復(fù)雜場景下多模復(fù)合制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)研究

吳豐陽 沈志 胡奇

摘 要：????? 復(fù)雜場景下多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)作為精確制導(dǎo)武器的發(fā)展方向之一， 可以充分發(fā)揮多個(gè)傳感器優(yōu)勢， 提高目標(biāo)識(shí)別能力和跟蹤系統(tǒng)的穩(wěn)定性， 實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊， 是目前導(dǎo)彈制導(dǎo)的主流發(fā)展趨勢。 通過分析國內(nèi)外多模復(fù)合制導(dǎo)模式及主要進(jìn)展， 圍繞總體設(shè)計(jì)技術(shù)、 探測器復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)、 多模復(fù)合頭罩技術(shù)、 信號(hào)與圖像處理技術(shù)、 多模信息融合技術(shù)等方面論述了多模復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)和技術(shù)支撐， 對(duì)其關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：???? 精確制導(dǎo); 多模復(fù)合尋的制導(dǎo); 制導(dǎo)技術(shù); 復(fù)雜場景

中圖分類號(hào)：??? TJ765 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A? 文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2018）01-0003-05

0 引? 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜， 精確制導(dǎo)武器攻擊時(shí)遇到的對(duì)抗層次越來越多， 對(duì)抗手段也越發(fā)高明， 加上對(duì)目標(biāo)的偽裝、 遮蔽， 對(duì)制導(dǎo)武器進(jìn)行干擾等手段的使用， 單一模式的制導(dǎo)武器越來越難以有效完成作戰(zhàn)使命。 與傳統(tǒng)單模制導(dǎo)武器相比， 多模復(fù)合尋的制導(dǎo)武器精度更高、 作用距離更遠(yuǎn)、 打擊能力更強(qiáng)， 并增強(qiáng)了抗電磁和光電干擾能力、 目標(biāo)識(shí)別能力， 可實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、 全天候作戰(zhàn)， 具備顯著的應(yīng)用優(yōu)勢。 本文介紹了多模復(fù)合尋的制導(dǎo)武器裝備的主要制導(dǎo)模式及相關(guān)進(jìn)展， 針對(duì)復(fù)雜場景下多模復(fù)合尋的制導(dǎo)武器的主要關(guān)鍵技術(shù)做了進(jìn)一步的研究， 并對(duì)主要技術(shù)方案進(jìn)行了探討。

1 多模復(fù)合尋的制導(dǎo)模式及主要進(jìn)展

復(fù)合制導(dǎo)是指將兩種或兩種以上的制導(dǎo)傳感器， 按一定的方式組合起來， 形成一個(gè)性能更加優(yōu)越的制導(dǎo)系統(tǒng)， 從而達(dá)到在復(fù)雜環(huán)境下精確尋的目的。 現(xiàn)有多模復(fù)合制導(dǎo)系統(tǒng)大多采用射頻/紅外（成像）、 SAR（成像）、 雷達(dá)雙頻、 光學(xué)雙色、 主被動(dòng)復(fù)合等形式。 其中最主要的復(fù)合形式為主動(dòng)毫米波/被動(dòng)毫米波/SAR成像/紅外成像（可見光成像）復(fù)合， 以四模中的兩模甚至三模進(jìn)行復(fù)合。 這種復(fù)合方式結(jié)合了紅外制導(dǎo)系統(tǒng)的成像制導(dǎo)識(shí)別， 射頻制導(dǎo)系統(tǒng)作用距離遠(yuǎn)， 且可穿云透霧的雙重優(yōu)勢， 大大增強(qiáng)了制導(dǎo)能力， 提高了制導(dǎo)精度。 目前國外的主流復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)見表1。

2 多模復(fù)合尋的制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 總體設(shè)計(jì)及制導(dǎo)技術(shù)

總體設(shè)計(jì)包含從理論設(shè)計(jì)到工程化的一系列基礎(chǔ)工作， 是一項(xiàng)大而繁的工程。 單一制導(dǎo)模式的導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方法不再滿足復(fù)合制導(dǎo)模式的要求， 因此必須研究可與單一模式設(shè)計(jì)方法兼容的復(fù)合制導(dǎo)總體技術(shù)。 多模復(fù)合尋的制導(dǎo)技術(shù)雖然提高了整體制導(dǎo)能力及性能， 但也提高了系統(tǒng)

的復(fù)雜度， 增加了多探測系統(tǒng)間及對(duì)系統(tǒng)外的耦合程度， 間接提高了成本， 總體設(shè)計(jì)的核心問題是要確保所花費(fèi)的代價(jià)能有效地增強(qiáng)作戰(zhàn)效能。 另外， 還需要綜合考慮戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使命、 彈體結(jié)構(gòu)、 導(dǎo)彈尺寸、 目標(biāo)特性及效費(fèi)比等因素來確定方案， 需要考核的指標(biāo)包括導(dǎo)引頭模式、 確定工作頻段、 復(fù)合方式、 技術(shù)參數(shù)等。 以某項(xiàng)典型的多模復(fù)合制導(dǎo)總體技術(shù)為例， 其具體研究工作包括： 總體應(yīng)用方案及技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)研究、 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及平臺(tái)適應(yīng)性研究、 制導(dǎo)方案及工作流程研究等。

2.2 多模探測器復(fù)合結(jié)構(gòu)技術(shù)

多模探測器是多模導(dǎo)引頭的關(guān)鍵部位， 其復(fù)合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)既要考慮整體布局、 氣動(dòng)性能、 性能參數(shù)， 還要關(guān)注多種探測體制之間的相互影響關(guān)系， 是復(fù)合導(dǎo)引頭主要實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)之一， 以典型的微波/紅外復(fù)合探測器為例， 其主要結(jié)構(gòu)解決方法分為三大類。

（1） 分孔徑方式。 包括紅外系統(tǒng)前置方案， 即紅外探測器獨(dú)立安裝于天線罩鼻錐部， 雷達(dá)系統(tǒng)后置， 典型武器有美國的RIM-7R（“海麻雀”）航空導(dǎo)彈; 紅外系統(tǒng)側(cè)置方案， 即紅外探測器位于雷達(dá)天線后的艙體側(cè)面， 以美國SM-2（“標(biāo)準(zhǔn)”2型）Block 4A和中國臺(tái)灣“雄風(fēng)”-2反艦導(dǎo)彈為典型; 共平面放置方案， 即紅外探測器與雷達(dá)天線平行共平面放置于天線罩內(nèi)。

分孔徑方式從空間結(jié)構(gòu)上繞開光學(xué)探測器與雷達(dá)天線的相互干擾問題， 但其最大的弊端在于對(duì)彈頭內(nèi)部空間體積要求較高， 大部分中小型導(dǎo)彈武器從空間上都無法滿足這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求; 同時(shí)， 微波/紅外兩種探測器， 或存在互相影響問題， 或不能同時(shí)前視， 從復(fù)合體制上說并不是較優(yōu)方案。

（2） 共孔徑方式。 紅外探測器與雷達(dá)天線采用共面設(shè)計(jì)， 紅外系統(tǒng)的光學(xué)組件安裝在雷達(dá)天線中心， 其最大優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊， 探測器對(duì)空間要求低， 且光軸/電軸重合， 復(fù)合探測時(shí)系統(tǒng)坐標(biāo)一致， 安裝精度高（如圖1所示）。 隨著目前相控陣天線的成本快速降低， 共孔徑相控陣/紅外復(fù)合方案進(jìn)一步省去了原先機(jī)械掃描雷達(dá)系統(tǒng)中天線伺服轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)， 大大簡化了導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)方案， 是未來復(fù)合末制導(dǎo)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

該方案的雙模天線罩是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵， 這種天線罩需要透過兩個(gè)跨度較大的波帶， 加工及實(shí)現(xiàn)難度大。

（3） 共形天線方式。 該方案紅外探測器中置， 雷達(dá)天線以預(yù)埋/蝕刻等技術(shù)嵌入導(dǎo)引頭頭罩殼體， 不占用頭體空間， 是非常有利于多模復(fù)合同時(shí)工作的一種結(jié)構(gòu)形式，? 如圖2所示。

但共形天線方案主要問題與其優(yōu)點(diǎn)一樣明顯。 共形天線與頭罩本身設(shè)計(jì)及加工難度較大， 頭罩本身存在光電透過性矛盾的同時(shí)， 還需考慮天線共形問題， 頭罩加工一致性控制非常困難， 同時(shí)天線指向角控制、 掃描角精度都是復(fù)雜的理論問題， 該方向是目前創(chuàng)新研究的課題之一。

2.3 多模復(fù)合頭罩技術(shù)

多模復(fù)合系統(tǒng)中， 以常見的微波/雷達(dá)與紅外/光學(xué)制導(dǎo)系統(tǒng)為例， 本質(zhì)上是多種不同頻段電磁輻射所表達(dá)的電磁波探測系統(tǒng)， 因此要求復(fù)合頭罩能透過包括雷達(dá)、 光學(xué)等多個(gè)頻段的信號(hào)， 同時(shí)頭罩材料必須具有均勻穩(wěn)定的物理特性以及耐高溫、 高熱傳導(dǎo)率的能力， 而光學(xué)探測窗口長時(shí)間暴露在高溫環(huán)境中， 將產(chǎn)生熱障效應(yīng)， 導(dǎo)致光學(xué)探測系統(tǒng)失效， 因此， 復(fù)合探測系統(tǒng)對(duì)頭罩的要求非常苛刻。

一般能長時(shí)間抵抗高溫的罩體材料， 部分能透過微波信號(hào)， 但基本不能透過光學(xué)/紅外信號(hào); 一般能透過紅外信號(hào)的材料， 部分能透過微波雷達(dá)信號(hào)， 但耐熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本不可能達(dá)標(biāo)。 基于以上嚴(yán)格的約束條件， 根據(jù)實(shí)際工作流程需求， 可選擇的一種工程實(shí)現(xiàn)方式是采用雙層頭罩系統(tǒng)， 雷達(dá)系統(tǒng)可長時(shí)間工作， 當(dāng)在末段需要光學(xué)系統(tǒng)參與工作時(shí)， 采用拋罩系統(tǒng)拋除外層頭罩， 由復(fù)合多模系統(tǒng)在熱障效應(yīng)導(dǎo)致的時(shí)間窗口內(nèi)， 進(jìn)行多模復(fù)合制導(dǎo)工作。

其次， 還需要具備良好的耐熱性及耐熱沖擊性。 高速飛行會(huì)使天線罩內(nèi)部產(chǎn)生強(qiáng)大的熱應(yīng)力， 因此要求天線罩具備較低的膨脹系數(shù)及優(yōu)異的耐熱沖擊能力。 另外， 還要求其具備較高的結(jié)構(gòu)性能及較低的溫度敏感性。

對(duì)于內(nèi)層多模頭罩， 一般從紅外窗口材料中考慮。 理想的頭罩材料在特定紅外譜段范圍內(nèi)具有可忽略不計(jì)的吸收、 散射和雙折射且具有低的折射率和折射率變化率， 在特定的微波頻段范圍內(nèi)具有較小的傳輸損耗和方向圖畸變。 由于材料的微波傳輸特性與材料本身的介電性能密切相關(guān)， 復(fù)合頭罩材料必須具有低的介電常數(shù)（<10）和小的損耗角正切（<10-2）。 部分紅外窗口材料的毫米波性能， 如表3所示。

2.4 信號(hào)和圖像處理技術(shù)

多模復(fù)合導(dǎo)引頭處理系統(tǒng)對(duì)不同波段傳感器提供的大量目標(biāo)信息進(jìn)行綜合分析并提取目標(biāo)特征量， 對(duì)實(shí)時(shí)信號(hào)處理運(yùn)算量要求極高， 特別是部分雷達(dá)成像系統(tǒng)需要并行完成大量復(fù)雜實(shí)時(shí)處理計(jì)算， 因此， 對(duì)相應(yīng)處理系統(tǒng)平臺(tái)的構(gòu)架形式（特別是總線構(gòu)架）、 處理性能、 數(shù)據(jù)吞吐速率， 以及體積大小、 堅(jiān)固程度和輸出功率等都提出了極為苛刻的要求。

目前比較流行的處理機(jī)設(shè)計(jì)架構(gòu)采用的是VPX總線標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)， 該標(biāo)準(zhǔn)來源于美國國家標(biāo)準(zhǔn)化組織正式批準(zhǔn)的VITA46標(biāo)準(zhǔn)， 已成功應(yīng)用在美軍F-18， F-16等戰(zhàn)斗機(jī)處理系統(tǒng)， 代表了新一代國防、 航空和軍用綜合信息處理平臺(tái)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢和方向。 該系統(tǒng)融合了高速串行交換、 通用處理器的矢量并行計(jì)算、 復(fù)雜接口與算法的軟硬件協(xié)同實(shí)現(xiàn)、 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)與底層支持驅(qū)動(dòng)軟件、 算法軟件中間件、 高速通訊模塊等一系列先進(jìn)技術(shù)， 是國際先進(jìn)嵌入式處理機(jī)的發(fā)展方向。 該系統(tǒng)一般由加固機(jī)箱、 電源模組、 VPX處理板卡、 高速背板及其他結(jié)構(gòu)附件等組成， 如圖3所示。 標(biāo)準(zhǔn)VPX處理板卡實(shí)物圖見圖4。

2.5 多模信息融合技術(shù)

信息融合技術(shù)主要是在多傳感器獲取包括雷達(dá)/光學(xué)等多種頻段內(nèi)特征信息的同時(shí)， 處理器按一定準(zhǔn)則對(duì)各傳感器獲得的輸出信息進(jìn)行融合， 以獲取正確有效的制導(dǎo)信息。 數(shù)據(jù)融合包含數(shù)據(jù)預(yù)處理、 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、 多傳感器融合等幾個(gè)部分。

其中數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是將各自獨(dú)立參考框架內(nèi)傳感器提供的觀測數(shù)據(jù)， 變換到同一個(gè)參考框架， 以適應(yīng)不同傳感器測量差的差異性， 典型的預(yù)處理包括： （1） 時(shí)間配準(zhǔn)， 將不同步測量結(jié)果統(tǒng)一到同一時(shí)刻， 可采用最小二乘法; （2） 空間配準(zhǔn)， 借助多傳感器對(duì)空間相對(duì)目標(biāo)的測量， 對(duì)測量偏差進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償， 例如復(fù)合捷聯(lián)去耦; （3） 剔除結(jié)果中野值， 可利用卡爾曼濾波方法。

數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)是判斷來自不同局部節(jié)點(diǎn)的兩組數(shù)據(jù)是否代表同一個(gè)目標(biāo)的過程， 從數(shù)學(xué)角度可分為： （1） 基于統(tǒng)計(jì)的方法， 如加權(quán)法、 獨(dú)立序貫法、 相關(guān)序貫法等; （2） 基于模糊數(shù)學(xué)的方法， 利用隸屬度函數(shù)（Membership Function）描述兩組數(shù)據(jù)的相似程度。

而融合算法考慮的是如何利用多傳感器測量數(shù)據(jù)對(duì)狀態(tài)向量進(jìn)行估計(jì)， 使該估計(jì)比單個(gè)傳感器估計(jì)性能更優(yōu)。 典型的一類方法是基于決策融合， 其中最常用的理論方法是Dempster于1967年提出的證據(jù)理論方法， 后由Shafer加以擴(kuò)展， 形成D-S理論。 它采用信任函數(shù)而不是概率作為度量， 通過對(duì)事件的概率進(jìn)行約束以構(gòu)建信任函數(shù)， 進(jìn)而進(jìn)行決策。 另一類方法是基于特征層融合， 即將多個(gè)傳感器特征數(shù)據(jù)融合輸出， 以提高系統(tǒng)精度， 包括卡爾曼濾波、 最小二乘理論等。 其中， 前者在工程實(shí)現(xiàn)上性能優(yōu)于后者， 后者則較為適用特征級(jí)數(shù)據(jù)， 可作為前者的前提。

綜上所述， 復(fù)合制導(dǎo)是為了通過組合不同類型傳感器， 對(duì)其輸出信息進(jìn)行綜合利用， 以使得整體制導(dǎo)系統(tǒng)在性能上得以互補(bǔ)， 彌補(bǔ)單模制導(dǎo)技術(shù)的缺陷， 以提高尋的系統(tǒng)總的性能指標(biāo)。 實(shí)際使用中， 可以根據(jù)作戰(zhàn)要求、 目標(biāo)特征和導(dǎo)引頭的類別， 設(shè)計(jì)融合算法。

3 結(jié) 束 語

隨著精確制導(dǎo)武器攻擊目標(biāo)的變化、 戰(zhàn)場環(huán)境的復(fù)雜化和多樣化、 對(duì)抗手段的不斷發(fā)展， 精確制導(dǎo)武器采用非成像單一尋的制導(dǎo)方式， 已難以滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)效能需求， 精確制導(dǎo)武器的尋的體制正在逐步從單一模式向多模復(fù)合方向發(fā)展。 多模制導(dǎo)技術(shù)憑借其顯著的綜合性能優(yōu)勢而迅速發(fā)展， 已經(jīng)成為世界各國軍事領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

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