雷达/红外复合制导空舰导弹搜捕问题综述

李海军，魏嘉彧，牟俊杰，姜 涛，刘崇屹

(1.海军航空大学， 山东 烟台 264001; 2. 91049部队， 山东 青岛 266102)

1 引言

空舰导弹作为现代海战重要作战兵器之一，已经过四代的革新发展。面临当今复杂的海战场环境，导引头搜捕能力成为导弹命中率的关键因素，提高空舰导弹搜捕能力已成为各国共识。美国自20世纪80年代起，在现有导弹基础上致力于研究复合制导、红外成像、毫米波雷达等技术[1]，2011年利比亚战争中使用红外成像制导的海军幼畜AGM-65F导弹击毁利比亚船只，研制的携带多模复合导引头的LRASM向智能化迈进[2]；日本XASM-3[2]采用双模制导，具有较强战术灵活性；俄罗斯着力于发展超音速技术和数据链技术，日炙等[3]超音速导弹陆续列装。其中，雷达/红外双模制导作为复合导引的典型机理，因其能够全天候工作，抗干扰能力强[4-6]，具备适应复杂战场环境的作战能力，成为当下空舰导弹重要的精确制导方式。

2 复合制导搜捕原理

载机平台发射的导弹进入末制导阶段后，由于雷达的距离传感优势，其主动雷达系统率先开机，进行目标搜索，探测到目标后保持稳定跟踪，同时引导红外光轴与雷达波束方向一致，待弹目距离小于红外系统探测距离时，红外传感器开机，对预先锁定的目标进行识别，此时雷达也处于搜捕状态，若锁定目标为假目标，则进行双模搜索模式，将2种制导机制获得的目标信息融合，进行进一步的判断、搜捕，流程如图1所示，K0为理论自控终点，K1为实际自控终点，R为雷达搜索波门远界，r为波门近界，H为红外系统开机点，M为目标位置。

图1 雷达/红外复合制导示意图Fig.1 Radar/infrared composite guidance figure

3 影响搜捕能力的因素

由于导弹飞行过程中存在自身系统误差等内部影响以及风场、目标机动等外部制约，基于对复合制导搜捕过程的分析，可以将影响搜捕概率的因素细化为自控飞行散布、目标散布、雷达搜捕因素和红外搜捕因素、战场环境因素等5个方面，如图2所示。

图2 搜捕能力影响因素框图Fig.2 Influencing factors of manhunt capability

1) 导弹自控飞行散布

末制导雷达开机时刻导弹所处的位置为导弹自控飞行终点[7]。受到发射平台、战场环境因素等影响，雷达开机实际位置与理论终点存在偏差，即自控终点误差。自控终点误差过大，会使得导引头开机时刻处于不良捕获状态，影响导弹对预定目标的搜捕。此外，导弹自控飞行受到质心偏差、随机风扰动、惯导系统偏差[8]产生飞行漂移散布，误差随飞行时间累积，对目标搜捕造成较大偏差。

2) 目标散布

目标散布误差可大致分为目标机动误差与指示误差[7，9]。载机对目标进行初步探测时，其跟踪能力有限，且与目标机动测量存在一定时间偏差。当敌舰发现来袭导弹时，可能采取变速、变方向、变转弯半径等机动措施[10]，要求导弹有较为灵敏的搜索跟踪性能，对红外成像制导而言，搜捕难度陡升。由于难以对目标运动状态准确描述，通常在研究中考虑敌舰最大机动范围来采取下一步打击措施。

3) 雷达搜捕因素

雷达搜索目标时，通常认为当目标被雷达波门区域有效覆盖时捕获成功[11]。覆盖区域大小取决于雷达波门近界、远界、搜索扇面角大小。开机时刻导弹与目标有效距离处于近界、远界之间是预选目标能够被初始锁定的必要条件。当目标处于雷达波门内时，雷达自身性能参数决定是否能够对目标识别进行准确识别。当雷达视场中有非目标存在时，对真目标的有效搜捕对雷达参数性能提出更高要求。此外，例如捕鲸叉导弹，其搜索扇面角较大，为±45°[12]，视场能存在假目标的可能性随搜索扇面增大，依据现有目标识别能力，搜捕概率降低。

4) 红外搜捕因素

红外传感器系统的搜捕能力主要体现在搜索截获能力和对已截获目标的跟踪探测能力。红外制导系统影响其搜捕能力的因素主要分为传感器性能参数、目标辐射特性、进入角和目标背景灰度差[13]。搜索截获能力受目标辐射特性、导弹攻击方向与太阳方位的夹角以及目标与背景的灰度差的影响较为显著。传感器性能参数对应跟踪探测能力，主要包括光学系统透过率、光学系统焦距、光学系统通光孔径和探测器探测率[14]4个方面。

5) 战场环境因素

战场环境因素主要涵盖战场天候条件和岛岸环境2个方面。在实战中，大气窗口探测波段通常是红外导引头的主要探测波段[15]。战场天候条件主要包括能见度、雨、雾、风力等[16]。雨雾会显著衰减目标的红外能量和雷达电磁辐射；不同能见度条件下，红外传感器识别目标能量有所差异，战场随机阵风使得导弹自控飞行散布增大。此外，岛岸背景中零星分布的岛礁、岩石以及复杂的岸上设施，可能使得目标处于岛岸电磁背景当中，导致雷达捕获目标失败[17]。

4 搜捕概率计算方法

雷达/红外双模导引头是主动雷达子系统和红外成像子系统的分孔径复合模式[18]，2个探测系统既可独立工作又有信号联系，如图3所示，被探测目标的雷达辐射特征和红外辐射特征相互独立、互不影响。复合制导搜捕能力是将雷达搜捕能力与红外探测能力的融合，对其进行评估量化需要对雷达搜捕能力和红外搜捕能力展开分析。

图3 雷达/红外双模导引头基本组成框图Fig.3 Basic composition of radar/infrared dual-mode seeker

1) 雷达制导搜捕概率计算

目前计算捕捉概率模型的解析方法较多，文献[19]提出利用卷积算法计算目标照射概率，没有考虑目标的运动规律；文献[20]将矩形法和积分法和纵向划分法改进模型进行对比，研究雷达搜索范围对捕捉概率的影响；文献[21-22]分别利用对策论、搜索论求搜捕概率。此外，诸多学者分别考虑自控终点散布误差、目标机动误差以及目标指示误差[8，23-24]、数据链断链时间[25]等因素对捕捉概率的影响，建立搜捕能力影响因素模型[26]，分析毫米波雷达制导导弹系统误差源及其分布特性[27]，考虑岛礁环境下的搜捕概率[24]，并研究两弹方向协同对典型目标捕捉概率[28]。

总体看来，对于单一雷达制导体制搜捕概率的研究分析，通常只考虑若干方面因素的影响，不具有一定的系统性，并且对于不同战场环境条件——降雨、烟雾、水文等因素对搜捕能力的影响以及多弹协同搜捕量化问题均有待深入探究。

2) 红外成像制导搜捕概率计算

通常，传统的红外成像制导目标捕获概率通过蒙特卡洛等统计方法得到，需建立导弹制导控制系统的详细数学模型，对模型的正确性要求高，较为繁琐。为此，理论分析建模方法逐渐拥有更多受众，例如文献[15]将搜捕概率简化为平面内正态分布积分问题，并分析大气平均衰减率对导弹搜捕概率的影响；文献[16]利用美国空军modtran4模型，仅探讨战场环境对红外制导导弹捕获影响；文献[29]通过分析影响截获概率主要误差源，实现一次弹道计算的截获概率的数学模型，简化计算同时产生一定误差。

在量化红外搜捕能力时，可以采用统计与理论分析模型结合的方法，充分考虑各类影响，使得研究结果更具实际意义的同时提高计算的准确度。

3) 雷达/红外复合制导搜捕概率计算

雷达/红外复合制导空舰导弹成功搜捕目标分为2种情况，基于对复合导引头工作机理的分析，雷达/红外复合制导搜捕能力需综合考虑搜索、捕获、跟踪、融合等，如图4所示。当红外子系统开机时，若雷达处于跟踪模式，则引导红外光轴对准目标进行搜索，搜捕概率的计算与雷达远区搜捕概率、成功引导红外概率[30]和红外搜捕概率、雷达/红外信息关联成功率有关。其中，雷达/红外信息关联成功率是2种制导体制正确捕获同一目标并转入同一目标跟踪的概率，可以根据融合算法预估为一个定值；若红外子系统开机时，雷达未能捕获跟踪目标，2种制导体制同时进行搜捕，复合搜捕概率与雷达远区搜捕失败概率、红外搜捕概率、融合跟踪概率相关。红外搜捕概率是照射概率与截获概率之积，截获概率通常根据红外系统性能和目标性能取常值。

当复合导引头处于双模跟踪状态时，雷达航向角和红外航向角属于正态分布，互相独立且同分布，当雷达跟踪精度为0.50、红外跟踪精度0.10时，根据概率统计方差公式，经信息融合处理后，跟踪精度可达0.098，稍优于红外角跟踪精度[32]。雷达和红外输出点迹中有同一目标时，结合雷达目标特征和红外目标特征，对雷达目标航迹和红外目标航迹进行关联算法处理，调整关联门限，可使雷达红外关联成功率满足要求。

图4 雷达/红外复合制导搜捕流程框图Fig.4 Radar/infrared composite guidance search process

在复合导引头的研究中，主要涵盖了雷达对红外子系统的导引能力、双模制导抗干扰能力以及多种制导体制数据融合方法，有关搜捕能力分析的文献较少。文献[32]将双模系统的雷达信号和红外信号分为4种情形，利用二元检测原理推导理以信噪比为变量的检测概率。文献[30]研究复合制导反舰导弹主动雷达对红外导引头的引导，推导雷达对红外成功引导概率。文献[18]通过对双模导引头工作机理的研究，根据贝叶斯假设检验，分别建立了分布式检测最优融合规则、“与”规则和“或”规则条件下的目标检测概率模型。

目前，统一2种制导体制的搜捕能力计算时，在相对理想条件下以信噪比为变量，未能考虑制导特性、战场环境因素和导弹自身性能的问题。鉴于用同一量纲难以对搜捕能力展开准确评估，实现雷达/红外复合制导搜捕能力量化可靠性、有效性，可以建立对2种单一制导体制搜捕分析以及2类目标特征数据融合机理的研究。

5 搜捕能力的优化发展

1) 搜捕信息一体化

通过数据链系统实现数据时空一体，提高传感系统数据的统一。当任意子系统发生故障后，能够从时间、空间等2种校准方式进行恢复处理。研究基于前沿技术的雷达/红外数据融合方法，诸如神经元网络技术、人工智能等，以提高数据融合效能。开发多弹联合搜索，弹弹以及导弹与其他通讯载体的互联互通[33]，在时间、空间、功能和战术上实现对指定目标的搜捕识别。可以通过发射前置导引导弹，获取的战场态势，再回传给从弹进行制导修正，战术与技术结合，以提高对目标实时探测和修正的能力，提高命中精度。

2) 目标识别技术优化

在硬件层面，采用探测距离远、分辨率更高、更灵敏化、搜索范围更灵活、强抗干扰能力的末制导雷达和红外传感器，例如合成孔径雷达、太赫兹雷达、红外多光谱、超长波红外等技术。建立目标、战场环境特征数据库，特别是对岛岸目标进行打击情况下，采用编队模式识别、搜索过程实时判别分选技术等先进目标识别处理技术，充分利用搜捕过程中的冗余数据以预判处理，提高导引头对真假目标的判别，引导导弹根据实时搜捕动态对后续搜索自主智能规划。

3) 航路机动搜索

通过导弹飞行控制系统与目标识别算法的双重优化以及对战场环境的预先分析，实现航路机动的搜索方式。在导弹大动力航程基础上，预先选择合适的航路点，再根据规划航路开展区块搜捕。在岛岸环境下，机动规避岛礁，采取变搜索扇面角、变雷达波门远、近界的方式进行搜捕。

6 结论

精确制导技术随导弹的发展已经历了四代变革，其中雷达/红外复合制导克服单传感器缺陷，能够融合目标不同类型特征，有效提高跟踪精度和抗干扰性能，大大加强空舰导弹打击目标效能，是制导领域先进技术。目前国内外针对复合制导联合搜捕能力的量化研究较少，往往通过实弹试验进行搜捕指标验证，尚未建立仿真模型，影响因素分析不全面，难以对特定战场环境下的空舰导弹搜捕能力进行研究。因此，量化分析其搜捕能力，优化数据融合技术，对后续的装备研制改进以及不同战场环境下作战方法研究具有重要意义。