反导/反临拦截弹多模导引头关键技术浅析
李炯 张涛 张朋飞 雷虎民
摘 要：????? ?多模复合导引头技术能够较好地克服采用单一模式制导的缺点， 提高精确制导武器在复杂电磁环境下的制导精度和可靠性， 被认为是当前最有发展前途的寻的制导技术。 本文主要对临近空间所面临的多重防御任务进行论述， 从临近空间环境和目标特性两个方面阐述了临近空间防御导引头所面临的难点， 介绍了几种常用的多模复合导引头， 并对反导/反临多模导引头的选取进行了大胆设想， 重点分析了发展多模复合导引头所涉及的关键技术。
关键词：???? 多模复合导引头; 反导/反临; 临近空间; 多模复合制导;? 拦截弹
中图分类号：??? TJ765? 文献标识码：??? A? 文章编号：??? ?1673-5048（2018）01-0008-07
0 引? 言
臨近空间一般指介于航空器飞行空间与航天器轨道空间之间的空域， 对其具体的高度尚无统一的定义， 一般认为其高度为20～100 km[1]。 从当前防空武器及天基武器的覆盖范围可知， 临近空间处于各种空天武器的拦截能力之外， 这种特有的空间区域优势促进了临近空间飞行器的快速发展， 对当前的空天防御系统提出了新的挑战[2-4]。
出于保密考虑， 国外到目前为止并未公开关于临近空间防御的相关成果。 美国拥有世界上最先进的弹道导弹防御系统， 其正在高超声速武器拦截领域开展积极的探索。 美国导弹防御局提出了两种拦截方案： 一种是采用无人机和激光武器进行拦截; 另一种是对萨德、 “标准”-3系统、 “爱国者”-3系统和“中程增程防空系统”等原有的防空反导系统进行升级改造， 使其适用于高超声速武器的拦截。 俄罗斯也提出了将高超声速目标与其他空天目标一起作为一个有机的整体， 统一建立防空反导体系[5-7]。
临近空间既是临近空间飞行器的主要活动区域， 也是弹道导弹飞行必经的一个阶段， 属于末段高层反导拦截区域。 防空反导武器系统将不再局限于空气动力学目标及弹道目标的拦截防御， 更要拓展到临近空间飞行器及空天高超声速飞行器的拦截防御， 实现反导/反临双任务的一体化作战[8]。 而弹道导弹突防技术的大量应用以及临近空间高超声速飞行器的高速机动能力， 使得反导/反临作战对拦截器的精确制导能力提出了更高要求， 从而使多模复合导引头及其制导技术在反导/反临拦截器上得到了极大的重视和广泛应用[9-11]。
1 临近空间防御导引头所面临的难点
1.1 临近空间环境
临近空间是指在空间上20～100 km高度范围内的大气层， 主要包括平流层、 中间层和热层的一部分。 平流层一般距地面15～50 km， 杂质少， 几乎没有水汽凝结及雾、 雨、 雹等气象， 也没有大气的对流， 能见度好， 气温基本上不随高度变化。 包含大气中90%以上的臭氧成分的臭氧层也在平流层中， 主要吸收一定波长的紫外线（λ<0.3 μm）和红外线（λ≈9.6 μm）。 中间层一般距地面50～80 km， 空气质量约占整个大气的1/300 0。 该层大气密度比较小， 吸收长波的水蒸气、CO2等物质很少， 非常有利于红外辐射的传播和红外目标的探测。 在工程上， 从资源利用的角度， 将大气层从低到高依次分为航空层（h≤20 km）、 临近空间层（h=20～100 km）和空间层（h≥100 km）。 大气层分布、 大气密度等特性如图1所示。
作为一种强辐射体， 临近空间高超声速飞行器温度高达2 400 ℃， 而黑体辐射的峰值波长λm与温度T成反比， 有
λm=2 898T（μm）（1）
在工程上， 通常采用以下近似法则：
λ0.5T=1 800， 5 100（μm·K）（2）
满足式（2）关系的两个波长之间的能量约占总辐射功率的60%以上。 以2 700 K为例估算， 其峰值波长λm=1.07 μm， λ0.5=0.66 μm， 1.88 μm。 可见， 临近空间防御比较适合采用短波红外探测器来探测目标。
1.2 临近空间目标特性
临近空间既是反临的拦截区域， 也是末段高层反导的主要拦截区域， 因此， 临近空间目标包括临近空间高超声速飞行器和末段高层再入段弹道导弹。
临近空间高超声速飞行器的主要特性如下：
（1） 飞行速度大于马赫数5， 最大可达马赫数25。
（2） 机动过载能力为2g～4g。
（3） 飞行高度为20～100 km。
（4） 雷达反射截面积为0.01～0.1 m2。
（5） 几何尺寸为1～20 m。
（6） 再入角度不会太大， 跟气动外形有关。
末段高层再入段弹道导弹的主要特性如下：
（1） 射程远， 再入速度大。 战术型的再入速度通常为马赫数5～15， 战略型的最大秒速可达7.2 km。
（2） 弹道高， 再入角度大。 中近程弹道导弹最大高度在数十至数百千米， 远程或洲际最大弹道高度可能在数百至数千千米; 大再入角是弹道导弹又一个独特的特点， 其再入角度通常为40°～45°， 有些采用机动变轨飞行的导弹， 其再入角可达75°～80°， 从而使其高低角的角速度变化非常剧烈， 对方雷达跟踪困难。
（3） 雷达反射面小。 战术弹道导弹的雷达有效反射面， 头体不分离的通常为0.2～0.3 m2， 头体分离的通常为0.1～0.2 m2， 而采用隐身措施的通常小于0.1 m2。
（4） 命中精度高， 杀伤威力大。
（5） 隐蔽性好， 突防能力强。
（6） 制导系统不易受干扰， 有多弹头特征。 助推火箭、 末修级脱落、 抛洒诱饵等会产生干扰。
1.3 临近空间防御对导引头的要求
临近空间环境的特点及临近空间目标的特性给反导/反临拦截器带来了巨大的挑战， 从而对临近空间防御导引头提出了更高的要求。 反导/反临拦截器多模复合导引头及其制导技术的主要要求体现在以下几个方面：
（1） 探测距离远、 空域大、 盲区小;
（2） 具有较强的目标识别能力;
（3） 高容量、 高速度、 智能化的信息处理能力;
（4） 高精度、 快响应的随动控制系统;
（5） 具有适应高超声速、 高机动飞行状态变化的能力;
（6） 能有效应对隐身、 突防、 干扰等因素的影响。
2 临近空间防御多模复合导引头的选取
临近空间环境及目标特性决定了单一类型的导引头很难满足临近空间防御作战的需求， 因此， 采用多模复合导引头势在必行。 多模导引头的优点在于可充分发挥多种模式导引头或不同频段频谱信息的特点， 取长补短， 提高目标综合探测、 识别、 跟踪能力以及拦截弹自身的生存能力， 提升反导/反临拦截作战效能。 目前， 广泛应用的多模复合导引头为双模复合导引头， 主要包括主/被动雷达、 微波/红外、 毫米波/红外、 紫外/红外、 激光/红外等。 在上述复合体制中， 毫米波/红外复合制导由于具备光电优势互补、 复合结构简单的特点， 已经成为当今较为主流和成熟的制导方式。 另外， 激光导引头制导精度高、 抗干扰能力强、 结构简单， 具备多目标能力， 且容易实现模块通用化， 近年来也成为研究热点。 但目前可用激光波长种类太少， 容易被敌方侦测和对抗; 需要对目标实施主动照射， 增加了被敌人发现和反击的概率; 使用受气象条件限制， 在复杂环境中的实用性较差， 大功率激光器实时性无法保证， 这些因素限制了其进一步的应用。
2.1 光学多模导引头
光学导引头包括红外导引头、 紫外导引头及可见光导引头， 是当前技术比较成熟、 应用比较广泛的一类导引头。 在大气中高速飞行的目标， 其能量辐射主要来源于三个方面： 一是蒙皮气动加热引起的温度升高产生的热辐射（波长8～14 μm）;? 二是尾喷口及喷管尾流产生的热辐射（波长1～5 μm）;? 三是飞行器本身对阳光的反射与散射（波长0.48～0.55 μm）。 因此， 光学导引头的复合模式多采用红外双色、 红外/紫外以及红外/可见光等双模制导方式。 光学多模导引头的优点是分辨率高， 可以大幅提高导引头的探测灵敏度和跟踪精度， 制导作用距离远， 通过优势互补可以改善对抗红外诱饵干扰和反目标隐身能力， 具备准全天候作战能力。
2.2 微波/红外复合导引头
微波/红外复合导引头主要有主动雷达/红外、 半主动雷达/红外和被动雷达/红外三种。 主动雷达导引头由于可以测距、 测速， 且可实现发射后不管， 与被动模式的红外导引头复合， 可以充分利用主动雷达导引头的测距、 测速能力以及红外导引头的高分辨成像特性， 达到导引头综合性能的提升， 但这类导引头的缺点是尺寸与重量比较大。 被动雷达导引头一般用于空地反辐射导弹， 其微波寻的器采用微波相位干涉仪， 作用距离较主动式远， 但角分辨率不高。 被动雷达导引头与红外复合通常采用共孔径方式， 分别探测目标的雷达辐射和红外辐射。 在拦截作战过程中， 首先使用微波被动雷达导引头探测并跟踪目标， 当达到红外导引头作用范围时， 引导红外导引头搜索探测目标， 利用红外导引头的高分辨率实现对目标的攻击。
2.3 毫米波/红外复合导引头
毫米波介于微波与红外波段之间， 兼具两者的特性。 毫米波导引头大多采用单脉冲测角体制， 可以得到目标的角度信息和距离信息。 相对于微波， 毫米波导引头还具有更高的角分辨率和多普勒分辨率， 抗干扰能力强， 穿透云雾、 尘埃及等离子体能力强; 相对于红外， 毫米波具有更宽的波束， 更适合在较大范围内对目标进行搜索与截获。 毫米波/红外复合导引头有分孔径结构和共孔径结构两种常用的配置方式。 其中， 共孔径结构复合导引头由于体积小、 重量轻， 更适合未来精确制导武器复合寻的制导的作战使用。 在拦截作战过程中， 毫米波雷达提供目标的距离信息和多普勒信息， 还可以从回波信号中提取幅度、 频谱、 相位和极化等多种信息， 弥补红外寻的器的不足， 红外寻的器则主要用于小范围跟踪和精确定位， 提高导引头的综合性能。
2.4 反导/反临拦截多模复合导引头的选取
不论是反导还是反临， 其目標都具备远超马赫数5的飞行速度， 高超声速的飞行速度使得目标探测、 跟踪需要更远的作用距离， 以保证拦截方具有足够的作战反应时间。 考虑临近空间的环境特性以及目标所具有的高超声速、 大机动能力， 使得目标的电磁辐射在频谱上更有利于光学探测。 红外、 激光等光学制导以及兼具一定红外特性的毫米波制导更能满足临近空间的反导/反临作战的远距离探测与高精度拦截需求。 因此， 反导/反临拦截多模复合导引头可采用以光学制导为主的复合方式， 主要包括以下三种：
（1） 双色红外成像制导。 临近空间目标的高超声速飞行使得气动加热令目标蒙皮及其周围的空气温度上升而引起热辐射， 利用不同波段红外的热辐射感知能力， 通过复合制导及图像融合技术能充分提高目标的探测与识别能力。
（2） 红外/毫米波复合制导。 毫米波兼具微波与红外两者的特性， 利用毫米波的测距能力以及提供的高灵敏多普勒信息， 可以弥补红外制导的不足。 毫米波的强穿透等离子体能力， 可以提升反导/反临拦截作战中复合导引头的探测与跟踪能力。
（3） 红外/激光成像复合制导。 激光制导可以成像， 还可以测距， 具有较高的角分辨率与距离分辨能力， 可以弥补被动红外成像制导的不足， 大幅提升复合导引头的目标探测与捕获能力。
在上述三种典型的多模复合制导方式中， 红外成像与毫米波主动雷达双模复合制导是当前战术导弹应用较多的一种复合体制， 也是一种极具潜力与发展前途的制导技术。 红外/毫米波复合制导可以获取目标更多、 更丰富的信息， 提升目标探测、 识别、 跟踪能力， 提高拦截作战反隐身、 抗干扰能力， 实现全天时、 全天候反导/反临拦截作战[12-15]。
随着未来战场环境越来越复杂， 电子干扰、 电磁对抗、 隐身与反隐身等越来越剧烈， 三模制导将成为未来复合制导的一种发展趋势。 三模制导相对于双模制导来说， 不仅在功能上优势更互补， 而且抗干扰能力、 容错性更强， 更能提升拦截系统整体作战效能。 目前， 美国在陆军的联合通用导弹上已开展了红外成像/毫米波/半主动激光三模导引头的研制; 美国空军和洛克希德·马丁公司也联合开发了制冷型三模导引头， 该复合导引头由半主动激光传感器、 红外成像传感器和毫米波雷达共同组成， 极大地提升导弹发射后不管能力;? 日本还在研制对空导弹的红外/微波/毫米波三模寻的导引头。 随着高新技术的快速发展及其在战术导弹复合制导中的广泛应用， 新型三模复合导引头将是各军事大国研究和发展的重点方向[16]。
3 反导/反临拦截多模复合导引头关键技术
以红外成像与毫米波复合的反导/反临拦截多模复合导引头为例， 其关键技术主要包括： 多模复合导引头系统集成设计与优化， 红外/毫米波双模信号的转换及交班、 多源信息融合技术， 复杂背景下的自动目标识别与高帧频大容量信息处理技术， 大范围角度跟踪与高精度快响应伺服控制技术， 气动光学效应抑制等。
3.1 多模复合导引头系统集成设计与优化
红外/毫米波双模导引头是一个多功能复合系统， 要求其能实现两个模式分别探测目标并进行相关信息处理的需求， 同时还能在有限的导弹头部空间内进行合理的布局， 并尽量减少对导弹总体气动布局和制导控制系统等总体技术的影响， 因此， 需要从多模复合导引头系统集成设计与优化方面对导弹总体进行综合考虑。 红外/毫米波双模导引头的系统集成主要包括以下几类：
（1） 红外前置型
红外前置型双模导引头是指在毫米波雷达天线罩的前端安装红外探测位标器， 由于红外探测位标器是具有一定体积的金属遮挡物， 从而会影响毫米波雷达接收天线的接收性能， 而且毫米波雷达接收天线的性能变化与金属遮挡物的几何尺寸及相对位置有关。 因此， 在设计红外前置型双模导引头时， 需要考虑红外探测器对毫米波雷达接收天线遮挡的影响， 并采用相应的技术方法减小其影响， 使导引头中的红外系统和毫米波系统都能够正常地探测、 跟踪目标。 该类型双模导引头适于中、 低空防空导弹。
（2） 红外侧置型
红外侧置型双模导引头是指红外探测系统安装在弹头侧方（又称红外侧窗探测）， 可以避免红外前置对毫米波雷达接收天线的遮蔽影响， 但是这种配置方式对复合导引头系统的导弹总体气动布局以及制导控制系统设计等总体技术会产生影响。 红外侧置型复合导引头的关键问题在于如何在导引末端由毫米波向红外探测系统转接时保证红外探测系统的光轴始终对准目标， 通常需要结合姿轨控发动机对导弹姿态的控制完成红外侧窗探测。 该类型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。
（3） 共孔径型
共孔径型双模导引头特点是毫米波天线系统与红外探测系统互相兼容， 并且可以应用同一个伺服系统完成毫米波系统与红外系统的同步跟踪。 共孔径复合导引头的关键在于一体化的整流罩， 要求一体化整流罩不仅兼具良好的红外光学透射性能以及与毫米波天线系统的匹配性， 还具备耐高压高温、 耐震动冲击、 高机械强度、 化学性能稳定等特点。 该类型双模导引头主要用于反舰导弹及反坦克导弹。
（4） 共形一体化型
共形一体化型双模导引头是指采用导弹气动外形、 红外探测系统头罩和共形相控阵天线一体化的设计方法， 在满足导弹总体气动特性以及前向、 侧向截获跟踪目标的战术技术指标要求的同时， 还可以扩大红外探测跟踪视场以及毫米波相控阵天线的扫描视场。 共形一体化型双模导引头的主要技术难点在于红外/毫米波一体化的探测跟踪系统及其结构优化设计等。 该类型双模导引头可用于多类防空反导导弹， 也是最利于双模导引头的一种结构形式， 适用性较广。
3.2 多模信号的转换、 交班及信息融合技术
在拦截作战过程中， 战场环境、 目标特性以及气象条件不同， 都会对导引头制导性能产生较大的影响， 不同模式的导引头探测系统获取的目标信息品质也各不相同。 在毫米波与红外成像探测系统获得的目标信息品质都较好的情况下， 可以充分利用两者的互补信息进行融合滤波， 提高对目标的识别、 跟踪精度， 同时能有效提升抗毫米波或抗红外干扰能力。 当其中一种探测系统受到干扰或受环境影响无法得到有效的目标信息或发生故障时， 仍可利用另一个未受干扰或影响的探测系统继续对目标进行探测与跟踪， 保证对导弹的制导与控制。
根据毫米波与红外探测系统各自的特性， 为实现双模导引头的信号融合处理， 提高对目标的识别、 跟踪能力， 需构建有效的双模信号融合处理模型， 使导引头工作模式可以平稳地在毫米波和红外两个子系统之间进行转接。 在转接过程当中， 多模信号的转换、 交班及多源信息的融合处理技术是其关键所在。
多模导引头的信息融合是指复合导引头各种模式的探测系统分别获取不同频段的目标特征信息， 中心处理器對同时得到的各传感器目标信息， 按照一定准则进行融合处理， 以获取精准的目标信息对导弹进行制导。
信息融合引入了更多的目標信息， 增加了目标特征维数， 为导弹制导提供了更多的目标特征信息， 从而可以提高目标识别的综合概率和目标跟踪的可靠性。 信息融合的现实问题在于工程实现中的实时性问题， 其中还涉及到了多源信息的时空对准。 由于毫米波和红外探测系统获得的目标信息不具备一致性， 信息融合采用特征层融合与决策层融合较好。 首先对毫米波和红外导引头分别进行信息处理， 获取各自的目标特征信息， 再进行特征融合进而进行航迹处理; 或分别对毫米波和红外导引头进行观测——航迹互联判决， 再对各自的判决进行决策融合， 进而进行航迹关联判决。
3.3 复杂背景下的自动目标识别与智能信息处理技术
导弹的发展趋势是协同化、 智能化， 而多模复合导引头的智能化则体现在目标的自动识别与智能信息处理方面， 针对各探测系统获得的目标信息进行综合分析判断和自动处理， 并制定决策对导弹进行制导与控制。
智能化导引头要求导引头可以在复杂战场环境中完成对目标的自动检测、 识别与捕获， 并根据各传感器获得的目标信息进行融合处理。 自动目标识别能力是复合导引头最基本的要求之一， 导弹在拦截作战时希望能够准确对目标进行分类识别。 目标的自动识别以及多波段高分辨复合导引头所获得的多通道数据对信息处理能力提出了很高的要求， 比较有效的方法是借助智能信息处理算法来解决复杂背景下高数据率的目标识别与跟踪问题。 同时， 结合拦截作战背景研究特定作战环境、 特定目标的自动目标识别策略以及智能自主决策机制也尤为重要。 为使导弹能够适应各种典型复杂环境， 在拦截作战过程中， 导弹必须能够随着典型作战环境及目标运动特性的变化， 自适应改变其拦截制导模式， 提高综合杀伤效能。
3.4 大角速度跟踪与高精度快响应伺服控制技术
临近空间的飞行器与弹道目标都是以超高声速进行飞行， 拦截弹也是以超高声速的速度进行拦截。 在拦截过程中， 弹目相对速度非常高， 视线角速率也非常大， 要求末制导复合导引头的探测系统应具有大角速度跟踪范围。 此外， 临近空间拦截通常都采用气动力/直接力复合控制， 在采用直/气复合控制时需要弹体保持一定的姿态， 以保证导引头探测系统能够在合适的姿态下对目标进行探测与跟踪， 因此， 反导/反临拦截复合导引头还需要有足够的角度跟踪范围。 以美国的末端高层防御系统（THAAD）为例， 其导引头采用中波红外成像制导， 俯仰角跟踪范围为5°～60°、 方位角跟踪范围为-2°～+2°， 具有一定的末端高层反导/反临能力， 但是在目标进行大机动飞行时， 导引头很容易丢失目标。
为了满足大范围探测与跟踪的系统要求， 完成对既定空域的快速监测与稳定跟踪， 特别是对高超声速飞行器/弹道导弹这一类目标的最佳探测跟踪， 要求导引头伺服机构在有限的空间范围内既能满足系统要求的大角速度跟踪范围， 又要满足较高的稳定跟踪精度。 此外， 临近空间目标具备2 g～4 g的机动过载能力， 拦截器必须具有3倍以上的目标机动过载能力以满足拦截过程中的大机动过载需求。 高机动大过载的弹载约束对导引头的平台适应能力及伺服控制能力提出了更高的要求， 要求导引头伺服控制系统具有足够宽的带宽和足够小的死区， 在满足多模导引头跟踪目标的稳定性、 快速性的同时， 还要保证多模复合伺服系统的平稳切换， 实现双模（多模）导引头的可靠、 稳定交班。
4 结 束 语
临近空间高超声速飞行器的快速发展使得其威胁日渐形成， 临近空间的攻防对抗也会日趋激烈， 临近空间的战略地位将会越来越高。 面对不断发展的先进导弹攻击技术， 各军事强国在许多关键技术上都已展开大量研究， 并取得了一定的突破。 在临近空间高超声速飞行器以及反导/反临拦截技术的发展方面， 应注重跟踪国际领先国家的技术动态， 牵引相关关键技术的研究和发展， 缩小与发达国家的差距， 以提升临近空间综合防御能力。 作为提高精确制导武器作战效能的倍增器， 具备目标探测、 识别、 抗干扰能力等突出优势的多模复合寻的制导技术， 应不断适合未来战场对导弹“远程压制、 精确打击、 高效毁伤”的发展要求， 其必将在临近空间反导/反临拦截作战中发挥更大的作用。
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