三模导引头复合探测系统研究

卢福刚 ， 郭国强， 吴鹏， 冯涛

(西安现代控制技术研究所,陕西，西安 710065)

现代战争日益复杂的战场环境下，精确制导武器在攻击过程中遇到的对抗手段越来越多，作为精确制导武器核心关键部件的导引头遭遇的威胁和对抗也越来越突出[1-3]，单一制导方式的精确制导武器由于自身固有的弱点及局限性严重限制了其作战效能的发挥，难以应付未来复杂、恶劣的战场环境，这就促使导引头由单模向双模及多模发展[4-6].综合了光电与雷达探测技术的多模复合制导技术通过组合不同类型的传感器以充分发挥各种不同制导体制的特长弥补单一制导技术的缺陷，为目标识别提供更多可利用的信息，使整个制导系统在性能上得以互补，极大提高了导引头自主制导及抗干扰能力，提高了武器系统智能化程度及生存能力，最大程度地保证武器系统作战效能的发挥.

目前常见的制导方式有激光、电视、红外、毫米波及四者之间的复合.相比较于单模或双模导引头，激光/红外/毫米波三模复合导引头能有效提高武器系统复杂战场环境下的全天候作战能力、防区外“打了不管”的精确打击能力、多类型目标攻击能力、抗干扰能力及反隐身能力等，并且减少了导弹的种类，满足了导弹通用化系列化的发展需求，有效降低了后勤维护费用.复合探测系统承担了导引头探测目标的功能，是集光电技术、雷达探测、控制技术、材料学及运筹学为一体的复杂系统，是复合导引头设计成败的关键.

文章从半主动激光/红外成像/主动毫米波三模复合导引头复合探测系统的技术特点出发，论述了系统组成及涉及的关键技术，并对几种类型的共口径复合方案进行了归纳分析，以激光探测器前置、红外和毫米波后端分光路方案为例，对复合探测系统进行了理论计算和仿真分析，验证了总体方案的可行性.

1 三模复合导引头总体技术

激光/红外/毫米波三模复合导引头是典型的异类传感器复合导引头，其参与复合的三种制导模式互不相同，且光学波段和毫米波雷达波段在电磁波谱上相距较远，在探测功能和抗干扰功能等方面能实现功能互补，但在口径的限制下实现三种传感器的集成无疑使系统的复杂度大大提高.

激光、红外及毫米波三种制导模式存在各自不可克服的缺点，使其检测识别能力有时达不到所期望的要求，还存在很多需要改进的方面.与此同时激光、红外和毫米波制导某些重要特性之间存在着交叉互补性，有些特性是一方的缺点，但却是另一方的优势所在.导引头总体设计要结合导弹的实际使用情况，在实现产品总体性能指标的前提下保证分机指标完备性并尽可能降低各个制导模式分机的实现难度，实现最优化设计.导引头总体设计需要特别关注以下两个方面：

① 三模导引头提高了导弹智能化程度的同时带来的弊端也同样突出：增加了导引头系统的复杂性并提高了成本.因此，导引头总体设计的核心问题是要确保所花费的代价能有效地转换成系统性能指标和作战效能的提升.必须围绕这个核心问题综合考虑导弹的作战使命、使用特点、导弹结构、目标特性及效费比等因素来确定导引头的总体方案，如选择导引头的工作模式、工作流程、确定复合方式及平衡三个制导模式竞争关系等.

② 三模导引头制导工作模式及策略的设计是导引头总体设计的关键部分，与导弹总体设计密切相关.在进行导引头总体方案设计时必须重视三者之间的有机结合，制定出适合武器系统应用环境的工作策略，以弥补各自性能的不足，提升导引头的整体性能.如导弹要求末制导的作用距离指标较远的情况下，可以使激光模式在设计时增大通光孔径，适当牺牲毫米波系统的口面效率，这样在共口径的设计前提下上述措施可以在较小程度降低毫米波模式探测性能的前提下显著增加激光模式作用距离，在末制导远距离段使用激光模式进行引导，到达红外/毫米波探测范围时接力工作，上述工作策略的制定可以有效地增加导引头系统的作用距离.

2 复合探测系统

激光/红外/毫米波三模复合导引头具有三种探测模式，如何同时兼容异类探测器不同的传输特性要求并将三种模式有效地结合起来设计出性能优良的复合探测系统是总体设计的关键.复合探测系统主要包含了多波段整流罩、共口径探测系统、伺服控制系统及结构电气直属部分，本文主要针对整流罩和共口径系统进行讨论.

2.1 多波段整流罩

整流罩是导引头的重要组成部分，既要满足导弹气动要求，适应恶劣的飞行环境，又要满足导引头系统对透波率、瞄准误差和功率传输系数等性能要求.为了兼顾各个模式探测性能的要求一般采用共口径共平台的方案，这就要求整流罩在满足结构和电气设计的要求的同时能对激光、红外、毫米波均具有较高的透过率.

多波段整流罩常用MgF2、ZnS、蓝宝石和石英玻璃等，其力学和热学部分性能如表1所示.在当前的技术条件下，每种材料都有自己的局限性，能够满足三种模式所有要求的整流罩材料实际上并不存在，特别是红外模式中要求的窗口为长波红外时其整流罩材料的选择性会进一步缩小.

随着近年来复合结构材料研究的深入开展，新材料的制备加工技术的改进，以及参杂和镀膜工艺的发展，本文中三模复合导引头整流罩多采用对ZnS进行镀膜的方法实现，这里不作为重点讨论.

2.2 共口径探测分系统

三模复合导引头中共口径探测设计的方法有利于减少平台扫描硬件，三个传感器位于同一平台上，光轴和电轴相互重合，有利于保持瞄准线的校准.与此同时，激光和红外的光学孔径面积及毫米波雷达天线的口面效率得以最优化.但共口径探测系统作为伺服平台的负载，存在体积大、质量重且三个传感器存在能量耦合、不易协同优化等难题.

共口径系统设计的优劣直接影响到复合探测系统性能的好坏，甚至关系到整个导引头系统设计的成败.这里重点分析4种三模共口径复合设计的思路，在实际设计中需要结合总体方案考虑.需要注意，下述方案中三个传感器均位于同一平台上，导引头光轴、电轴和弹轴重合.

激光/红外/毫米波三种模式的探测器中激光和红外探测器一般为成熟可选用的产品，而毫米波探测器相对成熟度不够.方案1中毫米波分系统天线部分采用平板形式，多为波导裂缝阵或微带贴片阵列天线，采取中心挖孔放置激光和红外探测系统，然后在雷达天线后方采取分光的方式分别接收激光和红外信号，如图1所示.激光和红外系统为透射式，设计装调难度低；毫米波系统采用的平板阵列式天线副瓣及杂波抑制性能好，但是三种模式口面利用效率都不高.

方案2中激光和红外模式采用探测器前置，激光探测器的光靶面向前，红外探测器的光靶面向后，毫米波分系统天线采用卡塞格伦形式，毫米波馈源后置，如图2所示.此方案中红外分系统采用的卡氏光学系统能保证红外模式能充分利用主反射面.与方案1相比较，有效通光口径大，在光学输入参数一定的条件下，成像质量好，作用距离远.激光和红外探测器前置缺点一是会对毫米波分系统造成遮挡，影响测角及杂波抑制性能；二是体积重量较大，给结构设计及激光和红外探测系统的安装调试带来困难.

图1 三模复合设计方案1

图2 三模复合设计方案2

方案3采用激光探测器和毫米波馈源前置，主镜采用不同曲率半径的反射面，使激光和毫米波的焦点在轴向上分离，如图3所示.此方案保证了毫米波及红外模式的口面效率，而激光模式仅利用了主镜边缘部分反射的激光能量.相较与方案1，降低了结构设计及安装调试难度，但是存在毫米波馈源功放的发热对激光和红外成像存在不利影响的缺点.

图3 三模复合设计方案3

方案4采用激光探测器前置，红外和毫米波后端分光路，三种探测模式共用主反射面的共口径设计.如图4所示.与上述方案相比较，参与复合的三种模式都有效地利用了主反射面，增大了有效通光口径及口面效率，提高了系统性能.但红外和毫米波能量共同进入主反射面中心的光学系统时需要分光，分光镜需要透射毫米波且反射红外，分光镜的面型参数设计及镀膜的材料和工艺的选择直接影响系统的成像质量.因此，在设计阶段应综合考虑上述因素，且需要反复试验验证，以达到最优设计.

图4 三模复合设计方案4

三模共口径复合的方式不限于此，各有利弊，这里不再列举.应结合导引头的技战术指标和具体应用环境选择合理的复合方案，需要平衡性能指标、安装调试工艺、物料成本及可靠性等因素.

3 三模复合方案分析

导引头复合方案确定的关键在于分解总体指标要求、平衡各个模式的竞争关系并合理分配有限资源，折中权衡，最大程度地满足三个模式的要求.以下以方案4为例，阐述在复合探测系统方案设计中如何实现分系统指标的合理分配和优化设计.

3.1 理论计算

三模复合导引头总体指标涉及全面且繁杂，这里仅列举部分相关指标如下：外径Φ=180 mm；对于地面装甲目标(雷达散射截面积(RCS)典型值为30 m2)，半主动激光模式作用距离不小于7 km，长波红外成像模式作用距离不小于4 km，W波段主动毫米波雷达作用距离不小于3 km.这里采用卡塞格林光学系统-抛物面天线复合的方案，其中毫米波馈源前置，采用主反射面中心挖孔放置红外及激光光学系统(方案4)，按照框架角的要求，结合伺服系统设计要求，主反射面尺寸应不大于155 mm.以下依照作用距离的指标要求分别分析三种模式的探测性能.

① 半主动激光分系统.

依据成熟理论，考虑大气传输的影响，对于面积为D的目标，系统照射方程的一般形式为[8]

(1)

式中：Pt和Pr分别为照射激光脉冲功率和导引头接收到的激光信号功率；R1和R2分别为激光照射器和导引头到目标的距离；ρ为目标的漫反射系数;φ为目标视线与目标表面法线的夹角；γ为目标视线与导引头光轴的夹角；Ar为导引头光学系统接收口径面积；μ1和μ2为激光照射器与目标之间光路上的大气消光系数和导引头与目标之间光路上的大气消光系数；ωR1为目标靶处长时光斑半径.

式(1)建立了半主动激光接收口面与系统作用距离的数学模型.经计算，照射距离小于5 km，照射激光能量60 mJ，导引头光学系统接收口面Ar应大于3 020 mm2(直径为62 mm)，作用距离能满足7 km的要求.

② 红外成像分系统.

红外光学系统为折返式，考虑目标背景特征、大气传输损耗及探测器技术水平，选定探测器型号并依据下式建立口面尺寸与探测距离的数学模型[9]

(2)

经计算，在最大作用距离4 km的限制下，导引头光学系统等效口面直径应大于115 mm.

③ 主动毫米波雷达分系统.

基本雷达方程为

(3)

雷达天线的增益与口面的关系由下式决定

(4)

那么，毫米波雷达天线口面尺寸与探测距离可建立方程如下

(5)

式中：D为主反射面直径；d为主反射面中心挖孔直径；A为天线口面面积；G为天线增益；λ为波长；Rmax为最大作用距离；σ为目标RCS；Pt为雷达发射功率；Smin为雷达接收机最小可检测信号功率.

经计算，在最大作用距离3 km的限制下，发射功率值取1 W，毫米波雷达天线等效口面直径应不小于126 mm.

通过上述计算分析，得到了三种模式的等效口面的数值，基于方案4，需要确定主反射面中心挖孔的尺寸.中心挖孔的尺寸需要考虑红外探测器的选型、光机结构设计及各个模式探测系统性能的综合平衡.另外，导引头为了实现更大的框架角，通常在保证等效口面的前提下进行切边处理.这里设置主反射面中心挖孔尺寸d=46 mm，三种模式要满足探测距离的要求，主反射面的尺寸计算如表2所示.

表2 三种模式主反射面尺寸计算结果

为满足三种模式的探测性能的需求，中心挖孔尺寸为46 mm，主反射面直径应不小于134.1 mm.导引头总体的设计约束为主反射面尺寸应不大于155 mm.因此采取上述共口径探测的方案是可行的.上述计算的过程实质上是依据经典理论及工程经验对导引头总体指标进行分配的过程，是导引头总体设计的重要环节，也是平衡三种制导方式对于口面尺寸资源竞争的关键.

3.2 仿真分析

为验证上述复合探测方案制定的合理性，依据面型参数分别对三个模式分系统进行仿真优化，通常期望的设计结果是以最小的主反射面尺寸满足三种模式的探测性能的要求.仿真优化需要重点考虑下述因素：

① 由于精确制导弹药口径较小，为满足导弹大搜索视场的需要，框架角范围通常不小于±20°，而从保证探测性能的角度希望主反射面的尺寸足够大，这里考虑对主反射面进行切边处理的方法满足框架角和探测性能的要求.

② 根据表2的计算结果，激光和红外模式满足探测距离要求的实际口面直径较毫米波模式较小，优化设计时应重点关注毫米波模式的探测性能.

③ 由于切边处理对激光和红外模式探测性能影响较小，而对毫米波模式探测性能的影响主要是副瓣电平(SSL)的恶化，因此进行优化设计时应重点考虑副瓣电平值.

综合上述分析，主反射面尺寸、切边尺寸及毫米波副瓣电平是进行优化设计时着重考虑的因素.在现有伺服平台的技术水平下，取主反射面直径D为139 mm，对不同切边尺寸下导引头偏航面的框架角及毫米波的副瓣电平进行了仿真计算，结果如图5所示.

图5 不同切边尺寸下框架角和副瓣电平值

由图5可知，当RL的值在59 mm附近时，框架角达到±25°，毫米波模式的副瓣电平值优于-12.5 dB，结果比较理想，因此确定主反射面面型参数为：D=139 mm，RL=59 mm，d=46 mm，如图6所示.

图6 主反射面面型投影示意图

此面型参数下三种模式探测性能的仿真评估结果如下.

① 半主动激光分系统.

这里采用的激光探测器的参数为：工作波长：1.064 μm；靶面尺寸：Φ10 mm；暗背景下最小探测光功率：≤10 W；灵敏度阈值：10 W. 共口径激光光学系统的参数为：视场±4°，线性区±1°，F数为0.62.不同视场光线成像弥散斑在探测器靶面上的仿真结果如图7所示.

图7三幅图分别代表0°中心视场、±1°线性区视场、±4°边缘视场的光线在Φ10 mm的靶面上的仿真结果.由0°及±1°视场的仿真结果，成像弥散斑能量分布均匀，由±4°线性区视场成像弥散斑能量分布出现不均匀的现象且下部分能量多余上部分能量，且形成的弥散斑几何直径明显小于0°及±1°视场.根据上述结果可知：在±4°的弥散斑仍可完整呈现，可知该激光光学系统的视场大于±4°，且具有一定的余量.所以，目标经光学系统所形成的弥散斑半径及弥散斑能量分布情况可以满足使用要求.

图7 不同视场下弥散斑在探测器靶面上的仿真结果

② 红外成像分系统.

红外探测器的参数为：工作波长：8～12 μm，图像分辨率：640×512，视场：6°×4.8°；噪声等效温差(NETD)典型值在40 mk以内，盲元率小于0.1%；共口径光学系统的F数为0.87.

考虑光学系统的功能和性能要求，在光学系统设计过程中，尽可能地合理搭配光学材料，有效分配系统光焦度，应用ZEMAX进行仿真计算，使整个光学系统在外形尺寸满足要求的前提下，同时具备较高的成像质量.图8为仿真得到的传递函数曲线图，在奈奎斯特截止频率30 lp/mm时，图中分别给出了0°、0.3°、0.5°、0.7°视场及边缘视场的传函仿真结果，可知各个视场的传函值均在0.48以上，基本接近衍射极限值，满足设计的成像质量要求.

图8 调制传递函数@20℃

图9为20℃时红外系统点列图的仿真结果，其各视场弥散斑几何尺寸均与像元尺寸17 μm相接近，这不仅表明单个像元尺寸内能量满足70%的使用要求，且色差很小，同样满足该红外系统的设计要求.

图9 点列图@20℃

由上述仿真结果可以说明，光学系统的成像质量优良，能够满足红外分系统的使用要求.

③ 主动毫米波雷达分系统.

在CST软件中进行天馈系统的仿真，结果如图10所示.

图10 天线方位面和俯仰面方向图

由仿真结果可知，天线在俯仰及方位面的增益值为37 dB，天线的3 dB波束宽度为1.46°.系统的发射功率为1 W，那么雷达发射等效全向辐射功率(EIRP)值为67 dBm，结合工程经验，由式(3)可知最大作用距离大于3 km，毫米波雷达的威力满足系统使用要求.

综合上述仿真结果，三个模式的性能满足使用要求，拟采用的探测系统方案能满足总体指标要求且三个模式分系统实现难度适中，复合探测系统方案合理可行.

4 结 论

随着现代精确制导技术的不断发展，配置常规单模导引头的精确制导导弹已经很难满足信息化战争的要求，激光/红外/毫米波三模复合导引头克服了单模光学或毫米波导引头固有的缺点，能最大限度地提高制导武器的命中精度，已成为精确制导导弹发展的关键.本文从三模导引头共口径复合探测系统工程研制的角度出发较为全面地总结分析了研制过程中涉及关键技术，并通过仿真计算，论证了某复合探测系统总体方案的可行性，可为多模导引头复合探测系统的研究提供一定的借鉴.