战术导弹导引头技术及其发展浅析

2018-07-12卢福刚陈士超

火控雷达技术 2018年2期

卢福刚　陈士超

(西安现代控制技术研究所　西安　710065)

0　引言

导引头是精确制导战术导弹的“眼睛”，可有效地把导弹和目标关联起来并输出它们之间的相对运动信息。导引头技术制约着精确制导战术导弹研发，是决定战术导弹创新发展的核心关键[1-3]。正确把握导引头技术的研究重点和发展方向，对于加快先进的工程化导引头样机研发，可达到事半功倍的效果。高度重视和切实抓好导引头技术及其发展工作，意味着把住了精确制导战术导弹可持续和创新发展的“命脉”。

1　导引头的分类

导引头按照其结构形式、探测能量的来源及其波段或频率等，可以分成不同的类型，下面是几种典型的分类：

1)按照其探测系统与结构本体(或导弹弹体)之间的交联形式，可以分成捷联式导引头[4-5]和平台式导引头[6-7]；

2)按照其探测的能量来源，可以分成主动导引头[8-9]、半主动导引头[10-11]和被动导引头[12-13]等；

3)按照其探测能量的波段或频率，可以分成电视导引头[14-15]、红外导引头[12-13]、激光导引头[10-11]和雷达导引头[8-9]等；

4)将上述的分类再进行组合后，又可分成主被动复合导引头[16-17]、双模复合导引头[18-19]和多模复合导引头[20-21]等等。

2　不同类型导引头的组成及特点

2.1　捷联式导引头

捷联式导引头最早出现于上世纪40年代末，直至70年代，其一直被广泛研发和应用，捷联式导引头的典型代表为应用于空空导弹和反舰导弹的点源红外导引头[4-5]。近些年来，由于惯性测量、卫星定位、组合导航以及数字信息处理等技术的迅猛发展和应用，以提高导引头抗发射冲击过载、简化结构和降低造价成本为目标，捷联式导引头再次焕发了青春，呈现出勃勃的生机。

捷联式导引头主要由探测系统、电子舱和结构本体组成，捷联式导引头的结构示意图如图1所示。探测系统的主要功能是接收从目标反射或发射的能量，输出能够反映目标相对探测系统光轴或电轴的夹角。电子舱的主要功能是接收探测系统输出的原始信息，形成目标相对光轴或电轴的角度信息。结构本体的主要功能是把探测系统、电子舱、整流罩和壳体等导引头部件有机地装配和固连在一起，以满足对捷联式导引头的结构强度和气动外形的要求。

图1　捷联式导引头结构示意图

由于捷联式导引头的探测系统与其结构本体是固连的，因此就其本身来说，只能获得目标相对其探测系统光轴或电轴的夹角信息，获得的有效信息较少。捷联式导引头的测角示意图如图2所示，Xb表示导引头电轴零位方向，φ表示导引头俯仰视线(Line of Sight，LOS)角，若探测系统采用是的主动雷达，还能获得其与目标之间的距离信息。因此，采用捷联式导引头的战术导弹，由于导引头对目标的观测视场范围直接受限于弹体姿态，必然会给制导控制系统的设计和末制导导引方法的选择带来一定的限制和困难。捷联式导引头的主要特点如下：

1)没有万向支架、测角器、力矩电机、动力陀螺或速率陀螺，系统和结构设计简单，造价成本较低；

2)探测系统与结构本体机械固连，没有活动组件，抗发射冲击和飞行过载的能力很强；

3)探测系统的通光口径或雷达天线口面可以设计的比较大，有利于提高目标的探测距离；

图2　捷联式导引头测角示意图

4)只能直接获得目标相对于捷联式导引头探测系统光轴或电轴的夹角信息，限制了导弹制导控制系统导引方法的选择，若要采用比例导引头方法，除了需要间接获得视线角速度信息，还需要导弹提供位置和姿态角信息并通过相应的解算和处理，且得到的视线角速度信息精度较差、干扰误差较大，这些限制使得采用捷联式导引头的导弹其命中精度不高；

5)为了保证导弹在整个末制导飞行过程中，目标始终能够在捷联式导引头探测系统的瞬时视场或波束角内，对导弹末段导引飞行的姿态稳定性提出了很高的要求，进而给导弹末段制导控制系统设计增加了难度。

2.2　平台式导引头

平台式导引头出现于上世纪70年代中后期，伴随电视电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)、红外焦平面成像技术、激光探测器以及毫米波雷达技术的迅速发展和不断成熟，以电视成像、红外成像、半主动激光、主动毫米波及其相关复合的平台式导引头为代表，被广泛应用于各种类型的精确制导战术导弹中[6-7]。

平台式导引头主要由探测系统、伺服稳定平台、电子舱和结构本体等组成，主要有动力陀螺稳定跟踪[22-23]和速率陀螺稳定跟踪[24-25]两大类型，动力陀螺平台式导引头以及速率陀螺平台式导引头结构示意图分别如图3和图4所示。

图3　动力陀螺平台式导引头结构示意图

图4　速率陀螺平台式导引头结构示意图

平台式导引头与捷联式导引头的最大区别是平台式导引头的探测系统安装于伺服稳定的平台之上，其主要特点如下：

1)能够通过伺服稳定平台隔离弹体扰动，易于实现较为复杂的目标扫描捕获，为目标自动检测、识别与选择创造了很好的条件；

2)在完成目标锁定以后，能够通过伺服稳定系统使探测系统光轴或电轴始终指向目标，实现对目标的稳定跟踪，即使由于各种原因造成目标短时间丢失，也易于实现对目标的再捕获与再跟踪；

3)可直接输出视线角速度且视线角速度精度较高，采用末段比例导引，易于实现对目标精确命中和高效毁伤；

4)由于存在伺服稳定系统，相对于捷联式导引头，抗发射冲击过载的能力较差；

5)由于存在万向支架、力矩电机、测角器、动力陀螺或角速率陀螺及伺服稳定控制模块，组成结构相对复杂，造价成本较高。

稳定跟踪平台是平台式导引头的重要组成部分，是实现其视线轴或电轴稳定跟踪的核心部件。按照稳定跟踪控制原理，一般分为动力陀螺稳定跟踪平台和速率陀螺稳定跟踪平台。动力陀螺稳定跟踪平台利用动力陀螺的定轴性实现平台稳定，利用动力陀螺的进动性实现平台跟踪，其稳定跟踪控制原理如图5所示。速率陀螺稳定跟踪平台利用安装在台体(万向支架)上的角速率陀螺测量平台运动角速率，实现视线轴或电轴在惯性空间的稳定和闭环跟踪，其稳定跟踪控制原理如图6所示。动力陀螺稳定跟踪导引头与速率陀螺稳定跟踪导引头的对比见表1。

图5　动力陀螺稳定跟踪控制原理框图

图6　速率陀螺稳定跟踪控制原理框图

动力陀螺稳定跟踪导引头与速率陀螺稳定跟踪导引头的对比见表1。

表1　动力陀螺稳定跟踪导引头和速率陀螺稳定跟踪导引头对比

3　导引头技术发展的重点、难点和方向

3.1　导引头的主要技术指标和能力需求

导引头的主要技术指标和能力需求如下：

1)作用距离或威力：导引头作用距离越远或威力越大，留给导弹末段制导飞行的时间越长，越有利于实现目标的精确命中和高效毁伤；

2)导引信息精度：导引信息精度越高，末段制导精度越高；

3)角范围：导引头框架角范围越大，越易于放宽导弹的作战使用剖面；

4)动态响应时间：动态响应时间越短，导弹攻击活动目标的能力越强；

5)可靠性：可靠性越高，导弹的发射飞行成功率越高；

6)探测和敏感方式：单模导引头易于实现、造价成本较低，但每一种制导模式，如可见光、红外成像、半主动激光和毫米波雷达等，各具优势和不足，适应天气条件、战场环境和目标特性的能力不同；多模复合难于设计实现，但不同模式可以扬长避短、发挥综合优势，适用恶劣气象条件、复杂战场环境和不同目标特性的能力强，但造价成本较高；

7)目标自主识别能力：具备目标自主识别能力，可以实现导弹“发射后不管”，发射平台的生存能力强，射手的压力小；不具备目标自主识别能力，则需要“人在回路”完成目标识别与锁定，不能实现导弹“发射后不管”，发射平台的生存能力差，射手的压力大。

3.2　导引头技术发展的重点和难点

导引头是集光、机、电、结构、控制和信息处理于一体的复杂装置，是精确制导导弹的核心关键部件。对于不同类型的导引头，其研发重点和难点既有相同之处又各具差异：

1)对于捷联式导引头，宽线性范围和大视场探测系统设计及其结合弹上其它制导控制信息的综合处理是重点和难点；

2)对于平台式导引头，特别是应用于小型和超小型战术导弹的平台式导引头，轻质、小尺寸和高集成度导引头结构设计，尤其是探测系统和位标器小型化集成设计是重点和难点；

3)对于半主动激光导引头和被动红外成像导引头，高灵敏、低噪声激光探测器和非制冷大面阵红外探测器件及其输出的模拟弱信号处理，电子舱低噪声设计，激光和被动红外在不同气象和战场环境条件下的传输特性及其对不同类型目标表面的漫反射和辐射特性等，是其研发的重点和难点；

4)对于主动毫米波导引头，不论是常用的8mm波段还是3mm波段，毫米波核心器件的国产化研发，雷达收发系统设计及其工作体制研究与选择，毫米波信号在不同气象和战场环境条件下的毫米波传输特性，不同地面典型地貌背景及不同类型军事目标的毫米波散射特性，军事目标与主被动干扰物的毫米波特征及其识别与拒判等，是其研发的重点和难点；

5)对于多模复合导引头，例如半主动激光、主动毫米波和被动红外的双模复合或三模复合导引头，应该在上述单模导引头重点和难点的解决基础上开展研发工作，一体化共口径、共光路、共平台的复合探测系统设计；小型化、集成化稳定跟踪位标器及整个导引头的结构设计；多模信息融合方法和不同模式作战使用策略研究等，是其研发的重点和难点。

3.3　导引头技术的发展方向

导弹武器具有威力大、射程远、精度高的显著特点。近些年来，各种导弹武器正以前所未有的速度迅猛发展，进入了一个升级换代和创新发展的新时期，导弹攻防对抗更趋激烈，一大批更快、更远、更准、更智能的导弹武器纷纷登场亮相。其中，更准、更智能的需求和发展趋势与导引头技术的发展方向直接相关，主要体现在激光成像探测技术[26]、太赫兹技术[27]、量子信息技术[28]和微系统技术[29]四个方面。

3.3.1激光成像探测技术

激光成像探测技术的特点是信息维度多、测距测角精度高和选择能力强，能够显著提高导引头探测和识别目标的能力，具有较强的抗干扰能力。美国已经研制出雪崩二极管(Avalanche Photodiode, APD)阵列探测雷达[30]、自混频阵列探测固态激光雷达，正在研制的激光雷达导引头将突破百毫焦量级，APD探测器阵列也将在256×256像元以上。2015年，美国国防部高级计划研究署(Defense Advance Research Project Agency，DARPA)的“宽视场激光相控阵”项目首次将相控阵天线与激光组件集成在一个微芯片之上，可以在51°范围内进行精确激光扫描，为激光雷达导引头研发奠定了基础。

3.3.2太赫兹技术

太赫兹介于毫米波与长波红外波段之间(0.1THz～10THz)，其可以避开传统吸波材料的吸波频段，可应用于反隐身探测技术。太赫兹工作带宽宽，对目标的微运动特征较为敏感，测角分辨率极高。基于太赫兹技术的导引头探测系统，会给导引头的技术发展带来革命性的变化。美国空军喷气推进实验室研制出的0.58THz逆合成孔径三坐标成像雷达，调频带宽为20GHz，能够提供1cm的距离分辨率。2014年，罗格公司在DARPA“太赫兹电子研究”项目下开始研发1.03THz的固态放大器集成电路。

3.3.3量子信息技术

量子雷达能够实现高分辨率和反隐身探测。量子雷达能够穿透云层和烟雾等实现高精度成像。量子雷达在导引头探测系统中具有潜在的应用前景。2014年12月，美国罗切斯特大学开展了试验验证，证实了量子信息技术的应用，可使雷达有效探测到具有欺骗能力的隐身目标。2015年，英国约克大学的研究团队研发出一个双腔转换器，利用纳米振荡器实现微波与光波的耦合，将成为量子雷达的核心器件。

3.3.4微系统技术

微系统以微纳尺度理论为支撑，以微纳制造和工艺为基础，发展并不断融入微机械、微电子、微光学等各种技术，具有微感知、微处理、微控制等功能，并通过功能模块的集成向组件级发展。微惯性测量装置具有体积小、成本低、质量轻、抗冲击、抗振动和集成度高等特点，适用于导引头探测系统的伺服稳定机构。利用微系统技术开发雷达射频收发系统级芯片(System on Chip，SOC)、相控阵T/R子阵、多模导引头SOC芯片等，能够促进导引头进一步朝着小型化和智能化方向发展，对于提高导引头性能、缩小导引头尺寸、降低导引头重量和成本等具有革命性的影响。