毫米波雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)研究

磨國瑞 張江華 李 超 李存龍

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

由于空面導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的對(duì)地、對(duì)海目標(biāo)檢測(cè)的復(fù)雜性，導(dǎo)致人們首先把目光投向具有目標(biāo)分類識(shí)別能力的紅外成像、電視制導(dǎo)等技術(shù)。但是紅外或光學(xué)制導(dǎo)容易受天氣、天時(shí)影響、易受干擾、欺騙，導(dǎo)致精確制導(dǎo)武器進(jìn)攻一些沒有價(jià)值的假目標(biāo)，因此開始把注意力投向了頻譜介于微波與紅外之間的毫米波。毫米波具有全天候作戰(zhàn)能力，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射后不管，以及毫米波具有對(duì)裝甲車輛等金屬類目標(biāo)和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的識(shí)別和打擊能力，但同時(shí)毫米波也存在隱蔽性較差、對(duì)靜止目標(biāo)的檢測(cè)和目標(biāo)分類識(shí)別能力較差的缺點(diǎn)。由于單模光學(xué)或毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈均存在一定的局限，現(xiàn)有的常規(guī)單模制導(dǎo)方式很難同時(shí)滿足現(xiàn)代信息化戰(zhàn)爭要求。通過通用化多模復(fù)合制導(dǎo)武器的研制，充分發(fā)揮各單一傳感器的優(yōu)勢(shì)、互相彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)作戰(zhàn)、減少附帶損傷，完成精確打擊，是我軍緊跟技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)、打贏現(xiàn)代信息化、高科技局部戰(zhàn)爭的必然要求和必備條件。

1 復(fù)合導(dǎo)引頭方式及特點(diǎn)

目前己知的多模復(fù)合導(dǎo)引頭的復(fù)合方式主要有以下三種結(jié)構(gòu)：分平臺(tái)、共平臺(tái)分口徑和共平臺(tái)共孔徑復(fù)合方式。以下是這三種復(fù)合方式的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比：

1)分平臺(tái)復(fù)合方式

優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，但體積重量都比較大；這種復(fù)合方式的導(dǎo)引頭，通常采用雷達(dá)系統(tǒng)位于上方紅外成像系統(tǒng)位于下方的分立的排布。工作時(shí)雷達(dá)系統(tǒng)的接收和發(fā)射、紅外信號(hào)的接收也是完全獨(dú)立的，可以互不影響地同時(shí)工作。這種復(fù)合方式也可以看成是兩種體制探測(cè)器的拼接。如瑞典研制的RBS-15MK3導(dǎo)彈的復(fù)合導(dǎo)引頭就是采用這種復(fù)合方式[1]，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)傳感器與紅外傳感器分平臺(tái)安裝的復(fù)合傳感器

2)共平臺(tái)分口徑復(fù)合方式

優(yōu)點(diǎn)是體積、重量都有進(jìn)一步減小。缺點(diǎn)是在雷達(dá)天線中心掏孔中間安裝紅外探測(cè)器，這種方式紅外鏡頭尺寸決定了雷達(dá)天線中心掏孔尺寸，對(duì)紅外探測(cè)器口徑要求較高，紅外通光口徑受到限制；由于雷達(dá)天線中心掏孔尺寸大使得天線副瓣電平很差，難以滿足使用要求。為了改善天線副瓣特性必須進(jìn)一步減小光學(xué)系統(tǒng)孔徑，進(jìn)而導(dǎo)致光學(xué)系統(tǒng)探測(cè)性能的降低。為提高探測(cè)距離，無論光學(xué)還是雷達(dá)都需要增大通光口徑/天線口徑，但是在彈徑一定的條件下兩者存在此消彼長的競(jìng)爭關(guān)系，只能折中設(shè)計(jì)。

3)共平臺(tái)共孔徑復(fù)合方式

為同時(shí)提高光學(xué)和雷達(dá)的探測(cè)距離，也就是說，在彈徑一定的條件下同時(shí)增大通光口徑和雷達(dá)天線口徑，消除兩者的競(jìng)爭關(guān)系，因此需要采用共口徑復(fù)合天線技術(shù)來解決此問題。共口徑復(fù)合天線技術(shù)采用卡塞格倫折反光學(xué)系統(tǒng)方案，采用卡塞格倫光學(xué)系統(tǒng)，紅外信號(hào)經(jīng)主、次反射鏡的二次反射后匯聚于中心的焦點(diǎn)處，因此只需在雷達(dá)天線開孔透射反射面匯集的紅外信號(hào)即可，這樣雷達(dá)和紅外的口徑都得到充分利用。也就是說，不僅增大通光口徑，而且減小了雷達(dá)天線中心掏孔面積，更利于雷達(dá)天線獲得高增益、低副瓣。

采用這種復(fù)合方式的由洛克希德馬丁公司研制的JCM和JAGM三模復(fù)合導(dǎo)引頭、雷聲公司研制的JAGM三模復(fù)合導(dǎo)引頭等[2-3]，如圖2所示。

圖2 Lockheed Martin和雷聲公司的JAGM 樣機(jī)

三種復(fù)合方式特點(diǎn)對(duì)比如表1所示：

表1 三種復(fù)合方式特點(diǎn)對(duì)比

共平臺(tái)共孔徑復(fù)合方式具有口徑利用率高、位標(biāo)器系統(tǒng)簡單、探測(cè)精度高、體積小、重量輕和成本低特點(diǎn)[4]，更適合于小口徑導(dǎo)彈和四代機(jī)內(nèi)埋導(dǎo)彈等彈上嚴(yán)格的空間要求，是未來精確復(fù)合末制導(dǎo)技術(shù)的重要發(fā)展方向。

2 共孔徑復(fù)合方式的選擇

由于共平臺(tái)共孔徑復(fù)合方式的性能優(yōu)越，成為了國內(nèi)外研究重點(diǎn)，下面針對(duì)可能的共孔徑復(fù)合的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行討論。在共孔徑復(fù)合方案中，紅外一般采用卡塞格倫折反光學(xué)系統(tǒng)方案，毫米波雷達(dá)則可采用前饋源，也可采用后饋源。共孔徑復(fù)合方式可選的主要采用以下兩種形式[5]：

1)卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-拋物面天線復(fù)合

卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-拋物面天線復(fù)合，雷達(dá)采用前饋的方式，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：雷達(dá)饋源及和差網(wǎng)絡(luò)安裝在次鏡前端，給支架增加負(fù)擔(dān)，而且重心偏離穩(wěn)定平臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心遠(yuǎn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，給位標(biāo)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及電氣控制增加難度；主反射面的保證光學(xué)精度前提下的拋物面形式對(duì)于雷達(dá)傳輸來說其效率不是最高的；次反射鏡需要透過雷達(dá)信號(hào)，導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)幅度和相位誤差，降低了雷達(dá)天線的性能[2]。在這種復(fù)合方式下，既可以通過小型化技術(shù)將雷達(dá)收發(fā)組件和雷達(dá)饋源一體化設(shè)計(jì)放置于次反射鏡前端；也可以只將饋源放置于次反射鏡前端，而收發(fā)組件放置于主反射鏡后方。饋源或一體化收發(fā)組件通過波導(dǎo)或同軸電纜沿次鏡支架和接收機(jī)連接。紅外系統(tǒng)的次反射鏡需具有良好的毫米波透過性能，同時(shí)，在主鏡中心開孔處加入鍺透鏡，以透過紅外信號(hào)而阻止雷達(dá)信號(hào)通過[4]。

2)卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合

圖3是卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)和中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合結(jié)構(gòu)，雷達(dá)天線采用平板波導(dǎo)裂縫天線形式，位于紅外光學(xué)系統(tǒng)的后端。該復(fù)合方式具有以下特點(diǎn)：雷達(dá)天線與光學(xué)主鏡設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，光學(xué)系統(tǒng)可以完全按照光學(xué)成像要求設(shè)計(jì)主鏡面型，紅外成像系統(tǒng)能達(dá)到最佳設(shè)計(jì)；雷達(dá)平板波導(dǎo)裂縫天線具有效率高、剖面低、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊以及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)陣面的加權(quán)處理，易獲得高增益、低副瓣等特性。

圖3 卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合

針對(duì)以上兩種復(fù)合方案，雷達(dá)天線形式分為拋物面天線和平板裂縫陣天線，以下分別是這兩種天線的設(shè)計(jì)仿真：

在目前已有的導(dǎo)引頭頭罩外形下，天線回轉(zhuǎn)中心位于頭罩球面球心時(shí)，采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)和拋物面天線復(fù)合方式天線尺寸最大為φ150mm，饋源和接收系統(tǒng)最大厚度為35mm；采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)和中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合方式天線尺寸最大為φ150mm。以下分別是這兩種結(jié)構(gòu)的仿真設(shè)計(jì)。

①拋物面天線初步設(shè)計(jì)

因紅外信號(hào)需從拋物面天線中心穿過進(jìn)入天線后面，雷達(dá)天線設(shè)計(jì)為前饋拋物面天線。前饋采用饋源加和差網(wǎng)絡(luò)的方式，拋物面天線直徑D=150mm，焦距f=60mm，光學(xué)次鏡遮擋直徑40mm，因紅外信號(hào)需從拋物面中心穿出，在拋物面中心挖掉一直徑40mm的孔。饋源相位中心位于拋物面焦點(diǎn)處，將饋源、和差網(wǎng)絡(luò)、拋物面結(jié)合起來進(jìn)行仿真，得到如圖4方向圖。和波束方向圖增益大于27dB，副瓣低于-12dB，-3dB波束寬度4.5°。

圖4 反射面天線及方向圖

考慮到和差網(wǎng)絡(luò)及饋源損耗、反射面加工誤差、支桿遮擋等影響，實(shí)際增益應(yīng)略低于仿真值，減少1dB左右，副瓣抬高1dB左右；另外，根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)給出的拋物面天線曲面方程，與雷達(dá)設(shè)計(jì)的曲面方程不一致，若采用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的曲面則雷達(dá)增益還會(huì)減少，加上雷達(dá)信號(hào)通過次鏡的損耗共1dB左右，復(fù)合天線雷達(dá)和波束增益在25dB，副瓣在-11dB。

②中心掏孔平板裂縫陣天線

采用中心掏孔平板波導(dǎo)裂縫陣天線作為雷達(dá)探測(cè)器的天饋線，該天饋線分系統(tǒng)自帶和差網(wǎng)絡(luò)采用單脈沖測(cè)角，中心掏孔主要用于紅外鏡頭的安裝。與其它形式雷達(dá)天線相比，波導(dǎo)裂縫陣天線在電器性能上具有較高的增益，并且它的口徑場(chǎng)分布易于控制，容易實(shí)現(xiàn)所要求的低副瓣特性。

圖5 平板裂縫陣天線及方向圖

采用外徑為150mm，挖孔直徑40mm的天饋線系統(tǒng)，經(jīng)計(jì)算仿真該天饋線系統(tǒng)波束寬度4.5°，增益30dB，第一副瓣-16dB?？紤]到平板波導(dǎo)裂縫陣天線前面需要放置紅外主鏡，其面積大而且在整個(gè)天線口面不均勻，需要對(duì)透雷達(dá)反紅外的主鏡對(duì)毫米波影響進(jìn)行分析和補(bǔ)償，經(jīng)仿真復(fù)合天線雷達(dá)增益損失1.5dB左右和副瓣惡化2dB左右，復(fù)合天線雷達(dá)和波束增益在28.5dB左右，副瓣在-14dB左右。

表2 拋物面和平板裂縫陣天線對(duì)比

綜上仿真設(shè)計(jì)結(jié)果，中心掏孔平板波導(dǎo)裂縫陣天線比拋物面天線在電氣性能上具有較高的增益，并且它的口徑場(chǎng)分布易于控制，容易實(shí)現(xiàn)所要求的低副瓣特性。因此，經(jīng)過綜合對(duì)比及仿真分析，采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合比卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-拋物面天線復(fù)合整體性能更優(yōu)。

3 結(jié)束語

經(jīng)過綜合對(duì)比分析，小口徑雷達(dá)紅外雙模復(fù)合導(dǎo)引頭采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合方式。在小口徑雷達(dá)紅外雙模復(fù)合導(dǎo)引頭的總體設(shè)計(jì)下，分別對(duì)毫米波雷達(dá)中心掏孔平板裂縫陣天線和紅外成像光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和加工，中心掏孔平板裂縫陣天線和復(fù)合天線實(shí)物圖片如圖6所示。

在微波暗室分別對(duì)中心掏孔平板裂縫陣天線和復(fù)合天線完成了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

平板裂縫陣天線實(shí)際測(cè)試值為：和波束增益在30.5dB，副瓣在-18dB左右，差波束零深低于-30dB。復(fù)合天線測(cè)試值實(shí)際測(cè)試值為：和波束增益在28.5dB，副瓣在-16dB左右，差波束零深低于-30dB。復(fù)合天線測(cè)試值和波束增益降低2dB，波束寬度展開0.5°，副瓣電平提升2dB，實(shí)測(cè)結(jié)果和仿真計(jì)算比較一致。

在該種復(fù)合方式下雷達(dá)天線與光學(xué)主鏡設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，光學(xué)系統(tǒng)可以完全按照光學(xué)成像要求設(shè)計(jì)主鏡面型，紅外成像系統(tǒng)能達(dá)到最佳設(shè)計(jì)；雷達(dá)平板縫隙陣天線具有效率高、有剖面低、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊以及性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，容易實(shí)現(xiàn)對(duì)陣面的加權(quán)處理和易獲得高增益、低副瓣等特點(diǎn)。因此，在小口徑導(dǎo)彈的多模復(fù)合導(dǎo)引頭中，毫米波雷達(dá)紅外成像復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)采用卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)-中心掏孔平板裂縫陣天線復(fù)合方式綜合性能更優(yōu)，是一種值得推薦的復(fù)合方式。

圖6 平板裂縫陣天線及其復(fù)合天線

天線形式口徑(中心掏孔)雷達(dá)天線測(cè)試值復(fù)合天線測(cè)試值增益副瓣增益副瓣平板裂縫陣天線150mm(40mm)30.5dB-18dB28.5dB-16dB

參考文獻(xiàn):

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