毫米波雷达/红外成像复合制导技术研究

磨国瑞 张江华 李 超 李存龙

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

由于空面导弹导引头的对地、对海目标检测的复杂性，导致人们首先把目光投向具有目标分类识别能力的红外成像、电视制导等技术。但是红外或光学制导容易受天气、天时影响、易受干扰、欺骗，导致精确制导武器进攻一些没有价值的假目标，因此开始把注意力投向了频谱介于微波与红外之间的毫米波。毫米波具有全天候作战能力，可实现发射后不管，以及毫米波具有对装甲车辆等金属类目标和运动目标的识别和打击能力，但同时毫米波也存在隐蔽性较差、对静止目标的检测和目标分类识别能力较差的缺点。由于单模光学或毫米波制导导弹均存在一定的局限，现有的常规单模制导方式很难同时满足现代信息化战争要求。通过通用化多模复合制导武器的研制，充分发挥各单一传感器的优势、互相弥补不足，实现全天候、全天时作战、减少附带损伤，完成精确打击，是我军紧跟技术发展趋势、打赢现代信息化、高科技局部战争的必然要求和必备条件。

1 复合导引头方式及特点

目前己知的多模复合导引头的复合方式主要有以下三种结构：分平台、共平台分口径和共平台共孔径复合方式。以下是这三种复合方式的优缺点对比：

1)分平台复合方式

优点是实现简单，但体积重量都比较大；这种复合方式的导引头，通常采用雷达系统位于上方红外成像系统位于下方的分立的排布。工作时雷达系统的接收和发射、红外信号的接收也是完全独立的，可以互不影响地同时工作。这种复合方式也可以看成是两种体制探测器的拼接。如瑞典研制的RBS-15MK3导弹的复合导引头就是采用这种复合方式[1]，如图1所示。

图1 雷达传感器与红外传感器分平台安装的复合传感器

2)共平台分口径复合方式

优点是体积、重量都有进一步减小。缺点是在雷达天线中心掏孔中间安装红外探测器，这种方式红外镜头尺寸决定了雷达天线中心掏孔尺寸，对红外探测器口径要求较高，红外通光口径受到限制；由于雷达天线中心掏孔尺寸大使得天线副瓣电平很差，难以满足使用要求。为了改善天线副瓣特性必须进一步减小光学系统孔径，进而导致光学系统探测性能的降低。为提高探测距离，无论光学还是雷达都需要增大通光口径/天线口径，但是在弹径一定的条件下两者存在此消彼长的竞争关系，只能折中设计。

3)共平台共孔径复合方式

为同时提高光学和雷达的探测距离，也就是说，在弹径一定的条件下同时增大通光口径和雷达天线口径，消除两者的竞争关系，因此需要采用共口径复合天线技术来解决此问题。共口径复合天线技术采用卡塞格伦折反光学系统方案，采用卡塞格伦光学系统，红外信号经主、次反射镜的二次反射后汇聚于中心的焦点处，因此只需在雷达天线开孔透射反射面汇集的红外信号即可，这样雷达和红外的口径都得到充分利用。也就是说，不仅增大通光口径，而且减小了雷达天线中心掏孔面积，更利于雷达天线获得高增益、低副瓣。

采用这种复合方式的由洛克希德马丁公司研制的JCM和JAGM三模复合导引头、雷声公司研制的JAGM三模复合导引头等[2-3]，如图2所示。

图2 Lockheed Martin和雷声公司的JAGM 样机

三种复合方式特点对比如表1所示：

表1 三种复合方式特点对比

共平台共孔径复合方式具有口径利用率高、位标器系统简单、探测精度高、体积小、重量轻和成本低特点[4]，更适合于小口径导弹和四代机内埋导弹等弹上严格的空间要求，是未来精确复合末制导技术的重要发展方向。

2 共孔径复合方式的选择

由于共平台共孔径复合方式的性能优越，成为了国内外研究重点，下面针对可能的共孔径复合的结构形式进行讨论。在共孔径复合方案中，红外一般采用卡塞格伦折反光学系统方案，毫米波雷达则可采用前馈源，也可采用后馈源。共孔径复合方式可选的主要采用以下两种形式[5]：

1)卡塞格林光学系统-抛物面天线复合

卡塞格林光学系统-抛物面天线复合，雷达采用前馈的方式，这种结构的特点是：雷达馈源及和差网络安装在次镜前端，给支架增加负担，而且重心偏离稳定平台的回转中心远，转动惯量大，给位标器的结构设计及电气控制增加难度；主反射面的保证光学精度前提下的抛物面形式对于雷达传输来说其效率不是最高的；次反射镜需要透过雷达信号，导致雷达信号幅度和相位误差，降低了雷达天线的性能[2]。在这种复合方式下，既可以通过小型化技术将雷达收发组件和雷达馈源一体化设计放置于次反射镜前端；也可以只将馈源放置于次反射镜前端，而收发组件放置于主反射镜后方。馈源或一体化收发组件通过波导或同轴电缆沿次镜支架和接收机连接。红外系统的次反射镜需具有良好的毫米波透过性能，同时，在主镜中心开孔处加入锗透镜，以透过红外信号而阻止雷达信号通过[4]。

2)卡塞格林光学系统-中心掏孔平板裂缝阵天线复合

图3是卡塞格林光学系统和中心掏孔平板裂缝阵天线复合结构，雷达天线采用平板波导裂缝天线形式，位于红外光学系统的后端。该复合方式具有以下特点：雷达天线与光学主镜设计相对独立，光学系统可以完全按照光学成像要求设计主镜面型，红外成像系统能达到最佳设计；雷达平板波导裂缝天线具有效率高、剖面低、重量轻、结构紧凑以及性能稳定可靠等优点，容易实现对阵面的加权处理，易获得高增益、低副瓣等特性。

图3 卡塞格林光学系统-中心掏孔平板裂缝阵天线复合

针对以上两种复合方案，雷达天线形式分为抛物面天线和平板裂缝阵天线，以下分别是这两种天线的设计仿真：

在目前已有的导引头头罩外形下，天线回转中心位于头罩球面球心时，采用卡塞格林光学系统和抛物面天线复合方式天线尺寸最大为φ150mm，馈源和接收系统最大厚度为35mm；采用卡塞格林光学系统和中心掏孔平板裂缝阵天线复合方式天线尺寸最大为φ150mm。以下分别是这两种结构的仿真设计。

①抛物面天线初步设计

因红外信号需从抛物面天线中心穿过进入天线后面，雷达天线设计为前馈抛物面天线。前馈采用馈源加和差网络的方式，抛物面天线直径D=150mm，焦距f=60mm，光学次镜遮挡直径40mm，因红外信号需从抛物面中心穿出，在抛物面中心挖掉一直径40mm的孔。馈源相位中心位于抛物面焦点处，将馈源、和差网络、抛物面结合起来进行仿真，得到如图4方向图。和波束方向图增益大于27dB，副瓣低于-12dB，-3dB波束宽度4.5°。

图4 反射面天线及方向图

考虑到和差网络及馈源损耗、反射面加工误差、支杆遮挡等影响，实际增益应略低于仿真值，减少1dB左右，副瓣抬高1dB左右；另外，根据光学系统给出的抛物面天线曲面方程，与雷达设计的曲面方程不一致，若采用光学系统设计的曲面则雷达增益还会减少，加上雷达信号通过次镜的损耗共1dB左右，复合天线雷达和波束增益在25dB，副瓣在-11dB。

②中心掏孔平板裂缝阵天线

采用中心掏孔平板波导裂缝阵天线作为雷达探测器的天馈线，该天馈线分系统自带和差网络采用单脉冲测角，中心掏孔主要用于红外镜头的安装。与其它形式雷达天线相比，波导裂缝阵天线在电器性能上具有较高的增益，并且它的口径场分布易于控制，容易实现所要求的低副瓣特性。

图5 平板裂缝阵天线及方向图

采用外径为150mm，挖孔直径40mm的天馈线系统，经计算仿真该天馈线系统波束宽度4.5°，增益30dB，第一副瓣-16dB。考虑到平板波导裂缝阵天线前面需要放置红外主镜，其面积大而且在整个天线口面不均匀，需要对透雷达反红外的主镜对毫米波影响进行分析和补偿，经仿真复合天线雷达增益损失1.5dB左右和副瓣恶化2dB左右，复合天线雷达和波束增益在28.5dB左右，副瓣在-14dB左右。

表2 抛物面和平板裂缝阵天线对比

综上仿真设计结果，中心掏孔平板波导裂缝阵天线比抛物面天线在电气性能上具有较高的增益，并且它的口径场分布易于控制，容易实现所要求的低副瓣特性。因此，经过综合对比及仿真分析，采用卡塞格林光学系统-中心掏孔平板裂缝阵天线复合比卡塞格林光学系统-抛物面天线复合整体性能更优。

3 结束语

经过综合对比分析，小口径雷达红外双模复合导引头采用卡塞格林光学系统-中心掏孔平板裂缝阵天线复合方式。在小口径雷达红外双模复合导引头的总体设计下，分别对毫米波雷达中心掏孔平板裂缝阵天线和红外成像光学系统进行了设计和加工，中心掏孔平板裂缝阵天线和复合天线实物图片如图6所示。

在微波暗室分别对中心掏孔平板裂缝阵天线和复合天线完成了测试，测试结果如表3所示。

平板裂缝阵天线实际测试值为：和波束增益在30.5dB，副瓣在-18dB左右，差波束零深低于-30dB。复合天线测试值实际测试值为：和波束增益在28.5dB，副瓣在-16dB左右，差波束零深低于-30dB。复合天线测试值和波束增益降低2dB，波束宽度展开0.5°，副瓣电平提升2dB，实测结果和仿真计算比较一致。

在该种复合方式下雷达天线与光学主镜设计相对独立，光学系统可以完全按照光学成像要求设计主镜面型，红外成像系统能达到最佳设计；雷达平板缝隙阵天线具有效率高、有剖面低、重量轻、结构紧凑以及性能稳定可靠等优点，容易实现对阵面的加权处理和易获得高增益、低副瓣等特点。因此，在小口径导弹的多模复合导引头中，毫米波雷达红外成像复合制导技术采用卡塞格林光学系统-中心掏孔平板裂缝阵天线复合方式综合性能更优，是一种值得推荐的复合方式。

图6 平板裂缝阵天线及其复合天线

天线形式口径(中心掏孔)雷达天线测试值复合天线测试值增益副瓣增益副瓣平板裂缝阵天线150mm(40mm)30.5dB-18dB28.5dB-16dB

参考文献:

[1] 王学伟,徐庆九.主动雷达/红外成像复合制导关键技术[J].光电技术应用，2012,34(1):41-43.

[2] 习远望,张江华,刘逸平.空地导弹雷达导引头最新技术进展[J].火控雷达技术,2010,39(2):17-22.

[3] 林德福,祁载康,王志伟.多模复合导引头总体技术研究[J].战术导弹技术,2005(4)：32-35.

[4] 何均.毫米波/红外共孔径复合导引头技术分析[J].电讯技术,2012,52(7):1222-1226.

[5] 刘隆和.多模复合寻的制导技术[M].国防工业出版社,1998.