反裝甲導彈雷達導引頭制導性能分析

何 均

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

反裝甲導彈雷達導引頭制導性能分析

何 均

(中國西南電子技術研究所,成都 610036)

分析了雷達導引頭用于反裝甲導彈的技術方案。在目標的特性分析基礎上,論證了導引頭適宜采用的信號類型及具體的高分辨信號形式,設計了導引頭在地面段和空中段的工作模式及工作過程。采用一組工作參數仿真分析了導引頭達到的測量精度,結果表明,雷達導引頭的測距精度小于1 m,角速率誤差小于0.2°/s,隨彈目距離的減小,精度進一步提高。導引頭具備較高的制導性能和技術可實現性,對反裝甲導彈雷達導引頭的工程應用具有一定參考價值。

反裝甲導彈;雷達導引頭;毫米波;制導性能

1 引 言

地面坦克、裝甲車、重型火炮一直以來都是現代戰爭重點打擊的目標類型[2]。從效費比的角度考慮,攻擊此類目標時多采用成本較低、精度較高、作用距離較近的導彈。SAR成像末制導體制成本較高、數據處理量較大、對彈道要求嚴格,難以適用。除光電、紅外、激光末制導導彈外,雷達末制導導彈以其全天時、全天候工作的特點受到廣泛的關注和研究。由于此類目標通常處于復雜的地理環境中,地雜波影響嚴重,而目標的雷達散射截面較小,處于靜止或運動狀態,受地物環境影響較大,難以進行有效的檢測和判別。如何從復雜多變的地面環境準確檢測目標成為雷達導引頭研究的關鍵因素。南京理工大學的胡體玲[1]、陳金[2]等對高分辨雷達信號進行了分析。本文以常規低成本的研究角度,首先通過對高距離分辨信號的分析提出反裝甲導彈雷達導引頭應采用的信號形式,進而設計了導引頭的工作流程、目標檢測算法等,通過仿真分析論證導引頭達到的性能指標。

2 導引頭的信號分析

2.1 目標特性分析

雷達末制導導引頭通常工作于毫米波頻段,波長遠小于目標尺寸,工作于光學區,雷達信號照射到目標后將形成多個散射中心,若采用寬帶發射信號,目標回波的距離像包含多個反映目標特性的峰值,有利于對目標進行識別。地面目標體積較小、雷達發射截面積不大,其毫米波段的 RCS約為 10～100 m2,受地面其他目標如地形起伏、樹林、建筑物等影響嚴重。對低分辨雷達而言,目標的回波將淹沒于噪聲和雜波之中,這時的目標檢測較難,達不到進行可靠檢測所需的信噪比要求。此外,目標可能處于靜止或慢速運動狀態,也不能采用常規MTI雷達采用的動目標檢測手段。因此,需要利用目標特征信息,采用距離高分辨信號對目標進行檢測,在此基礎上進一步識別目標[3]。

反裝甲雷達導引頭采用高分辨發射信號,從而可以實現:

(1)高分辨回波信號形成具有多個峰值的目標一維距離像,利用距離像信息對目標進行識別,提高目標識別能力;

(2)利用距離高分辨減小單個距離單元內雜波的回波能量,而目標回波能量主要由散射中心決定,受距離單元大小影響不大,從而提高信雜比;

(3)高分辨回波在距離像形成多個峰值,峰值的個數在一定范圍內相對固定,從而抑制突然出現的單個峰值或大片峰值的干擾信號,提高抗干擾能力。

2.2 高分辨雷達信號分析

為獲得高分辨距離信息,導引頭需采用寬帶發射信號,主要的寬帶信號包括線性調頻信號、調頻步進頻信號、相位編碼信號等[4],在高分辨率雷達系統中,線性調頻脈沖壓縮信號和調頻步進頻信號是用得最多的兩種,下面針對這兩種信號進行分析。

(1)線性調頻脈沖壓縮信號

式中,k為調頻斜率,A為發射信號幅度,0為發射信號初相,f0為發射信號的載頻。

該信號的模糊函數為

(2)調頻步進頻信號

式中,Tr為脈沖重復周期,T為子脈沖寬度,f0為載頻起始頻率,Δf為頻率步進量,N為頻率步進數量。

信號的模糊函數為

分析兩種信號的模糊圖可以看出:線性調頻信號具有良好的距離(時間)和速度(頻率)分辨力,信號主要能量及峰值位于Td=Fd的直線上,具有較好的抗雜波干擾能力;調頻步進信號的模糊圖存在多個相互獨立的模糊帶,在頻率維存在多值性,而在時間維具有較高的分辨力,由于信號能量主要集中于各模糊帶上,因此具有較好的雜波抑制能力。

3 導引頭工作模式設計

系統工作過程主要分地面段和空中段兩個階段。

3.1 地面段

(1)任務加載

由于不同目標具有不同的一維距離像特征,因此,在導彈發射之前,需要對導引頭進行任務加載,主要包括待打擊的目標類型及目標的特征數據庫等信息。

(2)系統自檢

通過查看導引頭的BIT信號判斷各模塊是否工作正常。同時,利用測試接口輸入相應的測試信號,檢驗導引頭主要指標是否滿足導彈系統的要求。

3.2 空中段

導引頭在飛行過程中的工作過程如圖1所示。

圖1 導引頭的工作過程Fig.1 The working process of radar seeker

(1)導引頭開發射前

此階段導引頭加電,但由于彈目距離較遠,在導引頭的威力范圍外,為了避免導引頭發射信號被對方探測并被干擾,同時降低系統電源消耗,功放處于不發射狀態。導引頭將天線指向起始掃描位置,并由伺服系統實現天線的電鎖定,導引頭處于掃描準備狀態。

(2)目標區搜索

當導彈進入導引頭威力范圍后,導引頭打開發射機,按照預先設定或解算得到的搜索范圍對目標區快速進行掃描。采集目標及地物背景回波,進行脈沖壓縮、相參積累等處理,獲得目標的一維距離像及單脈沖波束銳化圖像。

(3)目標識別捕獲

利用獲取的圖像,提取目標的特征信息,檢測超過一定門限的峰值信號,識別出待攻擊目標,實現對目標的捕獲,同時,采用平滑濾波等技術進行角閃爍抑制處理。

(4)目標跟蹤

導引頭采用和差比幅單脈沖體制提取目標的角度信息,同時,采用數字式比相器,與傳統的模擬比相器相比,數字比相器對三通道接收機的相位一致性要求大為降低。單脈沖跟蹤精度很高,隨著彈目距離的減小、信噪比的提高,其跟蹤精度將進一步提高。

當彈目距離小于某值(如50 m)時,進入導引頭的工作盲區,導引頭停止輸出彈目信息,導彈以慣性飛向目標。

在導引頭工作的各個模式中,目標的檢測捕獲至關重要?？紤]到導引頭系統采用高分辨雷達體制后,信雜比一般都在10 dB以上,而且需檢測的目標變成了一定長度的擴展目標,在一維距離像上,表現為一段起伏的回波,而孤立的雜波源或雜波邊界在徑向上的擴展長度與目標信號相比是比較短的。因此,如果知道待檢測目標沿徑向的粗略長度,并以該長度為擴展目標檢測的基準單位(第二門限),那么,首先設置一預檢測門限(第一門限),將超過該門限的散射點檢測出來,然后利用這些散射點在徑向上的位置信息與基準單位進行比較,則很容易剔除假目標信號和雜波干擾信號,檢測出真實的目標信號。而且,在距離向上的目標數目再多,只要其徑向分布具有一定的長度,都將被檢測出來。這種方法利用了目標前后散射點的位置相關信息。

4 導引頭制導性能分析

4.1 參數設置

設置導引頭工作參數如下:工作頻段為W頻段;發射功率300 mW;發射信號形式為LFMCW;發射脈沖重復頻率8 kHz;調頻帶寬400 MHz;天線尺寸為160 mm×60 mm(收發天線分開);和波束增益35 dB;和波束寬度 1.4°×3.6°;天線形式為平板裂縫天線;天線方位掃描范圍±20°;俯仰掃描范圍-20°～ +20°;測角方法為二維單脈沖。

4.2 導引頭的測距精度

雷達的測距精度σR,即距離誤差可用下式表示[5]:

式中,σG為距離單元量化誤差,σN為噪聲引入的誤差,σt為脈沖前沿抖動誤差,σc為雜波與干擾引入的誤差,σA為多路徑引入的誤差,σF為目標閃爍引入的誤差,σD為距離多普勒耦合誤差,σT為傳播引入的誤差。

根據上述各項計算結果,計算出導引頭的距離精度 σR=0.986 m。

4.3 方位與俯仰測角精度

導引頭的主要測角誤差包括表1的各分量[6]。

表1 導引頭的主要角誤差分量Table 1 Main angle error element of seeker

根據導彈飛行情況和導引頭參數設計,按照角誤差最大的情況通過捷變頻、平滑濾波改善后的目標的方位、俯仰的導引頭電軸測角誤差估計結果見圖2。

圖2 導引頭的電軸測角誤差Fig.2 The electricity axis angle error of seeker

從圖中可以看出,跟蹤段(假定從2.5 km開始跟蹤)方位/俯仰測角誤差最大值為0.12°,近距離時方位/俯仰測角誤差δ小于0.2°。

4.4 方位與俯仰角速率精度

目標跟蹤視線角速率誤差直接決定導彈最終的命中精度,目標視線角速率誤差主要由電軸測角誤差及導引頭跟蹤回路角速率誤差引起。綜合這幾類誤差分量,計算導引頭方位與俯仰的角速率誤差如圖3所示。

圖3 導引頭的角速率精度Fig.3 The angle velocity error of seeker

從圖3可以看出,導引頭的角跟蹤精度在遠距離時較大,難以滿足系統要求。隨著距離的逐漸減小,小于1.4 km時角速率誤差也越來越小,低于0.2°/s。

通過上述分析可知,為滿足較高的制導性能,反裝甲導彈雷達導引頭在進行系統設計時,需采用以下技術:

(1)采用高分辨距離信號,有利于提高反裝甲雷達導引頭對目標的識別和檢測能力,提高測距精度;

(2)采用較高的工作頻段,在有限的空間中獲得較高的天線增益和窄的波束寬度,提高導引頭的信噪比和測角精度;

(3)采用連續波體制,降低導引頭的峰值發射功率和被截獲概率。

5 結 論

本文在對反裝甲雷達導引頭采用的信號形式、工作過程進行設計分析的基礎上,采用一組具有代表性的導引頭參數,仿真論證導引頭達到的制導性能,較為全面地對導引頭系統設計的主要參數進行了論證,可為科研人員進行導引頭設計提供相關的技術支撐。對處于復雜環境下的裝甲目標,僅采用雷達導引頭存在一定的困難,應采用與其他制導方式(如紅外等)復合進行制導。

[1]胡體玲.3mm波段高分辨力單脈沖雷達技術研究[D].南京:南京理工大學,2007.

HU Ti-ling.Research on Technique of Three Millimeter Wave Band High Resolution Monopulse Radar[D].Nanjing:Nanjing University of Science&Technology,2007.(in Chinese)

[2]陳金.毫米波頻率步進導引頭的信號處理[D].南京:南京理工大學,2004.

CHEN Jin.Signal Processing of Stepped Frequency System which is Applied in Millimeter Wave Seeker[D].Nanjing:Nanjing University of Science&Technology,2004.(inChinese)

[3]習遠望,張江華,劉逸平.空地導彈雷達導引頭最新技術進展[J].火控雷達技術,2010,39(2):17-22.

XI Yuan-wang,ZHANG Jiang-hua,LIU Yi-ping.The Latest Technique Progress on Air to Ground Radar Seeker[J].Fire Control Radar Technology,2010,39(2):17-22.(in Chinese)

[4]翟厚明.線性調頻連續波雷達導引頭信號處理系統研究[D].南京:南京理工大學,2005.

ZHAI Hou-ming.Research on LFMCW Radar Seeker Signal and Information Processing System[D].Nanjing:Nanjing U-niversity of Science&Technology,2005.(in Chinese)

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WANG De-chun,DING Jia-hui.precision tracking and instrumentation radartechnology[M].Beijing:Publishing House of Electronic Industry,2006.(in Chinese)

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ZHANG Jiao-yun.Modeling and Simulation of Single Pulse Radar Seeker[D].Xi′an:Xidian University Press,2006.(in Chinese)

HE Jun was born in Xichong,Sichuan Province,in 1975.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns radar system design.

Email:hjxwl@sina.com

Guidance Performance Analysis of Anti-armor Missile Radar Seeker

HE Jun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The technical scheme for anti-armor missile radar seeker is analysed.Based on the analysis of the target characteristics,the signal type and the specific form of high-resolution signal for seeker are expounded.The work mode and work processare designedwhen seeker is in the ground segment and air segment.The measurement accuracy of the seeker is simulated.The result shows that the ranging accuracy of radar seeker is less than 1meter and the angular rate error is less than 0.2°/s.With the distance decreasing,the precision is improved progressively.The seeker has high guidance performance and can be realized by present technology.The work in this paper has a certain reference value for the engineering application of anti-armor missile radar seekers.

anti-armor missile;radar seeker;millimeter wave;guidance performance

TN959.2

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.007

1001-893X(2012)06-0869-04

2012-02-28;

2012-06-07

何 均(1975—),男,四川西充人,碩士,工程師,主要研究方向為雷達系統設計。