防空反导精确寻的末制导技术的发展与思考

范晋祥，侯文涛

(1. 上海机电工程研究所，上海 201109； 2. 上海航天技术研究院，上海 201109)

0 引 言

精确制导武器采用精确制导技术,比常规的非制导武器具有更高的命中精度，主要包括从陆地和海上、水下及空中军事平台发射的制导炮弹、面空和空空导弹以及空面导弹、制导炸弹等[1-3]。

精确制导武器的出现及其不断发展与成熟对二十世纪战争方式的变革起着非常重要的作用，它和隐身飞机被并列为美国及其西方盟国赢得冷战竞争的主要手段，其技术核心就是采用各种精确制导技术构成的精确制导系统[2-4]。

精确制导技术是指以高性能的精确探测装置为基础，采用自动目标检测、识别、跟踪等方法，在复杂战场环境中发现、识别和跟踪目标，采用现代滤波方法精确获取目标视线角和视线角速率，并采用高精度控制方法控制和导引制导武器准确命中目标乃至目标要害部位(导弹命中目标的脱靶量小于所要攻击目标尺寸的三分之一)的制导技术。精确制导技术尤其是精确寻的末制导技术，是精确制导武器的关键赋能技术[5]。

经过几十年的努力，导弹制导技术水平显著提高，精确制导武器的性能明显提高，现代精确制导武器的能力已经从命中特定的建筑物发展到能够命中建筑物上的某一个房间，从命中战斗机发展到命中高速、小尺寸的弹道导弹弹头。同时也在持续发展新的制导机理和技术，以进一步提高精确制导武器的精度和抗干扰能力等性能[2-4]。

按照不同的划分标准，精确制导系统与技术有多种分类方法。寻的制导是面空和空空导弹最常用的制导方式，本文主要讨论防空反导精确寻的末制导技术，通过分析精确寻的末制导系统与技术进一步的发展需求，梳理了满足未来精确寻的末制导系统需求的可能途径，概述了未来精确寻的末制导系统的弹载实现所面临的主要挑战，并提出了发展先进精确制导技术、加强系统思维、加强体系化思维几个方面的应对策略。

1 未来防空反导精确寻的末制导技术的发展需求

1.1 对未来防空反导导弹的发展需求

随着空天威胁变得越来越有挑战性，进一步发展更先进的防空反导导弹的需求日益迫切。大规模的协同动作的威胁目标群、高速高机动的空天目标、目标的低探测特征以及先进、复杂的对抗措施和诱饵，都将给防空反导系统带来严重的挑战[1,5-6]。

1.2 对精确制导系统的需求

从对未来防空反导导弹的发展需求，可分解出对精确制导系统的需求，主要包括：

1) 远距离探测低可观测目标的需求

隐身目标以及各类新型的小型化目标的大量涌现，使常规的精确制导探测系统的探测威力显著降低。这就要求新一代精确制导系统必须进一步提高对低可观测目标的探测性能，必须有高灵敏度探测、低信噪比目标探测与截获等技术的支持[1,4-6]。

2) 复杂战场环境下可靠探测、识别目标的需求

各类具有强突防能力的先进目标大量涌现，强地物杂波广泛分布和各种先进干扰手段的大量应用，使精确制导武器的探测环境日趋严峻，使现有精确制导武器的作战性能显著下降。新一代精确制导系统必须进一步提高在复杂战场环境中可靠探测和识别目标的性能，满足复杂战场环境中可靠探测先进目标的迫切需求[1,3，6]。

3) 对目标的宽视场可靠截获和连续跟踪

在复杂的电子、光电干扰环境中，机载、舰载及地面的目标探测和引导系统对高速、高机动的空中和空间目标的跟踪精度有限，因此要求弹载探测系统能实现对高速、高机动目标的宽视场可靠截获和连续跟踪[1,3-6]。

4) 适应作战需求的变化，实现多功能、多用途

随着科技的发展和作战需求的变化及导弹功能的扩展，需要扩展精确制导系统的功能，如兼具对空中、地面、海面目标的探测能力[1,3-6]。

5) 适应高马赫数精确制导武器应用

提高拦截弹的飞行速度是有效拦截高马赫数空袭目标的先决条件，因此，需要发展适用于高马赫数精确制导武器的精确制导探测技术[7-8]。

6) 小型化、轻质化、低功耗、低成本

低成本的集群式、蜂群式威胁目标迅速发展，为对其实施有效拦截，需发展低成本拦截武器和分布式、蜂群式防御武器。复杂环境下有效拦截具有先进突防和对抗手段的目标，单一采用射频或光电探测手段已难以满足需求，需要采用射频/光电成像双/多模复合制导。为此，要求精确制导探测系统实现小型化、轻质化、低功耗、低成本[1,3-6]。

2 满足未来精确寻的末制导系统需求的可能途径

2.1 远距离探测低可探测目标的技术途径

1) 高灵敏度红外成像探测技术

通过采用长波红外成像探测、高集成度数字像素焦平面阵列、微透镜阵列与探测器耦合、实时自适应非均匀性校正等技术，有效提高红外成像探测系统的灵敏度[9-12]。

2) 有源相控阵雷达探测技术

有源相控阵雷达可有效实现高灵敏度探测，在复杂杂波干扰环境中其探测性能好、抗干扰能力强。采用数字阵列雷达技术，可进一步提高雷达灵敏度，并可采用数字波束形成实现更好的抗干扰性能[13-15]。

3) 弱小目标探测跟踪技术

红外弱小目标的检测与识别非常困难，因此，多年来国内外学者一直在探索如何在复杂背景及低对比度环境下实时可靠地探测、跟踪弱小目标的方法[9-12]。

2.2 复杂战场环境下可靠探测、识别目标、抗干扰的技术途径

1) 多维度及高分辨率探测技术

采用多光谱、多偏振态红外成像探测技术，提高信号维度，可利用目标与干扰之间光谱分布、偏振信息的差异，提高导弹抗人工与背景干扰的能力。主要的技术途径包括采用分光技术、采用多色红外焦平面阵列、发展新概念光谱成像探测技术(如计算光谱成像、自适应光谱成像)[1,9-12]。

采用高分辨率红外成像探测技术，如采用大规格、小像素红外焦平面阵列，可提高空间分辨率，从而提高对目标形状特征的提取能力，可从空间上将目标与密集分布的干扰区分开，从而提高目标识别与抗干扰能力[1,9-12]。

2) 多模复合探测、制导技术

为了显著提高精确制导武器的全天时、全天候工作能力，抗多种电子干扰、光电干扰和反隐身目标能力和复杂环境下的目标识别能力，采用体制差异大、频段差异大、信息含量丰富的多模复合制导技术是一条重要的技术途径。如美国正在发展的AIM-260远程空空导弹可能将采用主动雷达/红外成像双模复合导引头。美国Raytheon公司正在发展的新一代空空导弹Peregrine将采用三模自主化导引头。据分析，兼具组合AIM-120的主动雷达寻的能力、AIM-9X的红外成像寻的能力以及探测目标电磁辐射的被动雷达寻的能力的主被动雷达/红外成像三模复合导引头，将是最可能的选项[6，16-20]。

3) 分布式协同组网精确制导技术

采用分布式协同组网精确制导技术，借助强大的宽带战场信息网络，利用体系内的多种体制、多个频段及极化的探测系统所获取的目标信息，可有效地解决复杂环境目标识别、多对多拦截和交战问题，如提高弹道导弹防御系统动能拦截弹在复杂对抗环境和多弹头攻击环境下的拦截效能[1，21-22]。

4) 智能化信息处理与决策技术

采用创新的信息发掘技术，对弹载探测系统提供的目标、背景环境和干扰信息实现有效的信息挖掘，是未来精确制导武器实现目标识别和抗人工与战场背景环境干扰的基础。采用智能化信息处理与决策技术，可实现自适应及智能化的工作模式选择、环境知识辅助的目标检测以及智能化的目标识别[23-28]。

2.3 宽视场范围内快速、可靠截获目标的技术途径

为保证弹载探测系统能实现对高速、高机动目标的快速可靠截获，需要导引头有较宽的视场。但是，高性能导弹对导引头的探测灵敏度、杂波抑制能力、目标识别能力、瞄准点识别选择能力均有很高的要求，希望红外成像导引头具有小的单元瞬时视场(空间分辨率)，主动雷达导引头具有较窄的波束，而大视场和小的单元瞬时视场或窄波束宽度是相互抵触的要求[1]。

主要可采用以下技术途径：

1) 采用大规格红外焦平面阵列

由于红外焦平面阵列和读出集成电路的技术水平的不断提升，红外焦平面阵列的探测器像素的数目以类似于摩尔定理的方式持续增加，第三代焦平面阵列已达到百万像素级的分辨率[29]。

但是，对于用于截获、跟踪高速高机动空中目标的防空导弹红外成像导引头而言，要同时保证足够大的视场和实现目标识别所需的空间分辨率，如采用超大规模红外焦平面阵列探测器，将导致需要处理的数据量很大，可能会影响系统响应速度。

2) 采用微扫描技术、超分辨率技术或新概念的计算成像技术和中等规格红外焦平面阵列相结合

微扫描技术的主要思路是在凝视红外成像传感器的物镜和焦平面阵列之间加入一个微扫描平面镜，通过微扫描产生有亚像元级平动的图像序列，然后对这些图像进行超分辨率处理重建高分辨率的图像，从而可以采用适度规模的红外焦平面阵列，同时实现大视场和高分辨率。

采用新概念的计算成像技术和中等规格红外焦平面阵列相结合，也可同时实现大视场和高分辨率。

3) 采用仿生复眼红外成像探测技术

仿生复眼红外成像探测技术[30-32]是近年来发展的红外成像探测新技术，它采用的不是视场较窄的单个凝视型红外成像传感器，而是由等间距的小型凝视型红外成像传感器构成的一个大的阵列来实现人工复眼红外成像(如图1所示)，每个小的红外成像传感器瞄向不同的方向，通过对所有这些红外成像传感器的信息进行处理，并进行数字化“拼接”，形成高分辨率和宽视场的图像。美国空军研究实验室正通过宽视场导引头项目来支持仿生复眼红外成像导引头技术的发展，希望将这一技术应用于反舰导弹或改进型小直径炸弹，甚至应用于具有超机动能力的近距格斗空空导弹。美国空军研究实验室认为，将兼具宽视场和高分辨率的仿生复眼红外成像导引头用于近距格斗空空导弹，可使导引头更快地锁定目标，并使其具有更好的抗干扰能力。

图1 仿生复眼红外成像器Fig.1 Artificial compound eye IR imager

4) 采用有源相控阵雷达探测技术

相控阵雷达能够在微秒级的时间内使波束转向，从而在较大的空域搜索、跟踪目标。因此，采用有源相控阵雷达探测技术，可以在利用较窄的波束保证导引头的探测灵敏度、杂波抑制能力、目标识别能力的同时，实现对高速高机动目标的可靠截获，具有内在的体制优势[13-15]。

2.4 小型化、轻质化、低功耗、低成本的技术途径

精确制导探测系统的小型化、轻质化、低功耗、低成本特性近年来越来越受到重视，主要实现途径包括：

1) 采用成本可承受的红外成像探测器

红外成像探测器组件在红外成像导引头成本中占较大比重，尤其是高性能的制冷型InSb与HgCdTe红外焦平面阵列。为此，近年来开始采用新型的成本可承受的红外成像探测器来代替价格比较昂贵的制冷型InSb与HgCdTe红外焦平面阵列。目前，美国的多型空地导弹已通过采用较高性能的非制冷红外成像探测器显著降低了成本，最具代表性的是AGM-154C导弹[1,29]。

2) 采用捷联式结构，取消框架稳定平台

采用捷联式结构，取消框架稳定平台，也是实现小型化、轻质化、低功耗、低成本的一种途径。目前已有几型红外成像制导导弹通过消除框架平台，并使用大规格的非制冷探测器来减小导引头尺寸和减低成本。

采用捷联式结构，弹体的姿态运动会影响到对目标的稳定成像，为了提高捷联式红外成像末制导系统的性能，法国和英国发展了如图2所示的捷联式非制冷红外成像导引头概念，采用微稳定技术，通过使焦平面阵列跨光轴横向运动，消除由于导弹和目标运动造成的成像模糊现象。

图2 采用微稳定技术的捷联式非制冷红外成像导引头概念Fig.2 Strapdown uncooled IR imaging seeker using micro-stabilized technology

3) 采用新型光学技术，减少光学元件数目

采用自由曲面光学系统、波前编码等新型光学技术，可以简化光学设计，减少光学元件的数目，解决热膨胀或制造公差问题，并达到降低导引头光学组件成本的目的。

4) 采用模块化开放系统结构

采用模块化开放系统结构设计，使用工业界普遍支持的标准接口，可降低系统集成成本和风险，降低全寿命周期成本，易于组件互换，可加快技术更新速度及产品改进、硬件测试和软件更新速度。

5) 采用多功能一体化技术

采用硬件多功能一体化技术，通过设计复用、资源复用、片上系统集成等手段，实现提高整体效能、降低成本的目标。

6) 实现基于外部传感器信息共享的精确制导系统结构，或者采用多弹协同寻的制导

实现基于外部传感器信息共享的精确制导系统结构,或者采用多弹协同寻的制导，通过弹间数据链，共享弹群中各导弹的弹载传感器的信息,降低对单枚导弹的弹载传感器的要求，或者不使用弹上传感器，降低单弹导引头的尺寸、重量、功耗、成本[22,24]。

3 挑战及思考

随着目标隐身与新型对抗手段和突防技术的发展及战场环境的日益复杂化，对精确制导导弹的探测、识别、抗干扰能力与复杂战场环境适应能力等都提出了更高的要求。同时，精确寻的末制导系统还受到成本、尺寸、重量和功耗及生命周期成本等因素的约束。为此，近年来，为了提高精确寻的末制导系统的性能，针对精确寻的末制导系统应用发展了多种新技术、新体制。这些新技术、新体制具有一定的优点，在某些特定场景和应用中可使某些性能得到改进，但由于受弹载应用的约束，在实现上还面临着一些挑战(如表1所示)。

表1 未来精确寻的末制导系统的弹载实现面临的主要挑战Tab.1 Main challenges for the realization of future precision homing terminal guidance system

(续表)

针对未来精确寻的末制导系统的弹载实现所面临的主要挑战：一是需要精确末制导探测相关技术发展的推动，通过在红外焦平面阵列技术、新型光学系统结构、有源相控阵T/R组件技术、多模多谱传感器信息融合和决策技术、微小型实时信息处理机技术及智能化信息处理与决策算法、强算力的人工智能芯片等方面的进一步重大突破，精确寻的末制导系统的性能将得到显著提升；二是需要加强系统思维，精确制导系统是综合了多学科和多技术的复杂系统，为了保证在一定费用和进度的前提下获得高性能的精确制导系统，应从系统工程的视角出发，采用整体化的设计方法，强化需求分析和可实现性分析，选择适当的技术途径或组合，通过综合多学科优化，实现系统的整体性能最佳[33-35]。

在武器系统向体系化、网络化、协同化方向发展的背景下，还应加强体系化思维。精确制导系统的发展应突破原有的思路，将精确制导武器看作整个作战体系中的一个节点，利用作战云架构，构建最大程度利用外部传感器信息进行精确制导的系统结构。通过从云端获得体系内各种传感器所获取的信息，实现虚拟导引头，完成精确制导任务[21-22,24]。

4 结束语

自20世纪60年代提出精确制导概念以来，精确制导系统和技术在精确制导武器的发展需求驱动下得到了快速发展。未来的精确制导武器所面临的目标、环境、任务使命将有显著的变化，战场环境的复杂化、目标特征的弱小化、目标特性的不确定性等对精确制导系统提出了新的需求，驱动精确寻的末制导系统采用新体制、新技术。但是，弹载应用对精确寻的末制导装置的尺寸、重量、功耗等有较大的约束，对低成本威胁目标以及集群式目标的有效拦截对精确制导武器的成本也带来了很大的压力，这些都限制了精确寻的末制导系统可选择的技术途径。

未来精确制导系统的发展面临着严峻的问题与挑战，但也存在良好的发展机遇。为了解决面临的难题，需要以集成的方式考虑系统以及相关的设计要求，并要利用人工智能等新技术发展的成果。在武器系统向体系化、网络化、协同化方向发展的背景下，要加强体系化思维，突破原有的思路，从把精确制导武器看作整个精确打击体系中的一个节点的角度出发来考虑精确制导系统的设计，通过构建能全面利用体系内各种传感器信息进行精确制导的系统结构，实现传感器“不为我有、但为我用”，有效解决未来精确制导武器所面临的难题。在人工智能不断进步和发展以及武器系统向网络化、体系化、智能化方向发展的背景下，要重视智能化信息处理与挖掘技术与目标感知技术的有机结合，为未来精确制导系统的发展提供新方法和新技术。