徐勝利，楊革文，吳大祥

（上海機電工程研究所，上海 200233）

0 引言

根據近年來局部戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)模式，以及面臨21世紀的空中威脅和作戰(zhàn)環(huán)境，未來新一代防空導彈武器系統(tǒng)面臨的作戰(zhàn)環(huán)境特點是多種類、多方位、多批次、全天候的精確制導武器的飽和攻擊，低空、超低空目標的突防，目標隱身性能新發(fā)展，復雜的電子、光電干擾環(huán)境等。隨著光、電干擾技術、隱身技術的迅速發(fā)展，未來戰(zhàn)場環(huán)境會變得十分惡劣，單一頻段或模式的制導武器將難以適應未來戰(zhàn)爭的需求。按未來發(fā)展型號的型譜和作戰(zhàn)技術要求，需研制一種在綜合電子、光電干擾環(huán)境中能有效探測和跟蹤隱身、“小”目標的尋的技術。

精確制導武器近年來得到了越來越廣泛的研究和應用，雙模復合制導成為精確制導尋的主要趨勢之一［1］。雙模導引可充分發(fā)揮不同頻段或兩種制導體制的自身優(yōu)勢，互相彌補各自的不足，極大地提高作戰(zhàn)效能和生存能力。目前，正在應用和研制中的有紫外／紅外、激光／紅外、半主動雷達／主動雷達、被動雷達／主動雷達、雷達／紅外等雙模復合尋的制導。在復合制導體制中，雷達／紅外復合制導更受關注，其具有對抗多種電子干擾、光電干擾的能力，末制導作用距離遠，復雜環(huán)境中辨識真假目標，以及目標命中點選擇的能力。因此，雷達／紅外雙模制導已成為防空反導導彈制導技術發(fā)展的重要方向［2］。

1 雷達／紅外雙模導引頭

紫外／紅外復合制導、半主動／主動雷達復合制導、雷達／紅外雙模制導等典型制導方式的目標特性迥異，故工作原理、制造技術、信息處理技術、應用環(huán)境等存在較大差別。紫外／紅外復合導引頭、半主動／主動雷達復合導引頭、雷達／紅外雙模導引頭三種模式的性能比較見表1。

由表1可知：與其他復合導引頭相比，雷達／紅外雙模導引頭可綜合雷達與紅外性能的優(yōu)點，充分利用雙模復合尋的制導的雷達系統(tǒng)作用距離遠、能提供目標的距離信息的優(yōu)勢，結合紅外成像傳感器測角精度高和目標識別能力強，能提供目標形狀、隱蔽性能好、實現全被動探測等特點，增強雙模復合尋的制導在復雜環(huán)境中對目標的探測、識別和跟蹤能力，不僅提高導彈的作用距離和制導精度，而且顯著提升復雜對抗環(huán)境中的對抗能力和作戰(zhàn)效能［3］。

根據雷達、紅外制導技術特點，雷達／紅外雙模復合制導工作原理是導彈發(fā)射后先由雷達導引頭截獲目標，形成制導指令引導導彈飛向目標，并驅使紅外導引頭光軸指向目標，當達到足夠的紅外信噪比時，紅外導引頭鎖定目標，在最精確的彈道末段由精度較高的紅外導引頭接替制導，從而解決導彈制導精度和對付輻射源突然關機問題。在雷達、紅外制導同時工作時，應用多種制導信息進行雙模融合，優(yōu)勢互補，提高對抗復雜干擾能力。

20世紀80年代，美國裝備的艦載末端防御RAM導彈最早應用了工程實用化的被動微波與紅外復合的全被動尋的雙模導引頭。美國在對麻雀系列的AIM／RIM導彈制定發(fā)展研究規(guī)劃ESSM，以適應反導、反反艦精確攔擊的作戰(zhàn)需求，其中中低空艦空海麻雀RIM-7R即采用了半主動雷達／紅外雙模復合導引頭的技術，而中程艦空標準SM2-BLOCK3A導彈的改進方案也應用了半主動雷達／紅外雙模復合導引頭［4］。

AIM-152空空導彈作為AIM-54導彈的改進型號，美國休斯／雷聲公司提出采用主動雷達與紅外復合的雙模導引頭技術方案。另外怪蛇6空空導彈將采用主動雷達／紅外雙模復合導引頭方案。

反TBM的中高空防空導彈也十分重視雙模導引頭的應用研究。以色列的ARROW-2導彈采用主動雷達／紅外成像雙模復合導引頭體制，用被動紅外系統(tǒng)捕獲、跟蹤TBM，用主動雷達導引頭在低高度階段尋的目標。另外AKash（Sky）中程區(qū)域防御地空導彈改進型采用半主導雷達導引頭與紅外復合的雙模導引頭，提高了對付戰(zhàn)術導彈的能力。

雷達／紅外雙模導引頭不僅廣泛用于防空反導的導彈武器系統(tǒng)，而且在末制導炮彈上有廣闊的發(fā)展和應用前景，典型的有美國的SADARM反裝甲靈巧彈藥、法國的TACED制導炮彈，采用毫米波／紅外雙模復合制導方案等。

雖然，各國的研究機構對雷達／紅外雙模導引頭的結構形式、使用范圍、作戰(zhàn)效能和性能價格比等認識并不相同，如雙模導引頭結構集成與導彈小型化的矛盾產生了系統(tǒng)設計一體化問題，必須在有限的空間內同時兼顧多種導引模式，并能同時獨立工作而互不相互干擾；制導指令信息復雜度的增加和可靠性保證，需同時處理、比較與融合多種模式下不同特征的信號，確定何種模式為有效導引模式，此外，還要保證遇到干擾等情況下不同模式間的切換問題；高精度會增加導彈設計難度，低成本與高精度的矛盾就成了導彈武器發(fā)展與裝備的問題之一；在現代空襲對抗條件下，干擾與反干擾既有被動對抗，也有主動對抗，關鍵是在提高雙模導引頭復合制導效能的基礎上實現多種干擾對抗。隨著復合技術的不斷完善和作戰(zhàn)性能的不斷提高，雙模復合導引頭的形式也日趨多樣化，應用范圍日益擴大，基于雷達／紅外雙模導引頭的精確制導導彈成為現代防空反導武器的發(fā)展趨勢之一。

表1 三種制導模式性能比較Tab.1 Capability contrast of three guidance modes

2 雷達／紅外雙模復合制導技術方案

2.1 紅外前置

紅外位標器安裝在雷達天線罩的鼻錐部，其中美國RIM-7R導彈為典型代表，如圖1所示。該導彈是一種全天候，低空艦載防空導彈，彈長3.6m，彈徑204mm，射程22km，最大馬赫數2.5，采用半主動雷達和紅外復合制導體制，主要用于對付低空飛機、直升機和反艦導彈。

圖1 美國RIM-7R雙模導引頭Fig.1 USA RIM-7Rdual-model combined seeker

RAM導彈復合導引頭的結構采用紅外（非成像）前置布局結構，微波被動探測子系統(tǒng)的相干螺錐天線分置于導彈頭部兩側與彈體固連，紅外成像探測跟蹤子系統(tǒng)位于導彈頭部中央，如圖2所示。該導彈由美國和德國聯(lián)合研制，彈長2.8m，彈徑127mm，制導精度約3m，特點有費效比低、殺傷力強、速度快、無需照射雷達和跟蹤雷達、射后不管等。已完成改型Block 1導彈研制，Block 1導彈采用被動微波／紅外成像導引頭，增加全程紅外制導系統(tǒng)，賦予導彈可攻擊不發(fā)射或只是間歇發(fā)射雷達波的目標的能力，目前正在研制改型Block 2導彈［5］。

2.2 紅外側置

紅外探測位標器安裝在彈體的外側面，以美國SM2-BLOCK3A和臺灣地區(qū)雄風-2導彈為典型代表，如圖3、4所示。

隨著反艦導彈超低空飛行性能逐步提高，美國海軍進行了標準導彈尋的改進計劃，該型導彈裝備在美國和日本的海軍，在SM2導彈原來雷達半主動末制導基礎上增加了紅外成像導引頭，有效提高了抗干擾性能和制導精度，以解決攔截掠海目標、反艦導彈的飽和攻擊等問題［6］。標準2中程Block 3A艦空導彈最大射程73km，射高19.8km。

圖2 美國、德國RAM復合導引頭Fig.2 USA and Germany RAM dual-model combined seeker

雄風-2導彈為第二代亞聲速中程反艦導彈，彈長3.9m，直徑350mm，巡航馬赫數0.9，巡航高度低于15m，射程20～170km。該彈采用中段慣性制導、末段主動雷達制導，側面安裝紅外導引頭，此復合制導模式顯著提高了導彈的抗干擾全天候作戰(zhàn)能力，單發(fā)導彈命中率可達90%。

圖3 美國SM2-Block 3A導彈雙模導引頭Fig.3 Dual-model combined seeker of USA SM2-Block 3Amissile

圖4 臺灣地區(qū)雄風-2雙模導引頭Fig.4 Combined seeker of Taiwan XiongFeng-2missile

2.3 共徑雙模尋的

紅外探測系統(tǒng)的光學反射鏡面與雷達接收天線的陣面合成一體，即將紅外探測系統(tǒng)中的光學組件安裝在雷達天線的中心口面，雷達接收天線的中間環(huán)形部分同時作為紅外探測系統(tǒng)的光學反射主鏡面。雷達／紅外共徑的雙模導引頭以魚叉2000導彈為典型代表。

魚叉導彈是美海空軍現役最主要的反艦武器，彈長4.6m，彈徑340mm，射程152km，制導精度約10m。為克服沿岸地形雜波對主動雷達導引頭干擾，魚叉2000導彈制導模式升級為新型主動雷達／紅外雙模導引頭，顯著增加導引精確度及突防能力，并可攻擊停泊在港口的艦艇，如圖5所示。

圖5 法國魚叉2000雙模導引頭Fig.5 France Harpoon 2000dual-model combined seeker

2.4 共形雙模尋

采用主動雷達和紅外成像一體化的雙模技術，導引頭采用類環(huán)形天線陣，導彈頭部的內部空間安裝紅外尋的導引頭及相應的萬向支架系統(tǒng)，雷達與紅外系統(tǒng)互不影響，又能滿足導彈氣動特性和紅外光學特性。

雙射程導彈（DRM）采用共形復合導引體制，導引頭上裝載保形天線，采用電子掃描技術，可提供極高的離軸發(fā)射角和角跟蹤速率，角跟蹤范圍±90°，最大跟蹤角速度120（°）／s，落入3m半徑圓域的概率不小于95%。目前，該先進技術已實現了150°離軸發(fā)射角發(fā)射，遠大于現第四代先進導彈離軸角100°。經進一步改進和完善后，有望實現導彈全方位離軸發(fā)射的目標。美國DRM復合導引頭如圖6所示。

由雷達／紅外雙模復合制導技術的實踐和發(fā)展可知：紅外前置雙模導引頭適于中、低空防空導彈；紅外側置雙模導引頭較多用于中遠程防空導彈、反戰(zhàn)術彈道導彈和攻擊巡航導彈；共徑雙模導引頭主要用于反艦導彈及反坦克導彈；共形雙模導引頭可用于多類防空反導導彈，適用性廣。另外，認為彈體共形天線的復合方案是最利于雙模導引頭的結構形式，附著于彈體頭部表面的保形天線、電子掃描跟蹤系統(tǒng)和紅外跟蹤系統(tǒng)的復合是一個創(chuàng)新的研究問題。雷達／紅外雙模尋的復合方案有多種，各種方案有不同的特點和技術難點，因此應根據使用對象本身的作戰(zhàn)指標要求采用不同的多模尋的形式和多模復合方案。

圖6 美國DRM復合導引頭Fig.6 USA DRM dual-model combined seeker

3 關鍵技術

3.1 系統(tǒng)集成設計與優(yōu)化

雷達／紅外雙模導引頭是一個復合功能器件。要求其滿足兩個模式探測目標的共同要求，同時還能合理地安裝在導彈頭部的有限空間內，另還會對導彈總體的氣動布局和制導控制系統(tǒng)等總體技術產生影響，需從導彈總體綜合考慮解決。

3.1.1 紅外前置雙模導引頭

紅外前置布局中，在雷達天線罩的鼻錐部安裝紅外探測位標器，相當于在雷達接收天線前端出現一定體積的金屬遮擋物，這會影響雷達接收天線的接收性能，接收天線的增益、副瓣電平、零點電平、電軸漂移以及天線罩瞄準線誤差等性能指標將發(fā)生變化。對某確定的雷達接收天線，性能變化與遮擋物的幾何尺寸大小和雷達天線接收口面間的相對位置有關。因此，在研究紅外前置雙模導引頭時，先應研究紅外探測器對雷達接收天線遮擋的影響，給出解決影響的技術方法，使雙模導引頭中的紅外系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)均能正常跟蹤目標。

對滾轉導彈，采用兩根天線實現微波被動子系統(tǒng)為目標相對彈體縱軸夾角的無模糊測角創(chuàng)造了條件，但卻使微波被動／紅外成像復合導引頭系統(tǒng)設計產生困難。紅外子系統(tǒng)須采用消旋穩(wěn)定技術實現對目標及周圍場景的穩(wěn)定、無模糊成像，微波子系統(tǒng)固連于彈體上，不具備彈體去耦能力與隨動跟蹤能力，微波、紅外共伺服穩(wěn)定、跟蹤的實現成為關鍵技術。

3.1.2 紅外側置雙模導引頭

紅外探測系統(tǒng)安裝在彈體的外側，避開了紅外前置方案中紅外系統(tǒng)對雷達天線的遮擋影響，但對雙模導引頭系統(tǒng)的導彈總體的氣動布局和制導控制規(guī)律等總體技術會有影響，亦需從導彈總體綜合考慮解決。關鍵是在末端由雷達向紅外尋的系統(tǒng)交班時保證紅外尋的系統(tǒng)的光軸能指向目標方向。

3.1.3 雷達／紅外共徑雙模導引頭

特點是可使雷達探測系統(tǒng)與紅外探測系統(tǒng)的探測器互相兼容，并增大紅外光學系統(tǒng)的通光口徑，提高探測率。此外，可應用同一個伺服系統(tǒng)實現兩者的同步跟蹤。共徑雙模導引頭的主要技術難點是雷達／紅外雙模天線罩，需要研制既能透過一定波段的紅外信號又要透過一定雷達波段的射頻信號的雙模天線罩材料［7］。

3.1.4 雷達／紅外共形雙模導引頭

共形雙模導引頭的結構采用導彈氣動外形、紅外頭罩和共形相控陣天線一體化設計方法，既滿足導彈總體氣動特性，又擴大相控陣天線的掃描視場和紅外跟蹤視場，滿足前向、側向截獲跟蹤目標的戰(zhàn)技要求。其主要技術難點是雷達、紅外一體化設計的探測跟蹤和結構優(yōu)化設計等。

3.2 雷達／紅外雙模信號融合轉換及交班

目標特性、作戰(zhàn)環(huán)境和氣象條件不同時，雷達與紅外成像導引子系統(tǒng)獲得的信息品質也大不相同。因此，雷達導引頭的觀測量和紅外成像導引頭的觀測量進行融合濾波，可提高對目標的跟蹤精度，同時能有效對抗只針對雷達或只針對紅外的壓制性干擾、靜默干擾等，并能克服環(huán)境對單一導引頭性能造成的惡劣影響，充分利用雙模導引頭的特點，提高雙模導引頭檢測、識別目標和抗光、電干擾的能力。當某一導引頭受到干擾或受環(huán)境影響無法得到目標信息或產生錯誤信息時，仍可利用另一個未受干擾或影響的導引頭的信息對導彈進行制導控制，保證全天候攻擊。

為達到預期的目的，雙模導引頭的信號融合處理是關鍵。雷達／紅外雙模尋的制導回路如圖7所示。為實現雙模導引頭的信號處理，獲得穩(wěn)定的跟蹤信號，平穩(wěn)地在雷達尋的和紅外尋的間轉換，以及提高對目標的識別、跟蹤能力，就要針對不同類型的雙模導引頭應用工程化的信號融合技術，建立一實用的雙模信號融合處理模型，既要有理論，更重要的是必須通過試驗反復修改完善。

圖7 雷達／紅外雙模尋的制導回路Fig.7 Radar／infrared dual-model seeking guidance loop

3.3 雷達／紅外雙模復合系統(tǒng)跟蹤與制導

雷達／紅外復合伺服系統(tǒng)的要求是保證雙模導引頭在整個末制導過程中能正常、穩(wěn)定地跟蹤目標。雙模導引頭是一個雙通道多輸入、多輸出和變系數的雷達／紅外伺服系統(tǒng)組合，要求在系統(tǒng)穩(wěn)定性、系統(tǒng)快速性間和雷達／紅外雙模復合伺服系統(tǒng)的平穩(wěn)切換和穩(wěn)定性。為實現雙模（多模）尋的可靠、穩(wěn)定交班，復合伺服系統(tǒng)的結構和系統(tǒng)設計是關鍵。

目前的導彈多采用比例制導的方式，這需要導引頭輸出與目標視線角速率成正比的制導指令，視線角速率是導彈導引律形成的重要信息源，是決定導彈精確制導的關鍵因素。

雙模導引頭視線角速率有紅外導引頭及雷達導引頭兩個信號源。如雷達導引頭、紅外導引頭是以機電式位標器為穩(wěn)定平臺的傳統(tǒng)型導引頭，導引頭背面正交安裝兩個完全相同的速率陀螺，就可直接測量天線（或紅外探測器）在方位和俯仰方向上的空間角速度。當速率陀螺測得彈體擾動角速度后，陀螺輸出電壓至放大器和傳動機構，驅動天線（或紅外探測器）向與擾動相反的方向旋轉，力求使天線（或紅外探測器）在空間的角速度達到最小，實現彈體擾動解耦，并可根據速率陀螺測量信息提取視線角速率。若雷達導引頭、紅外導引頭為新型捷聯(lián)型導引頭（如相控陣雷達導引頭），彈體與相控陣天線固聯(lián)，取消傳統(tǒng)導引頭的位標器，由波控計算機控制波速指向，其波束掃描、轉換可認為在瞬間完成，無傳統(tǒng)導引頭的機構跟蹤回路的時常數限制，但同時在進行目標跟蹤時得到的角誤差卻無法直接反映目標的視線角速率。因此，為在彈上應用相控陣雷達導引頭，必須解決視線跟蹤角速率提取。目前，相關研究與實用還有差距，但已有基礎理論研究和實際應用的前景，成為了研究熱點［8］。

3.4 雷達／紅外雙模尋的半實物驗證與仿真試驗

為評估和考核雷達／紅外雙模導引頭的復合制導性能，雷達／紅外雙模尋的半實物仿真技術成為驗證雙模制導性能的有效手段。雷達／紅外雙模導引頭半實物試驗系統(tǒng)如圖8所示。

圖8 雷達／紅外雙模導引頭半實物試驗系統(tǒng)Fig.8 System of half physical experimentation for radar／infrared dual-model seeker

以試驗室為基礎，研制集成能為半實物仿真提供目標雷達、紅外輻射特性的雙模信號源，同時實現射頻、紅外仿真試驗所需要的模擬彈道的目標運動特性，進行雙模導引頭復合性能驗證評估工作，通過試驗驗證雙模導引頭的同步跟蹤，交班系統(tǒng)方案的可行性，以及導彈制導控制系統(tǒng)半實物仿真，為雙模導引頭工程化應用提供必要的試驗依據。

4 結束語

為滿足未來復雜戰(zhàn)場環(huán)境的需要，精確打擊武器向多任務、多用途的方向發(fā)展，具有全天候、全天時作戰(zhàn)能力。隨著攻防技術、隱身技術、電磁和光電干擾技術不斷的發(fā)展，未來雷達／紅外雙模復合導引頭也在不斷完善和進步，必將呈現出更多優(yōu)點和良好前景，也是一類可用于未來復雜的電子、光電干擾環(huán)境中能可靠作戰(zhàn)的、實現精確制導末端尋的制導技術。

［1］ 張宏飛.多模復合制導武器現狀與分析［J］.航空兵器，2012（6）：24-27.

［2］ 劉 穎.國外精確制導武器的導引頭技術的發(fā)展［J］.飛航導彈，2011（8）：70-73.

［3］ 范金榮.21世紀前20年精確制導技術發(fā)展預測［J］.現代防御技術，2003，31（1）：30-34.

［4］ 徐春夷.國外導引頭技術現狀及發(fā)展趨勢［J］.制導與引信，2012，33（2）：11-14.

［5］ 王慶華.國外多模復合尋的制導武器裝備與干擾分析［J］.艦船電子工程，2009，29（4）：43-46.

［6］ 朱傳偉.美國艦載標準系列導彈對海軍防空導彈發(fā)展的影響［J］.國防科技，2014（1）：40-44.

［7］ 彭望澤.防空導彈天線罩［M］.北京：宇航出版社，1993.

［8］ 穆 虹.防空導彈雷達導引頭設計［M］.北京：宇航出版社，1996.