雷达／红外双模复合制导在防空反导中的应用研究

徐胜利，杨革文，吴大祥

（上海机电工程研究所，上海 200233）

0 引言

根据近年来局部战争的作战模式，以及面临21世纪的空中威胁和作战环境，未来新一代防空导弹武器系统面临的作战环境特点是多种类、多方位、多批次、全天候的精确制导武器的饱和攻击，低空、超低空目标的突防，目标隐身性能新发展，复杂的电子、光电干扰环境等。随着光、电干扰技术、隐身技术的迅速发展，未来战场环境会变得十分恶劣，单一频段或模式的制导武器将难以适应未来战争的需求。按未来发展型号的型谱和作战技术要求，需研制一种在综合电子、光电干扰环境中能有效探测和跟踪隐身、“小”目标的寻的技术。

精确制导武器近年来得到了越来越广泛的研究和应用，双模复合制导成为精确制导寻的主要趋势之一［1］。双模导引可充分发挥不同频段或两种制导体制的自身优势，互相弥补各自的不足，极大地提高作战效能和生存能力。目前，正在应用和研制中的有紫外／红外、激光／红外、半主动雷达／主动雷达、被动雷达／主动雷达、雷达／红外等双模复合寻的制导。在复合制导体制中，雷达／红外复合制导更受关注，其具有对抗多种电子干扰、光电干扰的能力，末制导作用距离远，复杂环境中辨识真假目标，以及目标命中点选择的能力。因此，雷达／红外双模制导已成为防空反导导弹制导技术发展的重要方向［2］。

1 雷达／红外双模导引头

紫外／红外复合制导、半主动／主动雷达复合制导、雷达／红外双模制导等典型制导方式的目标特性迥异，故工作原理、制造技术、信息处理技术、应用环境等存在较大差别。紫外／红外复合导引头、半主动／主动雷达复合导引头、雷达／红外双模导引头三种模式的性能比较见表1。

由表1可知：与其他复合导引头相比，雷达／红外双模导引头可综合雷达与红外性能的优点，充分利用双模复合寻的制导的雷达系统作用距离远、能提供目标的距离信息的优势，结合红外成像传感器测角精度高和目标识别能力强，能提供目标形状、隐蔽性能好、实现全被动探测等特点，增强双模复合寻的制导在复杂环境中对目标的探测、识别和跟踪能力，不仅提高导弹的作用距离和制导精度，而且显著提升复杂对抗环境中的对抗能力和作战效能［3］。

根据雷达、红外制导技术特点，雷达／红外双模复合制导工作原理是导弹发射后先由雷达导引头截获目标，形成制导指令引导导弹飞向目标，并驱使红外导引头光轴指向目标，当达到足够的红外信噪比时，红外导引头锁定目标，在最精确的弹道末段由精度较高的红外导引头接替制导，从而解决导弹制导精度和对付辐射源突然关机问题。在雷达、红外制导同时工作时，应用多种制导信息进行双模融合，优势互补，提高对抗复杂干扰能力。

20世纪80年代，美国装备的舰载末端防御RAM导弹最早应用了工程实用化的被动微波与红外复合的全被动寻的双模导引头。美国在对麻雀系列的AIM／RIM导弹制定发展研究规划ESSM，以适应反导、反反舰精确拦击的作战需求，其中中低空舰空海麻雀RIM-7R即采用了半主动雷达／红外双模复合导引头的技术，而中程舰空标准SM2-BLOCK3A导弹的改进方案也应用了半主动雷达／红外双模复合导引头［4］。

AIM-152空空导弹作为AIM-54导弹的改进型号，美国休斯／雷声公司提出采用主动雷达与红外复合的双模导引头技术方案。另外怪蛇6空空导弹将采用主动雷达／红外双模复合导引头方案。

反TBM的中高空防空导弹也十分重视双模导引头的应用研究。以色列的ARROW-2导弹采用主动雷达／红外成像双模复合导引头体制，用被动红外系统捕获、跟踪TBM，用主动雷达导引头在低高度阶段寻的目标。另外AKash（Sky）中程区域防御地空导弹改进型采用半主导雷达导引头与红外复合的双模导引头，提高了对付战术导弹的能力。

雷达／红外双模导引头不仅广泛用于防空反导的导弹武器系统，而且在末制导炮弹上有广阔的发展和应用前景，典型的有美国的SADARM反装甲灵巧弹药、法国的TACED制导炮弹，采用毫米波／红外双模复合制导方案等。

虽然，各国的研究机构对雷达／红外双模导引头的结构形式、使用范围、作战效能和性能价格比等认识并不相同，如双模导引头结构集成与导弹小型化的矛盾产生了系统设计一体化问题，必须在有限的空间内同时兼顾多种导引模式，并能同时独立工作而互不相互干扰；制导指令信息复杂度的增加和可靠性保证，需同时处理、比较与融合多种模式下不同特征的信号，确定何种模式为有效导引模式，此外，还要保证遇到干扰等情况下不同模式间的切换问题；高精度会增加导弹设计难度，低成本与高精度的矛盾就成了导弹武器发展与装备的问题之一；在现代空袭对抗条件下，干扰与反干扰既有被动对抗，也有主动对抗，关键是在提高双模导引头复合制导效能的基础上实现多种干扰对抗。随着复合技术的不断完善和作战性能的不断提高，双模复合导引头的形式也日趋多样化，应用范围日益扩大，基于雷达／红外双模导引头的精确制导导弹成为现代防空反导武器的发展趋势之一。

表1 三种制导模式性能比较Tab.1 Capability contrast of three guidance modes

2 雷达／红外双模复合制导技术方案

2.1 红外前置

红外位标器安装在雷达天线罩的鼻锥部，其中美国RIM-7R导弹为典型代表，如图1所示。该导弹是一种全天候，低空舰载防空导弹，弹长3.6m，弹径204mm，射程22km，最大马赫数2.5，采用半主动雷达和红外复合制导体制，主要用于对付低空飞机、直升机和反舰导弹。

图1 美国RIM-7R双模导引头Fig.1 USA RIM-7Rdual-model combined seeker

RAM导弹复合导引头的结构采用红外（非成像）前置布局结构，微波被动探测子系统的相干螺锥天线分置于导弹头部两侧与弹体固连，红外成像探测跟踪子系统位于导弹头部中央，如图2所示。该导弹由美国和德国联合研制，弹长2.8m，弹径127mm，制导精度约3m，特点有费效比低、杀伤力强、速度快、无需照射雷达和跟踪雷达、射后不管等。已完成改型Block 1导弹研制，Block 1导弹采用被动微波／红外成像导引头，增加全程红外制导系统，赋予导弹可攻击不发射或只是间歇发射雷达波的目标的能力，目前正在研制改型Block 2导弹［5］。

2.2 红外侧置

红外探测位标器安装在弹体的外侧面，以美国SM2-BLOCK3A和台湾地区雄风-2导弹为典型代表，如图3、4所示。

随着反舰导弹超低空飞行性能逐步提高，美国海军进行了标准导弹寻的改进计划，该型导弹装备在美国和日本的海军，在SM2导弹原来雷达半主动末制导基础上增加了红外成像导引头，有效提高了抗干扰性能和制导精度，以解决拦截掠海目标、反舰导弹的饱和攻击等问题［6］。标准2中程Block 3A舰空导弹最大射程73km，射高19.8km。

图2 美国、德国RAM复合导引头Fig.2 USA and Germany RAM dual-model combined seeker

雄风-2导弹为第二代亚声速中程反舰导弹，弹长3.9m，直径350mm，巡航马赫数0.9，巡航高度低于15m，射程20～170km。该弹采用中段惯性制导、末段主动雷达制导，侧面安装红外导引头，此复合制导模式显著提高了导弹的抗干扰全天候作战能力，单发导弹命中率可达90%。

图3 美国SM2-Block 3A导弹双模导引头Fig.3 Dual-model combined seeker of USA SM2-Block 3Amissile

图4 台湾地区雄风-2双模导引头Fig.4 Combined seeker of Taiwan XiongFeng-2missile

2.3 共径双模寻的

红外探测系统的光学反射镜面与雷达接收天线的阵面合成一体，即将红外探测系统中的光学组件安装在雷达天线的中心口面，雷达接收天线的中间环形部分同时作为红外探测系统的光学反射主镜面。雷达／红外共径的双模导引头以鱼叉2000导弹为典型代表。

鱼叉导弹是美海空军现役最主要的反舰武器，弹长4.6m，弹径340mm，射程152km，制导精度约10m。为克服沿岸地形杂波对主动雷达导引头干扰，鱼叉2000导弹制导模式升级为新型主动雷达／红外双模导引头，显著增加导引精确度及突防能力，并可攻击停泊在港口的舰艇，如图5所示。

图5 法国鱼叉2000双模导引头Fig.5 France Harpoon 2000dual-model combined seeker

2.4 共形双模寻

采用主动雷达和红外成像一体化的双模技术，导引头采用类环形天线阵，导弹头部的内部空间安装红外寻的导引头及相应的万向支架系统，雷达与红外系统互不影响，又能满足导弹气动特性和红外光学特性。

双射程导弹（DRM）采用共形复合导引体制，导引头上装载保形天线，采用电子扫描技术，可提供极高的离轴发射角和角跟踪速率，角跟踪范围±90°，最大跟踪角速度120（°）／s，落入3m半径圆域的概率不小于95%。目前，该先进技术已实现了150°离轴发射角发射，远大于现第四代先进导弹离轴角100°。经进一步改进和完善后，有望实现导弹全方位离轴发射的目标。美国DRM复合导引头如图6所示。

由雷达／红外双模复合制导技术的实践和发展可知：红外前置双模导引头适于中、低空防空导弹；红外侧置双模导引头较多用于中远程防空导弹、反战术弹道导弹和攻击巡航导弹；共径双模导引头主要用于反舰导弹及反坦克导弹；共形双模导引头可用于多类防空反导导弹，适用性广。另外，认为弹体共形天线的复合方案是最利于双模导引头的结构形式，附着于弹体头部表面的保形天线、电子扫描跟踪系统和红外跟踪系统的复合是一个创新的研究问题。雷达／红外双模寻的复合方案有多种，各种方案有不同的特点和技术难点，因此应根据使用对象本身的作战指标要求采用不同的多模寻的形式和多模复合方案。

图6 美国DRM复合导引头Fig.6 USA DRM dual-model combined seeker

3 关键技术

3.1 系统集成设计与优化

雷达／红外双模导引头是一个复合功能器件。要求其满足两个模式探测目标的共同要求，同时还能合理地安装在导弹头部的有限空间内，另还会对导弹总体的气动布局和制导控制系统等总体技术产生影响，需从导弹总体综合考虑解决。

3.1.1 红外前置双模导引头

红外前置布局中，在雷达天线罩的鼻锥部安装红外探测位标器，相当于在雷达接收天线前端出现一定体积的金属遮挡物，这会影响雷达接收天线的接收性能，接收天线的增益、副瓣电平、零点电平、电轴漂移以及天线罩瞄准线误差等性能指标将发生变化。对某确定的雷达接收天线，性能变化与遮挡物的几何尺寸大小和雷达天线接收口面间的相对位置有关。因此，在研究红外前置双模导引头时，先应研究红外探测器对雷达接收天线遮挡的影响，给出解决影响的技术方法，使双模导引头中的红外系统和雷达系统均能正常跟踪目标。

对滚转导弹，采用两根天线实现微波被动子系统为目标相对弹体纵轴夹角的无模糊测角创造了条件，但却使微波被动／红外成像复合导引头系统设计产生困难。红外子系统须采用消旋稳定技术实现对目标及周围场景的稳定、无模糊成像，微波子系统固连于弹体上，不具备弹体去耦能力与随动跟踪能力，微波、红外共伺服稳定、跟踪的实现成为关键技术。

3.1.2 红外侧置双模导引头

红外探测系统安装在弹体的外侧，避开了红外前置方案中红外系统对雷达天线的遮挡影响，但对双模导引头系统的导弹总体的气动布局和制导控制规律等总体技术会有影响，亦需从导弹总体综合考虑解决。关键是在末端由雷达向红外寻的系统交班时保证红外寻的系统的光轴能指向目标方向。

3.1.3 雷达／红外共径双模导引头

特点是可使雷达探测系统与红外探测系统的探测器互相兼容，并增大红外光学系统的通光口径，提高探测率。此外，可应用同一个伺服系统实现两者的同步跟踪。共径双模导引头的主要技术难点是雷达／红外双模天线罩，需要研制既能透过一定波段的红外信号又要透过一定雷达波段的射频信号的双模天线罩材料［7］。

3.1.4 雷达／红外共形双模导引头

共形双模导引头的结构采用导弹气动外形、红外头罩和共形相控阵天线一体化设计方法，既满足导弹总体气动特性，又扩大相控阵天线的扫描视场和红外跟踪视场，满足前向、侧向截获跟踪目标的战技要求。其主要技术难点是雷达、红外一体化设计的探测跟踪和结构优化设计等。

3.2 雷达／红外双模信号融合转换及交班

目标特性、作战环境和气象条件不同时，雷达与红外成像导引子系统获得的信息品质也大不相同。因此，雷达导引头的观测量和红外成像导引头的观测量进行融合滤波，可提高对目标的跟踪精度，同时能有效对抗只针对雷达或只针对红外的压制性干扰、静默干扰等，并能克服环境对单一导引头性能造成的恶劣影响，充分利用双模导引头的特点，提高双模导引头检测、识别目标和抗光、电干扰的能力。当某一导引头受到干扰或受环境影响无法得到目标信息或产生错误信息时，仍可利用另一个未受干扰或影响的导引头的信息对导弹进行制导控制，保证全天候攻击。

为达到预期的目的，双模导引头的信号融合处理是关键。雷达／红外双模寻的制导回路如图7所示。为实现双模导引头的信号处理，获得稳定的跟踪信号，平稳地在雷达寻的和红外寻的间转换，以及提高对目标的识别、跟踪能力，就要针对不同类型的双模导引头应用工程化的信号融合技术，建立一实用的双模信号融合处理模型，既要有理论，更重要的是必须通过试验反复修改完善。

图7 雷达／红外双模寻的制导回路Fig.7 Radar／infrared dual-model seeking guidance loop

3.3 雷达／红外双模复合系统跟踪与制导

雷达／红外复合伺服系统的要求是保证双模导引头在整个末制导过程中能正常、稳定地跟踪目标。双模导引头是一个双通道多输入、多输出和变系数的雷达／红外伺服系统组合，要求在系统稳定性、系统快速性间和雷达／红外双模复合伺服系统的平稳切换和稳定性。为实现双模（多模）寻的可靠、稳定交班，复合伺服系统的结构和系统设计是关键。

目前的导弹多采用比例制导的方式，这需要导引头输出与目标视线角速率成正比的制导指令，视线角速率是导弹导引律形成的重要信息源，是决定导弹精确制导的关键因素。

双模导引头视线角速率有红外导引头及雷达导引头两个信号源。如雷达导引头、红外导引头是以机电式位标器为稳定平台的传统型导引头，导引头背面正交安装两个完全相同的速率陀螺，就可直接测量天线（或红外探测器）在方位和俯仰方向上的空间角速度。当速率陀螺测得弹体扰动角速度后，陀螺输出电压至放大器和传动机构，驱动天线（或红外探测器）向与扰动相反的方向旋转，力求使天线（或红外探测器）在空间的角速度达到最小，实现弹体扰动解耦，并可根据速率陀螺测量信息提取视线角速率。若雷达导引头、红外导引头为新型捷联型导引头（如相控阵雷达导引头），弹体与相控阵天线固联，取消传统导引头的位标器，由波控计算机控制波速指向，其波束扫描、转换可认为在瞬间完成，无传统导引头的机构跟踪回路的时常数限制，但同时在进行目标跟踪时得到的角误差却无法直接反映目标的视线角速率。因此，为在弹上应用相控阵雷达导引头，必须解决视线跟踪角速率提取。目前，相关研究与实用还有差距，但已有基础理论研究和实际应用的前景，成为了研究热点［8］。

3.4 雷达／红外双模寻的半实物验证与仿真试验

为评估和考核雷达／红外双模导引头的复合制导性能，雷达／红外双模寻的半实物仿真技术成为验证双模制导性能的有效手段。雷达／红外双模导引头半实物试验系统如图8所示。

图8 雷达／红外双模导引头半实物试验系统Fig.8 System of half physical experimentation for radar／infrared dual-model seeker

以试验室为基础，研制集成能为半实物仿真提供目标雷达、红外辐射特性的双模信号源，同时实现射频、红外仿真试验所需要的模拟弹道的目标运动特性，进行双模导引头复合性能验证评估工作，通过试验验证双模导引头的同步跟踪，交班系统方案的可行性，以及导弹制导控制系统半实物仿真，为双模导引头工程化应用提供必要的试验依据。

4 结束语

为满足未来复杂战场环境的需要，精确打击武器向多任务、多用途的方向发展，具有全天候、全天时作战能力。随着攻防技术、隐身技术、电磁和光电干扰技术不断的发展，未来雷达／红外双模复合导引头也在不断完善和进步，必将呈现出更多优点和良好前景，也是一类可用于未来复杂的电子、光电干扰环境中能可靠作战的、实现精确制导末端寻的制导技术。

［1］ 张宏飞.多模复合制导武器现状与分析［J］.航空兵器，2012（6）：24-27.

［2］ 刘 颖.国外精确制导武器的导引头技术的发展［J］.飞航导弹，2011（8）：70-73.

［3］ 范金荣.21世纪前20年精确制导技术发展预测［J］.现代防御技术，2003，31（1）：30-34.

［4］ 徐春夷.国外导引头技术现状及发展趋势［J］.制导与引信，2012，33（2）：11-14.

［5］ 王庆华.国外多模复合寻的制导武器装备与干扰分析［J］.舰船电子工程，2009，29（4）：43-46.

［6］ 朱传伟.美国舰载标准系列导弹对海军防空导弹发展的影响［J］.国防科技，2014（1）：40-44.

［7］ 彭望泽.防空导弹天线罩［M］.北京：宇航出版社，1993.

［8］ 穆 虹.防空导弹雷达导引头设计［M］.北京：宇航出版社，1996.