毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)導(dǎo)彈發(fā)展分析

吳馨遠(yuǎn)，劉 箴，張思琪，許潔心，陳士超

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)技術(shù)是普遍應(yīng)用于現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器的高新技術(shù),頻率范圍一般為30～300 GHz,介于微波與紅外波段之間,兼具兩種波段特性,因此毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭具有體積小、重量輕、精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穿透云霧塵埃能力強(qiáng)等特點(diǎn)。此外,還可與紅外、激光導(dǎo)引頭集成,形成多模導(dǎo)引頭,進(jìn)一步提升制導(dǎo)武器的抗干擾能力和戰(zhàn)場適應(yīng)性能。

1 典型毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)武器發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 長弓海爾法導(dǎo)彈和聯(lián)合空地導(dǎo)彈(JAGM)[1]

AGM-114海爾法導(dǎo)彈是美國陸軍現(xiàn)役重型反裝甲系列精確打擊導(dǎo)彈。AGM-114L長弓海爾法導(dǎo)彈基于AGM-114K海爾法Ⅱ?qū)椀脑O(shè)計(jì),將114 K的激光半主動(dòng)導(dǎo)引頭段替換為與AH-64D阿帕奇AN/APG-78長弓雷達(dá)匹配的平臺式Ka波段毫米波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭,如圖1所示。導(dǎo)引頭采用8 mm毫米波導(dǎo)引頭雷達(dá),工作在35 GHz頻段,測角方式為單脈沖測角體制,導(dǎo)彈口徑178 mm。導(dǎo)彈利用機(jī)載AN/APG-78長弓雷達(dá),實(shí)現(xiàn)全天時(shí)全天候目標(biāo)分類和識別。

圖1 AGM-114L長弓海爾法導(dǎo)彈導(dǎo)引頭Fig.1 Seeker of AGM-114L Longbow Hellfire

AGM-114L長弓海爾法導(dǎo)彈導(dǎo)引頭包括半球形頭罩和圓柱形天線/萬向支架組件。毫米波雷達(dá)天線位于頭罩內(nèi),與天線/萬向支架組件相連。主殼體前部是慣性測量裝置(IMU)、慣性測量系統(tǒng)(IMS)和前級裝藥,之后裝有激勵(lì)器、中頻接收機(jī)、時(shí)鐘、PP/SI、DSP存儲器和通用處理器(GPP)/存儲器等電子組件。

攻擊目標(biāo)時(shí),由AN/APG-78長弓雷達(dá)或目標(biāo)捕獲及指示瞄準(zhǔn)具捕獲目標(biāo),隨后將目標(biāo)參數(shù)裝訂至導(dǎo)彈,便于導(dǎo)引頭對準(zhǔn)目標(biāo)并設(shè)定慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。導(dǎo)彈含3種發(fā)射模式:LOAL、LOBL、LOBL-I,前者用于靜止目標(biāo),其余兩種用于移動(dòng)目標(biāo)。

隨后,美國陸軍對AGM-114L進(jìn)行升級,使其毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭具備干擾源自動(dòng)尋的/抗干擾(軟件升級)和反主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)(軟硬件升級)的能力。

AGM-179A聯(lián)合空地導(dǎo)彈(JAGM)適配于多平臺,替代機(jī)載陶、AGM-114海爾法、AGM-65幼畜等導(dǎo)彈,提高作戰(zhàn)靈活性并降低勤務(wù)支持成本。JAGM以AGM-114R海爾法Ⅱ?yàn)樵蛷?保持模塊化設(shè)計(jì),采用毫米波雷達(dá)和激光半主動(dòng)雙模制導(dǎo)方式,對地面、海上的靜止、移動(dòng)、重新定位目標(biāo)進(jìn)行有效殺傷。中程型JAGM(JAGM-MR)替換發(fā)動(dòng)機(jī)并增加低成本成像傳感器,改為三模導(dǎo)引頭,改善了目標(biāo)跟蹤、命中點(diǎn)位置和對多種條件及目標(biāo)組的殺傷力如圖2所示,長弓海爾法、聯(lián)合空地導(dǎo)彈性能參數(shù)如表1所示。

表1 長弓海爾法、聯(lián)合空地導(dǎo)彈性能參數(shù)Table 1 Performance specifications of Longbow Hellfire, JAGM and JAGM-MR [5]

圖2 JAGM導(dǎo)引頭Fig.2 Tri-mode seeker of JAGM

1.2 硫磺石導(dǎo)彈

硫磺石(Brimstone)導(dǎo)彈是歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)(MBDA)為滿足英國皇家空軍對遠(yuǎn)程反裝甲武器需求,基于海爾法導(dǎo)彈研制的空地武器。至今以基型硫磺石導(dǎo)彈為基礎(chǔ),已螺旋式發(fā)展出雙模硫磺石、硫磺石2等多種型號,形成一彈多平臺武器系統(tǒng),可精確打擊主戰(zhàn)坦克、海岸監(jiān)視雷達(dá)、機(jī)動(dòng)車輛等時(shí)敏目標(biāo)。

基型硫磺石[2]毫米波雷達(dá)主動(dòng)尋的制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈于2005年服役,典型特點(diǎn)是相位修正卡塞格倫天線和基于準(zhǔn)光學(xué)技術(shù)的全極化單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)。其3 mm毫米波導(dǎo)引頭采用低功率、窄波束、雙極化、雙視工作模式,工作在94 GHz頻段,信號形式為FMCW,天線類型為卡塞格倫天線,發(fā)射采用水平極化,接收采用垂直和水平極化,測角方式為單脈沖測角體制,導(dǎo)彈口徑為178 mm,如圖3所示。該導(dǎo)引頭具有全天時(shí)、全天候目標(biāo)搜索識別能力、地形回避能力,能夠?qū)δ繕?biāo)回波完成高分辨的成像,利用彈上處理系統(tǒng)對目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)識別與分類。對于識別出的目標(biāo),導(dǎo)彈可以定位目標(biāo)的最佳打擊部位,最大程度地對目標(biāo)造成殺傷破壞。導(dǎo)彈可從任意高度(45～13 700 m)發(fā)射,高空發(fā)射后以60°角向下俯沖,距地面150 m時(shí)改為穩(wěn)定巡航,搜索目標(biāo)。

圖3 硫磺石導(dǎo)引頭Fig.3 Seeker of Brimstone

為更好適應(yīng)伊拉克戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)場需求,提高導(dǎo)引頭在復(fù)雜背景下的目標(biāo)選擇能力,在基型的基礎(chǔ)上增加激光半主動(dòng)導(dǎo)引模式,成為雙模導(dǎo)引頭,雷達(dá)與激光半主動(dòng)系統(tǒng)共用拋物反射面天線。此外,雙模硫磺石[1]導(dǎo)彈應(yīng)用新處理算法,結(jié)合慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、數(shù)字自動(dòng)駕駛儀,允許導(dǎo)彈在發(fā)射后取消攻擊或糾正目標(biāo)鎖定,還可以根據(jù)目標(biāo)類型,選擇使用單?；螂p模攻擊,進(jìn)一步提升了精確制導(dǎo)能力[2]。

硫磺石2(SPEAR Cap 2 Block 1)導(dǎo)彈以雙模硫磺石導(dǎo)彈為基礎(chǔ),增加了被動(dòng)雷達(dá)模式,提升了對地面高速移動(dòng)目標(biāo)(含低雷達(dá)散射截面(RCS)目標(biāo))的搜索跟蹤能力[2],其導(dǎo)引頭如圖4所示。對機(jī)動(dòng)目標(biāo),制導(dǎo)末段從激光半主動(dòng)模式交接至毫米波雷達(dá)制導(dǎo)模式。對集群目標(biāo)則可采用毫米波雷達(dá)單模方式齊射,且發(fā)射后無需管控[3]。

圖4 硫磺石2導(dǎo)引頭Fig.4 Seeker of Brimstone 2

硫磺石3導(dǎo)彈,即硫磺石2能力維持計(jì)劃(CSP/硫磺石3A),是硫磺石系列導(dǎo)彈的最新型號[4]。

硫磺石3A導(dǎo)彈保留了硫磺石2導(dǎo)彈的模塊化彈體、雙模導(dǎo)引頭、不敏感彈藥火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和多效戰(zhàn)斗部,替換過時(shí)部件并對性能做出提升。采用基于MEMS的IMU和改進(jìn)型自動(dòng)駕駛儀,而內(nèi)存及計(jì)算處理的更新也有利于后續(xù)拓展硫磺石3B導(dǎo)彈。

應(yīng)英國國防部需求,歐洲導(dǎo)彈集團(tuán)(MBDA)沿用硫磺石3導(dǎo)彈的技術(shù)[3]和模塊化設(shè)計(jì),研制了一種能夠搭載多平臺、全天時(shí)精確打擊靜止/移動(dòng)裝甲目標(biāo)的防區(qū)外空對面導(dǎo)彈SPEAR Cap 3[1],如圖5所示。該彈可通過雙向數(shù)據(jù)鏈,實(shí)現(xiàn)發(fā)射后重新定位。硫磺石及其改型性能參數(shù)如表2所示。

圖5 SPEAR Cap 3Fig.5 SPEAR Cap 3

1.3 反輻射導(dǎo)彈

AGM-88E先進(jìn)反輻射導(dǎo)彈(AARGM)在美國第三代反輻射導(dǎo)彈哈姆的基礎(chǔ)上,保留氣動(dòng)外形、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和戰(zhàn)斗部,增加工作頻率為94 GHz的主動(dòng)毫米波制導(dǎo)雷達(dá)模式,成為主/被動(dòng)雷達(dá)雙模復(fù)合導(dǎo)彈[5],不僅能以低附帶損傷快速打擊雷達(dá)目標(biāo)及非雷達(dá)時(shí)敏目標(biāo),還可有效應(yīng)對敵方雷達(dá)關(guān)機(jī),其性能達(dá)到了第4代水平。

AARGM[1]導(dǎo)彈的毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭由W波段脈沖收發(fā)機(jī)和專用天線等組成,寬頻帶被動(dòng)雷達(dá)(IARH)寬頻帶接收機(jī)可以高精度測量目標(biāo)信號的相位、振幅和頻率,如圖6所示。

圖6 AGM-88E AARGM導(dǎo)引頭Fig.6 Seeker of AGM-88E AARGM

AARGM導(dǎo)彈采用曲線彈道,便于IARH接收機(jī)獲取目標(biāo)雷達(dá)輸出的多個(gè)測向截取信息,通過被動(dòng)三角測距確定目標(biāo)雷達(dá)相對于導(dǎo)彈的方位,隨后與GPS接收機(jī)/處理器的信息融合,轉(zhuǎn)換為大致坐標(biāo)位置?？梢愿鶕?jù)需要使用毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭確定彈目垂直角度。如果目標(biāo)發(fā)射機(jī)在攻擊過程中關(guān)機(jī),則毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭末段搜索模式啟動(dòng),重新捕獲目標(biāo)發(fā)射機(jī)。

AGM-88G增程型AARGM導(dǎo)彈(AARGM-ER)滿足了美國海軍對提升AARGM導(dǎo)彈在A2/AD環(huán)境中對抗先進(jìn)能力作戰(zhàn)效果的要求。它沿用AGM-88E導(dǎo)彈的傳感器、電子設(shè)備和戰(zhàn)斗部[7],包括探測距離為9.3 km的毫米波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭、數(shù)字被動(dòng)天線陣列、微波電路集成插件、雷達(dá)射頻信號數(shù)字處理機(jī)。該型導(dǎo)彈既可以像傳統(tǒng)哈姆那樣接收并鎖定敵方雷達(dá)信號,利用曲線彈道對目標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行被動(dòng)三角定位,也可以在雷達(dá)關(guān)機(jī)后通過毫米波主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)進(jìn)行攻擊,其視場、靈敏度、帶寬、精度和數(shù)據(jù)處理能力均優(yōu)于哈姆導(dǎo)彈,此外還可以打擊非雷達(dá)目標(biāo)。

AGM-88F導(dǎo)彈沿用了現(xiàn)有哈姆導(dǎo)彈型號的毫米波導(dǎo)引頭,并增加控制段修正(HCSM)升級組件,極大提升了精確打擊能力[6]。典型反輻射導(dǎo)彈性能參數(shù)如表3所示。

表3 典型反輻射導(dǎo)彈性能參數(shù)[6]Table 3 Performance specifications for typical anti-radiation missiles[6]

1.4 含毫米波的復(fù)合精確制導(dǎo)彈藥

雖然毫米波雷達(dá)制導(dǎo)具備全天候工作、體積小等諸多優(yōu)點(diǎn),但隨著戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜化和電磁對抗加劇,有必要將毫米波與激光、毫米波與紅外成像等技術(shù)進(jìn)行復(fù)合,提升其戰(zhàn)場適應(yīng)性。

1.4.1 暴風(fēng)之錘(Storm Breaker)多模復(fù)合制導(dǎo)炸彈

暴風(fēng)之錘GBU-53B SDBⅡ[1,7-8]小直徑制導(dǎo)炸彈采用三模導(dǎo)引頭,將毫米波雷達(dá)/非制冷紅外成像/激光半主動(dòng)模式集成在體積很小的單個(gè)萬向架上,采用蛤殼式透明天線頭罩,是世界首型三模導(dǎo)引頭,如圖7所示。非制冷紅外成像傳感器采用卡塞格林光學(xué)結(jié)構(gòu),感知目標(biāo)的紅外溫度特性,形成圖像并精確識別。通過數(shù)據(jù)融合和控制實(shí)現(xiàn)3種傳感器探測信息的無縫共享,實(shí)現(xiàn)全天時(shí)、全天候?qū)潭?、移?dòng)目標(biāo)的打擊。

圖7 暴風(fēng)之錘GBU-53B SDBⅡ?qū)б^Fig.7 Seeker of StormBreaker GBU-53B SDBⅡ

該制導(dǎo)炸彈在中段為GPS輔助導(dǎo)航,導(dǎo)引頭進(jìn)行末制導(dǎo),撞擊目標(biāo)前,導(dǎo)引頭回傳最后一幅圖像,便于指揮站評估毀傷效果。導(dǎo)引頭利用武器的雙波段雙向數(shù)據(jù)鏈傳輸數(shù)據(jù),Link 16數(shù)據(jù)鏈與機(jī)載Link 16設(shè)備互聯(lián)通信,甚高頻(UHF)信道接收地面發(fā)射的目標(biāo)指示信息,未來可根據(jù)需要升級軟件,增加其他波形。

1.4.2 斯塔納(Stunner)雙模制導(dǎo)導(dǎo)彈

斯塔納導(dǎo)彈是以色列大衛(wèi)投石索中程防空系統(tǒng)的攔截導(dǎo)彈,是用于攔截近程彈道導(dǎo)彈、大口徑火箭、巡航導(dǎo)彈和無人機(jī)的兩級攔截彈,2017年與大衛(wèi)投石索防空系統(tǒng)一同投入使用。

斯塔納導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭采用不對稱設(shè)計(jì),紅外導(dǎo)引頭位于最前端,斜向一側(cè),共形雷達(dá)天線位于另一側(cè)[9]。通過數(shù)據(jù)鏈與地面通信,可自動(dòng)或通過指令改變飛行路徑或重新定位[10]。

由于MMW導(dǎo)引頭拓寬了導(dǎo)彈的戰(zhàn)場適用性,MMW導(dǎo)引頭的使用也受到多個(gè)國家的重視。

土耳其Kuzgun[11]系列精確制導(dǎo)彈藥是100 kg級的模塊化、低成本新一代產(chǎn)品,命中精度高,附帶損傷低,如圖8所示。目標(biāo)包括軍事單位、輕/重型裝甲車輛、掩體及地面移動(dòng)目標(biāo)等。該系列彈藥配備慣性導(dǎo)航系統(tǒng)、GPS(CRPA/抗干擾)、數(shù)據(jù)鏈、激光或IIR/CCD探測器和集成毫米波雷達(dá)。含毫米波的復(fù)合精確制導(dǎo)武器性能參數(shù)如表4所示。

表4 含毫米波的復(fù)合精確制導(dǎo)武器性能參數(shù)[1,8-9,11]Table 4 Performance specifications for complex, precision guided weapons with MMW guidance[1,8-9,11]

圖8 Kuzgun內(nèi)部設(shè)計(jì)Fig.8 Internal design of Kuzgun

2 毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)武器特點(diǎn)及發(fā)展趨勢

2.1 毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)武器特點(diǎn)[12]

其特點(diǎn)主要概括為以下幾個(gè)方面:

1) 尺寸小,重量輕,通過煙霧塵霾的能力強(qiáng),作用不受氣候條件制約,機(jī)動(dòng)性和隱蔽性好。機(jī)載使用時(shí)可提高載機(jī)生存率,同時(shí)降低附帶損傷。部分導(dǎo)彈尺寸小至可掛載在戰(zhàn)斗機(jī)內(nèi)埋武器艙內(nèi)。

2) 波束窄、頻帶寬、空間分辨率高,敵方難以截獲和干擾,因此抗干擾以及從背景雜波中區(qū)分出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力強(qiáng),對目標(biāo)的速度鑒別性好,但作用距離受限。

3) 對于毫米波主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)彈藥,可有效對抗突然關(guān)機(jī)的敵方雷達(dá)目標(biāo)。但另一方面,由于導(dǎo)引頭不斷向外輻射射頻信號,所以更有可能被敵方探測到,進(jìn)行干擾或攔截。

2.2 發(fā)展趨勢[12-14]

信號處理、電子技術(shù)及材料、計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域的發(fā)展促進(jìn)了毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)在現(xiàn)代精確制導(dǎo)武器上的應(yīng)用。對典型毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)武器進(jìn)行梳理總結(jié),從中可預(yù)見未來將朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展:

1) 偵察半徑更遠(yuǎn)、識別性能更優(yōu)、對抗能力更強(qiáng)現(xiàn)有毫米波導(dǎo)引頭采用一維距離像進(jìn)行搜索識別,存在作用距離近和識別率低等問題。綜合考慮毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭性能及導(dǎo)彈精確打擊要求等,可設(shè)計(jì)最優(yōu)彈道,借助其他成像方法,進(jìn)行二維相干積累,提升信號增益,增加導(dǎo)引頭作用距離。同時(shí),綜合利用目標(biāo)幾何、散射、背景和視頻等多類特征,結(jié)合深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異特性,顯著提升毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭的目標(biāo)識別性能。

而作戰(zhàn)環(huán)境和作戰(zhàn)任務(wù)日益復(fù)雜,毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭的功能也逐漸向存在干擾對抗的多種模式和多功能一體化輕型,未來發(fā)展也必然需要更強(qiáng)的干擾對抗能力。

2) 模塊化、系列化、智能化模塊化、系列化發(fā)展是目前各精確制導(dǎo)武器的發(fā)展趨勢,模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使導(dǎo)彈更易于改進(jìn)升級,也為系列化提供了可能。采用集成度更高的器件代替分立器件,同時(shí)也提高了導(dǎo)引頭的可靠性。新一代人工智能技術(shù)未來將在彈道規(guī)劃、基于圖像的目標(biāo)識別、多模式聯(lián)合工作等多個(gè)方面提升現(xiàn)有毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭目標(biāo)搜索識別能力。綜合利用圖像的幾何、散射和背景特征以及信號的失控頻等多源特性,高精度檢測與識別目標(biāo),一直新型和未知干擾,大幅增強(qiáng)毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈的偵察打擊能力。

3) 多平臺應(yīng)用,向各新型戰(zhàn)機(jī)、無人機(jī)、無人平臺延伸機(jī)載空空、空地導(dǎo)彈通常要求具有發(fā)射后不管、全方位探測(特別是良好的低空及下視性能)以及與初、中段制導(dǎo)相配合實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程攻擊的能力。為此,通常采用脈沖多普勒工作體制,足夠高的脈沖重復(fù)頻率可保證無雜波區(qū)檢測目標(biāo)。隨著新型戰(zhàn)機(jī)如F-35的發(fā)展,硫磺石、JAGM等彈藥也相繼做出改進(jìn),以適應(yīng)在新平臺上的發(fā)射。而如今戰(zhàn)場中對無人平臺的重視,也使得這些彈藥可搭載的平臺范圍被拓寬,如暴風(fēng)之錘搭載的MQ-9死神無人機(jī)、硫磺石3搭載的MQ-9B海上衛(wèi)士和Kuzgun搭載的Bayraktar TB2、Akinci、Aksungur無人機(jī)。此外,基型硫磺石還可搭載無人車,Kuzgun可搭載艦船。

4) 成熟制導(dǎo)體制間相互組合,形成新型多模復(fù)合導(dǎo)引頭單一的制導(dǎo)模式容易受到戰(zhàn)場環(huán)境限制,降低武器作戰(zhàn)使用的靈活性。毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭具備尺寸小、重量輕的特點(diǎn),在已成熟的單一探測體制武器上加裝毫米波雷達(dá)探測體制,更有利于在有限空間內(nèi)綜合利用不同制導(dǎo)體制的優(yōu)勢。如雙模硫磺石復(fù)合了半主動(dòng)激光導(dǎo)引頭和毫米波導(dǎo)引頭,形成人在回路干預(yù)能力,集防區(qū)外發(fā)射、全天候作戰(zhàn)和快速部署等優(yōu)勢為一體。

3 結(jié)束語

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境不斷變化,毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)技術(shù)自20世紀(jì)50年代發(fā)展至今已取得多次突破,形成了硫磺石、AARGM等多平臺全天候精確打擊彈藥。而為了實(shí)現(xiàn)這些彈藥的作戰(zhàn)需求,信號處理、電子技術(shù)及材料等領(lǐng)域也不斷推進(jìn),可以說,毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)技術(shù)引領(lǐng)了MMIC、雷達(dá)成像芯片等多個(gè)器件領(lǐng)域的發(fā)展。未來,毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)武器將繼續(xù)向多模復(fù)合制導(dǎo)及毫米波成像技術(shù)方向發(fā)展,以取得更廣泛的應(yīng)用前景,滿足更苛刻的作戰(zhàn)使用要求。