现代导弹导引头发展综述

汤永涛, 林鸿生, 陈 春

（海军蚌埠士官学校,安徽 蚌埠 233012）

现代导弹导引头发展综述

汤永涛, 林鸿生, 陈 春

（海军蚌埠士官学校,安徽 蚌埠 233012）

介绍了导弹导引头的功能及组成,综述了现代导弹导引头的发展与现状,通过举例说明了当代国外一些典型先进导引头的主要战技指标,最后评述了导弹导引头的发展趋势。

导弹导引头；发展现状；发展趋势

0 引言

现代化的高科技武器系统,主要任务是对目标进行精确打击,精确打击这一指标在现代化军事中凸显的越来越重要。精确制导武器现已成为实现精确打击的主要手段之一,是信息化局部战争中物理杀伤的主要手段,并在战争中发挥了重要作用。由于导引头良好的跟踪、捕获性能,其技术已成为精确制导武器的核心技术之一。导引头用来完成对目标的自主搜索、识别和跟踪,并给出制导律所需要的控制信号,在制导过程中,确保制导系统不断地跟踪目标,形成控制信号,送入自动驾驶仪,操纵导弹飞向目标［1］。导引头广泛应用于导弹的雷达、红外、激光、电视等原理制导中,在地空、空地、空空等战术武器的应用中,均取得了惊人的成绩。

1 导引头的功能及组成

1.1 导引头的功能

导引头可以说是导弹的眼睛,导弹的精准与否主要取决于制导方式,换言之就是将采用何种导引头,也是衡量一个国家武器系统先进的一个标准。导引头是寻的制导控制回路的测量敏感部件,主要包含三大功能：一是截获并跟踪目标；二是输出实现引导规律所需要的信息：三是消除弹体扰动对位标器在空间指向稳定性的影响［2］。

1.2 导引头的组成

导引头又称寻的头,是按照导引规律使导弹弹轴或速度向量相对于目标瞄准线稳定,并向导弹执行机构输出控制信号的装置,是自动寻的导弹的重要组成部分,并安装于导弹头部。按获取目标辐射或反射能量的不同可分为电视、雷达、毫米波、红外、红外成像、双色红外及激光等导引头。

导引头通常由光学系统、调制盘、探测器、动力随动陀螺等组成。探测器可以是摄像管、光敏元件或红外焦平面阵列器件等。导引头可采用的导引规律一般有直接瞄准法、追踪法及比例导引法等。一般工作过程：导引头先在较大空间角范围内搜索目标,一旦搜索到目标立即进入锁定状态,表明导引头已捕获到目标；此后导引头将按导引规律自动跟踪目标,并不断发出控制信号给导弹执行机构以改变导弹姿态,保证弹轴或速度向量相对于目标瞄准线稳定［3］。

2 现代导弹导引头发展现状

2.1 电视导引头

利用电视摄像机摄取目标图像获得制导信号的导引头,包括电视摄像机、行场锯齿波发生器、同步机、偏转扫描电路、门电路、视频处理电路、角跟踪和伺服机构等。电视导引头捕获到目标后,就按导引规律自动跟踪目标,并不断发出控制信号给导弹执行机构,以修正导弹的飞行轨迹。这种系统可以实现全自动,但受气象条件及能见度限制,导引距离较近。为了克服飞行过程中振动的影响,电视摄像机通常要用陀螺加以稳定［4］。

早期由于受光电转换器件发展水平的限制,电视导引技术的发展出现了停滞。随着此类器件从超正析摄像管、Sb2S3、PbO、Si光导摄像管到CCD器件的发展,电视导引技术又得到了充分的发展。虽然目前电视导引头并不比雷达导引头应用广泛,但随着红外CCD器件、光导纤维和超大规模集成电路图像处理技术的出现和发展,电视导引头朝着体积小、质量轻和人工智能的方向发展,而且电视导引头跟踪精度高、抗电磁波干扰强,在未来的导弹武器系统中必然会得到更为广泛的应用。

美军AGM-130空地导弹是一种主要用于攻击机场、桥梁的电视制导导弹,其导引头采用电荷耦合器摄像机,攻击精度高。这种导弹可采用两种制导方式：一种是导弹上的电视导引头将摄取到的图像传进到载机飞行员面前的显示器,导弹始终受飞行员的控制；另一种是在导弹发射前使电视导引头锁定目标,然后发射导弹,导弹自动对锁定的目标实施攻击。

2.2 雷达导引头

雷达自动导引或自动瞄准,是利用弹上设备接收目标辐射或反射的无线电波,实现对目标的跟踪并形成制导指令,引导导弹飞向目标的一种导引方法。雷达导引头的任务是捕捉目标,对目标进行角坐标、距离和速度的跟踪,并计算控制参数和形成控制指令,操纵导弹击毁目标。目前主要存在主动雷达导引和被动雷达导引两种雷达制导模式,而且两种被综合运用在一起称为主被动雷达导引系统。在主被动雷达多模导引系统中,从功能上看存在主动雷达与被动雷达两个分系统。对于常规的单模制导系统,在进行系统设计时只需考虑对于单一雷达系统的优化。对于在有限的空间内进行多模制导系统的设计,需要对两个分系统的设计进行折中,设计的关键是两个雷达分系统的一体化设计。被动雷达由于是单程接收,雷达的截获距离在一定条件下相对较远,同时由于被动雷达本身不辐射信号,对方的导弹告警装置无法侦察,攻击具有隐蔽性,但被动雷达由于带宽相对较宽,制导精度较差。主动雷达由于发射机输出功率的限制,截获距离较近,同时发射机开机后对方的导弹告警装置即可侦察到导弹攻击而采取机动或释放干扰。

根据上面分析的两个雷达系统的工作特点与技术特点,被动分系统在主动分系统之前开始工作,接收包括目标雷达在内的多种雷达的辐射脉冲,经过接收处理电路的处理形成接收脉冲的载频、脉宽、到达时间、脉冲幅度等参数,根据加载的目标信息由信息处理电路进行目标分选。一般利用载频、脉宽、到达时间（重复频率）进行分选。完成目标分选后进行重频跟踪,在此基础上进行目标角度的测量,根据测量的角度数据闭合目标跟踪回路。在进入主动雷达分系统的截获距离后,主动雷达发射机开机,主动接收与处理电路在被动分系统所跟踪的方位上对目标进行速度（距离）搜索［5］。截获目标后,导引头可以有两种工作模式：其一,主动雷达分系统稳定截获后,导引头由被动跟踪转入主动跟踪；其二,主、被动两个分系统同时工作,导引头进入融合跟踪模式。

哈姆最新型导弹AGM-88E采用了全新的双模主被动复合导引头,由美国科学与应用技术公司负责开发。该双模导引头由数字式宽带被动射频导引头和主动W波段毫米波雷达导引头复合。导引头采用Ball宇航技术公司开发的共形天线阵取代标准哈姆采用的单柱式螺旋天线,可处理宽带被动导引头和W波段脉冲导引头的信号。这种主被动复合导引头具有较强的抗雷达关机能力。当导弹到达目标区附近时,如果目标雷达已关机,则启动毫米波导引头,搜索目标雷达天线或其防空导弹发射架发出的强回波。主被动雷达双模导引头作为复合制导导弹的核心部件,其制导精度和抗干扰性能大大提升了精确制导武器的威力。

2.3 红外导引头

能连续探测目标红外辐射,自动跟踪目标并给出导引信号的装置。主要由光学目标位标器和信息处理电路组成。红外导引头把目标作为一个热点源进行探测,所以是热点式导引头。红外导引头结构简单、抗干扰能力强,但其使用受云雾天气及太阳背景的限制。红外导引头主要用于被动寻的制导的导弹。此外,还有利用在两种波段下工作的双色红外器件的双色红外导引头。这种导引头在3μm～5μm及8μm～12μm两个波段内同时工作,除具有红外导引头的功能外,还具有目标识别的能力。

第1阶段：20世纪60年代中期以前,这时的红外制导武器主要用于攻击空中速度较慢的飞机,其探测器采用不制冷的硫化铅,信息处理系统为单元调制盘式调幅系统,工作波段为1μm～3μm,灵敏度低、抗干扰能力差、跟踪角速度低。这一阶段的典型产品有美国的响尾蛇AIM29B、红眼睛Redeye,以及前苏联的K213、SAM27等。

第2阶段：20世纪60年代中期到70年代中期,探测器采用了制冷的硫化铅或锑化铟从而极大地提高了灵敏度,工作波段也延伸到3μm～5μm的中红外波段,改进了调制盘和信号处理电路,提高了跟踪速度。这一阶段制导武器的作战性能得到了较大提高,虽然还只能进行尾追攻击,但攻击区和对付高速目标的能力有很大提高,代表型号有美国的AIM29D、法国的马特拉R530等。

第3阶段：20世纪70年代后期以后,红外探测器均采用了高灵敏度的制冷锑化铟,并且改变了以往的光信号调制方式,多采用圆锥扫描和玫瑰线扫描,亦有非调制盘式的多元脉冲调制系统,具有探测距离远、探测范围大、跟踪角速度高等特点,有的还具有自动搜索和自动截获目标的能力。因此,这一阶段的红外制导武器可进行全向攻击和对付机动目标,代表型号有美国的AIM-9L、前苏联的R273E、以色列的怪蛇3、美国的毒刺（Stinger）及法国的西北风（Mistral）等［6］。

2.4 红外成像导引头

探测景物的红外辐射图像,鉴别目标并形成制导信号的导引头。主要由红外摄像机、伺服机构和信号处理电路等组成。工作原理：红外摄像机的红外探测器具有温度分辨力,当摄像机对景物扫描时,因为目标和背景的红外辐射特性不同,而在视场内接收到的目标辐射电平与背景辐射电平不同,差值即为目标信息。

将此目标信号处理成视频脉冲信号后,在显像管上以图像形式显示出来。当射手判定所显示图像是攻击的目标时,扳动操纵手柄,使摄像机对准目标,然后接通跟踪门并发射导弹。在导弹飞行过程中,如果目标偏离摄像机的光学中心,信号处理电路中的波门基准电压就会检测出误差信号,并把它传输给摄像机伺服机构,控制摄像机使其自动跟踪目标,同时此误差信号电传输给自动驾驶仪,控制导弹飞行。

另一种红外成像导引头是将目标图像存在导弹上,作为基准图像。将成像导引头在飞行过程中的红外成像同基准图像按选定的跟踪方法进行比较,产生误差信号,使导引头保持对目标的跟踪并操纵导弹飞向目标。这种成像导引头的制导过程不需要射手参与［7］。

美国的响尾蛇AIM-9X导弹采用红外成像导引头,具有多目标和全向攻击能力。探测器为128×128元的锑化铟凝视焦平面阵列,工作在3μm～5μm波段。采用机械闭环斯特林低温制冷器,可连续工作很长时间,大大减少了维护工作量,头罩用蓝宝石材料。该导引头具有180°的跟踪视场,最大离轴发射角达到±90°。导引头的目标截获距离在蓝天背景下为13 km～16 km,在地面杂波背景下为6.4 km,可与联合头盔提示系统配合使用。

以色列的怪蛇4空空导弹采用100元线列扫描成像导引头,德国IRIS-T空空导弹采用128元线列扫描成像导引头,南非的A-Darter空空导弹则采用2×100双色线列扫描成像导引头［8］。

2.5 激光导引头

接收从目标反射的激光,自动跟踪目标并提供导弹导引信号的装置。通常由光学系统、光电转换器件、电子线路、陀螺组件及随动系统等组成。光学系统固定在万向支架上,使光学轴线可相对于弹体轴线作方位和俯仰运动。光电转换器件将激光能量转换成电能。通常采用的是四象限硅光电二极管,其光敏面置于光学系统的焦平面上。光学系统接收目标反射来的激光,聚焦后的激光落在光敏面上的位置,反映目标相对于光学轴线的角偏差。电子线路处理来自光电转换器的电信号,检出反映目标相对于光学轴线的角偏差信号。

偏差信号一路按角跟踪回路要求输给随动系统,控制导引头光轴跟踪目标,另一路按导引规律要求形成控制信号,输出给导弹的执行机构,控制导弹的运动。陀螺组件的主要部分是一个二自由度陀螺,给导引头提供一个稳定的参考坐标系,同时也是随动系统的一个组成部分。随动系统通常受电子线路输出的控制,完成光轴跟踪目标的任务。

实际使用的激光导引头有半主动式比例导引头、半主动式风标导引头和主动式导引头三种。激光半主动式比例导引头的输出信号与导弹和目标视线角速度成比例。激光风标导引头装有风标,在飞行过程中风标始终指向导弹的瞬时速度方向。当导弹与目标间的视线与风标指向不重合时,导引头输出信号控制导弹的速度方向指向目标。这种激光风标导引头的导引精度低,适合于攻击固定目标。激光主动式导引头的激光照射器也装在导引头上,对目标主动照射、搜索和跟踪,引导导弹飞向目标,但成本高且结构复杂,较难实现［9］。

美国LOCAAS导弹的导引头采用激光探测站,可以对地形和位于其中的目标进行三维高精度摄影,实现目标的探测和识别。运用反射信号干涉测量法,无需进行扫描就可得到目标的三维图像。激光探测站中采用激光照射脉冲发生器（波长1.54 nm,脉冲重复频率10 Hz～2 k Hz）,而电荷耦合的敏感元阵列作为接收器。这种激光站与标准激光探测站不同,标准激光站采用扫描光束进行格栅式扫描,而这种激光站的视角稍大（可以达到±20°）、图像畸变小、辐射峰值功率相当大。这种激光站与目标自动识别设备配合,可根据弹载计算机存储的信号特征探测达50 000种典型目标。导弹飞行过程中,激光站可沿飞行航向在宽度为750 m的地带实现目标搜索,在识别模式下该地带宽度缩小至100 m。在同时探测到多个目标的情况下,图像处理算法能够保证攻击其中最重要的目标［10］。

2.6 毫米波导引头

能连续探测目标的毫米波辐射或反射,自动跟踪目标并提供导引信号的装置。主要有两类：主动式毫米波导引头与被动式毫米波导引头。主动式毫米波导引头抗干扰性能好、测量精度高、分辨力强、天线尺寸、质量和体积都较小。主动式毫米波导引头从扫描方式来分有三种：圆锥扫描导引头、单脉冲导引头及相控阵导引头。

被动式毫米波导引头较主动式毫米波导引头体积和质量更小且不易干扰,但在相同波长及相等天线尺寸的情况下,分辨力较主动式毫米波导引头低。毫米波导引头的波束窄,搜索和捕获目标较困难,对雨、雾、烟、尘埃的穿透性能强,具有全天候能力,适用于近距离战术导弹,尤其是末段制导导弹。

美国海军和意大利空军于2008年8月在中国湖完成了AGM-88E先进反辐射导弹的第二次发射。该导引头采用了被动模式和主动毫米波（MMW）模式复合,当可以探测、识别、定位辐射目标源时由被动模式进行制导,若目标雷达关机,则前段飞行利用惯性导航系统/全球定位（INS/ GPS）制导,后段飞行使用主动毫米波（MMW）雷达制导。

2.7 相控阵雷达导引头

相控阵雷达导引头采用相控阵技术,实现快速精确的测速、测距、测角和目标识别,与导弹飞控组件一起完成对目标在速度、距离和角度上的搜索、探测、截获和跟踪,连续测量目标视线角运动参数及相对速度参数,传给飞控组件,完成导弹末制导,并为引信提供方位、距离和速度等弹目交会信息,以完成引信的最佳起爆。在相控阵雷达导引头中,有源相控阵天线代替了传统雷达导引头的天线、机械位标器和发射机,其天线形式、扫描方式、平台稳定以及结构尺寸等方面都发生了根本变化,为导引头获得新的性能提供了实现手段。相控阵雷达导引头具有功率密度大、电扫描快速跟踪、多目标信息提取、空时自适应信号处理（STAP）、自适应抗干扰、体积小和可靠性高等多种技术优势,是精确制导雷达导引头的发展方向。相控阵导引头,特别是共形天线相控阵雷达导引头是当今世界上最前沿、最复杂的雷达导引头之一［11］。

目前,相控阵导引头处于积极的试验和研制阶段。在相控阵雷达导引头中,有源相控阵天线代替了传统雷达导引头的天线、机械位标器和发射机,其天线形式、扫描方式、平台稳定以及结构尺寸等方面都发生了根本变化,为导引头获得新的性能提供了实现手段。目前,相控阵雷达导引头正在向Ka波段（35 GHz）、W波段（94 GHz）方向发展［12］。

美国专利US548683l介绍了一种多模导弹导引头系统,该导引头包括一个相控阵天线和电路,电路对相控阵天线接收到的信号做出响应,使天线按照由其接收信号确定的视场角扫描。导引头前部有头部区,头部区中有附加传感器,处于天线前面。专利中采用电子扫描射频孔径和离轴DF处理技术来克服导弹头部附加传感器的遮挡影响,该专利可解决多模导引头测向问题。通过改变相控阵天线每一阵元的相位来实现天线波束在空间的电子扫描。因此,导引头系统可跟踪波束内的目标,而不需要随着目标位置相对于导弹的变化使天线重新定位。

2.8 多模复合导引头

为了能够截获目标的多种频谱信息,弥补单模制导的缺陷,发挥各种传感器的优点,提高武器系统的作战能力,目前多模复合制导已得到了广泛的发展。多模复合制导在充分利用现有的寻的制导技术的基础上,能够获取目标的多种频谱信息,通过信息融合技术提高寻的装置的智能,弥补单模制导的缺陷,发挥各种传感器的优点,提高武器系统的作战效应,是今后导引头的主要发展方向。为了减小质量及尺寸、降低成本,复合导引头的结构中,计划只在一个通道中使用目标跟踪系统（位标器用陀螺或电子的方法实现稳定）。其它的导引头中将采用固定的发射器和能量接收器,至于如何改变视线角,计划运用多种技术方案,如红外成像通道内使用透镜精确校准的精微机械设备,而雷达通道内使用方向图电子扫描。

洛克希德·马丁公司的制冷型三模导引头以三个成熟武器系统为背景,包括标枪（Javelin）、长弓（LONGBOW）和地狱火（HELLFIRE）。目前的第四代导引头已经完成了数千小时的实验室、炮塔和人工等多方面的测试,并在恶劣战场环境和制导飞行测试中获得验证。制冷型三模导引头由一个半主动激光传感器、一个红外成像传感器（IR）和一个毫米波雷达组成,可以锁定陆地或海上的移动和固定目标。制冷型红外成像传感器提供了导弹初始截获范围内无源探测及发射前锁定功能,大大提高了武器系统的生存能力。导弹发射后三种传感器协同工作,信息共享,可以在各种天气环境下工作,提升“发射后不管”的能力。

3 导弹导引头的发展趋势

3.1 复合导引头成为未来发展主流

采用复合制导,可以弥补单一成像制导体制的不足,并大大提高目标的探测概率及导引头的抗干扰能力。与单一模式制导导弹相比,采用复合制导技术的导弹具有显著的优势：精度更高、作用距离更远、打击能力更强,并增强了抗电磁和光电干扰能力、目标识别能力,可实现全天候作战。如美国的马丁·玛丽埃塔公司为“铜斑蛇”（Cop-perhead）制导炮弹研制的红外成像/激光制导双模导引头,当成像制导模式受阻时,则以主动模式工作的激光制导体制仍能将炮弹准确导向目标,可见复合导引头有很强的抗干扰能力［13］。

3.2 向通用化、系列化、标准化及多功能方向发展

目前,无论是导弹导引头本身还是其部件,都在不断地朝着通用化、系列化及标准化、多功能方向发展,以求实现在不同型号的弹上的通用性；另一方面,通用、标准、系列化的组件又可使得不同的用户可以根据不同的使用要求,运用不同的组合来组装新系统,从而更便于使用。在这一方面,英、美、法等西方各国已率先推行了通用组件计划,大大推动了导弹制导技术的发展［14］。

3.3 采用更先进的技术

随着自动化水平的不断提高,导弹的智能化特征越来越明显,发射后不管和ATR（自动目标识别）技术被广泛应用于导弹导引头中。例如,美国的战斧导弹可以在飞行中实时重新瞄准,如果原定目标已被摧毁,可在预先计划的多个目标中重新选择目标进行攻击；它还可以根据指令在飞行距离不超过400 km的战场上空盘旋2 h,从卫星、飞机、无人机或海军陆战队的通信设备上接收重新瞄准和定位数据,由战场指挥官选择目标、发出攻击指令后,重新规划航线、再次瞄准,并迅速发起攻击。

再例如,采用ATR技术后,计算机处理一个或多个传感器的输出信号,识别和跟踪特定目标,并使导弹命中目标,目前所实现的是前视模板匹配ATR系统。这种系统包括有相当于人眼的红外成像或激光成像传感器；相当于人的记忆的存储器存储基准数字地图；执行判断的微处理器,在微处理器中将基准图与实时图进行相关、比较,处理结果用于操控导弹,这又相当于人的动作。ATR技术已初步体现导引头智能性的自主作战的特征,目前已在红外成像导引头、激光成像导引头上实现了ATR功能。随着数字信号处理技术及人工智能专家系统的发展,高速可编程视频信号实时处理器也将会不断研制成功并投入使用,导引头从复杂的背景中识别出目标的能力、跟踪多目标的能力及按最佳捷径攻击目标的能力将大大提高。可以预见,随着科学技术尤其是计算机技术、模式识别技术等的发展,导弹导引头也必将得到进一步的完善与发展。

4 结束语

随着电子对抗技术、隐身技术的发展,导弹导引头面临着严峻的挑战,要求它具备各种抗干扰能力、识别真假目标的能力和全天候工作的能力,而各种能力的提升决定着导弹的威力大小,如何在各种技术飞速发展的条件下,研制出更加先进的导弹导引头,已经成为各国争先发展的目标。

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The Development and Summary of Modern Missile Seeker

TANG Yong-tao, LIN Hong-sheng, CHEN Chun
（Bengbu Naval PettyOfficier Acdemy,Bengbu Anhui 233012,China）

Introduces the function and composition of the missile seeker,summarizes the development and current of modern missile seeker.The present abroad some typical advanced technical index of the missile seeker are illustrated.Finally,the developing trend of missile seeker are reviewed.

missile seeker；current development；developing trend

TJ765.331

A

1671-0576（2014）01-0012-06

2013-12-26

汤永涛（1979-）,男,本科,主要从事导弹及导弹对抗方面研究。