、光機結(jié)構(gòu)設(shè)計及各個模式探測系統(tǒng)性能的綜合平衡.另外，導(dǎo)引頭為了實現(xiàn)更大的框架角，通常在保證等效口面的前提下進行切邊處理.這里設(shè)置主反射面中心挖孔尺寸d=46 mm，三種模式要滿足探測距離的要求，主反射面的尺寸計算如表2所示.

表2 三種模式主反射面尺寸計算結(jié)果

為滿足三種模式的探測性能的需求，中心挖孔尺寸為46 mm，主反射面直徑應(yīng)不小于134.1 mm.導(dǎo)引頭總體的設(shè)計約束為主反射面尺寸應(yīng)不大于155 mm.因此采取上述共口徑探測的方案是可行的.上述計算的過程實質(zhì)上是依據(jù)經(jīng)典理論及工程經(jīng)驗對導(dǎo)引頭總體指標進行分配的過程，是導(dǎo)引頭總體設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，也是平衡三種制導(dǎo)方式對于口面尺寸資源競爭的關(guān)鍵.

3.2 仿真分析

為驗證上述復(fù)合探測方案制定的合理性，依據(jù)面型參數(shù)分別對三個模式分系統(tǒng)進行仿真優(yōu)化，通常期望的設(shè)計結(jié)果是以最小的主反射面尺寸滿足三種模式的探測性能的要求.仿真優(yōu)化需要重點考慮下述因素：

① 由于精確制導(dǎo)彈藥口徑較小，為滿足導(dǎo)彈大搜索視場的需要，框架角范圍通常不小于±20°，而從保證探測性能的角度希望主反射面的尺寸足夠大，這里考慮對主反射面進行切邊處理的方法滿足框架角和探測性能的要求.

② 根據(jù)表2的計算結(jié)果，激光和紅外模式滿足探測距離要求的實際口面直徑較毫米波模式較小，優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)重點關(guān)注毫米波模式的探測性能.

③ 由于切邊處理對激光和紅外模式探測性能影響較小，而對毫米波模式探測性能的影響主要是副瓣電平(SSL)的惡化，因此進行優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)重點考慮副瓣電平值.

綜合上述分析，主反射面尺寸、切邊尺寸及毫米波副瓣電平是進行優(yōu)化設(shè)計時著重考慮的因素.在現(xiàn)有伺服平臺的技術(shù)水平下，取主反射面直徑D為139 mm，對不同切邊尺寸下導(dǎo)引頭偏航面的框架角及毫米波的副瓣電平進行了仿真計算，結(jié)果如圖5所示.

圖5 不同切邊尺寸下框架角和副瓣電平值

由圖5可知，當RL的值在59 mm附近時，框架角達到±25°，毫米波模式的副瓣電平值優(yōu)于-12.5 dB，結(jié)果比較理想，因此確定主反射面面型參數(shù)為：D=139 mm，RL=59 mm，d=46 mm，如圖6所示.

圖6 主反射面面型投影示意圖

此面型參數(shù)下三種模式探測性能的仿真評估結(jié)果如下.

① 半主動激光分系統(tǒng).

這里采用的激光探測器的參數(shù)為：工作波長：1.064 μm；靶面尺寸：Φ10 mm；暗背景下最小探測光功率：≤10 W；靈敏度閾值：10 W. 共口徑激光光學系統(tǒng)的參數(shù)為：視場±4°，線性區(qū)±1°，F(xiàn)數(shù)為0.62.不同視場光線成像彌散斑在探測器靶面上的仿真結(jié)果如圖7所示.

圖7三幅圖分別代表0°中心視場、±1°線性區(qū)視場、±4°邊緣視場的光線在Φ10 mm的靶面上的仿真結(jié)果.由0°及±1°視場的仿真結(jié)果，成像彌散斑能量分布均勻，由±4°線性區(qū)視場成像彌散斑能量分布出現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象且下部分能量多余上部分能量，且形成的彌散斑幾何直徑明顯小于0°及±1°視場.根據(jù)上述結(jié)果可知：在±4°的彌散斑仍可完整呈現(xiàn)，可知該激光光學系統(tǒng)的視場大于±4°，且具有一定的余量.所以，目標經(jīng)光學系統(tǒng)所形成的彌散斑半徑及彌散斑能量分布情況可以滿足使用要求.

圖7 不同視場下彌散斑在探測器靶面上的仿真結(jié)果

② 紅外成像分系統(tǒng).

紅外探測器的參數(shù)為：工作波長：8～12 μm，圖像分辨率：640×512，視場：6°×4.8°；噪聲等效溫差(NETD)典型值在40 mk以內(nèi)，盲元率小于0.1%；共口徑光學系統(tǒng)的F數(shù)為0.87.

考慮光學系統(tǒng)的功能和性能要求，在光學系統(tǒng)設(shè)計過程中，盡可能地合理搭配光學材料，有效分配系統(tǒng)光焦度，應(yīng)用ZEMAX進行仿真計算，使整個光學系統(tǒng)在外形尺寸滿足要求的前提下，同時具備較高的成像質(zhì)量.圖8為仿真得到的傳遞函數(shù)曲線圖，在奈奎斯特截止頻率30 lp/mm時，圖中分別給出了0°、0.3°、0.5°、0.7°視場及邊緣視場的傳函仿真結(jié)果，可知各個視場的傳函值均在0.48以上，基本接近衍射極限值，滿足設(shè)計的成像質(zhì)量要求.

圖8 調(diào)制傳遞函數(shù)@20℃

圖9為20℃時紅外系統(tǒng)點列圖的仿真結(jié)果，其各視場彌散斑幾何尺寸均與像元尺寸17 μm相接近，這不僅表明單個像元尺寸內(nèi)能量滿足70%的使用要求，且色差很小，同樣滿足該紅外系統(tǒng)的設(shè)計要求.

圖9 點列圖@20℃

由上述仿真結(jié)果可以說明，光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量優(yōu)良，能夠滿足紅外分系統(tǒng)的使用要求.

③ 主動毫米波雷達分系統(tǒng).

在CST軟件中進行天饋系統(tǒng)的仿真，結(jié)果如圖10所示.

圖10 天線方位面和俯仰面方向圖

由仿真結(jié)果可知，天線在俯仰及方位面的增益值為37 dB，天線的3 dB波束寬度為1.46°.系統(tǒng)的發(fā)射功率為1 W，那么雷達發(fā)射等效全向輻射功率(EIRP)值為67 dBm，結(jié)合工程經(jīng)驗，由式(3)可知最大作用距離大于3 km，毫米波雷達的威力滿足系統(tǒng)使用要求.

綜合上述仿真結(jié)果，三個模式的性能滿足使用要求，擬采用的探測系統(tǒng)方案能滿足總體指標要求且三個模式分系統(tǒng)實現(xiàn)難度適中，復(fù)合探測系統(tǒng)方案合理可行.

4 結(jié) 論

隨著現(xiàn)代精確制導(dǎo)技術(shù)的不斷發(fā)展，配置常規(guī)單模導(dǎo)引頭的精確制導(dǎo)導(dǎo)彈已經(jīng)很難滿足信息化戰(zhàn)爭的要求，激光/紅外/毫米波三模復(fù)合導(dǎo)引頭克服了單模光學或毫米波導(dǎo)引頭固有的缺點，能最大限度地提高制導(dǎo)武器的命中精度，已成為精確制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)展的關(guān)鍵.本文從三模導(dǎo)引頭共口徑復(fù)合探測系統(tǒng)工程研制的角度出發(fā)較為全面地總結(jié)分析了研制過程中涉及關(guān)鍵技術(shù)，并通過仿真計算，論證了某復(fù)合探測系統(tǒng)總體方案的可行性，可為多模導(dǎo)引頭復(fù)合探測系統(tǒng)的研究提供一定的借鑒.