0 引言

“空-空”和“地-空”導彈雷達導引頭的研發(fā)起始于上世紀50年代末。本文研究了50年代末后的雷達導引頭研制特點和發(fā)展趨勢,并對今后的發(fā)展前景進行了預測。

1 雷達導引頭分類

在對雷達導引頭的具體研制和發(fā)展前景進行描述前,應像對殲擊機機載雷達進行分類一樣,按研制時代對雷達導引頭進行分類:

a)第一代雷達導引頭為使用模擬接收機的半主動雷達導引頭,具有在制造時就確立的嚴格的工作邏輯,沒有計算機組件,不使用集成元件;

b)第二代雷達導引頭為具有計算機組合的半主動雷達導引頭,廣泛采用集成電路;

c)第三代雷達導引頭為具有模擬接收機和數(shù)字可編程計算機的主動和半主動雷達導引頭,數(shù)字可編程計算機用于對接收機輸出的信息進行二次處理,并構(gòu)建導引頭截獲、跟蹤和抗自隱蔽干擾邏輯。在這些導引頭中,廣泛使用了組件小型化、大規(guī)模集成電路、微組裝等技術(shù)。這些導引頭可以抗大部分自隱蔽干擾,但是尚不能完全對抗預警機空域巡邏干擾,并且對目標后半球的作用距離也不夠;

d)第四代雷達導引頭為半主動、主動復合雷達導引頭,具有數(shù)字接收機和高速數(shù)字信號處理器,和第三代導引頭之間的主要差異在于更遠的作用距離、更強的抗干擾能力,包括抗側(cè)向干擾。但是受模擬輸入濾波器的影響,這些導引頭的多普勒頻率分析帶寬有限,不能通過距離跟蹤目標,在對目標后半球工作時也不使用中重頻模式;

e)第五代雷達導引頭為最先進的一代,可以在很寬的帶寬內(nèi)從第一中頻即開始數(shù)字信號處理,具有最小化的模擬信道和高效的信號處理器。第五代導引頭可以在高重頻和中重頻率模式下工作,可以通過距離跟蹤目標,可以根據(jù)速度和距離并行分析和發(fā)現(xiàn)目標,可以不經(jīng)目標速度預定進行工作,既可以實現(xiàn)抗自隱蔽干擾的算法,也可以實現(xiàn)抗支援式隱蔽干擾的算法。而目標截獲距離也得到了提高,同時因為采用了中重頻工作模式,對目標后半球的截獲距離也增加了一倍。

為中遠程導彈研制雷達導引頭的第一個時期(上世紀50年代中期至70年代中期)第一代半主動雷達導引頭研制成功,導引頭工作模式為接收地面、艦載或飛機雷達照射目標反射的回波信號。典型的此類導引頭為60年代初研制成功的“山毛櫸”地-空導彈半主動雷達導引頭,如圖1所示。為了保證導引頭工作,在目標跟蹤雷達中增加了一個專用的目標連續(xù)波照射通道。

由于空襲武器和空襲戰(zhàn)術(shù)的不斷完善,對第一和第二代半主動雷達導引頭進行了一系列的改造。但是在70年代初發(fā)現(xiàn)在和更為先進的空中目標作戰(zhàn)時,半主動雷達導引頭已經(jīng)不能滿足武器系統(tǒng)對導彈控制系統(tǒng)提出的要求,而主動雷達導引頭卻可以完成這些要求。導彈使用主動雷達導引頭的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(如“發(fā)射后不管”、有利于瞄準群目標中的某個目標等),迫使研制人員在這方面盡最大的努力。于是,在上世紀末便出現(xiàn)了使用主動雷達導引頭的導彈——美國的“AM RAAM(AIM-120)”,法國的“M ica” 、“A ster(紫菀)” ,蘇聯(lián)的“RVV-AE(R-77)”,如圖2所示。

同時在局部戰(zhàn)爭中使用現(xiàn)代化空襲武器的經(jīng)驗表明,要有效對抗這些武器必須要實質(zhì)性地提高地-空導彈武器系統(tǒng)和殲擊機/截擊機導彈武器系統(tǒng)的性能指標。作為空襲武器使用巡航導彈、彈道導彈和采用“隱身”技術(shù)制造的飛機,以及使用各種類型的密集干擾,迫使防空導彈武器系統(tǒng)研制人員不停地完善自己的產(chǎn)品,使其在新的作戰(zhàn)環(huán)境下不會降低作戰(zhàn)效率。

圖1 “山毛櫸”地-空導彈半主動雷達導引頭

圖2 RVV-AE(R-77)主動雷達導引頭

考慮到這些情況,處于行業(yè)領(lǐng)先地位的一些公司開始新的研制工作,并對之前研發(fā)成功的導彈和主動雷達導引頭進行了實質(zhì)化地改造,其中包括了“AMRAAM”導彈的改型,具有主動雷達導引頭的歐洲空-空導彈“Meteor(流星)”的研制,“M ica”和“Aster”導彈的改良 ,“Erint(Pac-3)”導彈的研制。同時,在中國、以色列、南非等許多國家也在開展具有主動雷達導引頭導彈的研制工作,這可由一系列出版物予以證明[1～5]。

俄羅斯也開展了新一代主動雷達導引頭的研制。在一系列國際航展上“金剛石-安泰”聯(lián)合企業(yè)下屬莫斯科“瑪瑙”研究所研制的新一代主動雷達導引頭 9B-1103М-200(“進步”),9B-1103М-350(“冰球”),遠作用距離主動雷達導引頭“巖石”均為第五代雷達導引頭,如圖3所示。主動雷達導引頭“巖石”具有創(chuàng)紀錄的目標截獲距離、最小化的質(zhì)量和外形尺寸;使用了最新的大規(guī)模集成電路,其中包括了可編程數(shù)字化雷達信號高速處理器,可保障導引頭有效對抗人為干擾和自然干擾[6～10]。

隨著空襲武器的不斷發(fā)展,防空導彈武器系統(tǒng)也不得不隨之進行改良,其中就包括了對主動雷達導引頭的改良。根據(jù)國際發(fā)展趨勢來看,在主動雷達導引頭上首先將會廣泛使用數(shù)字信號處理技術(shù)和無線電發(fā)射裝置的特殊工作模式,之后還將會使用相控陣天線進行波束電子掃描,并使用超寬帶探測信號。為了進一步提高抗干擾能力和制導精度還會更為廣泛地使用雙波段復合主動雷達導引頭。采用這些措施可保證未來的防空導彈武器系統(tǒng)滿足現(xiàn)代化需求。

圖3 主動雷達導引頭“巖石”

2 當代主動雷達導引頭的研制特點

在研制主動雷達導引頭時,必須要解決以下幾個主要問題:

a)實現(xiàn)最大的目標探測距離;

b)具有較高的抗干擾能力;

c)滿足導彈對目標的高精度制導要求;

c)具有最小化的重量和尺寸。

為了解決上述問題,需要優(yōu)化導引頭結(jié)構(gòu)設(shè)計;優(yōu)化導引頭天線、超高頻和高頻收發(fā)組件工作參數(shù);使用最新的無線電電子技術(shù)成就(包括數(shù)字信號處理技術(shù))優(yōu)化一次和二次信號處理組件參數(shù)。

第一代主動雷達導引頭的主要缺點在于目標探測距離不夠遠,因此研究人員致力于解決這個問題。第一個階段(1988年～1993年)通過完善發(fā)射組件(超高頻器件、高壓電源組件等)的工藝技術(shù)水平,解決了部分問題,使平均功率提高至原來的5倍,目標探測距離提高至原來的1.5倍。

完善主動雷達導引頭的第二個階段(1993年～1998年)的主要改進方法是在第二或第三中頻上開始使用數(shù)字信號處理技術(shù),但保留了模擬信道部分。通過這個方法可以提高包括導引頭定向通道內(nèi)的多普勒頻率分辨率,并通過數(shù)字信號處理將處理過程優(yōu)化,減少信號處理損失。當時為解決這個問題使用的是運算速度相對不高的數(shù)字信號處理器,每秒大約2000～5000萬次運算。

要達到主動雷達導引頭對目標探測距離方面的要求,可以使用一系列電路、結(jié)構(gòu)、工藝上的新成就來實現(xiàn),最重要的幾個解決方法如下:

a)使用具有高重頻(攻擊目標前半球)和中重頻(攻擊目標后半球)的相干脈沖序列作為探測信號,這樣可以在迎頭(攻擊目標前半球)以及尾追(攻擊目標后半球)攻擊運動目標時實現(xiàn)最大的探測距離;

b)導引頭使用波導裂縫陣天線并在天線上安裝多通道超高頻接收模塊,這樣可在相同的天線口徑下保證天線的最大增益值,并將接收損耗降至最低;

c)在接收機中使用低噪晶體管超高頻放大器和低噪超高頻混頻器,在Ku波段使用這些器件可以使接收通道的噪聲系數(shù)在任何條件下均小于5 dB;

d)在對目標信號和干擾進行窄帶濾波時使用數(shù)字信號處理器,在快速傅里葉變換的基礎(chǔ)上對復雜干擾環(huán)境下的目標探測和跟蹤實現(xiàn)自適應算法,減少信號探測上的信息損失;

e)使用速調(diào)管超高頻放大器作為發(fā)射機的輸出放大器,這樣可以制造小型化的發(fā)射機,在天線口面上的平均輸出功率可以超過100W。

除了目標探測距離不遠之外,第一代主動雷達導引頭還有幾個缺點,其中的一個缺點就是雷達信號的信息量有限。1988年～1993年間研制的主動雷達導引頭使用只是高重頻、高占空比的準連續(xù)波信號,這種信號是缺點顯而易見的:沒有距離分辨能力、對目標(特別是遠距目標)的后半球攻擊效果不佳;有距離遮擋效應(目標響應進入距離盲區(qū)時目標信號周期性消失)。

第一代主動雷達導引頭的抗干擾能力僅局限于抗自隱蔽式干擾,不過這是符合當時的設(shè)計要求的。使用經(jīng)典目標角度定向方法的同時,粗略的多普勒頻率分辨率(10m/s～15m/s)導致主動雷達導引頭對群目標工作時探測精度指標惡化明顯。

因此在主動雷達導引頭發(fā)射功率增長的同時,對其信號處理方式也進行了完善。通過優(yōu)化信號處理方式可以增加目標探測距離(在此階段工作靈敏度提高了4 dB),而提高多普勒頻率分辨率則改善了導引頭對付群目標的能力。同時通過提高信號處理系統(tǒng)的靈活性也改善了導引頭的抗干擾能力;通過簡化模擬接收信道部分,提高了接收通道參數(shù)的穩(wěn)定度和一致性,同樣也使導引頭能使用時-空信號處理方法。

要達到規(guī)定的制導精度在很大程度上取決于主動雷達導引頭天線的空間穩(wěn)定和信號通過“天線-天線罩”系統(tǒng)時的傳輸特性。

因為主動雷達導引頭裝在導彈艙體內(nèi),在導彈飛行過程中艙體會出現(xiàn)角度擾動(在正交控制平面和滾動平面),而發(fā)送到導彈的控制信號是通過測量“彈-目”視線角速度形成,顯然導引頭的天線應在空間中穩(wěn)定以去除彈體擾動對視線角速度測量的影響,否則彈體擾動和視線角速度疊加,會使導彈受到虛假信號控制的影響。

主動雷達導引頭天線波束的空間失真也會產(chǎn)生類似的影響,這是因為尖頂流線型天線罩用來保護天線不受氣動作用的影響,而導引頭波束的傳播必須通過天線罩。天線空間穩(wěn)定的剩余誤差和天線罩引起的波束傳輸失真帶來的誤差,被稱為“同步誤差”,可能嚴重影響導彈對目標的制導精度。

使用主動雷達導引頭的導彈自導引通道是一個復雜的、非線性的、多變的、隨機的系統(tǒng),只能對其功能做數(shù)學仿真才能進行設(shè)計和研究。目前制導規(guī)律中普遍使用的技術(shù)是通過外推電路、噪聲自適應電路和距離相關(guān)電路進行比例放大導航。

濾波處理算法自導引信號處理系統(tǒng)的核心部分。對控制信號的濾波首先用于計算“彈-目”視線角速度時平滑噪聲,其次用于穩(wěn)定主動雷達導引頭“同步誤差”引起的多余的彈體擾動。

總的來說導彈控制系統(tǒng)導航系數(shù)取決于目標交會前的飛行時間和控制作用加權(quán)系數(shù)。對目標機動加速度的預估基于主動雷達導引頭測到的視線角數(shù)據(jù)。因此自動導引系統(tǒng)必須根據(jù)目標類型、導彈在殺傷區(qū)域內(nèi)的運動特性、距離信息和導引頭測量信息品質(zhì)等先驗信息,對復雜化條件做出額外的適應。知道了目標類型,就可以使導彈提前確定目標的已知雷達特性和典型特性(有效散射面積、運動參數(shù)和機動過載等)。此外從自動導引系統(tǒng)還可以得到一系列基礎(chǔ)參數(shù),使用這些參數(shù)可以發(fā)掘潛力以達到必要的制導精度。

下面將對這個問題進行更詳細的研究。閉環(huán)運動環(huán)節(jié)的控制系統(tǒng)稱之為獨立回路(AK)(有別于整個自動導引回路)。根據(jù)這個定義,使用比例放大導航制導規(guī)律時,自動導引系統(tǒng)的獨立回路本身為一個動力學結(jié)構(gòu),這個動力學結(jié)構(gòu)將視線角速度(輸入)轉(zhuǎn)化為和視線相切的導彈加速度(輸出)。因此,獨立回路包括了主動雷達導引頭的角跟蹤通道(КУС)、加速度控制計算機和導彈穩(wěn)定回路。

下面研究交會點附近獨立回路部件的性能指標,具體形式為運動學當量。

(1)主動雷達導引頭

當品質(zhì)系數(shù)D r=5～10[1/c]時,在0～2 H z獨立回路帶寬內(nèi),目標角跟蹤通道表達為連續(xù)波系統(tǒng)的傳遞函數(shù)W角跟蹤=1/(p/D r+1)的一次近似值。這個表達式是正確的,且在半主動或主動雷達導引頭頭部接收機不連續(xù)開機的情況下,考慮到角誤差信號生產(chǎn)回路中有存儲元件,W(ωφ/ω*)和W(n/λ)表達為低頻濾波環(huán)節(jié)。

上文所述的品質(zhì)系數(shù)值可“維持”視線在天線方向圖內(nèi),直到出現(xiàn)100m～200 m的導引頭“盲點”距離。

在莫斯科“瑪瑙”研究所研制的半主動和主動雷達導引頭上使用的是指示型穩(wěn)定系統(tǒng),系統(tǒng)中采用了直流電機。此時導彈偏航修整誤差的傳遞函數(shù)形式為 W p(Δω/)=[Kp(T1+1)]/[p2+2ξT2 p+1],其中 K=0.001,T1=0.1 s,T2=0.01 s,ξ=0.5。這可以在擾動頻率為0.5 Hz～1.0 Hz范圍內(nèi)確保導引頭天線平臺相對彈體擾動的“去耦”優(yōu)于0.005～0.01。

在中程“地-空”和“空-空”級導彈上使用的天線罩的長度-直徑比為2.5～3.2,如使用當前大規(guī)模量產(chǎn)工藝技術(shù),可以使天線罩的最大定向誤差斜率達到S max=0.045°/(°),最小斜率達到 S min=0.03°/(°)。

(2)控制指令計算機

如果D≤D min,則計算機濾波環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)可以表達為W(ωφ/ω*)?(Tφ1 p+1)/p2+2ξTφ2p+1),其中 Tф1、Tф2、ξ的值取決于導彈和目標的交會條件,取決于得到的獨立回路與通過運動環(huán)節(jié)閉環(huán)的“大”回路間的穩(wěn)定性匹配,并分別在0.05 s～0.3 s和0.4～0.7之間變化。

導航系數(shù)N=3～4.5也取決于導彈和目標的交會條件(目標類型、目標飛行高度、目標機動能力、導彈可承受過載等)。

(3)導彈穩(wěn)定回路

中程“地-空”和“空-空”級導彈通常使用的是常規(guī)氣動布局,具有窄翼或者沒有。導彈的射程范圍很廣,高度 0～25 km,速度350 m/s～1800 m/s,速壓 800～70 000 kg/m2。

各種飛行器的動力系數(shù)在幾十倍范圍內(nèi)變化。盡管自適應駕駛儀很復雜,可以使飛行器從“不適于”動力環(huán)節(jié)制導變成“適于”動力環(huán)節(jié)制導 ,但是參數(shù) W(n/λ)=1/(T2np2+2ξTn+1)和Ta始終在 Tn=0.05 s～1.0 s,ξ=0.4～0.7,Ta=0.2 s～4 s范圍內(nèi)變化。此時導彈在飛行軌跡中承受的過載從(2～3 g)至50 g范圍內(nèi)變化,而控制通道內(nèi)的最大彈體角速度可以達到250°/s。

作為示例在表1中列舉了兩種狀態(tài)下命中概率P和天線罩定向誤差斜率S在交會時刻的對應關(guān)系,脫靶概率P的值不超過規(guī)定值。

表1 導彈脫靶概率P與天線罩定向誤差斜率S的關(guān)系

制導條件如下:

a)狀態(tài)1——H目標=20 km,V目標=600 m/s,D=30 km,目標不做機動;

b)狀態(tài)2——H目標=5 km,V目標=400 m/s,D=16 km,目標完成6 g的反導彈攻擊機動。

上表所列數(shù)據(jù)是使用半主動雷達導引頭在中程地空導彈數(shù)學仿真系統(tǒng)中對運動目標進行制導后得出的結(jié)果。

對天線罩和同步誤差的要求,總的來說取決于導彈的技術(shù)指標和允許的脫靶量值,且和導引頭類型無關(guān)(半主動或主動)。

在對最先進的高速和高機動性目標進行高精度制導時,目前可以達到的“天線-天線罩”系統(tǒng)定向誤差斜率值S=0.03～0.045,已經(jīng)大得超出了允許的范圍,因此在這樣的系統(tǒng)內(nèi)對“天線-天線罩”系統(tǒng)定向誤差進行補償已成為一個實際問題。

從上表可見當S≤0.02時,可以保證令人滿意的制導精度,因此除了要對天線罩生產(chǎn)工藝提出更高的要求外,還有必要研制補償電路以減小天線罩定向誤差帶來的影響。

目前已經(jīng)研究成功了好多種在生產(chǎn)過程中(插片、修磨、噴涂)以及在導彈飛行過程中進行天線罩誤差的補償方法。而最先進的運動中天線罩誤差補償方法為參數(shù)法。這種方法可以歸結(jié)為在每一個時刻計算被測參數(shù)矩陣,并使用該矩陣形成消除天線罩誤差影響的信號。參數(shù)法事實上不存在時間延遲問題,如果不考慮該方法的固有缺陷,其前瞻性是毋庸置疑的。

除了對提高主動雷達導引頭作用距離、精度和抗干擾能力的要求外,對其重量、外形尺寸指標最小化也提出了嚴格的要求。要完成這些要求也有一定的困難,因為隨著主動雷達導引頭戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標的提高,要解決任務就不可避免地要提高導引頭的結(jié)構(gòu)復雜化程度。為了保證必要的指標,無線電電子設(shè)備的復雜化不斷提高:如果說80年代研制的導引頭無線電電子設(shè)備有效元件的數(shù)量級為“萬”,90年代為“百萬”,但是目前由于使用了數(shù)字信號處理方法和高度集成的微電路,一塊微電路就等效于數(shù)量級為7位數(shù)的有效元件。

因此,減小主動雷達導引頭重量和外形尺寸的難題得以成功解決。目前,莫斯科“瑪瑙”研究所研制的直徑為200 mm的導引頭,重量都控制在(10～15)kg。取得這些成就主要歸功于采用了小型高速處理器、小型化高效率低壓多束速調(diào)管、低噪多通道超高頻模塊、光纖角速度傳感器、小型空心轉(zhuǎn)子和低起動電壓電機,輕型陀螺穩(wěn)定天線支架和波導裂縫陣天線等設(shè)計技術(shù)。

表2所列為莫斯科“瑪瑙”研究所在不同時間圖4為主動雷達導引頭的產(chǎn)品樣機。研制的主動雷達導引頭的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標。

表2 莫斯科“瑪瑙”研究所不同年代導引頭產(chǎn)品主要技術(shù)指標對比

3 雷達導引頭發(fā)展趨勢

未來對雷達導引頭的要求在很大程度上取決于先進目標和干擾的技術(shù)指標和使用戰(zhàn)術(shù)。

未來目標將變得越來越難以發(fā)現(xiàn),速度更高,能快速完成機動,并且只能在遠距離上攔截。此外和現(xiàn)有目標相比,未來目標類型也會日趨多樣化。由此可見,從費效比的原則出發(fā),在未來的局部沖突中將更為頻繁地使用無人駕駛武器和不同類型的導彈,包括巡航導彈和彈道導彈。

某些情況下,如攔截彈道導彈彈頭需要很高的制導精度,在這時導彈需要選擇目標上的最易損點,對這點的殺傷概率要做大最大。

未來的無線電對抗設(shè)備將變得越來越先進,因此在復雜的干擾條件下雷達導引頭要成功發(fā)現(xiàn),并跟蹤先進的目標就必須要使用最新的抗干擾設(shè)備。

圖4 左起分別為“9B1103M”、“9B1103M-200(進步)”、“9B1103M-350(冰球)”主動雷達導引頭

對上述內(nèi)容進行概括可以得出結(jié)論:未來的雷達導引頭應具有極大的目標探測距離;對角坐標、速度和距離有很高的分辨率;高度智能化,對信號和干擾進行自適應處理,可以在很強的地海雜波及其他干擾信號影響下從大量不同類型的目標中選取需要的攻擊目標。

未來的“空-空”和“面-空”級導彈中使用最為廣泛的雷達導引頭將是主動雷達導引頭和復合雷達導引頭。

也有可能未來會使用通用化的主動雷達導引頭,既可以在“空-空”級導彈上,也可以在“面-空”級導彈上使用。如莫斯科“瑪瑙”研究所研制的主動雷達導引頭“進步”和“冰球”就屬此類導引頭。

(待續(xù))