防空導彈紅外成像制導引信一體化應用研究*

孫 博，栗金平，鄭建強，程 冬

(1北京理工大學，北京100081;2 63961部隊，北京100010;3中國兵器工業(yè)第203研究所，西安710065)

0 引言

紅外成像導引頭可以獲得目標的紅外圖像，還具有識別目標的能力，甚至還可以識別目標的薄弱部位，基于這些優(yōu)點，國內(nèi)外很多防空導彈都競相采用紅外成像技術(shù)。而隨著作戰(zhàn)空域及目標速度范圍的不斷擴大，要求現(xiàn)代防空導彈既能對付普通飛機，又能對付戰(zhàn)術(shù)彈道導彈(TBM)等高速目標，導彈與目標交會條件的變化范圍變得更寬，必須采取措施提高引戰(zhàn)配合效率[1]。制導引信一體化(GIF)技術(shù)是為實現(xiàn)現(xiàn)代制導武器系統(tǒng)對目標的最大殺傷而產(chǎn)生的，它將武器系統(tǒng)的引信子系統(tǒng)和制導子系統(tǒng)協(xié)同起來，優(yōu)化設計[2]。因此對采用紅外成像導引頭的防空導彈進行GIF技術(shù)研究很有意義。

GIF技術(shù)一般可分為信息一體化和硬件一體化兩種類型，文中主要對硬件一體化技術(shù)進行研究。紅外成像引信通過共享紅外成像導引頭探測器的方式實現(xiàn)前視探測，進而可獲取制導系統(tǒng)提供的彈目交會信息，實現(xiàn)最佳引戰(zhàn)配合起爆控制，提高引戰(zhàn)配合效率。

為實現(xiàn)起爆控制算法，理論上可使用導引頭的框架角計算出所需要的信息，但是框架角的測量值含有噪聲，對需要的信息進行估算時會引入微分噪聲。文中使用跟蹤微分器提取起爆控制算法所需的信息，并通過仿真驗證了該方法的正確性。

1 制導引信一體化設計

1.1 紅外成像引信的功能與組成

普通的紅外引信處于彈體的中部，采用環(huán)式探測，這種探測方式將信息處理時間限制在很短的范圍內(nèi)(一般小于2ms)，使得引信很難在這么短的時間內(nèi)正確識別目標。紅外成像引信使用紅外成像探測器對目標進行成像探測，將能很容易識別目標，還能估計目標易損部位。而引信與導引頭若能共享成像探測器，既可以實現(xiàn)前視探測，又可以節(jié)約成本、簡化結(jié)構(gòu)。圖1給出了紅外成像引信的組成圖。

圖1 紅外成像引信組成圖

1.2 紅外成像導引頭的功能與組成

紅外成像導引頭位于導彈的頭部，具有以下基本功能:成像、圖像穩(wěn)定、目標的檢測與識別、目標跟蹤、制導信息的生成以及與其它系統(tǒng)進行通信。它主要由以下部分組成:紅外光學整流罩、光學系統(tǒng)、焦平面成像探測器、圖像處理機、中央處理機、穩(wěn)定系統(tǒng)、伺服機構(gòu)等。典型組成如圖2所示。

圖2 典型成像導引頭組成圖

1.3 紅外成像GIF設計

紅外引信采用傳統(tǒng)的環(huán)視探測方式探測高速交會目標可能造成炸點滯后，以致戰(zhàn)斗部破片落在目標的后面，影響對目標的毀傷效果。為改善引信的探測能力，可采用減小探測傾角的方法，但引信探測器的設計難度增加了。為了改變這種情況，紅外成像引信通過共享紅外成像導引頭的部分資源實現(xiàn)前視探測，其組成如圖3所示。

圖3 紅外成像GIF引信組成圖

紅外成像GIF引信共享了導引頭的許多部件，與傳統(tǒng)的紅外引信相比，具有組成機構(gòu)相對簡單、探測靈敏度高、空間分辨率高等優(yōu)點。由于實現(xiàn)了前視探測，紅外成像GIF引信的探測距離要比環(huán)式探測方式遠得多，這樣就大大延長了引信的信息處理時間，使得復雜的信息處理算法可以在引信系統(tǒng)中得到應用。

導引頭的視場角和最大跟蹤角速度是受限制的，因此存在盲區(qū)，盲區(qū)內(nèi)成像探測器無法探測到目標。紅外成像探測器的盲區(qū)一般為50～80m，這么大的探測盲區(qū)將影響防空導彈對目標的毀傷概率。為了解決這個問題，成像導引頭在彈道終端可以切換到大視場對目標進行跟蹤，并且要從型心跟蹤轉(zhuǎn)到局部特征點跟蹤，這樣就可最大限度的減小成像引信的探測盲區(qū)。

利用紅外成像導引頭的彈目交會信息，可以實時計算飛行剩余時間和目標脫靶方位，在最佳時刻引爆定向戰(zhàn)斗部，達到對目標的最佳殺傷效果。

2 引戰(zhàn)配合起爆控制算法

導彈在彈道終端的飛行剩余時間很短，其和目標的機動性可以不考慮，故可假定目標在彈體坐標系內(nèi)作勻速直線運動。

圖4 彈目交會示意圖

2.1 剩余飛行時間算法

假定導彈靜止不動，目標以相對運動速度在彈體坐標系內(nèi)運動，并設為目標從T點飛到D點的時間，tgo為目標從T點飛到C點的時間，則由圖4可得:

由式(2)得:

式中ξ=Vr/ρ。把式(3)代入式(1)得:

設從開始觀測點到D的總時間為Γ，t為目標的已飛行時間，則:

令:

把式(5)代入式(6)得:

對式(7)兩邊微分得:

對式(8)兩邊進行微分得:

于是有:

由式(8)和式(9)聯(lián)合得:

又因為:

于是，由式(12)和式(13)聯(lián)合得:

又因為剩余飛行時間為:

所以，將式(14)代入式(15)得:

2.2 起爆延遲時間算法

設戰(zhàn)斗部破片靜態(tài)飛散中心角為90°，且探測器中心與戰(zhàn)斗部中心重合，則最佳起爆延時時間可以由下式給出:

式中:Vf為靜態(tài)破片飛行速度;且

2.3 起爆方位角算法

起爆方位角與目標的脫靶方位角是等價的，如圖4中的φf所示，它可由來預測。

則其在彈體系y軸和z軸的坐標分別為:

由式(21)可得:

定義φf逆時針旋轉(zhuǎn)為正，范圍為[0，2π]，于是:

3 引戰(zhàn)配合信息提取

3.1 跟蹤微分器

跟蹤微分器是由韓京清提出的，用于解決實際工程問題中由不連續(xù)或帶隨機噪聲的量測信號合理提取連續(xù)信號及微分信號的問題。跟蹤微分器利用了數(shù)值積分優(yōu)于數(shù)值微分的事實，將給定信號的微分問題轉(zhuǎn)化為對一組微分方程的積分問題，可以很好的實現(xiàn)對信號的跟蹤濾波和微分[3]。

跟蹤微分器的原理如圖5所示 ，v(t)為輸入信號，x1(t)和 x2(t)為兩個輸出信號。其中，x1(t)跟蹤輸入信號v(t)，x2(t)是x1(t)的微分，可以作為輸入信號v(t)的微分。

實際中使用的為跟蹤器的離散形式，表達式為:

圖5 跟蹤微分器原理圖

式(18)中，ρ是未知的，可用圓概率誤差CEP代入計算。于是起爆延遲時間的最終表達式為:

式中，fhan為最速控制綜合函數(shù)，其算法公式如下:

式(25)中，fsg為一個符號函數(shù)，記為:

在跟蹤微分器中，需要設計的參數(shù)有3個，積分步長h，濾波因子h0和快速因子r，它們分別決定了微分精度、濾波效果和跟蹤速度。

3.2 仿真驗證

仿真條件:假設θ·的初值為20°/s，變化率為150°/s2，θ的初值為10°，測量噪聲等效成均方差為0.5°的白噪聲。仿真步長設為 0.0001s，濾波因子為0.001，快速因子為100000，仿真結(jié)果如圖6～圖8所示。

從仿真結(jié)果可以看出，使用的跟蹤微分器較好的實現(xiàn)了對θ的濾波，且得到了，經(jīng)統(tǒng)計，跟蹤微分器得到的與其真實值之差的均方差小于1.5°/s。

圖6 θ的濾波值

圖7 θ的濾波值局部放大圖

圖8 跟蹤微分器得到的

4 結(jié)論

文中首先對紅外成像引信和紅外成像導引頭的功能和組成進行了闡述，在此基礎上對紅外成像GIF硬件一體化進行了設計;然后推導給出了引戰(zhàn)配合起爆控制算法;最后提出使用跟蹤微分器對引戰(zhàn)配合信息進行提取，即對角度測量值進行濾波和獲取角速度值，且通過仿真驗證了提取方法的正確性。

[1]簡金蕾，李靜，任宏斌，等.基于相控陣天線的引信與導引頭一體化設計[J].引戰(zhàn)系統(tǒng)，2011(1):85－89.

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[3]趙剛，郭華，楊樹興，等.基于跟蹤微分器的導引頭半捷聯(lián)穩(wěn)定系統(tǒng)半實物仿真研究[J].北京工商大學學報，2009，27(2):25 －28.

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[5]涂建平，彭應寧，袁正，等.一種新型空空導彈紅外成像引信[J].紅外技術(shù)，2002，24(1):17－22.

[6]劉斌，樊養(yǎng)余.制導引信一體化技術(shù)及其典型應用[J].航空兵器，2006(3):33－36.