超低空引信技術(shù)綜述

劉躍龍, 張 艷

(1.上海無線電設(shè)備研究所;2.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室,上海200090)

0 引言

工作在超低空的引信可以有多種形式,但都會受到背景(主要是地、海面回波和陽光等)的影響,有時背景的存在可能使引信在超低空有效啟動的概率很低,甚至無法工作。因此,設(shè)計超低空引信的關(guān)鍵在于最大限度克服背景的影響,達到最大的有效啟動概率,盡可能接近自由空間的有效啟動概率。

不同種類和體制的引信受背景影響的機理不同,主要有:

a)對于主動或半主動無線電引信,背景影響主要體現(xiàn)為背景反射;

b)激光引信除需克服背景反射外,還需克服超低空比較常見的霧汽和煙塵的反射干擾及對有用信號的衰減;

c)對于被動紅外引信,關(guān)鍵在于克服陽光經(jīng)背景海面的反射。

以下具體分析國內(nèi)外主要超低空引信的工作原理、關(guān)鍵技術(shù)和適應范圍。

1 主動無線電引信超低空技術(shù)

主動無線電引信發(fā)射無線電波,靠接收目標反射的回波探測目標,在超低空時,引信到目標的距離與引信到背景的距離相仿,若無特殊措施,背景反射信號同目標信號一樣會進入引信接收通道,引起引信早炸。因此,常采用具有優(yōu)良截止特性的脈沖體制引信和PD體制引信(為解決距離模糊,常采用0/π調(diào)相PD體制引信),將引信截止距離以外的背景雜波截止掉。

如果目標飛行高度比較高,如30 m以上,而引信作用距離和截止距離較小,或者目標飛行高度雖然不高,但由于制導精度高,引信作用距離和截止距離更小,彈目交會時引信離地、海面最小距離大于引信截止距離,這時,具有距離截止特性的引信無須采用其它特殊超低空措施;但如果目標飛行高度很低,如10 m以下,而引信的作用距離和截止距離又無法做得很小,則必須采用接收波門自適應調(diào)整技術(shù),使引信的截止距離隨著離地、海面高度的降低而減小,且小于引信離地、海面的距離。

PD體制引信還可采用頻譜識別技術(shù),利用彈目交會速度高于導彈速度,目標回波多普勒頻率高于地、海面回波多普勒頻率的原理,采用頻譜識別技術(shù)分辨目標和海雜波。

將接收波門自適應調(diào)整技術(shù)和頻譜分析頻率識別技術(shù)融合在一起,可使引信有效啟動概率明顯增加,從而有效地提高導彈單發(fā)殺傷概率[1]。

1.1 波門自適應調(diào)整技術(shù)

目前已知的超低空引信普遍采用脈沖和PD體制,且普遍采用波門自適應調(diào)整技術(shù),簡稱波門壓縮技術(shù),引信波門壓縮示意圖如圖1所示。在圖1中,大圓表示導彈脫靶區(qū),兩個小圓分別表示目標和導彈引信,引信右上方的虛線箭頭表示引信向海面俯沖,r表示目標和引信的距離,h表示引信到海面的距離。

圖1 波門壓縮示意圖

在超低空俯沖攻擊時,隨著導彈高度的降低,引信中的高度計開始探測到海面,海面回波進入高度計波門且回波能量超過門限后,高度計波門的前沿和引信視頻接收波門的后沿同步向左移動,使海雜波不能進入引信視頻接收波門,從而抑制了海雜波干擾,防止了引信誤爆。

衡量波門自適應調(diào)整技術(shù)水平的一個重要指標是hr,hr定義為h-r,即在確保引信不虛警的前提下,引信到海面的距離與引信作用距離(在超低空俯沖攻擊時,隨著導彈高度的降低,引信作用距離是不斷縮小的)之差。h r越小,引信超低空啟動概率越高,超低空性能越好。對于5 m高度超低空目標,h r必須小于5 m。

在圖1中,斜杠區(qū)寬度d y表示引信啟動時目標回波脈沖進入引信接收波門的脈沖寬度,斜杠區(qū)寬度dg表示海面回波脈沖進入高度計接收波門的脈沖寬度,d g越小則測高精度越高,d a表示測高安全區(qū)。要減小hr,必須減小dy和dg,減小d y要求脈沖引信有很陡的前沿,且PD引信有高的靈敏度,減小d g要求引信有很高的近距測距精度,此外在確保安全前提下(海雜波不進入引信接收波門),d a也應盡量小。

當目標高度很低(如5 m)時,如果導彈脫靶區(qū)是以目標為中心的圓,且導彈制導在目標下方或側(cè)下方,則在多數(shù)脫靶點不能保證h≥h r+r,即引信要么不動作,要么因海雜波而啟動。因此,采用這種技術(shù)要求導彈制導在目標上方或側(cè)上方,導彈脫靶區(qū)應是一個向上的偏心圓,如圖1所示。

當制導精度和hr一定,目標高度越低,引信超低空啟動概率就越低。若制導精度為8 m,h r為4 m,目標高度為10 m,引信啟動概率還是比較高的,但如果目標高度在4 m以下,引信超低空啟動概率就相當?shù)土?。對?.5 m的掠海目標,引信超低空啟動概率將降到很低,除非導彈制導精度可做到1 m～1.5m,且脫靶區(qū)適當向上偏心,引信采用極窄發(fā)射脈沖及固定寬度的窄接收波門。

對于采用波門自適應調(diào)整技術(shù)的引信,要想提高導彈超低空單發(fā)殺傷概率,必須盡量提高導彈制導精度并將導彈制導在目標上方。

1.2 “頻率識別”技術(shù)

采用波門自適應調(diào)整技術(shù),雖然避免了引信因海雜波的早炸,但也因作用距離隨距海面高度不斷降低損失了引信啟動概率。因此,還須尋找其他的技術(shù)途徑來彌補引信啟動概率的損失,努力提高引信超低空啟動概率。

采用頻譜分析和頻譜識別技術(shù)(簡稱“頻率識別”技術(shù))是解決引信超低空問題的另一重要途徑[1]。

“頻率識別”技術(shù)的基本出發(fā)點是在超低空不降低引信作用距離,允許雜波進入引信接收波門,靠“頻率識別”來分辨目標回波與雜波。

掠海導彈由于其有較高速度(≥300m/s),且彈目交會一般為迎攻,故每次交會時彈目相對速度總是大于彈相對海面(浪)的速度,當彈目交會角不大時,目標回波多普勒頻率會大于海雜波的多普勒頻率,利用高分辨率DSP進行頻譜分析是可以分辨目標和海雜波的。

采用“頻率識別”技術(shù)必須采用高增益低副瓣的窄波束天線,因為海雜波很強,沒有足夠的主副比就不能保證目標回波強度大于副瓣雜波強度,而副瓣雜波頻譜很寬,與目標頻譜混疊,無法分辨,目標頻譜只能和主瓣雜波頻譜相分離[2]。因此,采用“頻率識別”技術(shù)的思路是用高主副比的低旁瓣天線消除副瓣雜波影響,通過信號處理分辨目標和主雜波(即進入天線主瓣的窄帶雜波)。以下的海雜波均指主雜波。

1.2.1 Ku波段引信

設(shè)導彈速度為v m=(600～900)m/s,取900 m/s。掠海導彈速度為vt=(300～450)m/s,取300m/s(最難分辨的速度)。天線主瓣與彈軸夾角 Ф=60°,天線主瓣寬度(-3 dB)θ3=4°,-20 dB主波瓣寬度θ20=10°。

(1)彈目平行共面交會

海面回波多普勒頻率計算公式為[3]

海面回波(-40 dB)多普勒帶寬計算公式為

目標回波多普勒頻率計算公式為

目標回波-3 dB多普勒帶寬計算公式為

將前述有關(guān)參數(shù)帶入可得到海雜波和目標回波多普勒頻率及帶寬,在頻率軸上標出來,如圖2所示。

圖2 Ku波段雜波與信號頻譜分布圖(交會角0°)

選頻率分辨率為1.75 kHz,很顯然,在這種情況下是可以識別海雜波和目標的。

(2)彈目共面交會但有交會角

設(shè)交會角 α≤20°(取最大值 20°),彈速矢量與彈軸重合,彈目交會如圖3所示。

圖3中,v m為導彈速度、v t為目標速度、v r為彈目相對速度、α為交會角、β為導彈速度與相對速度的夾角、γ為相對速度與天線主瓣中心線的夾角。

圖3中彈目交會有A、B兩種情況,情況A即導彈早到時,v r在天線主瓣方向的投影角為γ=60°-β;情況B即導彈晚到時,v r在天線主瓣方向投影角為 γ=60°+β。在式(3)、式(4)中用 γ取代 Ф,可算得情況A時目標回波與海雜波頻率差距進一步擴大,更容易識別。但情況B時目標回波與海雜波頻率差距減小,但還可以識別,如圖4所示。

圖3 彈目交會示意圖

圖4 Ku波段雜波與信號頻譜分布圖(交會角20°)

1.2.2 8 mm波段引信

隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展,特別是毫米波固態(tài)器件的發(fā)展,使引信工作在毫米波段成為可能。毫米波無線電引信能實現(xiàn)窄波束、低副瓣,可提高探測精度和分辨率,提高引戰(zhàn)配合效率,抗干擾能力較強,有利于超低空工作[4]。

設(shè)導彈速度為v m=(600～900)m/s,取900 m/s。掠海導彈速度為vt=(300～450)m/s,取300m/s(最難分辨的速度)。取天線主瓣與彈軸夾角 Ф=60°,取天線主瓣寬度(-3 dB)θ3=2°,-20 dB主波瓣寬度θ20=5°。彈目共面交會但有交會角 α≤30°(取最大值 30°),在圖 3情況 B 導彈晚到最不利分辨的情況下,可得到雜波與信號頻譜分布圖如圖5所示。

目標最大頻率與海雜波最大頻率之差為5 kH z,取頻率分辨率為 1.75 kH z,顯然,在這種情況下仍可以識別海雜波和目標。

圖5 8 mm波段雜波與信號頻譜分布圖(交會角30°)

以上按共面交會計算,對情況B的頻率分辨要求最苛刻,其他交會姿態(tài)的情況只會更易于分辨些。因此,當α≤30°時,任意交會時都能有效分辨目標和海雜波。

隨著彈目交會角α逐步增大(α=30°～45°),可以算得情況A時目標回波與海雜波頻率差距更大,更容易判別;而情況B時目標回波與海雜波頻率差距更小,甚至變負,不能分辨。

綜上分析計算,如果彈目交會時,在Ku波段,彈目速度矢量交角控制在≤20°,掠海導彈速度≥300m/s,引信能有效地分辨目標和海雜波;在8 mm波段,彈目速度矢量交角控制在≤30°,掠海導彈速度≥300m/s,引信也能有效地分辨目標和海雜波。

隨著掠海導彈速度向高速發(fā)展(600 m/s～800m/s),則能更方便地進行分辨。如果要求很大的航路捷徑使彈目速度矢量交角大于可完全分辨角度時,海雜波與目標回波分辨概率降低。若彈目速度矢量交角范圍為0°～45°,則8 mm引信有效啟動概率能達到70%以上。若彈目速度矢量交角范圍為(0°～30°),則引信有效啟動概率能達到90%以上。

此種方法對速度小于100 m/s和靜止目標不適用。因此要用此法打可懸停直升機,必須對直升機旋翼和尾翼的頻譜特性和反射截面積作大量研究和試驗。

從目前掌握的資料來看,旋翼尤其尾翼的多普勒頻率遠高于直升機飛行時產(chǎn)生的多普勒頻率。因此,從理論上看,有可能通過頻譜識別的方法來識別直升機與地海雜波。

1.3 應用實例

對于3m～5 m的超低空目標,用兩種方法的任一種都不夠完美,將接收波門自適應調(diào)整技術(shù)和頻譜分析頻率識別技術(shù)融合在一起,可使引信有效啟動概率明顯增加,從而有效地提高導彈

圖6 引信原理框圖

引信采用較成熟的隨機碼調(diào)相PD體制,以解決引信的距離模糊并具備優(yōu)良的距離截止特性。

第3條支路,即超低空高度計電路。它的輸入為海面回波信號,通過一系列處理、變換可得到距海面高度信息,與時序及控制電路配合可自適應調(diào)整引信第1支路視頻接收波門脈沖的寬度。超低空高度計可以采用單波門也可采用雙波門。第1支路的視頻開關(guān)控制脈沖能自適應調(diào)整,使海雜波不能進入后級電路,從而保證引信能在超低空工作。

第2支路視頻波門寬度不變,允許海雜波進入后級電路,由于信號和雜波同時存在,需依靠DSP識別兩者,從強海雜波中提取目標信號。DSP可利用導彈系統(tǒng)提供的信息,更好地分辨目標與海雜波。單發(fā)殺傷概率。在一定的使用條件下,兩種技術(shù)的結(jié)合可以得到相當高的引信有效啟動概率。

下面介紹一種引信方案,將距離截止技術(shù)和頻譜分析頻率識別技術(shù)融合在一起,使引信有較高的超低空啟動概率。

引信原理框圖,如圖6所示。該原理框圖可分為三大部分,其中虛線框框出的部分為超低空高度計,另一點畫線框框出的部分為微波與時序控制電路部分,其余部分為引信信號處理部分。

2 制導引信超低空技術(shù)

利用導引頭輸出的彈目多普勒頻率在彈目交會瞬間急劇變化來判斷目標臨近,并經(jīng)適當延時輸出啟動信號的引信稱為制導引信。這是一種特殊的引信體制,在自由空間無背景干擾時,該引信技術(shù)已基本成熟,國內(nèi)外地空導彈上均有應用制導引信技術(shù)的例子。

對應于半主動導引頭的制導引信叫半主動制導引信,對應于主動導引頭的制導引信叫主動制導引信。

2.1 制導引信基本原理

基于某半主動導引頭的制導引信基本原理框圖如圖7所示[5]。

圖7 制導引信原理框圖

導引頭接收機輸出多普勒信號頻率 f d,導引頭速度跟蹤環(huán)路跟蹤頻率fd,并將代表頻率 f0+f′d的電壓輸入到引信處理電路,該電壓經(jīng)適當延時后傳到VCO產(chǎn)生頻率 f0+f′d,該頻率與預定頻差ΔF進行混頻得到頻率f0+f d-ΔF:

a)在彈目相距遠時 ,f d=f′d,f0+f′d-ΔF 與f d混頻得到 f0-ΔF,不能通過速度門(帶寬很窄矩形系數(shù)很好的晶體濾波器);

b)在彈目相距較近時,由于引信輸入f d急劇變小,而 f0+f′d-ΔF 中的 f′d是延時前遠區(qū)的f d,故當引信輸入 f d急劇變小到與 f′d-ΔF相等時,混頻2輸出為 f0,可以通過速度門,并經(jīng)后級處理產(chǎn)生引信輸出。

2.2 超低空制導引信關(guān)鍵技術(shù)及解決途徑

通過研究可知,在海面背景條件下,制導引信將受到背景雜波和目標鏡像的干擾,其工作環(huán)境遠比自由空間無背景干擾時惡劣。如何克服背景雜波和目標鏡像的干擾是超低空制導引信的關(guān)鍵。

2.2.1 背景雜波的抑制

在迎頭攻擊且交會角不很大的情況下,導引頭相對于海面的速度低于導引頭相對于目標的速度,因而導引頭天線收到的海雜波多普勒頻率低于彈目多普勒頻率。只要目標速度高于200 m/s,通過合理選擇系統(tǒng)參數(shù)(如ΔF)并設(shè)計高性能晶體濾波器,可以克服背景雜波的影響。

2.2.2 引戰(zhàn)配合

為了克服背景雜波的影響,ΔF不能選擇太大,導致制導引信啟動角較小且非固定,根據(jù)相對速度的大小不同為二十多度到四十多度,作用距離隨脫靶量變化較大,給引戰(zhàn)配合帶來了難度。

2.2.3 鏡像干擾

超低空制導引信還需克服鏡像干擾的影響,當彈目距離較遠時目標和鏡像是重合的,若導引頭天線主瓣寬度為10°,當彈目距離為50 m～100 m左右時目標和鏡像開始分離,鏡像信號多普勒頻率減小較快,并在彈目遭遇前率先減小ΔF,從而可通過引信速度門,如果不采取措施,引信將早炸,如圖8所示。

圖8 鏡像干擾示意圖

研究表明,當導引頭失鎖瞬間,目標回波與鏡像回波在時間上是能區(qū)分開的,此外,在絕大多數(shù)情況下,目標回波幅度大于鏡像回波幅度,而且目標鏡像回波與目標回波在頻譜上有差異,因此可以采用合適的電路和判據(jù)克服鏡像回波干擾。

超低空制導引信充分利用導引頭信息,引信本身相對簡單,體積小、成本低,是一種不可多得的超低空引信。俄羅斯人研制的超低空制導引信已應用在型號導彈上并在不斷進行改進,具有較好的超低空性能。

指令制導和紅外制導的導彈不適合用制導引信。間斷照射半主動制導的導彈也不適合用制導引信。

3 激光引信超低空技術(shù)

激光引信為主動引信,目前比較成熟的工作體制為脈沖體制,激光引信也可以工作在超低空。且相對無線電引信有其獨特之處。

激光引信的收發(fā)隔離度極高,明顯高于無線電引信,對解決引信盲區(qū)非常有利,對超低空工作也有利。

對于小目標,激光引信普遍采用多象限(一般4～6個)扇形連續(xù)探測方式(圖9導彈引信為6個象限)。每個象限對應一條接收通道,各通道獨立工作,使激光引信具有目標方位探測能力。激光引信超低空工作時,一般也采用接收波門自適應調(diào)整技術(shù),由于各通道獨立,每個通道的波門壓縮量可以不同,特別是面向天空的接收通道,其接收波門不用壓縮,確保引信作用距離不變,當引信從目標下方通過時,面向海面的通道作用距離縮短甚至關(guān)閉,而面向天空的接收通道作用距離不變,可以有效探測目標。超低空彈目交會剖面圖,如圖9所示。

圖9 超低空彈目交會剖面圖

超低空激光引信的重要關(guān)鍵是要能產(chǎn)生盡可能脈寬窄、上升沿陡且有足夠功率的光脈沖,且能不失真地接收窄而陡的光脈沖,以提高測距精度和提高抗煙塵云霧干擾的能力。如果接收機接收到的脈沖寬且前后沿很差,則激光引信不能獲得良好的超低空性能;反之,激光引信可望獲得良好的超低空性能。

4 紅外引信超低空技術(shù)

紅外引信主要需解決陽光干擾問題,自由空間的陽光干擾可通過設(shè)置兩種探測角的方式來解決,超低空的陽光干擾主要來自被海面反射的陽光干擾,若是來自平靜水面的鏡像陽光反射,同樣可通過設(shè)置兩種探測角的方式來克服陽光的干擾,有海浪時,陽光被散射,其方向是不確定的,能量也不集中,只能通過門限來消除陽光干擾。如果引信接收到的目標紅外信號強度高于海面反射的陽光干擾強度,則能夠克服超低空陽光干擾。

設(shè)置兩種探測角,選擇合適的紅外頻段,采取有效的濾光措施,選擇恰當?shù)囊澎`敏度,是克服超低空陽光干擾的基本途徑。

紫外引信與紅外引信工作原理類似。紫外引信擴大了引信可選頻率范圍,為尋找目標能量與太陽能量之比最大化的頻段提供了途徑,值得深入研究。

紅外引信和紫外引信超低空抗陽光干擾性能需要進行深入的理論和試驗研究,若能解決抗陽光干擾問題,則紅外引信將具有極好的超低空性能。

至少在晚上,在陰天、雨天、霧天、下雪天,紅外引信具有其它引信無法比擬的超低空性能,而這些時間占總時間的大部分。

5 結(jié)束語

超低空引信技術(shù)在不斷發(fā)展和完善,本文僅討論了其中的幾種技術(shù),其它的技術(shù)可能未知,但迄今尚未發(fā)現(xiàn)絕對令人滿意的超低空引信。以上幾種技術(shù)或方法各有所長,可選擇運用于不同場合,或采用復合引信,或采用一種導彈兩種引信。

[1] 劉躍龍.超低空引信技術(shù)[C].上海市宇航學會學術(shù)年會論文集,2008.

[2] M.I.斯科爾尼克.雷達手冊[S].北京:國防工業(yè)出版社,1978.

[3] 梁棠文.防空導彈設(shè)計及仿真技術(shù)(第一版)[M].北京:宇航出版社,1995.

[4] 施榮.國外導彈引信技術(shù)的最新發(fā)展[J].國防科技期刊,2007.

[5] 劉躍龍.超低空制導引信技術(shù)[C].青島引信年會論文集,2006.