盧福剛　陳士超

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所　西安　710065)

0　引言

導(dǎo)引頭是精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的“眼睛”，可有效地把導(dǎo)彈和目標(biāo)關(guān)聯(lián)起來并輸出它們之間的相對運動信息。導(dǎo)引頭技術(shù)制約著精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈研發(fā)，是決定戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈創(chuàng)新發(fā)展的核心關(guān)鍵[1-3]。正確把握導(dǎo)引頭技術(shù)的研究重點和發(fā)展方向，對于加快先進(jìn)的工程化導(dǎo)引頭樣機研發(fā)，可達(dá)到事半功倍的效果。高度重視和切實抓好導(dǎo)引頭技術(shù)及其發(fā)展工作，意味著把住了精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈可持續(xù)和創(chuàng)新發(fā)展的“命脈”。

1　導(dǎo)引頭的分類

導(dǎo)引頭按照其結(jié)構(gòu)形式、探測能量的來源及其波段或頻率等，可以分成不同的類型，下面是幾種典型的分類：

1)按照其探測系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)本體(或?qū)棌楏w)之間的交聯(lián)形式，可以分成捷聯(lián)式導(dǎo)引頭[4-5]和平臺式導(dǎo)引頭[6-7]；

2)按照其探測的能量來源，可以分成主動導(dǎo)引頭[8-9]、半主動導(dǎo)引頭[10-11]和被動導(dǎo)引頭[12-13]等；

3)按照其探測能量的波段或頻率，可以分成電視導(dǎo)引頭[14-15]、紅外導(dǎo)引頭[12-13]、激光導(dǎo)引頭[10-11]和雷達(dá)導(dǎo)引頭[8-9]等；

4)將上述的分類再進(jìn)行組合后，又可分成主被動復(fù)合導(dǎo)引頭[16-17]、雙模復(fù)合導(dǎo)引頭[18-19]和多模復(fù)合導(dǎo)引頭[20-21]等等。

2　不同類型導(dǎo)引頭的組成及特點

2.1　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭

捷聯(lián)式導(dǎo)引頭最早出現(xiàn)于上世紀(jì)40年代末，直至70年代，其一直被廣泛研發(fā)和應(yīng)用，捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的典型代表為應(yīng)用于空空導(dǎo)彈和反艦導(dǎo)彈的點源紅外導(dǎo)引頭[4-5]。近些年來，由于慣性測量、衛(wèi)星定位、組合導(dǎo)航以及數(shù)字信息處理等技術(shù)的迅猛發(fā)展和應(yīng)用，以提高導(dǎo)引頭抗發(fā)射沖擊過載、簡化結(jié)構(gòu)和降低造價成本為目標(biāo)，捷聯(lián)式導(dǎo)引頭再次煥發(fā)了青春，呈現(xiàn)出勃勃的生機。

捷聯(lián)式導(dǎo)引頭主要由探測系統(tǒng)、電子艙和結(jié)構(gòu)本體組成，捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。探測系統(tǒng)的主要功能是接收從目標(biāo)反射或發(fā)射的能量，輸出能夠反映目標(biāo)相對探測系統(tǒng)光軸或電軸的夾角。電子艙的主要功能是接收探測系統(tǒng)輸出的原始信息，形成目標(biāo)相對光軸或電軸的角度信息。結(jié)構(gòu)本體的主要功能是把探測系統(tǒng)、電子艙、整流罩和殼體等導(dǎo)引頭部件有機地裝配和固連在一起，以滿足對捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)強度和氣動外形的要求。

圖1　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖

由于捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的探測系統(tǒng)與其結(jié)構(gòu)本體是固連的，因此就其本身來說，只能獲得目標(biāo)相對其探測系統(tǒng)光軸或電軸的夾角信息，獲得的有效信息較少。捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的測角示意圖如圖2所示，Xb表示導(dǎo)引頭電軸零位方向，φ表示導(dǎo)引頭俯仰視線(Line of Sight，LOS)角，若探測系統(tǒng)采用是的主動雷達(dá)，還能獲得其與目標(biāo)之間的距離信息。因此，采用捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈，由于導(dǎo)引頭對目標(biāo)的觀測視場范圍直接受限于彈體姿態(tài)，必然會給制導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計和末制導(dǎo)導(dǎo)引方法的選擇帶來一定的限制和困難。捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的主要特點如下：

1)沒有萬向支架、測角器、力矩電機、動力陀螺或速率陀螺，系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，造價成本較低；

2)探測系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)本體機械固連，沒有活動組件，抗發(fā)射沖擊和飛行過載的能力很強；

3)探測系統(tǒng)的通光口徑或雷達(dá)天線口面可以設(shè)計的比較大，有利于提高目標(biāo)的探測距離；

圖2　捷聯(lián)式導(dǎo)引頭測角示意圖

4)只能直接獲得目標(biāo)相對于捷聯(lián)式導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)光軸或電軸的夾角信息，限制了導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)導(dǎo)引方法的選擇，若要采用比例導(dǎo)引頭方法，除了需要間接獲得視線角速度信息，還需要導(dǎo)彈提供位置和姿態(tài)角信息并通過相應(yīng)的解算和處理，且得到的視線角速度信息精度較差、干擾誤差較大，這些限制使得采用捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈其命中精度不高；

5)為了保證導(dǎo)彈在整個末制導(dǎo)飛行過程中，目標(biāo)始終能夠在捷聯(lián)式導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)的瞬時視場或波束角內(nèi)，對導(dǎo)彈末段導(dǎo)引飛行的姿態(tài)穩(wěn)定性提出了很高的要求，進(jìn)而給導(dǎo)彈末段制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計增加了難度。

2.2　平臺式導(dǎo)引頭

平臺式導(dǎo)引頭出現(xiàn)于上世紀(jì)70年代中后期，伴隨電視電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)、紅外焦平面成像技術(shù)、激光探測器以及毫米波雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展和不斷成熟，以電視成像、紅外成像、半主動激光、主動毫米波及其相關(guān)復(fù)合的平臺式導(dǎo)引頭為代表，被廣泛應(yīng)用于各種類型的精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中[6-7]。

平臺式導(dǎo)引頭主要由探測系統(tǒng)、伺服穩(wěn)定平臺、電子艙和結(jié)構(gòu)本體等組成，主要有動力陀螺穩(wěn)定跟蹤[22-23]和速率陀螺穩(wěn)定跟蹤[24-25]兩大類型，動力陀螺平臺式導(dǎo)引頭以及速率陀螺平臺式導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　動力陀螺平臺式導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖

圖4　速率陀螺平臺式導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)示意圖

平臺式導(dǎo)引頭與捷聯(lián)式導(dǎo)引頭的最大區(qū)別是平臺式導(dǎo)引頭的探測系統(tǒng)安裝于伺服穩(wěn)定的平臺之上，其主要特點如下：

1)能夠通過伺服穩(wěn)定平臺隔離彈體擾動，易于實現(xiàn)較為復(fù)雜的目標(biāo)掃描捕獲，為目標(biāo)自動檢測、識別與選擇創(chuàng)造了很好的條件；

2)在完成目標(biāo)鎖定以后，能夠通過伺服穩(wěn)定系統(tǒng)使探測系統(tǒng)光軸或電軸始終指向目標(biāo)，實現(xiàn)對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤，即使由于各種原因造成目標(biāo)短時間丟失，也易于實現(xiàn)對目標(biāo)的再捕獲與再跟蹤；

3)可直接輸出視線角速度且視線角速度精度較高，采用末段比例導(dǎo)引，易于實現(xiàn)對目標(biāo)精確命中和高效毀傷；

4)由于存在伺服穩(wěn)定系統(tǒng)，相對于捷聯(lián)式導(dǎo)引頭，抗發(fā)射沖擊過載的能力較差；

5)由于存在萬向支架、力矩電機、測角器、動力陀螺或角速率陀螺及伺服穩(wěn)定控制模塊，組成結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，造價成本較高。

穩(wěn)定跟蹤平臺是平臺式導(dǎo)引頭的重要組成部分，是實現(xiàn)其視線軸或電軸穩(wěn)定跟蹤的核心部件。按照穩(wěn)定跟蹤控制原理，一般分為動力陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺和速率陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺。動力陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺利用動力陀螺的定軸性實現(xiàn)平臺穩(wěn)定，利用動力陀螺的進(jìn)動性實現(xiàn)平臺跟蹤，其穩(wěn)定跟蹤控制原理如圖5所示。速率陀螺穩(wěn)定跟蹤平臺利用安裝在臺體(萬向支架)上的角速率陀螺測量平臺運動角速率，實現(xiàn)視線軸或電軸在慣性空間的穩(wěn)定和閉環(huán)跟蹤，其穩(wěn)定跟蹤控制原理如圖6所示。動力陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭與速率陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭的對比見表1。

圖5　動力陀螺穩(wěn)定跟蹤控制原理框圖

圖6　速率陀螺穩(wěn)定跟蹤控制原理框圖

動力陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭與速率陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭的對比見表1。

表1　動力陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭和速率陀螺穩(wěn)定跟蹤導(dǎo)引頭對比

3　導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展的重點、難點和方向

3.1　導(dǎo)引頭的主要技術(shù)指標(biāo)和能力需求

導(dǎo)引頭的主要技術(shù)指標(biāo)和能力需求如下：

1)作用距離或威力：導(dǎo)引頭作用距離越遠(yuǎn)或威力越大，留給導(dǎo)彈末段制導(dǎo)飛行的時間越長，越有利于實現(xiàn)目標(biāo)的精確命中和高效毀傷；

2)導(dǎo)引信息精度：導(dǎo)引信息精度越高，末段制導(dǎo)精度越高；

3)角范圍：導(dǎo)引頭框架角范圍越大，越易于放寬導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用剖面；

4)動態(tài)響應(yīng)時間：動態(tài)響應(yīng)時間越短，導(dǎo)彈攻擊活動目標(biāo)的能力越強；

5)可靠性：可靠性越高，導(dǎo)彈的發(fā)射飛行成功率越高；

6)探測和敏感方式：單模導(dǎo)引頭易于實現(xiàn)、造價成本較低，但每一種制導(dǎo)模式，如可見光、紅外成像、半主動激光和毫米波雷達(dá)等，各具優(yōu)勢和不足，適應(yīng)天氣條件、戰(zhàn)場環(huán)境和目標(biāo)特性的能力不同；多模復(fù)合難于設(shè)計實現(xiàn)，但不同模式可以揚長避短、發(fā)揮綜合優(yōu)勢，適用惡劣氣象條件、復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境和不同目標(biāo)特性的能力強，但造價成本較高；

7)目標(biāo)自主識別能力：具備目標(biāo)自主識別能力，可以實現(xiàn)導(dǎo)彈“發(fā)射后不管”，發(fā)射平臺的生存能力強，射手的壓力小；不具備目標(biāo)自主識別能力，則需要“人在回路”完成目標(biāo)識別與鎖定，不能實現(xiàn)導(dǎo)彈“發(fā)射后不管”，發(fā)射平臺的生存能力差，射手的壓力大。

3.2　導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展的重點和難點

導(dǎo)引頭是集光、機、電、結(jié)構(gòu)、控制和信息處理于一體的復(fù)雜裝置，是精確制導(dǎo)導(dǎo)彈的核心關(guān)鍵部件。對于不同類型的導(dǎo)引頭，其研發(fā)重點和難點既有相同之處又各具差異：

1)對于捷聯(lián)式導(dǎo)引頭，寬線性范圍和大視場探測系統(tǒng)設(shè)計及其結(jié)合彈上其它制導(dǎo)控制信息的綜合處理是重點和難點；

2)對于平臺式導(dǎo)引頭，特別是應(yīng)用于小型和超小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的平臺式導(dǎo)引頭，輕質(zhì)、小尺寸和高集成度導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，尤其是探測系統(tǒng)和位標(biāo)器小型化集成設(shè)計是重點和難點；

3)對于半主動激光導(dǎo)引頭和被動紅外成像導(dǎo)引頭，高靈敏、低噪聲激光探測器和非制冷大面陣紅外探測器件及其輸出的模擬弱信號處理，電子艙低噪聲設(shè)計，激光和被動紅外在不同氣象和戰(zhàn)場環(huán)境條件下的傳輸特性及其對不同類型目標(biāo)表面的漫反射和輻射特性等，是其研發(fā)的重點和難點；

4)對于主動毫米波導(dǎo)引頭，不論是常用的8mm波段還是3mm波段，毫米波核心器件的國產(chǎn)化研發(fā)，雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計及其工作體制研究與選擇，毫米波信號在不同氣象和戰(zhàn)場環(huán)境條件下的毫米波傳輸特性，不同地面典型地貌背景及不同類型軍事目標(biāo)的毫米波散射特性，軍事目標(biāo)與主被動干擾物的毫米波特征及其識別與拒判等，是其研發(fā)的重點和難點；

5)對于多模復(fù)合導(dǎo)引頭，例如半主動激光、主動毫米波和被動紅外的雙模復(fù)合或三模復(fù)合導(dǎo)引頭，應(yīng)該在上述單模導(dǎo)引頭重點和難點的解決基礎(chǔ)上開展研發(fā)工作，一體化共口徑、共光路、共平臺的復(fù)合探測系統(tǒng)設(shè)計；小型化、集成化穩(wěn)定跟蹤位標(biāo)器及整個導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計；多模信息融合方法和不同模式作戰(zhàn)使用策略研究等，是其研發(fā)的重點和難點。

3.3　導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展方向

導(dǎo)彈武器具有威力大、射程遠(yuǎn)、精度高的顯著特點。近些年來，各種導(dǎo)彈武器正以前所未有的速度迅猛發(fā)展，進(jìn)入了一個升級換代和創(chuàng)新發(fā)展的新時期，導(dǎo)彈攻防對抗更趨激烈，一大批更快、更遠(yuǎn)、更準(zhǔn)、更智能的導(dǎo)彈武器紛紛登場亮相。其中，更準(zhǔn)、更智能的需求和發(fā)展趨勢與導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展方向直接相關(guān)，主要體現(xiàn)在激光成像探測技術(shù)[26]、太赫茲技術(shù)[27]、量子信息技術(shù)[28]和微系統(tǒng)技術(shù)[29]四個方面。

3.3.1激光成像探測技術(shù)

激光成像探測技術(shù)的特點是信息維度多、測距測角精度高和選擇能力強，能夠顯著提高導(dǎo)引頭探測和識別目標(biāo)的能力，具有較強的抗干擾能力。美國已經(jīng)研制出雪崩二極管(Avalanche Photodiode, APD)陣列探測雷達(dá)[30]、自混頻陣列探測固態(tài)激光雷達(dá)，正在研制的激光雷達(dá)導(dǎo)引頭將突破百毫焦量級，APD探測器陣列也將在256×256像元以上。2015年，美國國防部高級計劃研究署(Defense Advance Research Project Agency，DARPA)的“寬視場激光相控陣”項目首次將相控陣天線與激光組件集成在一個微芯片之上，可以在51°范圍內(nèi)進(jìn)行精確激光掃描，為激光雷達(dá)導(dǎo)引頭研發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

3.3.2太赫茲技術(shù)

太赫茲介于毫米波與長波紅外波段之間(0.1THz～10THz)，其可以避開傳統(tǒng)吸波材料的吸波頻段，可應(yīng)用于反隱身探測技術(shù)。太赫茲工作帶寬寬，對目標(biāo)的微運動特征較為敏感，測角分辨率極高。基于太赫茲技術(shù)的導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)，會給導(dǎo)引頭的技術(shù)發(fā)展帶來革命性的變化。美國空軍噴氣推進(jìn)實驗室研制出的0.58THz逆合成孔徑三坐標(biāo)成像雷達(dá)，調(diào)頻帶寬為20GHz，能夠提供1cm的距離分辨率。2014年，羅格公司在DARPA“太赫茲電子研究”項目下開始研發(fā)1.03THz的固態(tài)放大器集成電路。

3.3.3量子信息技術(shù)

量子雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率和反隱身探測。量子雷達(dá)能夠穿透云層和煙霧等實現(xiàn)高精度成像。量子雷達(dá)在導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)中具有潛在的應(yīng)用前景。2014年12月，美國羅切斯特大學(xué)開展了試驗驗證，證實了量子信息技術(shù)的應(yīng)用，可使雷達(dá)有效探測到具有欺騙能力的隱身目標(biāo)。2015年，英國約克大學(xué)的研究團(tuán)隊研發(fā)出一個雙腔轉(zhuǎn)換器，利用納米振蕩器實現(xiàn)微波與光波的耦合，將成為量子雷達(dá)的核心器件。

3.3.4微系統(tǒng)技術(shù)

微系統(tǒng)以微納尺度理論為支撐，以微納制造和工藝為基礎(chǔ)，發(fā)展并不斷融入微機械、微電子、微光學(xué)等各種技術(shù)，具有微感知、微處理、微控制等功能，并通過功能模塊的集成向組件級發(fā)展。微慣性測量裝置具有體積小、成本低、質(zhì)量輕、抗沖擊、抗振動和集成度高等特點，適用于導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)的伺服穩(wěn)定機構(gòu)。利用微系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)雷達(dá)射頻收發(fā)系統(tǒng)級芯片(System on Chip，SOC)、相控陣T/R子陣、多模導(dǎo)引頭SOC芯片等，能夠促進(jìn)導(dǎo)引頭進(jìn)一步朝著小型化和智能化方向發(fā)展，對于提高導(dǎo)引頭性能、縮小導(dǎo)引頭尺寸、降低導(dǎo)引頭重量和成本等具有革命性的影響。

4　導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展的途徑和舉措

綜合上述導(dǎo)引頭分類、組成、特點、研發(fā)重點和難點，以及導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展方向，形成導(dǎo)引頭技術(shù)發(fā)展的途徑和舉措如下：

1)著眼未來發(fā)展，前瞻性地謀劃好制約和影響導(dǎo)引頭革命性發(fā)展的新型探測、反隱身等前沿技術(shù)研究和應(yīng)用工作，如激光成像探測技術(shù)、太赫茲技術(shù)和量子信息技術(shù)等；

2)抓住核心關(guān)鍵，有目的地籌劃好制約和影響導(dǎo)引頭創(chuàng)新性發(fā)展的目標(biāo)自主識別、抗誘騙等關(guān)鍵技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，如基于主動毫米波、激光成像和太赫茲等的目標(biāo)自主識別和抗誘騙關(guān)鍵技術(shù)；

3)把握重點難點，有計劃地策劃好制約和影響導(dǎo)引頭持續(xù)性發(fā)展的核心器件、新型材料等瓶頸技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，如毫米波核心器件、激光成像面陣模塊、小/微型敏感元器件、寬帶透射材料、分頻透射/反射材料及其制造工藝等；

4)重視試驗測試，有針對性地開展好制約和影響導(dǎo)引頭實際應(yīng)用的大氣傳輸特性、目標(biāo)反射特性、環(huán)境適應(yīng)性、彈載適應(yīng)性、工作可靠性等基礎(chǔ)技術(shù)研究和應(yīng)用工作，如激光、紅外和毫米波等的大氣傳輸特性及其在不同類型目標(biāo)表面的發(fā)射和反射特性，導(dǎo)引頭抗發(fā)射沖擊能力、適應(yīng)振動頻譜特性等；

5)組建一支吃苦耐勞、攻堅克難、永不服輸、開創(chuàng)進(jìn)取的穩(wěn)定研發(fā)團(tuán)隊是前提，構(gòu)建設(shè)計分析、試制裝調(diào)、試驗測試、考核評估的齊備研發(fā)條件是基礎(chǔ)，落實相應(yīng)知識產(chǎn)權(quán)、薪酬待遇、獎懲機制、股權(quán)激勵的特別政策是保障。

5　結(jié)束語

導(dǎo)引頭技術(shù)是精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，其革命性發(fā)展是精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈根本創(chuàng)新的前提之一?？梢哉f當(dāng)下和未來，誰擁有導(dǎo)引頭技術(shù)、誰把握了導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展方向、誰站在了導(dǎo)引頭技術(shù)的制高點，就意味著誰將在日趨競爭激烈的精確制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈研發(fā)領(lǐng)域和產(chǎn)品市場占據(jù)絕對優(yōu)勢地位。