复杂场景下多模复合制导关键技术研究

吴丰阳 沈志 胡奇

摘 要：      复杂场景下多模复合制导技术作为精确制导武器的发展方向之一， 可以充分发挥多个传感器优势， 提高目标识别能力和跟踪系统的稳定性， 实现对目标的精确打击， 是目前导弹制导的主流发展趋势。 通过分析国内外多模复合制导模式及主要进展， 围绕总体设计技术、 探测器复合结构技术、 多模复合头罩技术、 信号与图像处理技术、 多模信息融合技术等方面论述了多模复合制导系统设计的主要难点和技术支撑， 对其关键技术方案进行了探讨。

关键词：     精确制导; 多模复合寻的制导; 制导技术; 复杂场景

中图分类号：    TJ765 文献标识码：    A  文章编号：     1673-5048（2018）01-0003-05

0 引  言

现代战争的战场环境日益复杂， 精确制导武器攻击时遇到的对抗层次越来越多， 对抗手段也越发高明， 加上对目标的伪装、 遮蔽， 对制导武器进行干扰等手段的使用， 单一模式的制导武器越来越难以有效完成作战使命。 与传统单模制导武器相比， 多模复合寻的制导武器精度更高、 作用距离更远、 打击能力更强， 并增强了抗电磁和光电干扰能力、 目标识别能力， 可实现全天时、 全天候作战， 具备显著的应用优势。 本文介绍了多模复合寻的制导武器装备的主要制导模式及相关进展， 针对复杂场景下多模复合寻的制导武器的主要关键技术做了进一步的研究， 并对主要技术方案进行了探讨。

1 多模复合寻的制导模式及主要进展

复合制导是指将两种或两种以上的制导传感器， 按一定的方式组合起来， 形成一个性能更加优越的制导系统， 从而达到在复杂环境下精确寻的目的。 现有多模复合制导系统大多采用射频/红外（成像）、 SAR（成像）、 雷达双频、 光学双色、 主被动复合等形式。 其中最主要的复合形式为主动毫米波/被动毫米波/SAR成像/红外成像（可见光成像）复合， 以四模中的两模甚至三模进行复合。 这种复合方式结合了红外制导系统的成像制导识别， 射频制导系统作用距离远， 且可穿云透雾的双重优势， 大大增强了制导能力， 提高了制导精度。 目前国外的主流复合制导技术发展动态见表1。

2 多模复合寻的制导关键技术

2.1 总体设计及制导技术

总体设计包含从理论设计到工程化的一系列基础工作， 是一项大而繁的工程。 单一制导模式的导引头设计方法不再满足复合制导模式的要求， 因此必须研究可与单一模式设计方法兼容的复合制导总体技术。 多模复合寻的制导技术虽然提高了整体制导能力及性能， 但也提高了系统

的复杂度， 增加了多探测系统间及对系统外的耦合程度， 间接提高了成本， 总体设计的核心问题是要确保所花费的代价能有效地增强作战效能。 另外， 还需要综合考虑战术导弹的作战使命、 弹体结构、 导弹尺寸、 目标特性及效费比等因素来确定方案， 需要考核的指标包括导引头模式、 确定工作频段、 复合方式、 技术参数等。 以某项典型的多模复合制导总体技术为例， 其具体研究工作包括： 总体应用方案及技战术指标设计研究、 结构设计及平台适应性研究、 制导方案及工作流程研究等。

2.2 多模探测器复合结构技术

多模探测器是多模导引頭的关键部位， 其复合结构设计技术既要考虑整体布局、 气动性能、 性能参数， 还要关注多种探测体制之间的相互影响关系， 是复合导引头主要实现难点之一， 以典型的微波/红外复合探测器为例， 其主要结构解决方法分为三大类。

（1） 分孔径方式。 包括红外系统前置方案， 即红外探测器独立安装于天线罩鼻锥部， 雷达系统后置， 典型武器有美国的RIM-7R（“海麻雀”）航空导弹; 红外系统侧置方案， 即红外探测器位于雷达天线后的舱体侧面， 以美国SM-2（“标准”2型）Block 4A和中国台湾“雄风”-2反舰导弹为典型; 共平面放置方案， 即红外探测器与雷达天线平行共平面放置于天线罩内。

分孔径方式从空间结构上绕开光学探测器与雷达天线的相互干扰问题， 但其最大的弊端在于对弹头内部空间体积要求较高， 大部分中小型导弹武器从空间上都无法满足这种结构设计需求; 同时， 微波/红外两种探测器， 或存在互相影响问题， 或不能同时前视， 从复合体制上说并不是较优方案。

（2） 共孔径方式。 红外探测器与雷达天线采用共面设计， 红外系统的光学组件安装在雷达天线中心， 其最大优点是结构紧凑， 探测器对空间要求低， 且光轴/电轴重合， 复合探测时系统坐标一致， 安装精度高（如图1所示）。 随着目前相控阵天线的成本快速降低， 共孔径相控阵/红外复合方案进一步省去了原先机械扫描雷达系统中天线伺服转台系统， 大大简化了导引头实现方案， 是未来复合末制导技术的重要发展方向。

该方案的双模天线罩是系统实现的关键， 这种天线罩需要透过两个跨度较大的波带， 加工及实现难度大。

（3） 共形天线方式。 该方案红外探测器中置， 雷达天线以预埋/蚀刻等技术嵌入导引头头罩壳体， 不占用头体空间， 是非常有利于多模复合同时工作的一种结构形式，  如图2所示。

但共形天线方案主要问题与其优点一样明显。 共形天线与头罩本身设计及加工难度较大， 头罩本身存在光电透过性矛盾的同时， 还需考虑天线共形问题， 头罩加工一致性控制非常困难， 同时天线指向角控制、 扫描角精度都是复杂的理论问题， 该方向是目前创新研究的课题之一。

2.3 多模复合头罩技术

多模复合系统中， 以常见的微波/雷达与红外/光学制导系统为例， 本质上是多种不同频段电磁辐射所表达的电磁波探测系统， 因此要求复合头罩能透过包括雷达、 光学等多个频段的信号， 同时头罩材料必须具有均匀稳定的物理特性以及耐高温、 高热传导率的能力， 而光学探测窗口长时间暴露在高温环境中， 将产生热障效应， 导致光学探测系统失效， 因此， 复合探测系统对头罩的要求非常苛刻。

一般能长时间抵抗高温的罩体材料， 部分能透过微波信號， 但基本不能透过光学/红外信号; 一般能透过红外信号的材料， 部分能透过微波雷达信号， 但耐热和结构强度基本不可能达标。 基于以上严格的约束条件， 根据实际工作流程需求， 可选择的一种工程实现方式是采用双层头罩系统， 雷达系统可长时间工作， 当在末段需要光学系统参与工作时， 采用抛罩系统抛除外层头罩， 由复合多模系统在热障效应导致的时间窗口内， 进行多模复合制导工作。

其次， 还需要具备良好的耐热性及耐热冲击性。 高速飞行会使天线罩内部产生强大的热应力， 因此要求天线罩具备较低的膨胀系数及优异的耐热冲击能力。 另外， 还要求其具备较高的结构性能及较低的温度敏感性。

对于内层多模头罩， 一般从红外窗口材料中考虑。 理想的头罩材料在特定红外谱段范围内具有可忽略不计的吸收、 散射和双折射且具有低的折射率和折射率变化率， 在特定的微波频段范围内具有较小的传输损耗和方向图畸变。 由于材料的微波传输特性与材料本身的介电性能密切相关， 复合头罩材料必须具有低的介电常数（<10）和小的损耗角正切（<10-2）。 部分红外窗口材料的毫米波性能， 如表3所示。

2.4 信号和图像处理技术

多模复合导引头处理系统对不同波段传感器提供的大量目标信息进行综合分析并提取目标特征量， 对实时信号处理运算量要求极高， 特别是部分雷达成像系统需要并行完成大量复杂实时处理计算， 因此， 对相应处理系统平台的构架形式（特别是总线构架）、 处理性能、 数据吞吐速率， 以及体积大小、 坚固程度和输出功率等都提出了极为苛刻的要求。

目前比较流行的处理机设计架构采用的是VPX总线标准系统， 该标准来源于美国国家标准化组织正式批准的VITA46标准， 已成功应用在美军F-18， F-16等战斗机处理系统， 代表了新一代国防、 航空和军用综合信息处理平台系统的发展趋势和方向。 该系统融合了高速串行交换、 通用处理器的矢量并行计算、 复杂接口与算法的软硬件协同实现、 实时操作系统与底层支持驱动软件、 算法软件中间件、 高速通讯模块等一系列先进技术， 是国际先进嵌入式处理机的发展方向。 该系统一般由加固机箱、 电源模组、 VPX处理板卡、 高速背板及其他结构附件等组成， 如图3所示。 标准VPX处理板卡实物图见图4。

2.5 多模信息融合技术

信息融合技术主要是在多传感器获取包括雷达/光学等多种频段内特征信息的同时， 处理器按一定准则对各传感器获得的输出信息进行融合， 以获取正确有效的制导信息。 数据融合包含数据预处理、 数据关联、 多传感器融合等几个部分。

其中数据预处理的目的是将各自独立参考框架内传感器提供的观测数据， 变换到同一个参考框架， 以适应不同传感器测量差的差异性， 典型的预处理包括： （1） 时间配准， 将不同步测量结果统一到同一时刻， 可采用最小二乘法; （2） 空间配准， 借助多传感器对空间相对目标的测量， 对测量偏差进行估计和补偿， 例如复合捷联去耦; （3） 剔除结果中野值， 可利用卡尔曼滤波方法。

数据关联是判断来自不同局部节点的两组数据是否代表同一个目标的过程， 从数学角度可分为： （1） 基于统计的方法， 如加权法、 独立序贯法、 相关序贯法等; （2） 基于模糊数学的方法， 利用隶属度函数（Membership Function）描述两组数据的相似程度。

而融合算法考虑的是如何利用多传感器测量数据对状态向量进行估计， 使该估计比单个传感器估计性能更优。 典型的一类方法是基于决策融合， 其中最常用的理论方法是Dempster于1967年提出的证据理论方法， 后由Shafer加以扩展， 形成D-S理论。 它采用信任函数而不是概率作为度量， 通过对事件的概率进行约束以构建信任函数， 进而进行决策。 另一类方法是基于特征层融合， 即将多个传感器特征数据融合输出， 以提高系统精度， 包括卡尔曼滤波、 最小二乘理论等。 其中， 前者在工程实现上性能优于后者， 后者则较为适用特征级数据， 可作为前者的前提。

综上所述， 复合制导是为了通过组合不同类型传感器， 对其输出信息进行综合利用， 以使得整体制导系统在性能上得以互补， 弥补单模制导技术的缺陷， 以提高寻的系统总的性能指标。 实际使用中， 可以根据作战要求、 目标特征和导引头的类别， 设计融合算法。

3 结 束 语

随着精确制导武器攻击目标的变化、 战场环境的复杂化和多样化、 对抗手段的不断发展， 精确制导武器采用非成像单一寻的制导方式， 已难以满足现代作战效能需求， 精确制导武器的寻的体制正在逐步从单一模式向多模复合方向发展。 多模制导技术凭借其显著的综合性能优势而迅速发展， 已经成为世界各国军事领域的研究热点。

参考文献：

[1] 储小川， 赵芳铭， 汪朝群， 等. 雷达/红外双模导引头中的红外子系统[J].红外与激光工程， 2002， 31（4）：  283-285.

Chu Xiaochuan，  Zhao Fangming，  Wang Chaoqun， et al. IR Sub-System of Radar/IR Dual Mode Seeker[J]. Infrared and Laser Engineering，  2002， 31（4）：  283-285.（in Chinese）

[2] 赵峰民， 刘皞， 陈望达. 微波/红外成像复合制导技术发展分析[J].激光与红外，  2012， 42（1）：  8-12.

Zhao Fengmin，  Liu Hao，  Chen Wangda. Analysis of Development of Radar/IR Compound Guidance Technique[J]. Laser & Infrared，  2012， 42（1）： 8-12. （in Chinese）

[3] 何均.毫米波/紅外共孔径复合导引头技术分析[J]. 电讯技术， 2012， 52（7）： 1222-1226.

He Jun. Technology Analysis of MMW/IR Common Aperture Compound Seeker[J]. Telecommunication Engineering，  2012， 52（7）： 1222-1226. （in Chinese）

[4] 范保华， 乐铁军.多模复合制导系统天线罩技术[C]∥2007全国天线年会论文集， 成都， 2007： 831-835.

Fan Baohua，  Le Tiejun. Techniques of Radome in Multi-Mode Seeking System[C]∥Proceedings of

National Antenna Annual Conference， Chengdu，  2007：  831-835.（in Chinese）

[5] 池庆玺， 裴虎城.复合制导信息融合技术在飞行器中的应用探讨[J].计算机与数字工程， 2010， 38（3）： 154-156.

Chi Qingxi，  Pei Hucheng. Discussed on the Application of Multi-Mode Compound Guidance Systems Information Fusion Method in Aircraft[J]. Computer & Digital Engineering， 2010， 38（3）： 154-156. （in Chinese）

[6] 洪艳， 沈利华.基于VPX高速综合信息处理平台设计[J].导弹与航天运载技术， 2011（3）：  58-61.

Hong Yan，  Shen Lihua. Comprehensive Information Processing Platform Design Based on the VPX Standard[J]. Missiles and Space Vehicles， 2011（3）：  58-61. （in Chinese）