毫米波雷達/紅外成像復合制導技術研究

磨國瑞 張江華 李 超 李存龍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

由于空面導彈導引頭的對地、對海目標檢測的復雜性，導致人們首先把目光投向具有目標分類識別能力的紅外成像、電視制導等技術。但是紅外或光學制導容易受天氣、天時影響、易受干擾、欺騙，導致精確制導武器進攻一些沒有價值的假目標，因此開始把注意力投向了頻譜介于微波與紅外之間的毫米波。毫米波具有全天候作戰能力，可實現發射后不管，以及毫米波具有對裝甲車輛等金屬類目標和運動目標的識別和打擊能力，但同時毫米波也存在隱蔽性較差、對靜止目標的檢測和目標分類識別能力較差的缺點。由于單模光學或毫米波制導導彈均存在一定的局限，現有的常規單模制導方式很難同時滿足現代信息化戰爭要求。通過通用化多模復合制導武器的研制，充分發揮各單一傳感器的優勢、互相彌補不足，實現全天候、全天時作戰、減少附帶損傷，完成精確打擊，是我軍緊跟技術發展趨勢、打贏現代信息化、高科技局部戰爭的必然要求和必備條件。

1 復合導引頭方式及特點

目前己知的多模復合導引頭的復合方式主要有以下三種結構：分平臺、共平臺分口徑和共平臺共孔徑復合方式。以下是這三種復合方式的優缺點對比：

1)分平臺復合方式

優點是實現簡單，但體積重量都比較大；這種復合方式的導引頭，通常采用雷達系統位于上方紅外成像系統位于下方的分立的排布。工作時雷達系統的接收和發射、紅外信號的接收也是完全獨立的，可以互不影響地同時工作。這種復合方式也可以看成是兩種體制探測器的拼接。如瑞典研制的RBS-15MK3導彈的復合導引頭就是采用這種復合方式[1]，如圖1所示。

圖1 雷達傳感器與紅外傳感器分平臺安裝的復合傳感器

2)共平臺分口徑復合方式

優點是體積、重量都有進一步減小。缺點是在雷達天線中心掏孔中間安裝紅外探測器，這種方式紅外鏡頭尺寸決定了雷達天線中心掏孔尺寸，對紅外探測器口徑要求較高，紅外通光口徑受到限制；由于雷達天線中心掏孔尺寸大使得天線副瓣電平很差，難以滿足使用要求。為了改善天線副瓣特性必須進一步減小光學系統孔徑，進而導致光學系統探測性能的降低。為提高探測距離，無論光學還是雷達都需要增大通光口徑/天線口徑，但是在彈徑一定的條件下兩者存在此消彼長的競爭關系，只能折中設計。

3)共平臺共孔徑復合方式

為同時提高光學和雷達的探測距離，也就是說，在彈徑一定的條件下同時增大通光口徑和雷達天線口徑，消除兩者的競爭關系，因此需要采用共口徑復合天線技術來解決此問題。共口徑復合天線技術采用卡塞格倫折反光學系統方案，采用卡塞格倫光學系統，紅外信號經主、次反射鏡的二次反射后匯聚于中心的焦點處，因此只需在雷達天線開孔透射反射面匯集的紅外信號即可，這樣雷達和紅外的口徑都得到充分利用。也就是說，不僅增大通光口徑，而且減小了雷達天線中心掏孔面積，更利于雷達天線獲得高增益、低副瓣。

采用這種復合方式的由洛克希德馬丁公司研制的JCM和JAGM三模復合導引頭、雷聲公司研制的JAGM三模復合導引頭等[2-3]，如圖2所示。

圖2 Lockheed Martin和雷聲公司的JAGM 樣機

三種復合方式特點對比如表1所示：

表1 三種復合方式特點對比

共平臺共孔徑復合方式具有口徑利用率高、位標器系統簡單、探測精度高、體積小、重量輕和成本低特點[4]，更適合于小口徑導彈和四代機內埋導彈等彈上嚴格的空間要求，是未來精確復合末制導技術的重要發展方向。

2 共孔徑復合方式的選擇

由于共平臺共孔徑復合方式的性能優越，成為了國內外研究重點，下面針對可能的共孔徑復合的結構形式進行討論。在共孔徑復合方案中，紅外一般采用卡塞格倫折反光學系統方案，毫米波雷達則可采用前饋源，也可采用后饋源。共孔徑復合方式可選的主要采用以下兩種形式[5]：

1)卡塞格林光學系統-拋物面天線復合

卡塞格林光學系統-拋物面天線復合，雷達采用前饋的方式，這種結構的特點是：雷達饋源及和差網絡安裝在次鏡前端，給支架增加負擔，而且重心偏離穩定平臺的回轉中心遠，轉動慣量大，給位標器的結構設計及電氣控制增加難度；主反射面的保證光學精度前提下的拋物面形式對于雷達傳輸來說其效率不是最高的；次反射鏡需要透過雷達信號，導致雷達信號幅度和相位誤差，降低了雷達天線的性能[2]。在這種復合方式下，既可以通過小型化技術將雷達收發組件和雷達饋源一體化設計放置于次反射鏡前端；也可以只將饋源放置于次反射鏡前端，而收發組件放置于主反射鏡后方。饋源或一體化收發組件通過波導或同軸電纜沿次鏡支架和接收機連接。紅外系統的次反射鏡需具有良好的毫米波透過性能，同時，在主鏡中心開孔處加入鍺透鏡，以透過紅外信號而阻止雷達信號通過[4]。

2)卡塞格林光學系統-中心掏孔平板裂縫陣天線復合

圖3是卡塞格林光學系統和中心掏孔平板裂縫陣天線復合結構，雷達天線采用平板波導裂縫天線形式，位于紅外光學系統的后端。該復合方式具有以下特點：雷達天線與光學主鏡設計相對獨立，光學系統可以完全按照光學成像要求設計主鏡面型，紅外成像系統能達到最佳設計；雷達平板波導裂縫天線具有效率高、剖面低、重量輕、結構緊湊以及性能穩定可靠等優點，容易實現對陣面的加權處理，易獲得高增益、低副瓣等特性。

圖3 卡塞格林光學系統-中心掏孔平板裂縫陣天線復合

針對以上兩種復合方案，雷達天線形式分為拋物面天線和平板裂縫陣天線，以下分別是這兩種天線的設計仿真：

在目前已有的導引頭頭罩外形下，天線回轉中心位于頭罩球面球心時，采用卡塞格林光學系統和拋物面天線復合方式天線尺寸最大為φ150mm，饋源和接收系統最大厚度為35mm；采用卡塞格林光學系統和中心掏孔平板裂縫陣天線復合方式天線尺寸最大為φ150mm。以下分別是這兩種結構的仿真設計。

①拋物面天線初步設計

因紅外信號需從拋物面天線中心穿過進入天線后面，雷達天線設計為前饋拋物面天線。前饋采用饋源加和差網絡的方式，拋物面天線直徑D=150mm，焦距f=60mm，光學次鏡遮擋直徑40mm，因紅外信號需從拋物面中心穿出，在拋物面中心挖掉一直徑40mm的孔。饋源相位中心位于拋物面焦點處，將饋源、和差網絡、拋物面結合起來進行仿真，得到如圖4方向圖。和波束方向圖增益大于27dB，副瓣低于-12dB，-3dB波束寬度4.5°。

圖4 反射面天線及方向圖

考慮到和差網絡及饋源損耗、反射面加工誤差、支桿遮擋等影響，實際增益應略低于仿真值，減少1dB左右，副瓣抬高1dB左右；另外，根據光學系統給出的拋物面天線曲面方程，與雷達設計的曲面方程不一致，若采用光學系統設計的曲面則雷達增益還會減少，加上雷達信號通過次鏡的損耗共1dB左右，復合天線雷達和波束增益在25dB，副瓣在-11dB。

②中心掏孔平板裂縫陣天線

采用中心掏孔平板波導裂縫陣天線作為雷達探測器的天饋線，該天饋線分系統自帶和差網絡采用單脈沖測角，中心掏孔主要用于紅外鏡頭的安裝。與其它形式雷達天線相比，波導裂縫陣天線在電器性能上具有較高的增益，并且它的口徑場分布易于控制，容易實現所要求的低副瓣特性。

圖5 平板裂縫陣天線及方向圖

采用外徑為150mm，挖孔直徑40mm的天饋線系統，經計算仿真該天饋線系統波束寬度4.5°，增益30dB，第一副瓣-16dB。考慮到平板波導裂縫陣天線前面需要放置紅外主鏡，其面積大而且在整個天線口面不均勻，需要對透雷達反紅外的主鏡對毫米波影響進行分析和補償，經仿真復合天線雷達增益損失1.5dB左右和副瓣惡化2dB左右，復合天線雷達和波束增益在28.5dB左右，副瓣在-14dB左右。

表2 拋物面和平板裂縫陣天線對比

綜上仿真設計結果，中心掏孔平板波導裂縫陣天線比拋物面天線在電氣性能上具有較高的增益，并且它的口徑場分布易于控制，容易實現所要求的低副瓣特性。因此，經過綜合對比及仿真分析，采用卡塞格林光學系統-中心掏孔平板裂縫陣天線復合比卡塞格林光學系統-拋物面天線復合整體性能更優。

3 結束語

經過綜合對比分析，小口徑雷達紅外雙模復合導引頭采用卡塞格林光學系統-中心掏孔平板裂縫陣天線復合方式。在小口徑雷達紅外雙模復合導引頭的總體設計下，分別對毫米波雷達中心掏孔平板裂縫陣天線和紅外成像光學系統進行了設計和加工，中心掏孔平板裂縫陣天線和復合天線實物圖片如圖6所示。

在微波暗室分別對中心掏孔平板裂縫陣天線和復合天線完成了測試，測試結果如表3所示。

平板裂縫陣天線實際測試值為：和波束增益在30.5dB，副瓣在-18dB左右，差波束零深低于-30dB。復合天線測試值實際測試值為：和波束增益在28.5dB，副瓣在-16dB左右，差波束零深低于-30dB。復合天線測試值和波束增益降低2dB，波束寬度展開0.5°，副瓣電平提升2dB，實測結果和仿真計算比較一致。

在該種復合方式下雷達天線與光學主鏡設計相對獨立，光學系統可以完全按照光學成像要求設計主鏡面型，紅外成像系統能達到最佳設計；雷達平板縫隙陣天線具有效率高、有剖面低、重量輕、結構緊湊以及性能穩定可靠等優點，容易實現對陣面的加權處理和易獲得高增益、低副瓣等特點。因此，在小口徑導彈的多模復合導引頭中，毫米波雷達紅外成像復合制導技術采用卡塞格林光學系統-中心掏孔平板裂縫陣天線復合方式綜合性能更優，是一種值得推薦的復合方式。

圖6 平板裂縫陣天線及其復合天線

天線形式口徑(中心掏孔)雷達天線測試值復合天線測試值增益副瓣增益副瓣平板裂縫陣天線150mm(40mm)30.5dB-18dB28.5dB-16dB

參考文獻:

[1] 王學偉,徐慶九.主動雷達/紅外成像復合制導關鍵技術[J].光電技術應用，2012,34(1):41-43.

[2] 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.

[3] 林德福,祁載康,王志偉.多模復合導引頭總體技術研究[J].戰術導彈技術,2005(4)：32-35.

[4] 何均.毫米波/紅外共孔徑復合導引頭技術分析[J].電訊技術,2012,52(7):1222-1226.

[5] 劉隆和.多模復合尋的制導技術[M].國防工業出版社,1998.