激光引信新技術(shù)研究

摘 要:通過對(duì)現(xiàn)有激光引信探測手段和探測原理的分析，為應(yīng)對(duì)未來戰(zhàn)爭的需求，提出一種新的激光引信技術(shù)——逆合成孔徑成像激光引信。逆合成孔徑成像激光引信能夠在導(dǎo)彈高速運(yùn)動(dòng)的情況下，通過導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)的瞬時(shí)成像并引導(dǎo)導(dǎo)彈完成對(duì)目標(biāo)的精確打擊，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞:激光成像引信; 高速運(yùn)動(dòng); 瞬時(shí)成像; 精確打擊

中圖分類號(hào):TP957 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)07-0023-03

Research on New Technology of Laser Fuze

WANG Ling1， JIA Zhi-jun2

(1. SICONG Opto-electronic Co. Ltd.， Xi’an 710043， China; 2. Naval Communication， Beijing 100841， China)

Abstract: Based on analysis of the laser fuze detecting method and principle in face of the requicement of future war， a new laser fuze technology named inverse synthetic apertuer imaging laser fuze is proposed. This fuze can realize instantaneous imaging in the case that the missile and target have high relative velocity， and attack the target accurately.

Keywords: laser mapping fuze; high-speed movement; instantaneous imaging; precision strike

0 引 言

引信是利用環(huán)境信息和目標(biāo)信息，或按預(yù)定條件控制戰(zhàn)斗部在相對(duì)于目標(biāo)最有利的位置或時(shí)機(jī)起爆或引爆戰(zhàn)斗部主裝藥的控制系統(tǒng)，因此引信必須具備四個(gè)基本功能:保險(xiǎn)、解除保險(xiǎn)、鎖定目標(biāo)和確定炸點(diǎn)、起爆戰(zhàn)斗部[1]。引信工作過程的動(dòng)態(tài)性、瞬時(shí)性和一次性，構(gòu)成了引信區(qū)別于導(dǎo)彈其他系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。一個(gè)性能良好的引信，不僅能保證戰(zhàn)斗部以至全彈的安全性，而且能使戰(zhàn)斗部充分發(fā)揮毀傷目標(biāo)的威力。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)見未來的戰(zhàn)場環(huán)境和戰(zhàn)爭模式將更加復(fù)雜，導(dǎo)彈將面對(duì)具有隱身技術(shù)、攜帶干擾設(shè)備的高機(jī)動(dòng)性飛機(jī)，以及運(yùn)動(dòng)速度高、運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜的彈道導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等眾多目標(biāo)。這些新特點(diǎn)要求未來導(dǎo)彈的引信必須向智能化方向發(fā)展，即集計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能和各種先進(jìn)傳感器于一體的綜合性控制技術(shù)，應(yīng)該具備三種功能:感覺功能、思維功能和控制動(dòng)作功能。因此實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈引信的智能化、智能探測與自適應(yīng)控制應(yīng)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)[2-6]。

針對(duì)未來導(dǎo)彈引信對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)智能探測的需求，本文提出一種新的激光引信技術(shù)——逆合成孔徑成像激光引信，它能夠通過導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成對(duì)目標(biāo)的瞬時(shí)成像，完成對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確識(shí)別和定位，并在此基礎(chǔ)上能引導(dǎo)導(dǎo)彈完成對(duì)目標(biāo)的精確打擊。

1 導(dǎo)彈引信發(fā)展現(xiàn)狀分析

自導(dǎo)彈出現(xiàn)以來，引信技術(shù)的研究與發(fā)展就一直倍受關(guān)注。現(xiàn)有的導(dǎo)彈引信主要包括無線電引信、紅外引信和激光引信[7]。

1.1 無線電引信

無線電引信是早期使用較為廣泛的一種引信，具有動(dòng)態(tài)性、瞬時(shí)性、一次性;引爆指令的高精確性;近距離和超近距離工作下，引信啟動(dòng)的適時(shí)性;工作波段寬;體積小、質(zhì)量輕、可靠性要求高、抗電磁干擾能力差的特點(diǎn)。但是無線電引信的單一調(diào)制波形呈現(xiàn)出的較大不足，以及由于距離特性的非絕對(duì)截止和非相關(guān)噪聲的存在，限制了其在低空、超低空和空地、地地導(dǎo)彈中的應(yīng)用，限制了在作用距離較大導(dǎo)彈引信上的應(yīng)用。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，特別是毫米波固態(tài)器件的發(fā)展，使引信工作在毫米波段成為可能。毫米波無線電引信的毫米波波導(dǎo)元件體積小，質(zhì)量輕;能實(shí)現(xiàn)窄波束、低副瓣，可提高探測精度和分辨率，提高引戰(zhàn)配合效率;抗干擾能力較強(qiáng)，有利于超低空工作，在同樣的彈目相對(duì)速度下，具有較高的引信靈敏度;受氣候影響較小，幾乎可全天候工作。

1.2 紅外引信

紅外引信與無線電引信所利用的信號(hào)不同，其原理和具體結(jié)構(gòu)也不同，主要區(qū)別是光敏裝置部分。紅外引信體積小、質(zhì)量輕;具有良好的抗干擾能力;工作的隱藏性好;被動(dòng)紅外引信實(shí)現(xiàn)方法簡單，工作在近紅外和中紅外波段，無法進(jìn)行全向攻擊，并且由于不同目標(biāo)的紅外輻射具有較大的差異，導(dǎo)致引信作用距離散布較大。此外，易受環(huán)境背景和銹餌干擾，不能全天候工作。為確保導(dǎo)彈引信在未來作戰(zhàn)的復(fù)雜環(huán)境下仍能有效地毀傷目標(biāo)，發(fā)展紅外成像引信成為了一種有效措施和必然趨勢。紅外成像引信抗干擾和抗電磁輻射能力較強(qiáng)，無需現(xiàn)有各種導(dǎo)彈引信所要求的延遲時(shí)間，在不同彈目交會(huì)條件下，可較好地解決炸點(diǎn)自適應(yīng)控制，較精確地給出目標(biāo)方位信息，真正解決引戰(zhàn)配合問題，真正實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)部位的瞄準(zhǔn)和定向?qū)崟r(shí)引爆，進(jìn)而能大大提高導(dǎo)彈的單發(fā)毀傷概率。但是目標(biāo)的二維乃至三維信息給信息處理提出了更高的要求。

1.3 激光引信

現(xiàn)代作戰(zhàn)環(huán)境的需求和激光技術(shù)的迅猛發(fā)展極大地促進(jìn)了激光引信的產(chǎn)生。由于激光具有方向性強(qiáng)、單色性和相干性好等優(yōu)異性能，因此利用激光引信實(shí)現(xiàn)成像探測是一種重要手段。激光引信體積小、成本低;能夠提供較精確的目標(biāo)距離——方位信息;具有良好的抗電磁/干擾能力;定距精度高，實(shí)時(shí)測距準(zhǔn)時(shí)引爆，對(duì)各類目標(biāo)控制炸點(diǎn)精度高;工作安全可靠。因此，在導(dǎo)彈引信中得到了廣泛的應(yīng)用。

2 逆合成孔徑成像引信成像技術(shù)研究

傳統(tǒng)引信不能辨識(shí)目標(biāo)部位，研究起爆控制時(shí)一般把整個(gè)目標(biāo)看作點(diǎn)目標(biāo)或線目標(biāo)而建立起爆控制模，難以對(duì)引信實(shí)施較為準(zhǔn)確的起爆控制，而成像引信可以有效識(shí)別目標(biāo)及目標(biāo)的關(guān)鍵部位，使對(duì)目標(biāo)的精確打擊成為可能，其起爆控制先由引信獲取目標(biāo)圖像，然后識(shí)別待打擊部位及相對(duì)導(dǎo)彈脫靶方位，并計(jì)算戰(zhàn)斗部最佳起爆延時(shí)，同時(shí)預(yù)測經(jīng)最佳起爆延時(shí)后脫靶方位變化，以確定最佳起爆方位，最后根據(jù)方位，經(jīng)簡單編碼，控制多輸入多輸出爆炸邏輯網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部定向起爆，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)高效的精確打擊。因此，成像引信是未來引信發(fā)展的重要方向。

空空導(dǎo)彈的打擊目標(biāo)主要是高速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，因此要求成像具有實(shí)時(shí)性。通常的激光成像采用的是基于掃描式的成像方式，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)高分辨瞬時(shí)成像較為困難。與現(xiàn)有的激光成像相比，逆合成孔徑成像技術(shù)所需的成像時(shí)間更短，圖像的方位向分辨率更高，并能夠通過對(duì)圖像及其局部特征的提取增強(qiáng)對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力。

2.1 逆合成孔徑技術(shù)

逆合成孔徑技術(shù)現(xiàn)在主要應(yīng)用于逆合成孔徑雷達(dá)之中，它的成像原理如圖1所示。假設(shè)雷達(dá)位于坐標(biāo)系XOY的原點(diǎn)O，X軸方向?yàn)槠鹗紩r(shí)刻的雷達(dá)電軸方向，Y軸為垂直于電軸方向的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向。選擇目標(biāo)的中心點(diǎn)A為參考點(diǎn)，在起始時(shí)刻，參考點(diǎn)位于X軸上距離雷達(dá)Xc處(Xc遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目標(biāo)的尺寸)。目標(biāo)由k個(gè)散射點(diǎn)構(gòu)成，散射點(diǎn)Pk在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為(xk，yk)，目標(biāo)沿著Y軸的正方向以速度v作勻速運(yùn)動(dòng)[8]。

圖1 雷達(dá)與目標(biāo)模型幾何關(guān)系

目標(biāo)中心點(diǎn)A在t時(shí)刻位于(Xc，vt)，散射點(diǎn)Pk位于(Xc+xk，vt+yk)，散射點(diǎn)Pk到雷達(dá)的距離為Rk(t)=(Xc+xk)2+(vt+yk)2，中心點(diǎn)A到雷達(dá)的距離為R1(t)=X2c+v2t2，由于OPk和OA遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于PkA，則兩者之間的徑向距離差為(實(shí)際距離在雷達(dá)電軸方向上的分量):



ΔR(t)=Rk(t)-R1(t)

=(Xc+xk)2+(vt+yk)2-X2c+v2t2

xk+vykt/Xc(1)

若將其平動(dòng)分量加以補(bǔ)償，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)則等效為轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)，即目標(biāo)放在轉(zhuǎn)臺(tái)上勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，雷達(dá)等效于從固定位置接收回波信號(hào)[9]。如圖2所示，目標(biāo)參考點(diǎn)A固定于雷達(dá)坐標(biāo)系X軸上距雷達(dá)Xc處(Xc遠(yuǎn)大于目標(biāo)尺寸)，目標(biāo)坐標(biāo)系xAy坐標(biāo)軸方向與雷達(dá)坐標(biāo)系方向一致。假設(shè)成像期間T內(nèi)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)可以近似看作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，r為點(diǎn)目標(biāo)到轉(zhuǎn)臺(tái)中心的半徑，轉(zhuǎn)速為ω0，在相鄰兩次觀察時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)過了一個(gè)很小的角度δθ1，由P移動(dòng)到P′的位置，則轉(zhuǎn)臺(tái)目標(biāo)的散射點(diǎn)P′到參考點(diǎn)A的徑向距離為:



ΔR′(t)=Rk′(t)-Xc

=X2c+r2+2Xcrcos θ-Xc

xk+ykω0t(2)

式中:θ=θ0+δθ1。經(jīng)過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)ω0=v/Xc時(shí)式(1)和式(2)相同。也就是說勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償后，散射點(diǎn)在徑向上相對(duì)于參考點(diǎn)作勻速運(yùn)動(dòng)，即徑向速度vrk=vyk/Xc=ykω0。

2.2 成像分辨率分析

假設(shè)發(fā)射的是脈沖信號(hào)，距離向分辨率將等于處理后脈沖信號(hào)時(shí)寬τ所對(duì)應(yīng)的距離，若采用復(fù)雜的脈壓信號(hào)，τ應(yīng)以信號(hào)帶寬B的倒數(shù)代替，即縱向距離(距離向)分辨率ΔRx為:

ΔRx=cτ/2=c/(2B)(3)

式中:c為光速。

圖2 目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)模型示意圖

橫向距離的分辨基于多普勒分辨，如圖2所示。r為點(diǎn)目標(biāo)到轉(zhuǎn)臺(tái)中心的半徑，在相鄰兩次觀察時(shí)間內(nèi)，點(diǎn)目標(biāo)轉(zhuǎn)過了一個(gè)很小的角度δθ1，則其在雷達(dá)電軸方向(X軸方向)的位移為:



Δx=x2-x1=rcos(θ0+δθ1)-rcos θ0

=rcos θ0cos (δθ1)-rsin θ0sin (δθ1)

ypδθ1(4)

轉(zhuǎn)動(dòng)引起的兩次回波相位差為:

Δφ=4πΔx/λ=(4π/λ)ypδθ1(5)

式中:λ為發(fā)射信號(hào)波長。式(5)表明，點(diǎn)目標(biāo)的兩次回波相位差與該點(diǎn)相對(duì)于中心點(diǎn)的方位向位置yp成正比，目標(biāo)距離轉(zhuǎn)動(dòng)軸心的位置越遠(yuǎn)，該點(diǎn)目標(biāo)的多普勒頻率越高。目標(biāo)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在M次觀測時(shí)間范圍內(nèi)總共轉(zhuǎn)過的角度為Δθ=Mδθ1，則橫向距離相差Δy的兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)的總回波相位差為:

Δφ=(4π/λ)ΔyΔθ(6)

用傅里葉變換作多普勒分析時(shí)，只要用Δφ≥2π兩個(gè)點(diǎn)目標(biāo)就可分辨出來，這時(shí)的橫向分辨率為:

ΔRy=λ/2Δθ(7)

可見，在波長一定的情況下，橫向分辨率越高，則需要轉(zhuǎn)過的角度越大。

2.3 逆合成孔徑成像激光引信

引信最重要的作用就是能夠適時(shí)引爆戰(zhàn)斗部。導(dǎo)彈在攔截飛機(jī)等目標(biāo)時(shí)，彈目交會(huì)速度往往極高，因此成像引信需要適應(yīng)這種高速交會(huì)的情況，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)高分辨成像，并在極短時(shí)間內(nèi)完成引爆。激光信號(hào)的極大帶寬和極短波長，將大大提高引信的瞬時(shí)高分辨成像能力。因此，這里將逆合成孔徑技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合，并應(yīng)用于導(dǎo)彈引信中，用于實(shí)現(xiàn)在高速運(yùn)動(dòng)情況下的瞬時(shí)成像和準(zhǔn)確定位。

從上一節(jié)的分析可以得知，成像的距離分辨率取決于信號(hào)的帶寬。假設(shè)微波信號(hào)的帶寬為400 MHz，則由式(3)可以推出，成像的距離分辨率ΔRx=0.375 m，而激光信號(hào)通常的帶寬要遠(yuǎn)大于微波信號(hào);假設(shè)發(fā)射激光信號(hào)的帶寬為40 GHz，則距離分辨率ΔRx可以達(dá)到0.003 75 m，其成像效果要遠(yuǎn)好于微波信號(hào)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)更加準(zhǔn)確的識(shí)別。

圖3 逆合成孔徑成像激光引信結(jié)構(gòu)圖

成像的橫向分辨率主要取決于信號(hào)的波長和目標(biāo)與雷達(dá)的相對(duì)轉(zhuǎn)角，在波長一定的情況下，要實(shí)現(xiàn)越高的橫向分辨率就需要越大的轉(zhuǎn)角，即要越多的時(shí)間，這將影響成像的實(shí)時(shí)性。而激光信號(hào)的波長要比微波信號(hào)短很多(通常為3~5個(gè)數(shù)量級(jí))，因此，在達(dá)到相同分辨率的情況下，利用激光信號(hào)成像所需時(shí)間將大大縮短，十分符合引信對(duì)瞬時(shí)成像的要求。

圖4即為逆合成孔徑激光成像引信對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)成像并引導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精確打擊的示意圖。

圖4 逆合成孔徑成像激光引信引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊飛機(jī)示意圖

3 結(jié) 語

將逆合成孔徑技術(shù)與激光技術(shù)相結(jié)合并應(yīng)用于導(dǎo)彈引信中是引信技術(shù)的一個(gè)全新嘗試。但是，要進(jìn)一步運(yùn)用于工程實(shí)現(xiàn)，還有許多問題亟待解決，主要包括:

(1) 發(fā)射功率問題。現(xiàn)有的激光引信采用的發(fā)光器件主要是半導(dǎo)體激光器，它具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，通常的發(fā)射功率在60~90 W之間，引信接收到的能量會(huì)隨著距離增加呈三次方的比率衰減，即發(fā)射能量增加8倍，探測距離才能增加1倍。逆合成孔徑成像激光引信需要將發(fā)射的激光信號(hào)擴(kuò)束后實(shí)現(xiàn)成像，因此信號(hào)能量的衰減將更加嚴(yán)重，要在遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測和成像，則提高引信的發(fā)射功率至關(guān)重要。

(2) 提高抗干擾性能。激光信號(hào)容易受到自然環(huán)境的影響，對(duì)云層、薄霧、飛機(jī)尾氣的干擾比較敏感，容易因此而造成虛警，使戰(zhàn)斗部早炸或誤炸。因此，如何采用有效的手段提高激光引信的抗干擾性能也是需要解決的問題。

(3) 收發(fā)串?dāng)_問題。收發(fā)串?dāng)_是激光引信普遍存在的問題[10]，在逆合成孔徑成像激光引信中同樣也會(huì)存在。形成串?dāng)_的原因一般是，輻射光電脈沖由系統(tǒng)空間形成的直接耦合和由公共線地線、電源線形成的網(wǎng)絡(luò)耦合。只有有效解決這一問題，才能使引信的性能發(fā)揮到最佳。

本文提出的逆合成孔徑成像激光引信與其他激光引信相比，可以完成對(duì)目標(biāo)超高分辨瞬時(shí)成像和識(shí)別，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確打擊，為導(dǎo)彈引信的智能化探測提供了新的思路，具有一定的參考價(jià)值。

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