雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)空艦導(dǎo)彈搜捕問(wèn)題綜述

李海軍，魏嘉彧，牟俊杰，姜 濤，劉崇屹

(1.海軍航空大學(xué)， 山東 煙臺(tái) 264001; 2. 91049部隊(duì)， 山東 青島 266102)

1 引言

空艦導(dǎo)彈作為現(xiàn)代海戰(zhàn)重要作戰(zhàn)兵器之一，已經(jīng)過(guò)四代的革新發(fā)展。面臨當(dāng)今復(fù)雜的海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，導(dǎo)引頭搜捕能力成為導(dǎo)彈命中率的關(guān)鍵因素，提高空艦導(dǎo)彈搜捕能力已成為各國(guó)共識(shí)。美國(guó)自20世紀(jì)80年代起，在現(xiàn)有導(dǎo)彈基礎(chǔ)上致力于研究復(fù)合制導(dǎo)、紅外成像、毫米波雷達(dá)等技術(shù)[1]，2011年利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)中使用紅外成像制導(dǎo)的海軍幼畜AGM-65F導(dǎo)彈擊毀利比亞船只，研制的攜帶多模復(fù)合導(dǎo)引頭的LRASM向智能化邁進(jìn)[2]；日本XASM-3[2]采用雙模制導(dǎo)，具有較強(qiáng)戰(zhàn)術(shù)靈活性；俄羅斯著力于發(fā)展超音速技術(shù)和數(shù)據(jù)鏈技術(shù)，日炙等[3]超音速導(dǎo)彈陸續(xù)列裝。其中，雷達(dá)/紅外雙模制導(dǎo)作為復(fù)合導(dǎo)引的典型機(jī)理，因其能夠全天候工作，抗干擾能力強(qiáng)[4-6]，具備適應(yīng)復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的作戰(zhàn)能力，成為當(dāng)下空艦導(dǎo)彈重要的精確制導(dǎo)方式。

2 復(fù)合制導(dǎo)搜捕原理

載機(jī)平臺(tái)發(fā)射的導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)階段后，由于雷達(dá)的距離傳感優(yōu)勢(shì)，其主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)率先開(kāi)機(jī)，進(jìn)行目標(biāo)搜索，探測(cè)到目標(biāo)后保持穩(wěn)定跟蹤，同時(shí)引導(dǎo)紅外光軸與雷達(dá)波束方向一致，待彈目距離小于紅外系統(tǒng)探測(cè)距離時(shí)，紅外傳感器開(kāi)機(jī)，對(duì)預(yù)先鎖定的目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，此時(shí)雷達(dá)也處于搜捕狀態(tài)，若鎖定目標(biāo)為假目標(biāo)，則進(jìn)行雙模搜索模式，將2種制導(dǎo)機(jī)制獲得的目標(biāo)信息融合，進(jìn)行進(jìn)一步的判斷、搜捕，流程如圖1所示，K0為理論自控終點(diǎn)，K1為實(shí)際自控終點(diǎn)，R為雷達(dá)搜索波門(mén)遠(yuǎn)界，r為波門(mén)近界，H為紅外系統(tǒng)開(kāi)機(jī)點(diǎn)，M為目標(biāo)位置。

圖1 雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)示意圖Fig.1 Radar/infrared composite guidance figure

3 影響搜捕能力的因素

由于導(dǎo)彈飛行過(guò)程中存在自身系統(tǒng)誤差等內(nèi)部影響以及風(fēng)場(chǎng)、目標(biāo)機(jī)動(dòng)等外部制約，基于對(duì)復(fù)合制導(dǎo)搜捕過(guò)程的分析，可以將影響搜捕概率的因素細(xì)化為自控飛行散布、目標(biāo)散布、雷達(dá)搜捕因素和紅外搜捕因素、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素等5個(gè)方面，如圖2所示。

圖2 搜捕能力影響因素框圖Fig.2 Influencing factors of manhunt capability

1) 導(dǎo)彈自控飛行散布

末制導(dǎo)雷達(dá)開(kāi)機(jī)時(shí)刻導(dǎo)彈所處的位置為導(dǎo)彈自控飛行終點(diǎn)[7]。受到發(fā)射平臺(tái)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素等影響，雷達(dá)開(kāi)機(jī)實(shí)際位置與理論終點(diǎn)存在偏差，即自控終點(diǎn)誤差。自控終點(diǎn)誤差過(guò)大，會(huì)使得導(dǎo)引頭開(kāi)機(jī)時(shí)刻處于不良捕獲狀態(tài)，影響導(dǎo)彈對(duì)預(yù)定目標(biāo)的搜捕。此外，導(dǎo)彈自控飛行受到質(zhì)心偏差、隨機(jī)風(fēng)擾動(dòng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)偏差[8]產(chǎn)生飛行漂移散布，誤差隨飛行時(shí)間累積，對(duì)目標(biāo)搜捕造成較大偏差。

2) 目標(biāo)散布

目標(biāo)散布誤差可大致分為目標(biāo)機(jī)動(dòng)誤差與指示誤差[7，9]。載機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行初步探測(cè)時(shí)，其跟蹤能力有限，且與目標(biāo)機(jī)動(dòng)測(cè)量存在一定時(shí)間偏差。當(dāng)敵艦發(fā)現(xiàn)來(lái)襲導(dǎo)彈時(shí)，可能采取變速、變方向、變轉(zhuǎn)彎半徑等機(jī)動(dòng)措施[10]，要求導(dǎo)彈有較為靈敏的搜索跟蹤性能，對(duì)紅外成像制導(dǎo)而言，搜捕難度陡升。由于難以對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)準(zhǔn)確描述，通常在研究中考慮敵艦最大機(jī)動(dòng)范圍來(lái)采取下一步打擊措施。

3) 雷達(dá)搜捕因素

雷達(dá)搜索目標(biāo)時(shí)，通常認(rèn)為當(dāng)目標(biāo)被雷達(dá)波門(mén)區(qū)域有效覆蓋時(shí)捕獲成功[11]。覆蓋區(qū)域大小取決于雷達(dá)波門(mén)近界、遠(yuǎn)界、搜索扇面角大小。開(kāi)機(jī)時(shí)刻導(dǎo)彈與目標(biāo)有效距離處于近界、遠(yuǎn)界之間是預(yù)選目標(biāo)能夠被初始鎖定的必要條件。當(dāng)目標(biāo)處于雷達(dá)波門(mén)內(nèi)時(shí)，雷達(dá)自身性能參數(shù)決定是否能夠?qū)δ繕?biāo)識(shí)別進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。當(dāng)雷達(dá)視場(chǎng)中有非目標(biāo)存在時(shí)，對(duì)真目標(biāo)的有效搜捕對(duì)雷達(dá)參數(shù)性能提出更高要求。此外，例如捕鯨叉導(dǎo)彈，其搜索扇面角較大，為±45°[12]，視場(chǎng)能存在假目標(biāo)的可能性隨搜索扇面增大，依據(jù)現(xiàn)有目標(biāo)識(shí)別能力，搜捕概率降低。

4) 紅外搜捕因素

紅外傳感器系統(tǒng)的搜捕能力主要體現(xiàn)在搜索截獲能力和對(duì)已截獲目標(biāo)的跟蹤探測(cè)能力。紅外制導(dǎo)系統(tǒng)影響其搜捕能力的因素主要分為傳感器性能參數(shù)、目標(biāo)輻射特性、進(jìn)入角和目標(biāo)背景灰度差[13]。搜索截獲能力受目標(biāo)輻射特性、導(dǎo)彈攻擊方向與太陽(yáng)方位的夾角以及目標(biāo)與背景的灰度差的影響較為顯著。傳感器性能參數(shù)對(duì)應(yīng)跟蹤探測(cè)能力，主要包括光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率、光學(xué)系統(tǒng)焦距、光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑和探測(cè)器探測(cè)率[14]4個(gè)方面。

5) 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素

戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素主要涵蓋戰(zhàn)場(chǎng)天候條件和島岸環(huán)境2個(gè)方面。在實(shí)戰(zhàn)中，大氣窗口探測(cè)波段通常是紅外導(dǎo)引頭的主要探測(cè)波段[15]。戰(zhàn)場(chǎng)天候條件主要包括能見(jiàn)度、雨、霧、風(fēng)力等[16]。雨霧會(huì)顯著衰減目標(biāo)的紅外能量和雷達(dá)電磁輻射；不同能見(jiàn)度條件下，紅外傳感器識(shí)別目標(biāo)能量有所差異，戰(zhàn)場(chǎng)隨機(jī)陣風(fēng)使得導(dǎo)彈自控飛行散布增大。此外，島岸背景中零星分布的島礁、巖石以及復(fù)雜的岸上設(shè)施，可能使得目標(biāo)處于島岸電磁背景當(dāng)中，導(dǎo)致雷達(dá)捕獲目標(biāo)失敗[17]。

4 搜捕概率計(jì)算方法

雷達(dá)/紅外雙模導(dǎo)引頭是主動(dòng)雷達(dá)子系統(tǒng)和紅外成像子系統(tǒng)的分孔徑復(fù)合模式[18]，2個(gè)探測(cè)系統(tǒng)既可獨(dú)立工作又有信號(hào)聯(lián)系，如圖3所示，被探測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)輻射特征和紅外輻射特征相互獨(dú)立、互不影響。復(fù)合制導(dǎo)搜捕能力是將雷達(dá)搜捕能力與紅外探測(cè)能力的融合，對(duì)其進(jìn)行評(píng)估量化需要對(duì)雷達(dá)搜捕能力和紅外搜捕能力展開(kāi)分析。

圖3 雷達(dá)/紅外雙模導(dǎo)引頭基本組成框圖Fig.3 Basic composition of radar/infrared dual-mode seeker

1) 雷達(dá)制導(dǎo)搜捕概率計(jì)算

目前計(jì)算捕捉概率模型的解析方法較多，文獻(xiàn)[19]提出利用卷積算法計(jì)算目標(biāo)照射概率，沒(méi)有考慮目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；文獻(xiàn)[20]將矩形法和積分法和縱向劃分法改進(jìn)模型進(jìn)行對(duì)比，研究雷達(dá)搜索范圍對(duì)捕捉概率的影響；文獻(xiàn)[21-22]分別利用對(duì)策論、搜索論求搜捕概率。此外，諸多學(xué)者分別考慮自控終點(diǎn)散布誤差、目標(biāo)機(jī)動(dòng)誤差以及目標(biāo)指示誤差[8，23-24]、數(shù)據(jù)鏈斷鏈時(shí)間[25]等因素對(duì)捕捉概率的影響，建立搜捕能力影響因素模型[26]，分析毫米波雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈系統(tǒng)誤差源及其分布特性[27]，考慮島礁環(huán)境下的搜捕概率[24]，并研究?jī)蓮椃较騾f(xié)同對(duì)典型目標(biāo)捕捉概率[28]。

總體看來(lái)，對(duì)于單一雷達(dá)制導(dǎo)體制搜捕概率的研究分析，通常只考慮若干方面因素的影響，不具有一定的系統(tǒng)性，并且對(duì)于不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境條件——降雨、煙霧、水文等因素對(duì)搜捕能力的影響以及多彈協(xié)同搜捕量化問(wèn)題均有待深入探究。

2) 紅外成像制導(dǎo)搜捕概率計(jì)算

通常，傳統(tǒng)的紅外成像制導(dǎo)目標(biāo)捕獲概率通過(guò)蒙特卡洛等統(tǒng)計(jì)方法得到，需建立導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型，對(duì)模型的正確性要求高，較為繁瑣。為此，理論分析建模方法逐漸擁有更多受眾，例如文獻(xiàn)[15]將搜捕概率簡(jiǎn)化為平面內(nèi)正態(tài)分布積分問(wèn)題，并分析大氣平均衰減率對(duì)導(dǎo)彈搜捕概率的影響；文獻(xiàn)[16]利用美國(guó)空軍modtran4模型，僅探討戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈捕獲影響；文獻(xiàn)[29]通過(guò)分析影響截獲概率主要誤差源，實(shí)現(xiàn)一次彈道計(jì)算的截獲概率的數(shù)學(xué)模型，簡(jiǎn)化計(jì)算同時(shí)產(chǎn)生一定誤差。

在量化紅外搜捕能力時(shí)，可以采用統(tǒng)計(jì)與理論分析模型結(jié)合的方法，充分考慮各類(lèi)影響，使得研究結(jié)果更具實(shí)際意義的同時(shí)提高計(jì)算的準(zhǔn)確度。

3) 雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)搜捕概率計(jì)算

雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)空艦導(dǎo)彈成功搜捕目標(biāo)分為2種情況，基于對(duì)復(fù)合導(dǎo)引頭工作機(jī)理的分析，雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)搜捕能力需綜合考慮搜索、捕獲、跟蹤、融合等，如圖4所示。當(dāng)紅外子系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，若雷達(dá)處于跟蹤模式，則引導(dǎo)紅外光軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行搜索，搜捕概率的計(jì)算與雷達(dá)遠(yuǎn)區(qū)搜捕概率、成功引導(dǎo)紅外概率[30]和紅外搜捕概率、雷達(dá)/紅外信息關(guān)聯(lián)成功率有關(guān)。其中，雷達(dá)/紅外信息關(guān)聯(lián)成功率是2種制導(dǎo)體制正確捕獲同一目標(biāo)并轉(zhuǎn)入同一目標(biāo)跟蹤的概率，可以根據(jù)融合算法預(yù)估為一個(gè)定值；若紅外子系統(tǒng)開(kāi)機(jī)時(shí)，雷達(dá)未能捕獲跟蹤目標(biāo)，2種制導(dǎo)體制同時(shí)進(jìn)行搜捕，復(fù)合搜捕概率與雷達(dá)遠(yuǎn)區(qū)搜捕失敗概率、紅外搜捕概率、融合跟蹤概率相關(guān)。紅外搜捕概率是照射概率與截獲概率之積，截獲概率通常根據(jù)紅外系統(tǒng)性能和目標(biāo)性能取常值。

當(dāng)復(fù)合導(dǎo)引頭處于雙模跟蹤狀態(tài)時(shí)，雷達(dá)航向角和紅外航向角屬于正態(tài)分布，互相獨(dú)立且同分布，當(dāng)雷達(dá)跟蹤精度為0.50、紅外跟蹤精度0.10時(shí)，根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)方差公式，經(jīng)信息融合處理后，跟蹤精度可達(dá)0.098，稍?xún)?yōu)于紅外角跟蹤精度[32]。雷達(dá)和紅外輸出點(diǎn)跡中有同一目標(biāo)時(shí)，結(jié)合雷達(dá)目標(biāo)特征和紅外目標(biāo)特征，對(duì)雷達(dá)目標(biāo)航跡和紅外目標(biāo)航跡進(jìn)行關(guān)聯(lián)算法處理，調(diào)整關(guān)聯(lián)門(mén)限，可使雷達(dá)紅外關(guān)聯(lián)成功率滿足要求。

圖4 雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)搜捕流程框圖Fig.4 Radar/infrared composite guidance search process

在復(fù)合導(dǎo)引頭的研究中，主要涵蓋了雷達(dá)對(duì)紅外子系統(tǒng)的導(dǎo)引能力、雙模制導(dǎo)抗干擾能力以及多種制導(dǎo)體制數(shù)據(jù)融合方法，有關(guān)搜捕能力分析的文獻(xiàn)較少。文獻(xiàn)[32]將雙模系統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)和紅外信號(hào)分為4種情形，利用二元檢測(cè)原理推導(dǎo)理以信噪比為變量的檢測(cè)概率。文獻(xiàn)[30]研究復(fù)合制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈主動(dòng)雷達(dá)對(duì)紅外導(dǎo)引頭的引導(dǎo)，推導(dǎo)雷達(dá)對(duì)紅外成功引導(dǎo)概率。文獻(xiàn)[18]通過(guò)對(duì)雙模導(dǎo)引頭工作機(jī)理的研究，根據(jù)貝葉斯假設(shè)檢驗(yàn)，分別建立了分布式檢測(cè)最優(yōu)融合規(guī)則、“與”規(guī)則和“或”規(guī)則條件下的目標(biāo)檢測(cè)概率模型。

目前，統(tǒng)一2種制導(dǎo)體制的搜捕能力計(jì)算時(shí)，在相對(duì)理想條件下以信噪比為變量，未能考慮制導(dǎo)特性、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境因素和導(dǎo)彈自身性能的問(wèn)題。鑒于用同一量綱難以對(duì)搜捕能力展開(kāi)準(zhǔn)確評(píng)估，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)搜捕能力量化可靠性、有效性，可以建立對(duì)2種單一制導(dǎo)體制搜捕分析以及2類(lèi)目標(biāo)特征數(shù)據(jù)融合機(jī)理的研究。

5 搜捕能力的優(yōu)化發(fā)展

1) 搜捕信息一體化

通過(guò)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)時(shí)空一體，提高傳感系統(tǒng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一。當(dāng)任意子系統(tǒng)發(fā)生故障后，能夠從時(shí)間、空間等2種校準(zhǔn)方式進(jìn)行恢復(fù)處理。研究基于前沿技術(shù)的雷達(dá)/紅外數(shù)據(jù)融合方法，諸如神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能等，以提高數(shù)據(jù)融合效能。開(kāi)發(fā)多彈聯(lián)合搜索，彈彈以及導(dǎo)彈與其他通訊載體的互聯(lián)互通[33]，在時(shí)間、空間、功能和戰(zhàn)術(shù)上實(shí)現(xiàn)對(duì)指定目標(biāo)的搜捕識(shí)別?？梢酝ㄟ^(guò)發(fā)射前置導(dǎo)引導(dǎo)彈，獲取的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，再回傳給從彈進(jìn)行制導(dǎo)修正，戰(zhàn)術(shù)與技術(shù)結(jié)合，以提高對(duì)目標(biāo)實(shí)時(shí)探測(cè)和修正的能力，提高命中精度。

2) 目標(biāo)識(shí)別技術(shù)優(yōu)化

在硬件層面，采用探測(cè)距離遠(yuǎn)、分辨率更高、更靈敏化、搜索范圍更靈活、強(qiáng)抗干擾能力的末制導(dǎo)雷達(dá)和紅外傳感器，例如合成孔徑雷達(dá)、太赫茲雷達(dá)、紅外多光譜、超長(zhǎng)波紅外等技術(shù)。建立目標(biāo)、戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境特征數(shù)據(jù)庫(kù)，特別是對(duì)島岸目標(biāo)進(jìn)行打擊情況下，采用編隊(duì)模式識(shí)別、搜索過(guò)程實(shí)時(shí)判別分選技術(shù)等先進(jìn)目標(biāo)識(shí)別處理技術(shù)，充分利用搜捕過(guò)程中的冗余數(shù)據(jù)以預(yù)判處理，提高導(dǎo)引頭對(duì)真假目標(biāo)的判別，引導(dǎo)導(dǎo)彈根據(jù)實(shí)時(shí)搜捕動(dòng)態(tài)對(duì)后續(xù)搜索自主智能規(guī)劃。

3) 航路機(jī)動(dòng)搜索

通過(guò)導(dǎo)彈飛行控制系統(tǒng)與目標(biāo)識(shí)別算法的雙重優(yōu)化以及對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的預(yù)先分析，實(shí)現(xiàn)航路機(jī)動(dòng)的搜索方式。在導(dǎo)彈大動(dòng)力航程基礎(chǔ)上，預(yù)先選擇合適的航路點(diǎn)，再根據(jù)規(guī)劃航路開(kāi)展區(qū)塊搜捕。在島岸環(huán)境下，機(jī)動(dòng)規(guī)避島礁，采取變搜索扇面角、變雷達(dá)波門(mén)遠(yuǎn)、近界的方式進(jìn)行搜捕。

6 結(jié)論

精確制導(dǎo)技術(shù)隨導(dǎo)彈的發(fā)展已經(jīng)歷了四代變革，其中雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)克服單傳感器缺陷，能夠融合目標(biāo)不同類(lèi)型特征，有效提高跟蹤精度和抗干擾性能，大大加強(qiáng)空艦導(dǎo)彈打擊目標(biāo)效能，是制導(dǎo)領(lǐng)域先進(jìn)技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)復(fù)合制導(dǎo)聯(lián)合搜捕能力的量化研究較少，往往通過(guò)實(shí)彈試驗(yàn)進(jìn)行搜捕指標(biāo)驗(yàn)證，尚未建立仿真模型，影響因素分析不全面，難以對(duì)特定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的空艦導(dǎo)彈搜捕能力進(jìn)行研究。因此，量化分析其搜捕能力，優(yōu)化數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)后續(xù)的裝備研制改進(jìn)以及不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下作戰(zhàn)方法研究具有重要意義。