湯永濤, 林鴻生, 陳 春
(海軍蚌埠士官學校,安徽 蚌埠 233012)
現代導彈導引頭發展綜述
湯永濤, 林鴻生, 陳 春
(海軍蚌埠士官學校,安徽 蚌埠 233012)
介紹了導彈導引頭的功能及組成,綜述了現代導彈導引頭的發展與現狀,通過舉例說明了當代國外一些典型先進導引頭的主要戰技指標,最后評述了導彈導引頭的發展趨勢。
導彈導引頭;發展現狀;發展趨勢
現代化的高科技武器系統,主要任務是對目標進行精確打擊,精確打擊這一指標在現代化軍事中凸顯的越來越重要。精確制導武器現已成為實現精確打擊的主要手段之一,是信息化局部戰爭中物理殺傷的主要手段,并在戰爭中發揮了重要作用。由于導引頭良好的跟蹤、捕獲性能,其技術已成為精確制導武器的核心技術之一。導引頭用來完成對目標的自主搜索、識別和跟蹤,并給出制導律所需要的控制信號,在制導過程中,確保制導系統不斷地跟蹤目標,形成控制信號,送入自動駕駛儀,操縱導彈飛向目標[1]。導引頭廣泛應用于導彈的雷達、紅外、激光、電視等原理制導中,在地空、空地、空空等戰術武器的應用中,均取得了驚人的成績。
1.1 導引頭的功能
導引頭可以說是導彈的眼睛,導彈的精準與否主要取決于制導方式,換言之就是將采用何種導引頭,也是衡量一個國家武器系統先進的一個標準。導引頭是尋的制導控制回路的測量敏感部件,主要包含三大功能:一是截獲并跟蹤目標;二是輸出實現引導規律所需要的信息:三是消除彈體擾動對位標器在空間指向穩定性的影響[2]。
1.2 導引頭的組成
導引頭又稱尋的頭,是按照導引規律使導彈彈軸或速度向量相對于目標瞄準線穩定,并向導彈執行機構輸出控制信號的裝置,是自動尋的導彈的重要組成部分,并安裝于導彈頭部。按獲取目標輻射或反射能量的不同可分為電視、雷達、毫米波、紅外、紅外成像、雙色紅外及激光等導引頭。
導引頭通常由光學系統、調制盤、探測器、動力隨動陀螺等組成。探測器可以是攝像管、光敏元件或紅外焦平面陣列器件等。導引頭可采用的導引規律一般有直接瞄準法、追蹤法及比例導引法等。一般工作過程:導引頭先在較大空間角范圍內搜索目標,一旦搜索到目標立即進入鎖定狀態,表明導引頭已捕獲到目標;此后導引頭將按導引規律自動跟蹤目標,并不斷發出控制信號給導彈執行機構以改變導彈姿態,保證彈軸或速度向量相對于目標瞄準線穩定[3]。
2.1 電視導引頭
利用電視攝像機攝取目標圖像獲得制導信號的導引頭,包括電視攝像機、行場鋸齒波發生器、同步機、偏轉掃描電路、門電路、視頻處理電路、角跟蹤和伺服機構等。電視導引頭捕獲到目標后,就按導引規律自動跟蹤目標,并不斷發出控制信號給導彈執行機構,以修正導彈的飛行軌跡。這種系統可以實現全自動,但受氣象條件及能見度限制,導引距離較近。為了克服飛行過程中振動的影響,電視攝像機通常要用陀螺加以穩定[4]。
早期由于受光電轉換器件發展水平的限制,電視導引技術的發展出現了停滯。隨著此類器件從超正析攝像管、Sb2S3、PbO、Si光導攝像管到CCD器件的發展,電視導引技術又得到了充分的發展。雖然目前電視導引頭并不比雷達導引頭應用廣泛,但隨著紅外CCD器件、光導纖維和超大規模集成電路圖像處理技術的出現和發展,電視導引頭朝著體積小、質量輕和人工智能的方向發展,而且電視導引頭跟蹤精度高、抗電磁波干擾強,在未來的導彈武器系統中必然會得到更為廣泛的應用。
美軍AGM-130空地導彈是一種主要用于攻擊機場、橋梁的電視制導導彈,其導引頭采用電荷耦合器攝像機,攻擊精度高。這種導彈可采用兩種制導方式:一種是導彈上的電視導引頭將攝取到的圖像傳進到載機飛行員面前的顯示器,導彈始終受飛行員的控制;另一種是在導彈發射前使電視導引頭鎖定目標,然后發射導彈,導彈自動對鎖定的目標實施攻擊。
2.2 雷達導引頭
雷達自動導引或自動瞄準,是利用彈上設備接收目標輻射或反射的無線電波,實現對目標的跟蹤并形成制導指令,引導導彈飛向目標的一種導引方法。雷達導引頭的任務是捕捉目標,對目標進行角坐標、距離和速度的跟蹤,并計算控制參數和形成控制指令,操縱導彈擊毀目標。目前主要存在主動雷達導引和被動雷達導引兩種雷達制導模式,而且兩種被綜合運用在一起稱為主被動雷達導引系統。在主被動雷達多模導引系統中,從功能上看存在主動雷達與被動雷達兩個分系統。對于常規的單模制導系統,在進行系統設計時只需考慮對于單一雷達系統的優化。對于在有限的空間內進行多模制導系統的設計,需要對兩個分系統的設計進行折中,設計的關鍵是兩個雷達分系統的一體化設計。被動雷達由于是單程接收,雷達的截獲距離在一定條件下相對較遠,同時由于被動雷達本身不輻射信號,對方的導彈告警裝置無法偵察,攻擊具有隱蔽性,但被動雷達由于帶寬相對較寬,制導精度較差。主動雷達由于發射機輸出功率的限制,截獲距離較近,同時發射機開機后對方的導彈告警裝置即可偵察到導彈攻擊而采取機動或釋放干擾。
根據上面分析的兩個雷達系統的工作特點與技術特點,被動分系統在主動分系統之前開始工作,接收包括目標雷達在內的多種雷達的輻射脈沖,經過接收處理電路的處理形成接收脈沖的載頻、脈寬、到達時間、脈沖幅度等參數,根據加載的目標信息由信息處理電路進行目標分選。一般利用載頻、脈寬、到達時間(重復頻率)進行分選。完成目標分選后進行重頻跟蹤,在此基礎上進行目標角度的測量,根據測量的角度數據閉合目標跟蹤回路。在進入主動雷達分系統的截獲距離后,主動雷達發射機開機,主動接收與處理電路在被動分系統所跟蹤的方位上對目標進行速度(距離)搜索[5]。截獲目標后,導引頭可以有兩種工作模式:其一,主動雷達分系統穩定截獲后,導引頭由被動跟蹤轉入主動跟蹤;其二,主、被動兩個分系統同時工作,導引頭進入融合跟蹤模式。
哈姆最新型導彈AGM-88E采用了全新的雙模主被動復合導引頭,由美國科學與應用技術公司負責開發。該雙模導引頭由數字式寬帶被動射頻導引頭和主動W波段毫米波雷達導引頭復合。導引頭采用Ball宇航技術公司開發的共形天線陣取代標準哈姆采用的單柱式螺旋天線,可處理寬帶被動導引頭和W波段脈沖導引頭的信號。這種主被動復合導引頭具有較強的抗雷達關機能力。當導彈到達目標區附近時,如果目標雷達已關機,則啟動毫米波導引頭,搜索目標雷達天線或其防空導彈發射架發出的強回波。主被動雷達雙模導引頭作為復合制導導彈的核心部件,其制導精度和抗干擾性能大大提升了精確制導武器的威力。
2.3 紅外導引頭
能連續探測目標紅外輻射,自動跟蹤目標并給出導引信號的裝置。主要由光學目標位標器和信息處理電路組成。紅外導引頭把目標作為一個熱點源進行探測,所以是熱點式導引頭。紅外導引頭結構簡單、抗干擾能力強,但其使用受云霧天氣及太陽背景的限制。紅外導引頭主要用于被動尋的制導的導彈。此外,還有利用在兩種波段下工作的雙色紅外器件的雙色紅外導引頭。這種導引頭在3μm~5μm及8μm~12μm兩個波段內同時工作,除具有紅外導引頭的功能外,還具有目標識別的能力。
第1階段:20世紀60年代中期以前,這時的紅外制導武器主要用于攻擊空中速度較慢的飛機,其探測器采用不制冷的硫化鉛,信息處理系統為單元調制盤式調幅系統,工作波段為1μm~3μm,靈敏度低、抗干擾能力差、跟蹤角速度低。這一階段的典型產品有美國的響尾蛇AIM29B、紅眼睛Redeye,以及前蘇聯的K213、SAM27等。
第2階段:20世紀60年代中期到70年代中期,探測器采用了制冷的硫化鉛或銻化銦從而極大地提高了靈敏度,工作波段也延伸到3μm~5μm的中紅外波段,改進了調制盤和信號處理電路,提高了跟蹤速度。這一階段制導武器的作戰性能得到了較大提高,雖然還只能進行尾追攻擊,但攻擊區和對付高速目標的能力有很大提高,代表型號有美國的AIM29D、法國的馬特拉R530等。
第3階段:20世紀70年代后期以后,紅外探測器均采用了高靈敏度的制冷銻化銦,并且改變了以往的光信號調制方式,多采用圓錐掃描和玫瑰線掃描,亦有非調制盤式的多元脈沖調制系統,具有探測距離遠、探測范圍大、跟蹤角速度高等特點,有的還具有自動搜索和自動截獲目標的能力。因此,這一階段的紅外制導武器可進行全向攻擊和對付機動目標,代表型號有美國的AIM-9L、前蘇聯的R273E、以色列的怪蛇3、美國的毒刺(Stinger)及法國的西北風(Mistral)等[6]。
2.4 紅外成像導引頭
探測景物的紅外輻射圖像,鑒別目標并形成制導信號的導引頭。主要由紅外攝像機、伺服機構和信號處理電路等組成。工作原理:紅外攝像機的紅外探測器具有溫度分辨力,當攝像機對景物掃描時,因為目標和背景的紅外輻射特性不同,而在視場內接收到的目標輻射電平與背景輻射電平不同,差值即為目標信息。
將此目標信號處理成視頻脈沖信號后,在顯像管上以圖像形式顯示出來。當射手判定所顯示圖像是攻擊的目標時,扳動操縱手柄,使攝像機對準目標,然后接通跟蹤門并發射導彈。在導彈飛行過程中,如果目標偏離攝像機的光學中心,信號處理電路中的波門基準電壓就會檢測出誤差信號,并把它傳輸給攝像機伺服機構,控制攝像機使其自動跟蹤目標,同時此誤差信號電傳輸給自動駕駛儀,控制導彈飛行。
另一種紅外成像導引頭是將目標圖像存在導彈上,作為基準圖像。將成像導引頭在飛行過程中的紅外成像同基準圖像按選定的跟蹤方法進行比較,產生誤差信號,使導引頭保持對目標的跟蹤并操縱導彈飛向目標。這種成像導引頭的制導過程不需要射手參與[7]。
美國的響尾蛇AIM-9X導彈采用紅外成像導引頭,具有多目標和全向攻擊能力。探測器為128×128元的銻化銦凝視焦平面陣列,工作在3μm~5μm波段。采用機械閉環斯特林低溫制冷器,可連續工作很長時間,大大減少了維護工作量,頭罩用藍寶石材料。該導引頭具有180°的跟蹤視場,最大離軸發射角達到±90°。導引頭的目標截獲距離在藍天背景下為13 km~16 km,在地面雜波背景下為6.4 km,可與聯合頭盔提示系統配合使用。
以色列的怪蛇4空空導彈采用100元線列掃描成像導引頭,德國IRIS-T空空導彈采用128元線列掃描成像導引頭,南非的A-Darter空空導彈則采用2×100雙色線列掃描成像導引頭[8]。
2.5 激光導引頭
接收從目標反射的激光,自動跟蹤目標并提供導彈導引信號的裝置。通常由光學系統、光電轉換器件、電子線路、陀螺組件及隨動系統等組成。光學系統固定在萬向支架上,使光學軸線可相對于彈體軸線作方位和俯仰運動。光電轉換器件將激光能量轉換成電能。通常采用的是四象限硅光電二極管,其光敏面置于光學系統的焦平面上。光學系統接收目標反射來的激光,聚焦后的激光落在光敏面上的位置,反映目標相對于光學軸線的角偏差。電子線路處理來自光電轉換器的電信號,檢出反映目標相對于光學軸線的角偏差信號。
偏差信號一路按角跟蹤回路要求輸給隨動系統,控制導引頭光軸跟蹤目標,另一路按導引規律要求形成控制信號,輸出給導彈的執行機構,控制導彈的運動。陀螺組件的主要部分是一個二自由度陀螺,給導引頭提供一個穩定的參考坐標系,同時也是隨動系統的一個組成部分。隨動系統通常受電子線路輸出的控制,完成光軸跟蹤目標的任務。
實際使用的激光導引頭有半主動式比例導引頭、半主動式風標導引頭和主動式導引頭三種。激光半主動式比例導引頭的輸出信號與導彈和目標視線角速度成比例。激光風標導引頭裝有風標,在飛行過程中風標始終指向導彈的瞬時速度方向。當導彈與目標間的視線與風標指向不重合時,導引頭輸出信號控制導彈的速度方向指向目標。這種激光風標導引頭的導引精度低,適合于攻擊固定目標。激光主動式導引頭的激光照射器也裝在導引頭上,對目標主動照射、搜索和跟蹤,引導導彈飛向目標,但成本高且結構復雜,較難實現[9]。
美國LOCAAS導彈的導引頭采用激光探測站,可以對地形和位于其中的目標進行三維高精度攝影,實現目標的探測和識別。運用反射信號干涉測量法,無需進行掃描就可得到目標的三維圖像。激光探測站中采用激光照射脈沖發生器(波長1.54 nm,脈沖重復頻率10 Hz~2 k Hz),而電荷耦合的敏感元陣列作為接收器。這種激光站與標準激光探測站不同,標準激光站采用掃描光束進行格柵式掃描,而這種激光站的視角稍大(可以達到±20°)、圖像畸變小、輻射峰值功率相當大。這種激光站與目標自動識別設備配合,可根據彈載計算機存儲的信號特征探測達50 000種典型目標。導彈飛行過程中,激光站可沿飛行航向在寬度為750 m的地帶實現目標搜索,在識別模式下該地帶寬度縮小至100 m。在同時探測到多個目標的情況下,圖像處理算法能夠保證攻擊其中最重要的目標[10]。
2.6 毫米波導引頭
能連續探測目標的毫米波輻射或反射,自動跟蹤目標并提供導引信號的裝置。主要有兩類:主動式毫米波導引頭與被動式毫米波導引頭。主動式毫米波導引頭抗干擾性能好、測量精度高、分辨力強、天線尺寸、質量和體積都較小。主動式毫米波導引頭從掃描方式來分有三種:圓錐掃描導引頭、單脈沖導引頭及相控陣導引頭。
被動式毫米波導引頭較主動式毫米波導引頭體積和質量更小且不易干擾,但在相同波長及相等天線尺寸的情況下,分辨力較主動式毫米波導引頭低。毫米波導引頭的波束窄,搜索和捕獲目標較困難,對雨、霧、煙、塵埃的穿透性能強,具有全天候能力,適用于近距離戰術導彈,尤其是末段制導導彈。
美國海軍和意大利空軍于2008年8月在中國湖完成了AGM-88E先進反輻射導彈的第二次發射。該導引頭采用了被動模式和主動毫米波(MMW)模式復合,當可以探測、識別、定位輻射目標源時由被動模式進行制導,若目標雷達關機,則前段飛行利用慣性導航系統/全球定位(INS/ GPS)制導,后段飛行使用主動毫米波(MMW)雷達制導。
2.7 相控陣雷達導引頭
相控陣雷達導引頭采用相控陣技術,實現快速精確的測速、測距、測角和目標識別,與導彈飛控組件一起完成對目標在速度、距離和角度上的搜索、探測、截獲和跟蹤,連續測量目標視線角運動參數及相對速度參數,傳給飛控組件,完成導彈末制導,并為引信提供方位、距離和速度等彈目交會信息,以完成引信的最佳起爆。在相控陣雷達導引頭中,有源相控陣天線代替了傳統雷達導引頭的天線、機械位標器和發射機,其天線形式、掃描方式、平臺穩定以及結構尺寸等方面都發生了根本變化,為導引頭獲得新的性能提供了實現手段。相控陣雷達導引頭具有功率密度大、電掃描快速跟蹤、多目標信息提取、空時自適應信號處理(STAP)、自適應抗干擾、體積小和可靠性高等多種技術優勢,是精確制導雷達導引頭的發展方向。相控陣導引頭,特別是共形天線相控陣雷達導引頭是當今世界上最前沿、最復雜的雷達導引頭之一[11]。
目前,相控陣導引頭處于積極的試驗和研制階段。在相控陣雷達導引頭中,有源相控陣天線代替了傳統雷達導引頭的天線、機械位標器和發射機,其天線形式、掃描方式、平臺穩定以及結構尺寸等方面都發生了根本變化,為導引頭獲得新的性能提供了實現手段。目前,相控陣雷達導引頭正在向Ka波段(35 GHz)、W波段(94 GHz)方向發展[12]。
美國專利US548683l介紹了一種多模導彈導引頭系統,該導引頭包括一個相控陣天線和電路,電路對相控陣天線接收到的信號做出響應,使天線按照由其接收信號確定的視場角掃描。導引頭前部有頭部區,頭部區中有附加傳感器,處于天線前面。專利中采用電子掃描射頻孔徑和離軸DF處理技術來克服導彈頭部附加傳感器的遮擋影響,該專利可解決多模導引頭測向問題。通過改變相控陣天線每一陣元的相位來實現天線波束在空間的電子掃描。因此,導引頭系統可跟蹤波束內的目標,而不需要隨著目標位置相對于導彈的變化使天線重新定位。
2.8 多模復合導引頭
為了能夠截獲目標的多種頻譜信息,彌補單模制導的缺陷,發揮各種傳感器的優點,提高武器系統的作戰能力,目前多模復合制導已得到了廣泛的發展。多模復合制導在充分利用現有的尋的制導技術的基礎上,能夠獲取目標的多種頻譜信息,通過信息融合技術提高尋的裝置的智能,彌補單模制導的缺陷,發揮各種傳感器的優點,提高武器系統的作戰效應,是今后導引頭的主要發展方向。為了減小質量及尺寸、降低成本,復合導引頭的結構中,計劃只在一個通道中使用目標跟蹤系統(位標器用陀螺或電子的方法實現穩定)。其它的導引頭中將采用固定的發射器和能量接收器,至于如何改變視線角,計劃運用多種技術方案,如紅外成像通道內使用透鏡精確校準的精微機械設備,而雷達通道內使用方向圖電子掃描。
洛克希德·馬丁公司的制冷型三模導引頭以三個成熟武器系統為背景,包括標槍(Javelin)、長弓(LONGBOW)和地獄火(HELLFIRE)。目前的第四代導引頭已經完成了數千小時的實驗室、炮塔和人工等多方面的測試,并在惡劣戰場環境和制導飛行測試中獲得驗證。制冷型三模導引頭由一個半主動激光傳感器、一個紅外成像傳感器(IR)和一個毫米波雷達組成,可以鎖定陸地或海上的移動和固定目標。制冷型紅外成像傳感器提供了導彈初始截獲范圍內無源探測及發射前鎖定功能,大大提高了武器系統的生存能力。導彈發射后三種傳感器協同工作,信息共享,可以在各種天氣環境下工作,提升“發射后不管”的能力。
3.1 復合導引頭成為未來發展主流
采用復合制導,可以彌補單一成像制導體制的不足,并大大提高目標的探測概率及導引頭的抗干擾能力。與單一模式制導導彈相比,采用復合制導技術的導彈具有顯著的優勢:精度更高、作用距離更遠、打擊能力更強,并增強了抗電磁和光電干擾能力、目標識別能力,可實現全天候作戰。如美國的馬丁·瑪麗埃塔公司為“銅斑蛇”(Cop-perhead)制導炮彈研制的紅外成像/激光制導雙模導引頭,當成像制導模式受阻時,則以主動模式工作的激光制導體制仍能將炮彈準確導向目標,可見復合導引頭有很強的抗干擾能力[13]。
3.2 向通用化、系列化、標準化及多功能方向發展
目前,無論是導彈導引頭本身還是其部件,都在不斷地朝著通用化、系列化及標準化、多功能方向發展,以求實現在不同型號的彈上的通用性;另一方面,通用、標準、系列化的組件又可使得不同的用戶可以根據不同的使用要求,運用不同的組合來組裝新系統,從而更便于使用。在這一方面,英、美、法等西方各國已率先推行了通用組件計劃,大大推動了導彈制導技術的發展[14]。
3.3 采用更先進的技術
隨著自動化水平的不斷提高,導彈的智能化特征越來越明顯,發射后不管和ATR(自動目標識別)技術被廣泛應用于導彈導引頭中。例如,美國的戰斧導彈可以在飛行中實時重新瞄準,如果原定目標已被摧毀,可在預先計劃的多個目標中重新選擇目標進行攻擊;它還可以根據指令在飛行距離不超過400 km的戰場上空盤旋2 h,從衛星、飛機、無人機或海軍陸戰隊的通信設備上接收重新瞄準和定位數據,由戰場指揮官選擇目標、發出攻擊指令后,重新規劃航線、再次瞄準,并迅速發起攻擊。
再例如,采用ATR技術后,計算機處理一個或多個傳感器的輸出信號,識別和跟蹤特定目標,并使導彈命中目標,目前所實現的是前視模板匹配ATR系統。這種系統包括有相當于人眼的紅外成像或激光成像傳感器;相當于人的記憶的存儲器存儲基準數字地圖;執行判斷的微處理器,在微處理器中將基準圖與實時圖進行相關、比較,處理結果用于操控導彈,這又相當于人的動作。ATR技術已初步體現導引頭智能性的自主作戰的特征,目前已在紅外成像導引頭、激光成像導引頭上實現了ATR功能。隨著數字信號處理技術及人工智能專家系統的發展,高速可編程視頻信號實時處理器也將會不斷研制成功并投入使用,導引頭從復雜的背景中識別出目標的能力、跟蹤多目標的能力及按最佳捷徑攻擊目標的能力將大大提高。可以預見,隨著科學技術尤其是計算機技術、模式識別技術等的發展,導彈導引頭也必將得到進一步的完善與發展。
隨著電子對抗技術、隱身技術的發展,導彈導引頭面臨著嚴峻的挑戰,要求它具備各種抗干擾能力、識別真假目標的能力和全天候工作的能力,而各種能力的提升決定著導彈的威力大小,如何在各種技術飛速發展的條件下,研制出更加先進的導彈導引頭,已經成為各國爭先發展的目標。
[1]程國采.戰術導彈導引方法[M].北京:國防工業出版社,1996.
[2]郭修煌.精確制導技術[M].北京:國防工業出版社,1998.
[3]雷虎民.導彈制導與控制原理[M].北京:國防工業出版社,1999.
[4]董傳昌,劉仁水.電視導引頭特性分析[J].電光與控制,2003,(4).
[5]李德純.主動式雷達導引頭技術發展探討[J].制導與引信,2001,(2).
[6]趙峰民,等.從戰場環境變化看紅外導引頭的發展[J].飛航導彈,2011,(10).
[7]施德恒,等.紅外成像導引頭發展綜述[J].激光與紅外,1997,(6).
[8]白洪斌,胡凡俊.紅外制導技術發展綜述[J].科技信息,2009,(19).
[9]郜開開,等.精確制導武器的導引頭綜述[J].科技創新導報,2011,(11).
[10]劉穎,陳勇.國外精確制導武器的導引頭技術發展[J].飛航導彈,2011,(8).
[11]趙鴻燕,王麗霞.相控陣雷達導引頭技術[J].飛航導彈,2009,(10).
[12]趙鴻燕.相控陣雷達導引頭技術發展現狀[J].飛航導彈,2011,(8).
[13]徐春夷.國外導引頭技術現狀及發展趨勢[J].制導與引信,2012,(2).
[14]張純學.飛航導彈導引頭發展方向探析[J].飛航導彈,2008,(1).
The Development and Summary of Modern Missile Seeker
TANG Yong-tao, LIN Hong-sheng, CHEN Chun
(Bengbu Naval PettyOfficier Acdemy,Bengbu Anhui 233012,China)
Introduces the function and composition of the missile seeker,summarizes the development and current of modern missile seeker.The present abroad some typical advanced technical index of the missile seeker are illustrated.Finally,the developing trend of missile seeker are reviewed.
missile seeker;current development;developing trend
TJ765.331
A
1671-0576(2014)01-0012-06
2013-12-26
湯永濤(1979-),男,本科,主要從事導彈及導彈對抗方面研究。