轻型光电制导导弹技术发展趋势

李家泰，陈国良，马善斌，武志鹏，王勤超

（1.上海机电工程研究所，上海 201109；2.陆军驻上海地区军事代表室，上海 201109）

0 引 言

世界上最早的轻型光电制导导弹是美国于1959年研制的FIM-43A“红眼睛”（Redeye）便携式防空导弹，用于拦截固定翼飞机、直升机等低空超低空突防的目标。便携式防空导弹具有机动灵活、制导精确、操作简便、效费比高等许多优点，受到各国军方的广泛重视和发展。

随着新型光电探测器、光学材料、信号处理以及微机电技术的快速发展，光电精确制导技术逐渐成为当今精确制导领域最重要的技术之一，也为新一代轻型光电制导导弹的研制奠定了基础。轻型光电制导导弹已经成为许多国家新的武器装备发展趋势，其具有两个典型特征：①导弹小型化，轻小型不再是传统的便携式导弹的专属特征，各类轻小型的防空导弹、空地导弹不断研制成功并得到实战化应用；②弹药制导化，制导技术使得传统的弹药精度得到极大的提升，制导炸弹、制导炮弹和制导火箭弹大量列装，甚至轻武器中的榴弹和子弹均实现了制导化。

本文对国外轻型光电制导导弹的发展现状进行了综述，归纳总结出技术发展路线，并对关键技术和未来的发展方向进行了分析和探讨。

1 典型型号与发展现状

轻型光电导弹中，装备数量最大和发展最快的是便携式防空导弹，典型的采用红外制导体制的美国Stinger、俄罗斯Igla 和采用激光驾束制导体制的英国LMM 导弹等［1］。从技术发展路径来看，红外体制主要经历了点源、红外/紫外双波段或三波段、红外凝视成像的发展。

轻型空地导弹和制导弹药典型型号有美国JAGM 联合空地导弹、Griffin 格里芬导弹、Scorpion 蝎子导弹、SDB-II 小直径炸弹、AGM-44 制导炸弹以及通用制导火箭弹等，为了实现全天候全天时作战，多数采用半主动激光、非制冷红外成像、主动毫米波等双模或三模复合制导体制。

此外，近年来还发展了单兵轻武器导弹，典型型号有以色列Mini Spike 微型导弹、美国的Pike 导弹和EXACTO 制导子弹等，为了实现低成本小型化，较多采用了光学和激光半主动制导体制。

典型轻型光电制导导弹的参数如表1所示。

表1 国外主要光电制导导弹参数Tab.1 Parameters of typical light photoelectric guided missile

从上述导弹的光电导引头技术发展来看，红外制导体制历经了单波段点源调制盘、单波段圆锥扫描、双波段或三波段扫描准成像、凝视成像的技术发展路径；激光制导体制经历了四象限点源探测、激光驾束、相控阵扫描成像的技术发展路径；可见光制导体制也经历了单波段探测和兼容近红外的双波段探测的技术发展路径。光电导引头技术发展如表2所示。

表2 轻型光电导引头技术发展情况Tab.2 Development of light photoelectric seeker

2 关键技术

2.1 导弹总体

2.1.1 气动设计技术

轻型光电制导导弹绝大多数采用鸭式气动布局外形。相对其他气动布局，鸭式导弹舵面和尾翼产生的升力方向相同，导弹机动对舵偏的响应速度快，操纵性好；舵面和尾翼在弹身纵轴位置远离质心，容易满足静稳定性和动态特性的要求；适用于前端电气舱段和后端火工品舱段分离的部位安排。

光电制导导弹头部外形主要有半球形、球锥形、激波针、多棱锥等，多数采用半球形、球锥形头部外形设计，可为导引头实现最高的探测效率，其缺点是阻力系数较大。激波针、多棱锥的阻力最小，但对入射能量的遮挡或折反射会降低探测灵敏度，需要对导弹战技指标中的速度、射程、探测距离、弹体外形尺寸等要素进行综合权衡设计［2-3］。

2.1.2 滚转隔离技术

受限于重量和尺寸的严格要求，本类导弹较多地采用单通道控制旋转弹体。其优点是可以利用一个控制通道实现三通道控制的效果，减少舵机等控制系统硬件体积和成本，同时可以解决弹体惯量小引起的发动机推力偏心扰动大的问题。但由于导弹始终处于旋转状态，制约了红外成像和惯性导航技术的应用。通常采用滚转物理隔离或弹体控制技术解决该问题。应用弹体控制技术的典型是美国的“铜斑蛇”制导炮弹，出膛后保持高速旋转来保证初始弹道的稳定，飞行中通过舵面控制逐渐消除弹体滚转，转入三通道稳定控制。

滚转物理隔离包括舱段隔离和组件隔离两类。应用舱段隔离的典型是美国的直接攻击制导火箭弹（DAGR），采用轴承形式的滚动隔离机构实现发动机与前弹身滚转解耦，如图1 所示。飞行中发动机保持低速旋转，消除推力偏心，而前弹身采用三通道控制方式，实现滚转稳定控制。应用组件隔离的典型是美国Stinger-RMP Block II 导弹，通过导引头内的消旋电机带动光学探测系统，相对弹体做反向滚转以实现成像稳定。部分简易制导火箭弹也通过内部的自由滚转重力偏心机构来实现惯性器件的空间稳定［4］。

图1 滚转隔离机构Fig.1 Roll isolation assembly

2.2 探测制导

2.2.2 捷联探测技术

全捷联导引头把光学系统、探测器等器件固连在弹体上，具有体积小、质量轻、成本低等诸多优点。随着大规模集成电路高速处理器、高分辨率CMOS 探测器及高精度低成本惯组的技术进步，全捷联导引头技术在轻小型光电制导导弹上得到快速发展，多型空地导弹、制导炮弹、各类巡飞弹上均有应用，同时也促进了微小口径的制导榴弹、制导子弹的发展。由于去掉了传统导引头的机械稳定结构，因此需要通过弹载惯性传感器测得的姿态信息来构建数学稳定平台，从而隔离弹体扰动。

分布式激光半主动导引头是一种新型的捷联导引头，在美国的APKWS 制导火箭弹上首次被采用。导弹4 片鸭翼前缘上分别固定4 个独立的光学系统，不受舵面偏打的影响，通过可折叠光纤将探测目标的能量信息传递到弹体内部的激光探测器上，实现目标位置信息的提取，如图2 所示。该技术实现了大视场和高精度的兼顾，最大视场可达到±40°，同时可以避免在火箭弹连续发射时前弹对后弹的烧蚀。

图2 APKWS制导火箭弹导引头Fig.2 APKWS II guided rocket seeker

2.2.3 复合制导技术

为了提升导弹的性能，使导弹具有全天候全天时的作战能力，红外双波段、红外/紫外、红外/激光半主动等多模复合制导体制得到较多的应用，其光学系统一般采用共孔径复合或分孔径复合设计。

共孔径复合具有体积小、集成度高、误差校正简单的优点，被较多地应用在小口径光电导弹上。但光学头罩要求能够透过跨度较大的波带，同时必须设计良好的分光系统减少相互干扰。典型的有美国JAGM 和SDB 的三模导引头，采用卡塞格林光学系统和抛物面天线复合结构，如图3所示。激光、红外和毫米波探测器分布在光轴的纵向，采用硫化锌材质头罩实现3个波段的兼容。美国Stinger 和俄罗斯Verba 防空导弹也是采用卡塞格林光学系统，中波红外和紫外探测器采用上下叠层布置（Verba 导弹还有短波红外探测器），采用石英材料头罩同时透过两个或三个波段。

图3 JAGM三模导引头Fig.3 JAGM 3-mode seeker

分孔径复合与共孔径复合相比，结构形式更为简单，适用于低成本或对体积约束不高的应用场合。随着探测器工艺进步带来的小型化水平提高，分孔径复合也逐渐开始应用到小口径导弹中。典型的有美国XM935 精确制导迫击炮弹，其中大孔径的为红外部分，采用低成本中波红外256×256 焦平面探测器；小孔径为激光部分，采用1.064 μm探测器。美国2020年开展研制的70 mm 弹径通用制导火箭弹也采用了类似的设计，其在非制导“九头蛇”火箭弹基础上采用三模复合制导，以捷联共形的方式将毫米波、红外、半主动激光集成在小口径下，可实现对空、对地等多任务场景，如图4所示。

图4 分孔径复合导引头（左：XM935制导迫击炮弹；右：70 mm通用制导火箭弹）Fig.4 Aperture-divided compound seeker

特别的复合制导方式还有美国AGM-44“智能反装甲技术”制导炸弹，采用被动声响寻的和长波非制冷红外成像复合制导，用于攻击地面装甲车辆。每个弹翼的翼尖放置针状的声音探测器，如图5 所示。被动声音探测用于对地面目标进行初始搜索和定位，红外导引头对目标进行精确制导。

图5 AGM-44“智能反装甲技术”炸弹Fig.5 AGM-44 guided bomb

2.2.4 干扰对抗技术

光电导引头通过敏感目标的光谱辐射信息工作，但在目标周围一般存在其他具有相近光谱辐射的物体，如太阳、地物等自然背景。此外，目标为了提高自身的生存能力，逃避导弹的追踪与攻击，通过自身携带的各类有源、无源干扰影响导引头的正常工作。因此抗干扰能力是光电导弹的重要战技指标。抗干扰的主要依据和基础是目标与干扰在光谱特性、形状大小、运动特征等方面存在的差异。

早期的光电导引头通过光谱滤波和调制盘式空间滤波，仅能对抗自然背景干扰。为了应对人工干扰，点源探测体制的导引头采取脉冲调制信号处理、波门和预测技术、多光谱识别技术等方式，结合数字信号处理技术，提升了抗干扰能力，典型的有美国Stinger、俄罗斯Igla和法国Mistral导弹的早期型号。

成像导引头具有较高的空间分辨率、良好的成像像质和丰富的信息量，可以利用图像中的辐射强度、辐射面积、空间形态等信息进行目标和干扰识别，具有较强的抗干扰能力，逐渐成为发展的技术主流。新一代红外制导导弹普遍采用了成像技术。主动激光扫描成像技术也在Locaas、LAM 等巡飞弹上应用，相比红外和可见光成像增加了距离信息，能够大幅提高图像的信噪比，更有利于在复杂背景下提取目标。

多光谱探测利用目标和干扰在光谱分布特征及动态特性上的差异性，提取目标与干扰的特征信息进行辨别，使导引头能够正确地对真实目标进行稳定跟踪，这成为新一代便携式防空导弹的基本特征。将多光谱探测技术与成像技术结合，能够更进一步地提升导弹抗干扰能力。代表型号是日本的“凯科”防空导弹，其采用同时对可见光与红外敏感的传感器，实现目标识别。

2.3 导航控制

2.3.1 MEMS惯导技术

惯性测量组件可以获得导弹惯性空间的基准信息，是捷联光电导引头数字解耦、导弹空中截获与交班、弹体稳定控制的设计基础，同时也能够为抗干扰过程中目标位置预推等算法提供有效支撑。

早期的惯性测量组件体积大、成本高，限制了其在轻型光电导弹上的应用。基于微电子机械系统（micro-electro-mechanical system，MEMS）技术的惯性测量组件将微机械陀螺和微加速度计组合在一起，具有体积小、成本低、可靠性高的特点，其精度在最近几年内得到快速提高。如美国轻型空地导弹和灵巧弹药上大量通用的HG1900 系列MEMS 惯导，尺寸不足Φ50 mm×30 mm，陀螺零偏重复性小于20（°）/h，加速度计零偏重复性小于5 mg［5］。

MEMS 惯导在旋转光电导弹上的应用需重点解决滚转弹体的适应性问题。常见的应用方式有两种，第一种采用惯组直接固连弹体并扩大陀螺量程的方案，但会带来精度的下降和俯仰偏航通道耦合；第二种将惯组放置在弹体滚转隔离平台上，对弹体的滚转不敏感，通过码盘或其他设备测量滚转偏差。

2.3.2 舵系统技术

除了部分便携式防空导弹还在使用气压舵机外，大部分光电导弹均采用电动舵机作为控制机构。电动舵机以电能作为能源，按结构形式可分为电磁式舵机和电动式舵机两类。电动舵机的主要优点是结构简单、故障率低、可靠性较高。相比继电式气压舵机，其增加了舵面角度反馈，更适用于比例控制，同时进一步减小了舵面偏打对弹体的扰动，提高了控制品质。

随着直径40 mm 以下的微小型导弹的发展，电动舵机难以在空间尺寸上进一步小型化。随着近年来压电技术快速发展，压电舵机技术逐渐成熟。利用压电材料的逆压电效应，将加在其两端的电压转变为机械变形，带动舵面偏转。压电舵机具有控制带宽高、消耗功率小、费用低等优点，符合微小型智能弹药对舵机的要求，典型代表是美国的EXACTO 制导子弹，如图6 所示。由于压电致动器产生的位移量小，一般为本身压电材料长度的千分之一，因此需要进行位移放大，一般采用机械串联、电气并联的压电叠堆结构或采用微位移放大机构对压电致动器的输出位移进行放大。

图6 EXACTO制导子弹Fig.6 EXACTO guided bullet

2.4 引战技术

2.4.1 低成本引信技术

轻型光电导弹的近炸引信有激光引信、电容引信、红外引信、无线电引信等多种体制。无线电引信相比光学类引信具有全天候工作、抗自然环境干扰能力强的特点。随着微波技术和CMOS 硅基工艺的发展，功放芯片、低噪声放大器芯片的成本也得到大幅降低，具有较高的性价比。典型的有美国Stinger 导弹，为了提升拦截无人机能力，其将原有的M934E6触发引信升级为M934E7 无线电近炸引信，其采购价基本保持不变。其他各类低成本制导弹药中均有无线电引信的大量应用。

传统的引信安全与解除保险装置一般采用机械加工手段，引信结构尺寸很难进一步缩小，占用了导弹相对较大的体积。MEMS 引信安全保险装置具有体积小、成本低、可靠性高等诸多优点，使得导弹有更多的空间容纳多传感器探测电路和主装药，更易实现弹药系统的灵巧化和智能化，有着广阔的应用前景。

2.4.2 战斗部毁伤技术

本类导弹的体积外形决定了战斗部重量不可能大，威力偏小是客观事实。为了提升毁伤能力，爆破杀伤式战斗部主要通过破片成型控制技术、聚焦技术和飞散控制技术提升爆轰威力；聚能战斗部（含空心、破甲或爆炸成形弹丸等）主要通过多点起爆技术、新型药形罩以及炸药装药改进等技术提升穿甲能力。

为了满足多任务作战需求，多用途战斗部将不同的战斗部（如爆破、杀伤和空心装药战斗部）结合在一起，满足一种武器攻击多种目标的需要。尽管综合多种战斗部在技术上相当复杂，而且其中的每一种战斗部都无法发挥出最佳效能，但这种“三合一”战斗部确实能对付大多数战场目标。典型的有美国SDB-II 小直径炸弹采用的“聚能-爆破”多效应战斗部，以及JAGM的“聚能破甲＋爆破杀伤”串联战斗部。

2.5 动力技术

本类导弹弹径较小，燃烧室壳体一般采用合金钢为材料，通过旋压工艺成型。为了使导弹初始段获得高加速性能，同时在飞行中保持良好的弹体特性，双推力主发动机逐渐代替单推力主发动机，也对发动机壳体绝热提出较高要求。早期导弹的固体推进剂一般采用双基型，具有工艺成熟、燃烧稳定、抗压强度高、对温度不敏感等特点，但能量较低、密度较小，难以满足导弹总体提升速度和射程的需求。改性双基推进剂在双基型基础上添加了铝粉、氧化剂和改性剂等，提升了能量和密度，但逐渐被性能更为良好的复合推进剂所取代。在复合推进剂中，聚醚、丁羟、丁羧是使用最多的3类推进剂。

为使导弹在作战时具有良好的发射隐蔽性和攻击突然性，降低发射后被侦测及火力报复的概率，低特征发动机推进剂技术得到发展。通过去除原来有烟推进剂中的有烟成分，减少复合推进剂中铝粉、过氯酸铵等含量来调节推进剂燃烧产物的组成，从而降低羽烟辐射强度，消除发动机工作时产生的白色烟迹和明亮火焰。

3 发展方向与展望

3.1 相控阵光电成像

光控相控阵与微波相控阵类似，主要利用光束间的相位差控制光束方向，从而实现不需要机械转动就可以完成光束空间扫描，相比传统的扫描装置减小了尺寸和成本。硅基光电子集成技术可在芯片上实现光电子器件的大规模集成，并与互补金属氧化物半导体（CMOS）集成电路工艺技术完全兼容，用它制作的光控相控阵具有扫描速度快、体积小、成本低、功耗低等特点。目前，国外利用硅基光电子集成技术制作的光控相控阵，最大的横向扫描范围为80°，最大的纵向扫描范围为36°，已在智能汽车等平台上得到应用［6-7］。

光控相控阵是未来主动激光成像制导的技术途径之一，可能的技术方向为光波导相控阵和微机电系统（MEMS）相控阵。目前还存在着相控阵阵元加工工艺、光学衍射效率低、功率功耗较大等问题，需要进一步研究微机电技术，降低阵元尺寸的同时提高光学效率，同时研发响应速度快、热稳定性高的高性能光电材料。

3.2 智能化探测识别

未来的光电制导导弹应具备自动搜索和识别目标、从多目标中分选出打击对象、自适应抗干扰等能力。随着大阵元的成像探测器技术发展，光电导引头分辨率不断提高，为对目标进行高灵敏度探测、高精度识别奠定了基础。同时，随着多光谱多模复合技术、弹上数字化图像处理能力、弹间信息交联能力的提高，导弹逐步具备对目标的智能探测与识别能力，抗干扰能力也得到快速提升。正在研制的新一代光电导弹几乎均采用凝视成像探测与模式识别相结合的技术，这成为智能化导弹的典型特征［8-9］。

智能化探测识别的核心是智能图像处理和识别，主要包含图像信息获取与预处理、特征抽取与选择、分类器与决策设计等方面内容。目前正在研究的是在图像信息处理中引入逻辑推理和人工神经网络等智能技术。上述大量的图像信息处理、模式识别等工作对弹载处理器提出了较高要求［10］。因此未来弹载处理器将向超高速大容量计算、超大规模集成电路和专用计算机等方向发展。

3.3 网络化蜂群协同

网络化协同通过在导弹间进行数据交互，将分散的导弹火力单元有机联结起来，以信息的获取、融合处理、传输和共享为基础，改善整个集群的信息获取和态势感知能力，提高整体作战效能。美国已经启动制导弹药蜂群组网的“金帐汗国（Golden Horde）”项目，将各种精确制导弹药联网，通过信息交互成为自主的蜂群弹药，最大限度地提高打击特定目标的效果，及时攻击在飞行过程中突然出现的全新目标。2021年5月的飞行试验中，两架F-16 战机同时投放6枚SDB 制导炸弹，炸弹间建立弹间通信并进行多目标识别与评估，合作识别并命中了最高优先级目标。

网络化协同作战技术主要分为5个方面的研究内容：任务规划、轨迹规划、协同探测、目标分配和协同攻击与突防，其中研究重点为协同探测、协同攻击与突防。在复杂作战环境下，仅靠单个导弹对目标进行探测难以在短时间内对目标进行识别，因此需要采用多导弹进行协同探测提高目标识别率和探测精度。协同攻击与突防是在保证最少能量消耗的前提下，选择适宜的突防策略及制导指令，完成对目标的攻击时间分配和落角协同打击。其研究主要集中于协同攻击制导律及协同突防策略，基于某种战术策略使导弹在飞行中相互协调配合，实现多弹齐射、多弹连射、多弹不同区域发射以及不同平台不同时机发射等协同作战［11-14］。

3.4 低成本扩展使用

轻型光电导弹使用场景广、需求量大，因此对成本有着较强的约束。未来降成本的技术途径可从光电探测器、一体化弹上电子、模块化系统架构等方面重点开展。探索高性能的非制冷红外探测器来代替制冷型锑化铟或碲镉汞探测器；通过SOC片上系统集成、设计资源复用等手段实现弹上电子高度一体化集成；通过模块化开放系统结构设计，使用工业界普遍支持的标准接口，降低系统集成成本和风险，降低全寿命周期成本，易于组件互换，从而加快技术更新速度及产品改进、硬件测试和软件更新速度。

轻型光电导弹具有体积小、重量轻、发射流程简单等特点，与其他武器装备具备较好的兼容性。多平台扩展使用技术得到了快速发展，特别是各类无人机、无人艇、无人值守武器站等是未来最有可能的集成应用平台［15-16］。其关键技术包括通用总线通信、通用发射控制、智能化自动跟踪等技术。此外，一弹多用也是本类导弹的未来发展方向，单个导弹能够执行对空、对地、对海以及空空、空地等多场景多用途作战。

4 结束语

本文对轻型光电导弹的发展现状进行了综述。随着制导体制、引战系统、动力系统的更新换代。轻型光电导弹的作战性能得到了大幅提高，同时突出了低成本、信息化、智能化、网络化、多平台等技术发展特征。随着复杂战场环境中攻防对抗的强度进一步增大，未来的轻型光电导弹将吸收更多的新技术，进一步提升在作战体系中的综合作战效能。