何 均

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

反裝甲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)性能分析

何 均

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

分析了雷達(dá)導(dǎo)引頭用于反裝甲導(dǎo)彈的技術(shù)方案。在目標(biāo)的特性分析基礎(chǔ)上,論證了導(dǎo)引頭適宜采用的信號(hào)類型及具體的高分辨信號(hào)形式,設(shè)計(jì)了導(dǎo)引頭在地面段和空中段的工作模式及工作過(guò)程。采用一組工作參數(shù)仿真分析了導(dǎo)引頭達(dá)到的測(cè)量精度,結(jié)果表明,雷達(dá)導(dǎo)引頭的測(cè)距精度小于1 m,角速率誤差小于0.2°/s,隨彈目距離的減小,精度進(jìn)一步提高。導(dǎo)引頭具備較高的制導(dǎo)性能和技術(shù)可實(shí)現(xiàn)性,對(duì)反裝甲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的工程應(yīng)用具有一定參考價(jià)值。

反裝甲導(dǎo)彈;雷達(dá)導(dǎo)引頭;毫米波;制導(dǎo)性能

1 引 言

地面坦克、裝甲車、重型火炮一直以來(lái)都是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)重點(diǎn)打擊的目標(biāo)類型[2]。從效費(fèi)比的角度考慮,攻擊此類目標(biāo)時(shí)多采用成本較低、精度較高、作用距離較近的導(dǎo)彈。SAR成像末制導(dǎo)體制成本較高、數(shù)據(jù)處理量較大、對(duì)彈道要求嚴(yán)格,難以適用。除光電、紅外、激光末制導(dǎo)導(dǎo)彈外,雷達(dá)末制導(dǎo)導(dǎo)彈以其全天時(shí)、全天候工作的特點(diǎn)受到廣泛的關(guān)注和研究。由于此類目標(biāo)通常處于復(fù)雜的地理環(huán)境中,地雜波影響嚴(yán)重,而目標(biāo)的雷達(dá)散射截面較小,處于靜止或運(yùn)動(dòng)狀態(tài),受地物環(huán)境影響較大,難以進(jìn)行有效的檢測(cè)和判別。如何從復(fù)雜多變的地面環(huán)境準(zhǔn)確檢測(cè)目標(biāo)成為雷達(dá)導(dǎo)引頭研究的關(guān)鍵因素。南京理工大學(xué)的胡體玲[1]、陳金[2]等對(duì)高分辨雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行了分析。本文以常規(guī)低成本的研究角度,首先通過(guò)對(duì)高距離分辨信號(hào)的分析提出反裝甲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭應(yīng)采用的信號(hào)形式,進(jìn)而設(shè)計(jì)了導(dǎo)引頭的工作流程、目標(biāo)檢測(cè)算法等,通過(guò)仿真分析論證導(dǎo)引頭達(dá)到的性能指標(biāo)。

2 導(dǎo)引頭的信號(hào)分析

2.1 目標(biāo)特性分析

雷達(dá)末制導(dǎo)導(dǎo)引頭通常工作于毫米波頻段,波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸,工作于光學(xué)區(qū),雷達(dá)信號(hào)照射到目標(biāo)后將形成多個(gè)散射中心,若采用寬帶發(fā)射信號(hào),目標(biāo)回波的距離像包含多個(gè)反映目標(biāo)特性的峰值,有利于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別。地面目標(biāo)體積較小、雷達(dá)發(fā)射截面積不大,其毫米波段的 RCS約為 10～100 m2,受地面其他目標(biāo)如地形起伏、樹(shù)林、建筑物等影響嚴(yán)重。對(duì)低分辨雷達(dá)而言,目標(biāo)的回波將淹沒(méi)于噪聲和雜波之中,這時(shí)的目標(biāo)檢測(cè)較難,達(dá)不到進(jìn)行可靠檢測(cè)所需的信噪比要求。此外,目標(biāo)可能處于靜止或慢速運(yùn)動(dòng)狀態(tài),也不能采用常規(guī)MTI雷達(dá)采用的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)手段。因此,需要利用目標(biāo)特征信息,采用距離高分辨信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步識(shí)別目標(biāo)[3]。

反裝甲雷達(dá)導(dǎo)引頭采用高分辨發(fā)射信號(hào),從而可以實(shí)現(xiàn):

(1)高分辨回波信號(hào)形成具有多個(gè)峰值的目標(biāo)一維距離像,利用距離像信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別,提高目標(biāo)識(shí)別能力;

(2)利用距離高分辨減小單個(gè)距離單元內(nèi)雜波的回波能量,而目標(biāo)回波能量主要由散射中心決定,受距離單元大小影響不大,從而提高信雜比;

(3)高分辨回波在距離像形成多個(gè)峰值,峰值的個(gè)數(shù)在一定范圍內(nèi)相對(duì)固定,從而抑制突然出現(xiàn)的單個(gè)峰值或大片峰值的干擾信號(hào),提高抗干擾能力。

2.2 高分辨雷達(dá)信號(hào)分析

為獲得高分辨距離信息,導(dǎo)引頭需采用寬帶發(fā)射信號(hào),主要的寬帶信號(hào)包括線性調(diào)頻信號(hào)、調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)等[4],在高分辨率雷達(dá)系統(tǒng)中,線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)和調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)是用得最多的兩種,下面針對(duì)這兩種信號(hào)進(jìn)行分析。

(1)線性調(diào)頻脈沖壓縮信號(hào)

式中,k為調(diào)頻斜率,A為發(fā)射信號(hào)幅度,0為發(fā)射信號(hào)初相,f0為發(fā)射信號(hào)的載頻。

該信號(hào)的模糊函數(shù)為

(2)調(diào)頻步進(jìn)頻信號(hào)

式中,Tr為脈沖重復(fù)周期,T為子脈沖寬度,f0為載頻起始頻率,Δf為頻率步進(jìn)量,N為頻率步進(jìn)數(shù)量。

信號(hào)的模糊函數(shù)為

分析兩種信號(hào)的模糊圖可以看出:線性調(diào)頻信號(hào)具有良好的距離(時(shí)間)和速度(頻率)分辨力,信號(hào)主要能量及峰值位于Td=Fd的直線上,具有較好的抗雜波干擾能力;調(diào)頻步進(jìn)信號(hào)的模糊圖存在多個(gè)相互獨(dú)立的模糊帶,在頻率維存在多值性,而在時(shí)間維具有較高的分辨力,由于信號(hào)能量主要集中于各模糊帶上,因此具有較好的雜波抑制能力。

3 導(dǎo)引頭工作模式設(shè)計(jì)

系統(tǒng)工作過(guò)程主要分地面段和空中段兩個(gè)階段。

3.1 地面段

(1)任務(wù)加載

由于不同目標(biāo)具有不同的一維距離像特征,因此,在導(dǎo)彈發(fā)射之前,需要對(duì)導(dǎo)引頭進(jìn)行任務(wù)加載,主要包括待打擊的目標(biāo)類型及目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)庫(kù)等信息。

(2)系統(tǒng)自檢

通過(guò)查看導(dǎo)引頭的BIT信號(hào)判斷各模塊是否工作正常。同時(shí),利用測(cè)試接口輸入相應(yīng)的測(cè)試信號(hào),檢驗(yàn)導(dǎo)引頭主要指標(biāo)是否滿足導(dǎo)彈系統(tǒng)的要求。

3.2 空中段

導(dǎo)引頭在飛行過(guò)程中的工作過(guò)程如圖1所示。

圖1 導(dǎo)引頭的工作過(guò)程Fig.1 The working process of radar seeker

(1)導(dǎo)引頭開(kāi)發(fā)射前

此階段導(dǎo)引頭加電,但由于彈目距離較遠(yuǎn),在導(dǎo)引頭的威力范圍外,為了避免導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)被對(duì)方探測(cè)并被干擾,同時(shí)降低系統(tǒng)電源消耗,功放處于不發(fā)射狀態(tài)。導(dǎo)引頭將天線指向起始掃描位置,并由伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)天線的電鎖定,導(dǎo)引頭處于掃描準(zhǔn)備狀態(tài)。

(2)目標(biāo)區(qū)搜索

當(dāng)導(dǎo)彈進(jìn)入導(dǎo)引頭威力范圍后,導(dǎo)引頭打開(kāi)發(fā)射機(jī),按照預(yù)先設(shè)定或解算得到的搜索范圍對(duì)目標(biāo)區(qū)快速進(jìn)行掃描。采集目標(biāo)及地物背景回波,進(jìn)行脈沖壓縮、相參積累等處理,獲得目標(biāo)的一維距離像及單脈沖波束銳化圖像。

(3)目標(biāo)識(shí)別捕獲

利用獲取的圖像,提取目標(biāo)的特征信息,檢測(cè)超過(guò)一定門(mén)限的峰值信號(hào),識(shí)別出待攻擊目標(biāo),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的捕獲,同時(shí),采用平滑濾波等技術(shù)進(jìn)行角閃爍抑制處理。

(4)目標(biāo)跟蹤

導(dǎo)引頭采用和差比幅單脈沖體制提取目標(biāo)的角度信息,同時(shí),采用數(shù)字式比相器,與傳統(tǒng)的模擬比相器相比,數(shù)字比相器對(duì)三通道接收機(jī)的相位一致性要求大為降低。單脈沖跟蹤精度很高,隨著彈目距離的減小、信噪比的提高,其跟蹤精度將進(jìn)一步提高。

當(dāng)彈目距離小于某值(如50 m)時(shí),進(jìn)入導(dǎo)引頭的工作盲區(qū),導(dǎo)引頭停止輸出彈目信息,導(dǎo)彈以慣性飛向目標(biāo)。

在導(dǎo)引頭工作的各個(gè)模式中,目標(biāo)的檢測(cè)捕獲至關(guān)重要?？紤]到導(dǎo)引頭系統(tǒng)采用高分辨雷達(dá)體制后,信雜比一般都在10 dB以上,而且需檢測(cè)的目標(biāo)變成了一定長(zhǎng)度的擴(kuò)展目標(biāo),在一維距離像上,表現(xiàn)為一段起伏的回波,而孤立的雜波源或雜波邊界在徑向上的擴(kuò)展長(zhǎng)度與目標(biāo)信號(hào)相比是比較短的。因此,如果知道待檢測(cè)目標(biāo)沿徑向的粗略長(zhǎng)度,并以該長(zhǎng)度為擴(kuò)展目標(biāo)檢測(cè)的基準(zhǔn)單位(第二門(mén)限),那么,首先設(shè)置一預(yù)檢測(cè)門(mén)限(第一門(mén)限),將超過(guò)該門(mén)限的散射點(diǎn)檢測(cè)出來(lái),然后利用這些散射點(diǎn)在徑向上的位置信息與基準(zhǔn)單位進(jìn)行比較,則很容易剔除假目標(biāo)信號(hào)和雜波干擾信號(hào),檢測(cè)出真實(shí)的目標(biāo)信號(hào)。而且,在距離向上的目標(biāo)數(shù)目再多,只要其徑向分布具有一定的長(zhǎng)度,都將被檢測(cè)出來(lái)。這種方法利用了目標(biāo)前后散射點(diǎn)的位置相關(guān)信息。

4 導(dǎo)引頭制導(dǎo)性能分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

設(shè)置導(dǎo)引頭工作參數(shù)如下:工作頻段為W頻段;發(fā)射功率300 mW;發(fā)射信號(hào)形式為L(zhǎng)FMCW;發(fā)射脈沖重復(fù)頻率8 kHz;調(diào)頻帶寬400 MHz;天線尺寸為160 mm×60 mm(收發(fā)天線分開(kāi));和波束增益35 dB;和波束寬度 1.4°×3.6°;天線形式為平板裂縫天線;天線方位掃描范圍±20°;俯仰掃描范圍-20°～ +20°;測(cè)角方法為二維單脈沖。

4.2 導(dǎo)引頭的測(cè)距精度

雷達(dá)的測(cè)距精度σR,即距離誤差可用下式表示[5]:

式中,σG為距離單元量化誤差,σN為噪聲引入的誤差,σt為脈沖前沿抖動(dòng)誤差,σc為雜波與干擾引入的誤差,σA為多路徑引入的誤差,σF為目標(biāo)閃爍引入的誤差,σD為距離多普勒耦合誤差,σT為傳播引入的誤差。

根據(jù)上述各項(xiàng)計(jì)算結(jié)果,計(jì)算出導(dǎo)引頭的距離精度 σR=0.986 m。

4.3 方位與俯仰測(cè)角精度

導(dǎo)引頭的主要測(cè)角誤差包括表1的各分量[6]。

表1 導(dǎo)引頭的主要角誤差分量Table 1 Main angle error element of seeker

根據(jù)導(dǎo)彈飛行情況和導(dǎo)引頭參數(shù)設(shè)計(jì),按照角誤差最大的情況通過(guò)捷變頻、平滑濾波改善后的目標(biāo)的方位、俯仰的導(dǎo)引頭電軸測(cè)角誤差估計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 導(dǎo)引頭的電軸測(cè)角誤差Fig.2 The electricity axis angle error of seeker

從圖中可以看出,跟蹤段(假定從2.5 km開(kāi)始跟蹤)方位/俯仰測(cè)角誤差最大值為0.12°,近距離時(shí)方位/俯仰測(cè)角誤差δ小于0.2°。

4.4 方位與俯仰角速率精度

目標(biāo)跟蹤視線角速率誤差直接決定導(dǎo)彈最終的命中精度,目標(biāo)視線角速率誤差主要由電軸測(cè)角誤差及導(dǎo)引頭跟蹤回路角速率誤差引起。綜合這幾類誤差分量,計(jì)算導(dǎo)引頭方位與俯仰的角速率誤差如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭的角速率精度Fig.3 The angle velocity error of seeker

從圖3可以看出,導(dǎo)引頭的角跟蹤精度在遠(yuǎn)距離時(shí)較大,難以滿足系統(tǒng)要求。隨著距離的逐漸減小,小于1.4 km時(shí)角速率誤差也越來(lái)越小,低于0.2°/s。

通過(guò)上述分析可知,為滿足較高的制導(dǎo)性能,反裝甲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),需采用以下技術(shù):

(1)采用高分辨距離信號(hào),有利于提高反裝甲雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的識(shí)別和檢測(cè)能力,提高測(cè)距精度;

(2)采用較高的工作頻段,在有限的空間中獲得較高的天線增益和窄的波束寬度,提高導(dǎo)引頭的信噪比和測(cè)角精度;

(3)采用連續(xù)波體制,降低導(dǎo)引頭的峰值發(fā)射功率和被截獲概率。

5 結(jié) 論

本文在對(duì)反裝甲雷達(dá)導(dǎo)引頭采用的信號(hào)形式、工作過(guò)程進(jìn)行設(shè)計(jì)分析的基礎(chǔ)上,采用一組具有代表性的導(dǎo)引頭參數(shù),仿真論證導(dǎo)引頭達(dá)到的制導(dǎo)性能,較為全面地對(duì)導(dǎo)引頭系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要參數(shù)進(jìn)行了論證,可為科研人員進(jìn)行導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)提供相關(guān)的技術(shù)支撐。對(duì)處于復(fù)雜環(huán)境下的裝甲目標(biāo),僅采用雷達(dá)導(dǎo)引頭存在一定的困難,應(yīng)采用與其他制導(dǎo)方式(如紅外等)復(fù)合進(jìn)行制導(dǎo)。

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CHEN Jin.Signal Processing of Stepped Frequency System which is Applied in Millimeter Wave Seeker[D].Nanjing:Nanjing University of Science&Technology,2004.(inChinese)

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ZHANG Jiao-yun.Modeling and Simulation of Single Pulse Radar Seeker[D].Xi′an:Xidian University Press,2006.(in Chinese)

HE Jun was born in Xichong,Sichuan Province,in 1975.He is now an engineer with the M.S.degree.His research concerns radar system design.

Email:hjxwl@sina.com

Guidance Performance Analysis of Anti-armor Missile Radar Seeker

HE Jun
(Southwest China Institute of Electronic Technology,Chengdu 610036,China)

The technical scheme for anti-armor missile radar seeker is analysed.Based on the analysis of the target characteristics,the signal type and the specific form of high-resolution signal for seeker are expounded.The work mode and work processare designedwhen seeker is in the ground segment and air segment.The measurement accuracy of the seeker is simulated.The result shows that the ranging accuracy of radar seeker is less than 1meter and the angular rate error is less than 0.2°/s.With the distance decreasing,the precision is improved progressively.The seeker has high guidance performance and can be realized by present technology.The work in this paper has a certain reference value for the engineering application of anti-armor missile radar seekers.

anti-armor missile;radar seeker;millimeter wave;guidance performance

TN959.2

A

10.3969/j.issn.1001-893x.2012.06.007

1001-893X(2012)06-0869-04

2012-02-28;

2012-06-07

何 均(1975—),男,四川西充人,碩士,工程師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。