復合導引頭的進展趨勢

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本文作者：何均 單位：中國西南電子技術研究所

1引言

隨著現代軍事理論和軍事裝備技術的發展,對導彈末制導的天時/天候適應能力、反隱身/抗干擾能力、打擊目標精度等提出了越來越高的要求,各種適用于末制導的光電、紅外、毫米波技術紛紛研究并獲得了實際應用。單一制導模式由于自身存在一些不可避免的缺點,難以全面滿足軍事打擊的要求,為此各種復合制導技術如MMW/IR復合、光學/紅外復合、紅外/紫外復合、毫米波/微波復合、毫米波主/被動復合等方式得到了廣泛研究[1]。在采用多模復合制導的過程中,應遵循一些復合原則:一是頻段間隔大,為有效利用目標不同頻段的信息,模式的工作頻率在電磁波譜上應盡量遠離;二是制導方式不同,尤其當探測的能量為同一種形式時,更應注意選用不同制導方式進行復合;三是兼容性好,復合模式間的探測器口徑應能兼容,便于實現共孔徑復合結構;四是互補性,參與復合的模式在探測功能和抗干擾功能上應互補;五是便于集成,參與復合的各模式器件、組件實現固態化、小型化和集成化,滿足復合后導彈空間、體積和重量的要求。

在這些復合方式中,由于MMW/IR復合具有制導精度高、抗干擾能力強、環境適應性好的特點,成為末制導領域較有發展前途的復合方式,是國內外多模復合制導技術優先發展的重要方向。根據毫米波和紅外信號透過天線罩區域的不同,有兩種主要的復合方式,一種為分孔徑復合,另一種為共孔復合徑。分孔徑復合盡管結構簡單,但受導引頭安裝空間限制、誤差校正等因素的影響,難以適應彈載環境的要求。共孔徑復合具有體積小、誤差校正簡單,能較好地適應彈載環境要求。本文對MMW/IR復合導引頭的發展動態、技術特點進行了分析,針對每種具體的共孔徑方案,分析其工作原理、優缺點及可行性,并歸納總結相關關鍵技術,指出了復合導引頭未來的發展方向。

2國外MMW/IR導引頭發展動態

MMW/IR復合制導方式在國外已研究多年并獲得了大量應用,早在20世紀60年代,部分發達國家就開始了MMW/IR制導技術的研究。進入90年代,各種MMW/IR復合導引頭相繼研制成功并裝備部隊。目前,MMW/IR復合制導已成為多模復合制導技術發展的主流形式。國外研制情況如表1所示。從表1中可以看出,國外發達國家對MMW/IR復合導引頭研究廣泛,在對空、對地、對海導彈上都有多種型號的研制和裝備,成為復合制導技術發展的主要方式之一。

3MMW/IR共孔徑復合的特點

MMW/IR共孔徑復合中,紅外采用被動接收,毫米波采用主動工作方式,紅外光學系統和毫米波收發天線設計成共口徑的統一體。發射毫米波信號,同時接收紅外和毫米波回波,將紅外和毫米波能量分離,然后再分別傳輸至紅外探測器和毫米波接收機。該復合方式具有以下特點[2]。(1)掃描系統簡單。采用共孔徑的技術方案,可以減少掃描硬件,優化天線/光學孔徑面積,同時保持瞄準線的校準,紅外/毫米波雙模傳感器只需要安裝在同一常平架上,光軸和電軸相互重合,兩分系統的掃描方式便于統一,從而簡化了掃描系統。(2)探測精度高。在紅外/毫米波復合傳感器中,光軸與電軸重合,當復合系統探測同一目標時兩個系統坐標一致,無需校準,避免了校準誤差,提高了精度。(3)體積小,質量輕,成本低。適應彈上嚴格的空間要求,是未來精確復合末制導技術的重要發展方向。(4)加工難度大。頭罩要能透過兩個跨度較大的波帶,同時設計良好的分光系統減少相互干擾。

實際使用過程中,由于毫米波作用距離較紅外遠,穿透云霧和煙塵能力強,波束比紅外寬,因此在初段多采用毫米波制導,以便進行大范圍搜索,迅速截獲目標,且可利用高距離分辨技術實現目標檢測與目標初始跟蹤。在近距離時主要利用紅外制導,這時可發揮紅外分辨率高的優勢,實現對目標的精確定位、跟蹤及對目標的精確打擊,克服毫米波導引頭近距離情況下的角閃爍效應及相對較大的誤差角度。除此之外,毫米波與紅外復合可在目標識別階段,充分利用毫米波雷達與紅外探測器提供的目標特征,以提高目標識別性能。另外,為適應復雜多變的戰場環境,可根據不同戰場或目標屬性,選擇紅外或毫米波中的一種來實現不同的制導功能,提高反隱身和抗干擾能力。

4MMW/IR共孔徑復合方案分析

由于共孔徑MMW/IR復合制導性能優越,因此受到了人們的重視。近年來,美國、英國、法國、德國和我國都進行了有效的研究。在MMW/IR共孔徑復合方案中,毫米波可采用前饋源,也可采用后饋源。其中,毫米波通道可以是圓錐掃描方式、單脈沖方式或相控陣方式,紅外通道可以是多元線陣串掃方式、并掃方式或焦平面陣列凝視成像方式。綜合起來,一般有如下5種共孔徑的復合類型[3]。

4.1卡塞格林光學系統-卡塞格林天線復合

如圖1所示,MMW/IR信號透過天線罩,經主、次反射鏡的二次反射后匯聚于中心的焦點處,經分光鏡透過毫米波反射紅外信號,形成兩個不同的支路分別經檢測電路和處理電路后,在后端進行融合處理。其中,紅外信號在經透鏡處理前,采用光纖進行傳輸,保證紅外信號損失最小且減小與毫米波之間的相互干擾[4]。該復合方式為卡塞格倫后饋式共口徑結構。這種結構具有以下特點:該反射系統沒有色差,在多波段應用時不存在色差校正問題;實現成本低,反射系統對材料吸收性能要求低;陀螺負載小,除主鏡和次鏡由陀螺穩定外,紅外探測器和毫米波收發器都不在陀螺上;毫米波和紅外需在后端進行分光,分光鏡的性能對系統的影響較大。

4.2卡塞格林光學系統-拋物面天線復合

圖2是前饋源的一種結構,由主鏡和次鏡組成卡塞格倫系統。這種結構的特點是:毫米波發射、接收部分會增加主次鏡穩定陀螺的負擔;主反射面的拋物面形式對于毫米波傳輸來說其效率不是最高的;此反射鏡需要透過毫米波信號,導致毫米波信號幅度和相位誤差,降低了毫米波天線的性能;由于主反射鏡中間安裝紅外探測器,導致毫米波信號的泄漏或散射,影響毫米波天線的增益和旁瓣電平,尤其是當毫米波采用單脈沖體制時,對4個饋源的影響更為嚴重。圖2中,毫米波信號采用前饋式方案,饋源放置于次反射鏡前端,發射機置于主反射鏡后方,通過波導將信號傳輸至饋源處,接收機可與饋源緊接放置,也可置于主鏡后面。紅外系統的次反射鏡需具有良好的毫米波透過性能,同時,在主鏡中心開孔處加入鍺透鏡,以透過紅外信號而阻止毫米波信號通過[5]。

4.3卡塞格林光學系統-單脈沖陣列天線復合

毫米波天線可采用微帶天線形式,與紅外主反射面形狀一致[6],也可采用波導裂縫天線形式,如圖3所示。該復合方式中的毫米波-光學組件反射光學信號,毫米波天線單元位于組件的后端,毫米波天線與光學表面之間填充介質材料,凸透鏡式的次反射鏡與主反射鏡具有相同的反射表面,將紅外信號聚焦到中心的紅外探測器上。該復合方式具有以下特點:該方式充分地利用了孔徑尺寸,保證了光學能量采集的最大化;高精度的光學表面適合應用于較大的光學范圍,包括紫外到紅外頻段;該系統的次鏡擋光,毫米波有效接收口徑降低,降低了天線增益,影響毫米波探測距離;天線面與主反射鏡間的介質材料對毫米波傳輸有一定的影響。

4.4透鏡式光學系統-格利高里天線復合

毫米波卡塞格林天線的饋源可以位于天線面中心軸線上,稱為正饋方式,如圖1所示,也可以位于軸線的一側,稱為偏饋方式,如圖4所示。該方式中毫米波信號經主反射鏡和次反射鏡兩次反射進入饋源,紅外信號直接穿過主鏡進行傳輸,主鏡具有反射毫米波透過紅外信號的特性,口徑利用面積大,不存在次鏡擋光問題[7]。

4.5卡塞格林光學系統-相控陣天線復合

前述的幾種復合方式均為機械掃描,信號傳輸路徑重合度高,相互之間的信號串擾嚴重,在兩個導引頭共用一個頭錐的情況下,將天線安裝的彈錐表面,與彈體共形,采用相控陣方式掃描波束,將內部空間留給紅外導引頭,根據彈體形狀和制導應用需求,相控陣天線可采用柱形或錐形,如圖5所示,這種復合方式具有以下特點。(1)重量輕、省空間。天線和天線罩可采用一體化結構設計,天線不占用額外的空間,從而消除了天線罩對導引頭性能的影響;消除導引頭內的全部運動部件,減少了導引頭重量,降低對彈體空間的需求,同時兼顧了飛行器對空氣動力學的要求[8]。(2)掃描角度大、速度快。特別適合快速、寬角掃描彈載相控陣導引頭應用。(3)波束賦形能力強,捷變靈活。共形相控陣天線由大量的(可能多達數百至數千個)單元天線組成,各個單元可以進行實時獨立控制,從而具備了對發射或接收信號在時域、空域和頻域的控制能力,以及對天線波束重構的能力。2002年,美國的PYONGK.PARK和TUCSON提出了如圖5右圖的導引頭共形相控陣。陣列單元是在圖中所示的蛇形線結構側面上開的槽縫。陣列通過縱向頻掃、橫向相控來形成波束掃描。

此外,共孔徑復合還存在一些其他的方式,如諾•格公司研制的主動毫米波/被動紅外/半主動激光三模共孔徑復合導引頭,如圖6所示。包括一個拋物面能量采集主鏡單元,一個前置介質次鏡單元,該單元介質表面將紅外信號反射到位于中心縱軸線上的紅外檢測單元,從而為毫米波信號的傳輸提供無遮擋的傳輸路徑,同時將激光信號轉向以與射頻紅外信號分離,減小相互之間的干擾與耦合[9]。

5關鍵技術分析

5.1高強度透波材料

在上述的幾種復合方式中,為實現毫米波與紅外分路徑傳輸,需要主鏡或次鏡具有反射紅外透射毫米波信號的能力。實現的方案主要有兩種,一是通過在一定厚度的介質板表面鍍光學膜來達到透紅外而反射毫米波的效果;另一種方案采用頻率選擇表面來制造復用副面。無論哪種方式,高強度和高透過性能的材料都需進一步研究。

5.2遮光問題

在第4•2和第4•3節所示的方案中,主反射鏡中間掏空以透過紅外能量,同時該主反射面作為毫米波收發天線,由于中心掏空導致毫米波天線波束增益下降,副瓣電平抬高,影響了毫米波的探測和雜波抑制性能。因此,需要對毫米波和紅外工作性能折衷考慮,盡量減小中心掏孔的尺寸。

5.3高精度、高負載轉臺

共孔徑方案中,毫米波射頻信號前端和紅外光學系統共同作為轉臺的負載,該負載較大,并需具有高的穩定精度。因此,高精度的穩定系統是復合導引頭的關鍵部件之一。通常采用以下幾種形式:一是動力陀螺框架式常平架穩定結構,該系統結構簡單,但精度不太高;二是穩定平臺式結構,該方式穩定可靠,可完全消除載體運動引起的不平穩干擾誤差,但設備復雜,成本高;三是氣浮陀螺式結構,該方式耐高過載,精度高,結構復雜,難度大。

5.4共形相控陣技術

彈載共形相控陣技術目前還處于研究之中,尚有許多關鍵技術需要突破,包括以下幾方面:一是共形陣列方向圖綜合問題,在平面相控陣中使用的方向性乘積定理不再適用;二是陣列分析困難,目前的分析軟件對電大超電大尺寸的曲面特性分析難以支持;三是交叉極化嚴重,較大的交叉極化分量往往導致很大的極化損失;四是饋電網絡復雜,陣元之間的耦合嚴重;五是由于收發單元安裝于彈體表面,需要承受高熱、高動態的惡劣環境。

6結束語

采取什么樣的復合方案要從打擊目標的特性、系統戰術指標、系統技術參數、技術可實現性、成本與效率等多方面進行綜合考慮。本文較為全面地對多種MMW/IR共口徑復合方案進行了分析,指出每種方案的特點及技術難點,對其中的關鍵技術進行了分析總結,可為從事MMW/IR共口徑復合研究的科研人員提供借鑒和技術支撐。目前,盡管有少量的共口徑復合導引頭在某些低速戰術彈上研究成功,但在高速、高機動導彈上還有很大的技術難度,特別是共形相控陣復合方面,尚有大量的技術難題需要突破。