毫米波雷达精确制导导弹发展分析

吴馨远，刘 箴，张思琪，许洁心，陈士超

(西安现代控制技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

毫米波雷达精确制导技术是普遍应用于现代精确制导武器的高新技术,频率范围一般为30～300 GHz,介于微波与红外波段之间,兼具两种波段特性,因此毫米波雷达导引头具有体积小、重量轻、精度高、抗干扰能力强、穿透云雾尘埃能力强等特点。此外,还可与红外、激光导引头集成,形成多模导引头,进一步提升制导武器的抗干扰能力和战场适应性能。

1 典型毫米波雷达精确制导武器发展现状

1.1 长弓海尔法导弹和联合空地导弹(JAGM)[1]

AGM-114海尔法导弹是美国陆军现役重型反装甲系列精确打击导弹。AGM-114L长弓海尔法导弹基于AGM-114K海尔法Ⅱ导弹的设计,将114 K的激光半主动导引头段替换为与AH-64D阿帕奇AN/APG-78长弓雷达匹配的平台式Ka波段毫米波主动雷达导引头,如图1所示。导引头采用8 mm毫米波导引头雷达,工作在35 GHz频段,测角方式为单脉冲测角体制,导弹口径178 mm。导弹利用机载AN/APG-78长弓雷达,实现全天时全天候目标分类和识别。

图1 AGM-114L长弓海尔法导弹导引头Fig.1 Seeker of AGM-114L Longbow Hellfire

AGM-114L长弓海尔法导弹导引头包括半球形头罩和圆柱形天线/万向支架组件。毫米波雷达天线位于头罩内,与天线/万向支架组件相连。主壳体前部是惯性测量装置(IMU)、惯性测量系统(IMS)和前级装药,之后装有激励器、中频接收机、时钟、PP/SI、DSP存储器和通用处理器(GPP)/存储器等电子组件。

攻击目标时,由AN/APG-78长弓雷达或目标捕获及指示瞄准具捕获目标,随后将目标参数装订至导弹,便于导引头对准目标并设定惯性导航系统。导弹含3种发射模式:LOAL、LOBL、LOBL-I,前者用于静止目标,其余两种用于移动目标。

随后,美国陆军对AGM-114L进行升级,使其毫米波雷达导引头具备干扰源自动寻的/抗干扰(软件升级)和反主动防护系统(软硬件升级)的能力。

AGM-179A联合空地导弹(JAGM)适配于多平台,替代机载陶、AGM-114海尔法、AGM-65幼畜等导弹,提高作战灵活性并降低勤务支持成本。JAGM以AGM-114R海尔法Ⅱ为原型弹,保持模块化设计,采用毫米波雷达和激光半主动双模制导方式,对地面、海上的静止、移动、重新定位目标进行有效杀伤。中程型JAGM(JAGM-MR)替换发动机并增加低成本成像传感器,改为三模导引头,改善了目标跟踪、命中点位置和对多种条件及目标组的杀伤力如图2所示,长弓海尔法、联合空地导弹性能参数如表1所示。

表1 长弓海尔法、联合空地导弹性能参数Table 1 Performance specifications of Longbow Hellfire, JAGM and JAGM-MR [5]

图2 JAGM导引头Fig.2 Tri-mode seeker of JAGM

1.2 硫磺石导弹

硫磺石(Brimstone)导弹是欧洲导弹集团(MBDA)为满足英国皇家空军对远程反装甲武器需求,基于海尔法导弹研制的空地武器。至今以基型硫磺石导弹为基础,已螺旋式发展出双模硫磺石、硫磺石2等多种型号,形成一弹多平台武器系统,可精确打击主战坦克、海岸监视雷达、机动车辆等时敏目标。

基型硫磺石[2]毫米波雷达主动寻的制导反坦克导弹于2005年服役,典型特点是相位修正卡塞格伦天线和基于准光学技术的全极化单脉冲馈电网络。其3 mm毫米波导引头采用低功率、窄波束、双极化、双视工作模式,工作在94 GHz频段,信号形式为FMCW,天线类型为卡塞格伦天线,发射采用水平极化,接收采用垂直和水平极化,测角方式为单脉冲测角体制,导弹口径为178 mm,如图3所示。该导引头具有全天时、全天候目标搜索识别能力、地形回避能力,能够对目标回波完成高分辨的成像,利用弹上处理系统对目标实现实时识别与分类。对于识别出的目标,导弹可以定位目标的最佳打击部位,最大程度地对目标造成杀伤破坏。导弹可从任意高度(45～13 700 m)发射,高空发射后以60°角向下俯冲,距地面150 m时改为稳定巡航,搜索目标。

图3 硫磺石导引头Fig.3 Seeker of Brimstone

为更好适应伊拉克战争中的战场需求,提高导引头在复杂背景下的目标选择能力,在基型的基础上增加激光半主动导引模式,成为双模导引头,雷达与激光半主动系统共用抛物反射面天线。此外,双模硫磺石[1]导弹应用新处理算法,结合惯性导航系统、数字自动驾驶仪,允许导弹在发射后取消攻击或纠正目标锁定,还可以根据目标类型,选择使用单模或双模攻击,进一步提升了精确制导能力[2]。

硫磺石2(SPEAR Cap 2 Block 1)导弹以双模硫磺石导弹为基础,增加了被动雷达模式,提升了对地面高速移动目标(含低雷达散射截面(RCS)目标)的搜索跟踪能力[2],其导引头如图4所示。对机动目标,制导末段从激光半主动模式交接至毫米波雷达制导模式。对集群目标则可采用毫米波雷达单模方式齐射,且发射后无需管控[3]。

图4 硫磺石2导引头Fig.4 Seeker of Brimstone 2

硫磺石3导弹,即硫磺石2能力维持计划(CSP/硫磺石3A),是硫磺石系列导弹的最新型号[4]。

硫磺石3A导弹保留了硫磺石2导弹的模块化弹体、双模导引头、不敏感弹药火箭发动机和多效战斗部,替换过时部件并对性能做出提升。采用基于MEMS的IMU和改进型自动驾驶仪,而内存及计算处理的更新也有利于后续拓展硫磺石3B导弹。

应英国国防部需求,欧洲导弹集团(MBDA)沿用硫磺石3导弹的技术[3]和模块化设计,研制了一种能够搭载多平台、全天时精确打击静止/移动装甲目标的防区外空对面导弹SPEAR Cap 3[1],如图5所示。该弹可通过双向数据链,实现发射后重新定位。硫磺石及其改型性能参数如表2所示。

图5 SPEAR Cap 3Fig.5 SPEAR Cap 3

1.3 反辐射导弹

AGM-88E先进反辐射导弹(AARGM)在美国第三代反辐射导弹哈姆的基础上,保留气动外形、火箭发动机和战斗部,增加工作频率为94 GHz的主动毫米波制导雷达模式,成为主/被动雷达双模复合导弹[5],不仅能以低附带损伤快速打击雷达目标及非雷达时敏目标,还可有效应对敌方雷达关机,其性能达到了第4代水平。

AARGM[1]导弹的毫米波雷达导引头由W波段脉冲收发机和专用天线等组成,宽频带被动雷达(IARH)宽频带接收机可以高精度测量目标信号的相位、振幅和频率,如图6所示。

图6 AGM-88E AARGM导引头Fig.6 Seeker of AGM-88E AARGM

AARGM导弹采用曲线弹道,便于IARH接收机获取目标雷达输出的多个测向截取信息,通过被动三角测距确定目标雷达相对于导弹的方位,随后与GPS接收机/处理器的信息融合,转换为大致坐标位置。可以根据需要使用毫米波雷达导引头确定弹目垂直角度。如果目标发射机在攻击过程中关机,则毫米波雷达导引头末段搜索模式启动,重新捕获目标发射机。

AGM-88G增程型AARGM导弹(AARGM-ER)满足了美国海军对提升AARGM导弹在A2/AD环境中对抗先进能力作战效果的要求。它沿用AGM-88E导弹的传感器、电子设备和战斗部[7],包括探测距离为9.3 km的毫米波主动雷达导引头、数字被动天线阵列、微波电路集成插件、雷达射频信号数字处理机。该型导弹既可以像传统哈姆那样接收并锁定敌方雷达信号,利用曲线弹道对目标雷达进行被动三角定位,也可以在雷达关机后通过毫米波主动雷达导引头锁定目标进行攻击,其视场、灵敏度、带宽、精度和数据处理能力均优于哈姆导弹,此外还可以打击非雷达目标。

AGM-88F导弹沿用了现有哈姆导弹型号的毫米波导引头,并增加控制段修正(HCSM)升级组件,极大提升了精确打击能力[6]。典型反辐射导弹性能参数如表3所示。

表3 典型反辐射导弹性能参数[6]Table 3 Performance specifications for typical anti-radiation missiles[6]

1.4 含毫米波的复合精确制导弹药

虽然毫米波雷达制导具备全天候工作、体积小等诸多优点,但随着战场环境复杂化和电磁对抗加剧,有必要将毫米波与激光、毫米波与红外成像等技术进行复合,提升其战场适应性。

1.4.1 暴风之锤(Storm Breaker)多模复合制导炸弹

暴风之锤GBU-53B SDBⅡ[1,7-8]小直径制导炸弹采用三模导引头,将毫米波雷达/非制冷红外成像/激光半主动模式集成在体积很小的单个万向架上,采用蛤壳式透明天线头罩,是世界首型三模导引头,如图7所示。非制冷红外成像传感器采用卡塞格林光学结构,感知目标的红外温度特性,形成图像并精确识别。通过数据融合和控制实现3种传感器探测信息的无缝共享,实现全天时、全天候对固定、移动目标的打击。

图7 暴风之锤GBU-53B SDBⅡ导引头Fig.7 Seeker of StormBreaker GBU-53B SDBⅡ

该制导炸弹在中段为GPS辅助导航,导引头进行末制导,撞击目标前,导引头回传最后一幅图像,便于指挥站评估毁伤效果。导引头利用武器的双波段双向数据链传输数据,Link 16数据链与机载Link 16设备互联通信,甚高频(UHF)信道接收地面发射的目标指示信息,未来可根据需要升级软件,增加其他波形。

1.4.2 斯塔纳(Stunner)双模制导导弹

斯塔纳导弹是以色列大卫投石索中程防空系统的拦截导弹,是用于拦截近程弹道导弹、大口径火箭、巡航导弹和无人机的两级拦截弹,2017年与大卫投石索防空系统一同投入使用。

斯塔纳导弹的导引头采用不对称设计,红外导引头位于最前端,斜向一侧,共形雷达天线位于另一侧[9]。通过数据链与地面通信,可自动或通过指令改变飞行路径或重新定位[10]。

由于MMW导引头拓宽了导弹的战场适用性,MMW导引头的使用也受到多个国家的重视。

土耳其Kuzgun[11]系列精确制导弹药是100 kg级的模块化、低成本新一代产品,命中精度高,附带损伤低,如图8所示。目标包括军事单位、轻/重型装甲车辆、掩体及地面移动目标等。该系列弹药配备惯性导航系统、GPS(CRPA/抗干扰)、数据链、激光或IIR/CCD探测器和集成毫米波雷达。含毫米波的复合精确制导武器性能参数如表4所示。

表4 含毫米波的复合精确制导武器性能参数[1,8-9,11]Table 4 Performance specifications for complex, precision guided weapons with MMW guidance[1,8-9,11]

图8 Kuzgun内部设计Fig.8 Internal design of Kuzgun

2 毫米波雷达精确制导武器特点及发展趋势

2.1 毫米波雷达精确制导武器特点[12]

其特点主要概括为以下几个方面:

1) 尺寸小,重量轻,通过烟雾尘霾的能力强,作用不受气候条件制约,机动性和隐蔽性好。机载使用时可提高载机生存率,同时降低附带损伤。部分导弹尺寸小至可挂载在战斗机内埋武器舱内。

2) 波束窄、频带宽、空间分辨率高,敌方难以截获和干扰,因此抗干扰以及从背景杂波中区分出运动目标的能力强,对目标的速度鉴别性好,但作用距离受限。

3) 对于毫米波主动雷达制导弹药,可有效对抗突然关机的敌方雷达目标。但另一方面,由于导引头不断向外辐射射频信号,所以更有可能被敌方探测到,进行干扰或拦截。

2.2 发展趋势[12-14]

信号处理、电子技术及材料、计算机等领域的发展促进了毫米波雷达精确制导在现代精确制导武器上的应用。对典型毫米波雷达精确制导武器进行梳理总结,从中可预见未来将朝着以下几个方向发展:

1) 侦察半径更远、识别性能更优、对抗能力更强现有毫米波导引头采用一维距离像进行搜索识别,存在作用距离近和识别率低等问题。综合考虑毫米波雷达导引头性能及导弹精确打击要求等,可设计最优弹道,借助其他成像方法,进行二维相干积累,提升信号增益,增加导引头作用距离。同时,综合利用目标几何、散射、背景和视频等多类特征,结合深度神经网络的优异特性,显著提升毫米波雷达导引头的目标识别性能。

而作战环境和作战任务日益复杂,毫米波雷达导引头的功能也逐渐向存在干扰对抗的多种模式和多功能一体化轻型,未来发展也必然需要更强的干扰对抗能力。

2) 模块化、系列化、智能化模块化、系列化发展是目前各精确制导武器的发展趋势,模块化结构设计使导弹更易于改进升级,也为系列化提供了可能。采用集成度更高的器件代替分立器件,同时也提高了导引头的可靠性。新一代人工智能技术未来将在弹道规划、基于图像的目标识别、多模式联合工作等多个方面提升现有毫米波雷达导引头目标搜索识别能力。综合利用图像的几何、散射和背景特征以及信号的失控频等多源特性,高精度检测与识别目标,一直新型和未知干扰,大幅增强毫米波制导导弹的侦察打击能力。

3) 多平台应用,向各新型战机、无人机、无人平台延伸机载空空、空地导弹通常要求具有发射后不管、全方位探测(特别是良好的低空及下视性能)以及与初、中段制导相配合实现远程攻击的能力。为此,通常采用脉冲多普勒工作体制,足够高的脉冲重复频率可保证无杂波区检测目标。随着新型战机如F-35的发展,硫磺石、JAGM等弹药也相继做出改进,以适应在新平台上的发射。而如今战场中对无人平台的重视,也使得这些弹药可搭载的平台范围被拓宽,如暴风之锤搭载的MQ-9死神无人机、硫磺石3搭载的MQ-9B海上卫士和Kuzgun搭载的Bayraktar TB2、Akinci、Aksungur无人机。此外,基型硫磺石还可搭载无人车,Kuzgun可搭载舰船。

4) 成熟制导体制间相互组合,形成新型多模复合导引头单一的制导模式容易受到战场环境限制,降低武器作战使用的灵活性。毫米波雷达导引头具备尺寸小、重量轻的特点,在已成熟的单一探测体制武器上加装毫米波雷达探测体制,更有利于在有限空间内综合利用不同制导体制的优势。如双模硫磺石复合了半主动激光导引头和毫米波导引头,形成人在回路干预能力,集防区外发射、全天候作战和快速部署等优势为一体。

3 结束语

随着现代战场环境不断变化,毫米波雷达精确制导技术自20世纪50年代发展至今已取得多次突破,形成了硫磺石、AARGM等多平台全天候精确打击弹药。而为了实现这些弹药的作战需求,信号处理、电子技术及材料等领域也不断推进,可以说,毫米波雷达精确制导技术引领了MMIC、雷达成像芯片等多个器件领域的发展。未来,毫米波雷达精确制导武器将继续向多模复合制导及毫米波成像技术方向发展,以取得更广泛的应用前景,满足更苛刻的作战使用要求。