復(fù)合導(dǎo)引頭的進(jìn)展趨勢(shì)

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本文作者：何均 單位：中國(guó)西南電子技術(shù)研究所

1引言

隨著現(xiàn)代軍事理論和軍事裝備技術(shù)的發(fā)展,對(duì)導(dǎo)彈末制導(dǎo)的天時(shí)/天候適應(yīng)能力、反隱身/抗干擾能力、打擊目標(biāo)精度等提出了越來(lái)越高的要求,各種適用于末制導(dǎo)的光電、紅外、毫米波技術(shù)紛紛研究并獲得了實(shí)際應(yīng)用。單一制導(dǎo)模式由于自身存在一些不可避免的缺點(diǎn),難以全面滿(mǎn)足軍事打擊的要求,為此各種復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)如MMW/IR復(fù)合、光學(xué)/紅外復(fù)合、紅外/紫外復(fù)合、毫米波/微波復(fù)合、毫米波主/被動(dòng)復(fù)合等方式得到了廣泛研究[1]。在采用多模復(fù)合制導(dǎo)的過(guò)程中,應(yīng)遵循一些復(fù)合原則:一是頻段間隔大,為有效利用目標(biāo)不同頻段的信息,模式的工作頻率在電磁波譜上應(yīng)盡量遠(yuǎn)離;二是制導(dǎo)方式不同,尤其當(dāng)探測(cè)的能量為同一種形式時(shí),更應(yīng)注意選用不同制導(dǎo)方式進(jìn)行復(fù)合;三是兼容性好,復(fù)合模式間的探測(cè)器口徑應(yīng)能兼容,便于實(shí)現(xiàn)共孔徑復(fù)合結(jié)構(gòu);四是互補(bǔ)性,參與復(fù)合的模式在探測(cè)功能和抗干擾功能上應(yīng)互補(bǔ);五是便于集成,參與復(fù)合的各模式器件、組件實(shí)現(xiàn)固態(tài)化、小型化和集成化,滿(mǎn)足復(fù)合后導(dǎo)彈空間、體積和重量的要求。

在這些復(fù)合方式中,由于MMW/IR復(fù)合具有制導(dǎo)精度高、抗干擾能力強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)性好的特點(diǎn),成為末制導(dǎo)領(lǐng)域較有發(fā)展前途的復(fù)合方式,是國(guó)內(nèi)外多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)優(yōu)先發(fā)展的重要方向。根據(jù)毫米波和紅外信號(hào)透過(guò)天線(xiàn)罩區(qū)域的不同,有兩種主要的復(fù)合方式,一種為分孔徑復(fù)合,另一種為共孔復(fù)合徑。分孔徑復(fù)合盡管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但受導(dǎo)引頭安裝空間限制、誤差校正等因素的影響,難以適應(yīng)彈載環(huán)境的要求。共孔徑復(fù)合具有體積小、誤差校正簡(jiǎn)單,能較好地適應(yīng)彈載環(huán)境要求。本文對(duì)MMW/IR復(fù)合導(dǎo)引頭的發(fā)展動(dòng)態(tài)、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行了分析,針對(duì)每種具體的共孔徑方案,分析其工作原理、優(yōu)缺點(diǎn)及可行性,并歸納總結(jié)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù),指出了復(fù)合導(dǎo)引頭未來(lái)的發(fā)展方向。

2國(guó)外MMW/IR導(dǎo)引頭發(fā)展動(dòng)態(tài)

MMW/IR復(fù)合制導(dǎo)方式在國(guó)外已研究多年并獲得了大量應(yīng)用,早在20世紀(jì)60年代,部分發(fā)達(dá)國(guó)家就開(kāi)始了MMW/IR制導(dǎo)技術(shù)的研究。進(jìn)入90年代,各種MMW/IR復(fù)合導(dǎo)引頭相繼研制成功并裝備部隊(duì)。目前,MMW/IR復(fù)合制導(dǎo)已成為多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主流形式。國(guó)外研制情況如表1所示。從表1中可以看出,國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)MMW/IR復(fù)合導(dǎo)引頭研究廣泛,在對(duì)空、對(duì)地、對(duì)海導(dǎo)彈上都有多種型號(hào)的研制和裝備,成為復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主要方式之一。

3MMW/IR共孔徑復(fù)合的特點(diǎn)

MMW/IR共孔徑復(fù)合中,紅外采用被動(dòng)接收,毫米波采用主動(dòng)工作方式,紅外光學(xué)系統(tǒng)和毫米波收發(fā)天線(xiàn)設(shè)計(jì)成共口徑的統(tǒng)一體。發(fā)射毫米波信號(hào),同時(shí)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(cè)器和毫米波接收機(jī)。該復(fù)合方式具有以下特點(diǎn)[2]。(1)掃描系統(tǒng)簡(jiǎn)單。采用共孔徑的技術(shù)方案,可以減少掃描硬件,優(yōu)化天線(xiàn)/光學(xué)孔徑面積,同時(shí)保持瞄準(zhǔn)線(xiàn)的校準(zhǔn),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(tǒng)的掃描方式便于統(tǒng)一,從而簡(jiǎn)化了掃描系統(tǒng)。(2)探測(cè)精度高。在紅外/毫米波復(fù)合傳感器中,光軸與電軸重合,當(dāng)復(fù)合系統(tǒng)探測(cè)同一目標(biāo)時(shí)兩個(gè)系統(tǒng)坐標(biāo)一致,無(wú)需校準(zhǔn),避免了校準(zhǔn)誤差,提高了精度。(3)體積小,質(zhì)量輕,成本低。適應(yīng)彈上嚴(yán)格的空間要求,是未來(lái)精確復(fù)合末制導(dǎo)技術(shù)的重要發(fā)展方向。(4)加工難度大。頭罩要能透過(guò)兩個(gè)跨度較大的波帶,同時(shí)設(shè)計(jì)良好的分光系統(tǒng)減少相互干擾。

實(shí)際使用過(guò)程中,由于毫米波作用距離較紅外遠(yuǎn),穿透云霧和煙塵能力強(qiáng),波束比紅外寬,因此在初段多采用毫米波制導(dǎo),以便進(jìn)行大范圍搜索,迅速截獲目標(biāo),且可利用高距離分辨技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)與目標(biāo)初始跟蹤。在近距離時(shí)主要利用紅外制導(dǎo),這時(shí)可發(fā)揮紅外分辨率高的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位、跟蹤及對(duì)目標(biāo)的精確打擊,克服毫米波導(dǎo)引頭近距離情況下的角閃爍效應(yīng)及相對(duì)較大的誤差角度。除此之外,毫米波與紅外復(fù)合可在目標(biāo)識(shí)別階段,充分利用毫米波雷達(dá)與紅外探測(cè)器提供的目標(biāo)特征,以提高目標(biāo)識(shí)別性能。另外,為適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境,可根據(jù)不同戰(zhàn)場(chǎng)或目標(biāo)屬性,選擇紅外或毫米波中的一種來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的制導(dǎo)功能,提高反隱身和抗干擾能力。

4MMW/IR共孔徑復(fù)合方案分析

由于共孔徑MMW/IR復(fù)合制導(dǎo)性能優(yōu)越,因此受到了人們的重視。近年來(lái),美國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、德國(guó)和我國(guó)都進(jìn)行了有效的研究。在MMW/IR共孔徑復(fù)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(xiàn)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(lái),一般有如下5種共孔徑的復(fù)合類(lèi)型[3]。

4.1卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-卡塞格林天線(xiàn)復(fù)合

如圖1所示,MMW/IR信號(hào)透過(guò)天線(xiàn)罩,經(jīng)主、次反射鏡的二次反射后匯聚于中心的焦點(diǎn)處,經(jīng)分光鏡透過(guò)毫米波反射紅外信號(hào),形成兩個(gè)不同的支路分別經(jīng)檢測(cè)電路和處理電路后,在后端進(jìn)行融合處理。其中,紅外信號(hào)在經(jīng)透鏡處理前,采用光纖進(jìn)行傳輸,保證紅外信號(hào)損失最小且減小與毫米波之間的相互干擾[4]。該復(fù)合方式為卡塞格倫后饋式共口徑結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn):該反射系統(tǒng)沒(méi)有色差,在多波段應(yīng)用時(shí)不存在色差校正問(wèn)題;實(shí)現(xiàn)成本低,反射系統(tǒng)對(duì)材料吸收性能要求低;陀螺負(fù)載小,除主鏡和次鏡由陀螺穩(wěn)定外,紅外探測(cè)器和毫米波收發(fā)器都不在陀螺上;毫米波和紅外需在后端進(jìn)行分光,分光鏡的性能對(duì)系統(tǒng)的影響較大。

4.2卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-拋物面天線(xiàn)復(fù)合

圖2是前饋源的一種結(jié)構(gòu),由主鏡和次鏡組成卡塞格倫系統(tǒng)。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是:毫米波發(fā)射、接收部分會(huì)增加主次鏡穩(wěn)定陀螺的負(fù)擔(dān);主反射面的拋物面形式對(duì)于毫米波傳輸來(lái)說(shuō)其效率不是最高的;此反射鏡需要透過(guò)毫米波信號(hào),導(dǎo)致毫米波信號(hào)幅度和相位誤差,降低了毫米波天線(xiàn)的性能;由于主反射鏡中間安裝紅外探測(cè)器,導(dǎo)致毫米波信號(hào)的泄漏或散射,影響毫米波天線(xiàn)的增益和旁瓣電平,尤其是當(dāng)毫米波采用單脈沖體制時(shí),對(duì)4個(gè)饋源的影響更為嚴(yán)重。圖2中,毫米波信號(hào)采用前饋式方案,饋源放置于次反射鏡前端,發(fā)射機(jī)置于主反射鏡后方,通過(guò)波導(dǎo)將信號(hào)傳輸至饋源處,接收機(jī)可與饋源緊接放置,也可置于主鏡后面。紅外系統(tǒng)的次反射鏡需具有良好的毫米波透過(guò)性能,同時(shí),在主鏡中心開(kāi)孔處加入鍺透鏡,以透過(guò)紅外信號(hào)而阻止毫米波信號(hào)通過(guò)[5]。

4.3卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-單脈沖陣列天線(xiàn)復(fù)合

毫米波天線(xiàn)可采用微帶天線(xiàn)形式,與紅外主反射面形狀一致[6],也可采用波導(dǎo)裂縫天線(xiàn)形式,如圖3所示。該復(fù)合方式中的毫米波-光學(xué)組件反射光學(xué)信號(hào),毫米波天線(xiàn)單元位于組件的后端,毫米波天線(xiàn)與光學(xué)表面之間填充介質(zhì)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(hào)聚焦到中心的紅外探測(cè)器上。該復(fù)合方式具有以下特點(diǎn):該方式充分地利用了孔徑尺寸,保證了光學(xué)能量采集的最大化;高精度的光學(xué)表面適合應(yīng)用于較大的光學(xué)范圍,包括紫外到紅外頻段;該系統(tǒng)的次鏡擋光,毫米波有效接收口徑降低,降低了天線(xiàn)增益,影響毫米波探測(cè)距離;天線(xiàn)面與主反射鏡間的介質(zhì)材料對(duì)毫米波傳輸有一定的影響。

4.4透鏡式光學(xué)系統(tǒng)-格利高里天線(xiàn)復(fù)合

毫米波卡塞格林天線(xiàn)的饋源可以位于天線(xiàn)面中心軸線(xiàn)上,稱(chēng)為正饋方式,如圖1所示,也可以位于軸線(xiàn)的一側(cè),稱(chēng)為偏饋方式,如圖4所示。該方式中毫米波信號(hào)經(jīng)主反射鏡和次反射鏡兩次反射進(jìn)入饋源,紅外信號(hào)直接穿過(guò)主鏡進(jìn)行傳輸,主鏡具有反射毫米波透過(guò)紅外信號(hào)的特性,口徑利用面積大,不存在次鏡擋光問(wèn)題[7]。

4.5卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-相控陣天線(xiàn)復(fù)合

前述的幾種復(fù)合方式均為機(jī)械掃描,信號(hào)傳輸路徑重合度高,相互之間的信號(hào)串?dāng)_嚴(yán)重,在兩個(gè)導(dǎo)引頭共用一個(gè)頭錐的情況下,將天線(xiàn)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(nèi)部空間留給紅外導(dǎo)引頭,根據(jù)彈體形狀和制導(dǎo)應(yīng)用需求,相控陣天線(xiàn)可采用柱形或錐形,如圖5所示,這種復(fù)合方式具有以下特點(diǎn)。(1)重量輕、省空間。天線(xiàn)和天線(xiàn)罩可采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),天線(xiàn)不占用額外的空間,從而消除了天線(xiàn)罩對(duì)導(dǎo)引頭性能的影響;消除導(dǎo)引頭內(nèi)的全部運(yùn)動(dòng)部件,減少了導(dǎo)引頭重量,降低對(duì)彈體空間的需求,同時(shí)兼顧了飛行器對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)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(dǎo)引頭應(yīng)用。(3)波束賦形能力強(qiáng),捷變靈活。共形相控陣天線(xiàn)由大量的(可能多達(dá)數(shù)百至數(shù)千個(gè))單元天線(xiàn)組成,各個(gè)單元可以進(jìn)行實(shí)時(shí)獨(dú)立控制,從而具備了對(duì)發(fā)射或接收信號(hào)在時(shí)域、空域和頻域的控制能力,以及對(duì)天線(xiàn)波束重構(gòu)的能力。2002年,美國(guó)的PYONGK.PARK和TUCSON提出了如圖5右圖的導(dǎo)引頭共形相控陣。陣列單元是在圖中所示的蛇形線(xiàn)結(jié)構(gòu)側(cè)面上開(kāi)的槽縫。陣列通過(guò)縱向頻掃、橫向相控來(lái)形成波束掃描。

此外,共孔徑復(fù)合還存在一些其他的方式,如諾•格公司研制的主動(dòng)毫米波/被動(dòng)紅外/半主動(dòng)激光三模共孔徑復(fù)合導(dǎo)引頭,如圖6所示。包括一個(gè)拋物面能量采集主鏡單元,一個(gè)前置介質(zhì)次鏡單元,該單元介質(zhì)表面將紅外信號(hào)反射到位于中心縱軸線(xiàn)上的紅外檢測(cè)單元,從而為毫米波信號(hào)的傳輸提供無(wú)遮擋的傳輸路徑,同時(shí)將激光信號(hào)轉(zhuǎn)向以與射頻紅外信號(hào)分離,減小相互之間的干擾與耦合[9]。

5關(guān)鍵技術(shù)分析

5.1高強(qiáng)度透波材料

在上述的幾種復(fù)合方式中,為實(shí)現(xiàn)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(hào)的能力。實(shí)現(xiàn)的方案主要有兩種,一是通過(guò)在一定厚度的介質(zhì)板表面鍍光學(xué)膜來(lái)達(dá)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(lái)制造復(fù)用副面。無(wú)論哪種方式,高強(qiáng)度和高透過(guò)性能的材料都需進(jìn)一步研究。

5.2遮光問(wèn)題

在第4•2和第4•3節(jié)所示的方案中,主反射鏡中間掏空以透過(guò)紅外能量,同時(shí)該主反射面作為毫米波收發(fā)天線(xiàn),由于中心掏空導(dǎo)致毫米波天線(xiàn)波束增益下降,副瓣電平抬高,影響了毫米波的探測(cè)和雜波抑制性能。因此,需要對(duì)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(fù)載轉(zhuǎn)臺(tái)

共孔徑方案中,毫米波射頻信號(hào)前端和紅外光學(xué)系統(tǒng)共同作為轉(zhuǎn)臺(tái)的負(fù)載,該負(fù)載較大,并需具有高的穩(wěn)定精度。因此,高精度的穩(wěn)定系統(tǒng)是復(fù)合導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部件之一。通常采用以下幾種形式:一是動(dòng)力陀螺框架式常平架穩(wěn)定結(jié)構(gòu),該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但精度不太高;二是穩(wěn)定平臺(tái)式結(jié)構(gòu),該方式穩(wěn)定可靠,可完全消除載體運(yùn)動(dòng)引起的不平穩(wěn)干擾誤差,但設(shè)備復(fù)雜,成本高;三是氣浮陀螺式結(jié)構(gòu),該方式耐高過(guò)載,精度高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,難度大。

5.4共形相控陣技術(shù)

彈載共形相控陣技術(shù)目前還處于研究之中,尚有許多關(guān)鍵技術(shù)需要突破,包括以下幾方面:一是共形陣列方向圖綜合問(wèn)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(duì)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(yán)重,較大的交叉極化分量往往導(dǎo)致很大的極化損失;四是饋電網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜,陣元之間的耦合嚴(yán)重;五是由于收發(fā)單元安裝于彈體表面,需要承受高熱、高動(dòng)態(tài)的惡劣環(huán)境。

6結(jié)束語(yǔ)

采取什么樣的復(fù)合方案要從打擊目標(biāo)的特性、系統(tǒng)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)、系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)、技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性、成本與效率等多方面進(jìn)行綜合考慮。本文較為全面地對(duì)多種MMW/IR共口徑復(fù)合方案進(jìn)行了分析,指出每種方案的特點(diǎn)及技術(shù)難點(diǎn),對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié),可為從事MMW/IR共口徑復(fù)合研究的科研人員提供借鑒和技術(shù)支撐。目前,盡管有少量的共口徑復(fù)合導(dǎo)引頭在某些低速戰(zhàn)術(shù)彈上研究成功,但在高速、高機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈上還有很大的技術(shù)難度,特別是共形相控陣復(fù)合方面,尚有大量的技術(shù)難題需要突破。