復雜場景下多模復合制導關鍵技術研究

吳豐陽 沈志 胡奇

摘 要：????? 復雜場景下多模復合制導技術作為精確制導武器的發展方向之一， 可以充分發揮多個傳感器優勢， 提高目標識別能力和跟蹤系統的穩定性， 實現對目標的精確打擊， 是目前導彈制導的主流發展趨勢。 通過分析國內外多模復合制導模式及主要進展， 圍繞總體設計技術、 探測器復合結構技術、 多模復合頭罩技術、 信號與圖像處理技術、 多模信息融合技術等方面論述了多模復合制導系統設計的主要難點和技術支撐， 對其關鍵技術方案進行了探討。

關鍵詞：???? 精確制導; 多模復合尋的制導; 制導技術; 復雜場景

中圖分類號：??? TJ765 文獻標識碼：??? A? 文章編號：??? ?1673-5048（2018）01-0003-05

0 引? 言

現代戰爭的戰場環境日益復雜， 精確制導武器攻擊時遇到的對抗層次越來越多， 對抗手段也越發高明， 加上對目標的偽裝、 遮蔽， 對制導武器進行干擾等手段的使用， 單一模式的制導武器越來越難以有效完成作戰使命。 與傳統單模制導武器相比， 多模復合尋的制導武器精度更高、 作用距離更遠、 打擊能力更強， 并增強了抗電磁和光電干擾能力、 目標識別能力， 可實現全天時、 全天候作戰， 具備顯著的應用優勢。 本文介紹了多模復合尋的制導武器裝備的主要制導模式及相關進展， 針對復雜場景下多模復合尋的制導武器的主要關鍵技術做了進一步的研究， 并對主要技術方案進行了探討。

1 多模復合尋的制導模式及主要進展

復合制導是指將兩種或兩種以上的制導傳感器， 按一定的方式組合起來， 形成一個性能更加優越的制導系統， 從而達到在復雜環境下精確尋的目的。 現有多模復合制導系統大多采用射頻/紅外（成像）、 SAR（成像）、 雷達雙頻、 光學雙色、 主被動復合等形式。 其中最主要的復合形式為主動毫米波/被動毫米波/SAR成像/紅外成像（可見光成像）復合， 以四模中的兩模甚至三模進行復合。 這種復合方式結合了紅外制導系統的成像制導識別， 射頻制導系統作用距離遠， 且可穿云透霧的雙重優勢， 大大增強了制導能力， 提高了制導精度。 目前國外的主流復合制導技術發展動態見表1。

2 多模復合尋的制導關鍵技術

2.1 總體設計及制導技術

總體設計包含從理論設計到工程化的一系列基礎工作， 是一項大而繁的工程。 單一制導模式的導引頭設計方法不再滿足復合制導模式的要求， 因此必須研究可與單一模式設計方法兼容的復合制導總體技術。 多模復合尋的制導技術雖然提高了整體制導能力及性能， 但也提高了系統

的復雜度， 增加了多探測系統間及對系統外的耦合程度， 間接提高了成本， 總體設計的核心問題是要確保所花費的代價能有效地增強作戰效能。 另外， 還需要綜合考慮戰術導彈的作戰使命、 彈體結構、 導彈尺寸、 目標特性及效費比等因素來確定方案， 需要考核的指標包括導引頭模式、 確定工作頻段、 復合方式、 技術參數等。 以某項典型的多模復合制導總體技術為例， 其具體研究工作包括： 總體應用方案及技戰術指標設計研究、 結構設計及平臺適應性研究、 制導方案及工作流程研究等。

2.2 多模探測器復合結構技術

多模探測器是多模導引頭的關鍵部位， 其復合結構設計技術既要考慮整體布局、 氣動性能、 性能參數， 還要關注多種探測體制之間的相互影響關系， 是復合導引頭主要實現難點之一， 以典型的微波/紅外復合探測器為例， 其主要結構解決方法分為三大類。

（1） 分孔徑方式。 包括紅外系統前置方案， 即紅外探測器獨立安裝于天線罩鼻錐部， 雷達系統后置， 典型武器有美國的RIM-7R（“海麻雀”）航空導彈; 紅外系統側置方案， 即紅外探測器位于雷達天線后的艙體側面， 以美國SM-2（“標準”2型）Block 4A和中國臺灣“雄風”-2反艦導彈為典型; 共平面放置方案， 即紅外探測器與雷達天線平行共平面放置于天線罩內。

分孔徑方式從空間結構上繞開光學探測器與雷達天線的相互干擾問題， 但其最大的弊端在于對彈頭內部空間體積要求較高， 大部分中小型導彈武器從空間上都無法滿足這種結構設計需求; 同時， 微波/紅外兩種探測器， 或存在互相影響問題， 或不能同時前視， 從復合體制上說并不是較優方案。

（2） 共孔徑方式。 紅外探測器與雷達天線采用共面設計， 紅外系統的光學組件安裝在雷達天線中心， 其最大優點是結構緊湊， 探測器對空間要求低， 且光軸/電軸重合， 復合探測時系統坐標一致， 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/紅外復合方案進一步省去了原先機械掃描雷達系統中天線伺服轉臺系統， 大大簡化了導引頭實現方案， 是未來復合末制導技術的重要發展方向。

該方案的雙模天線罩是系統實現的關鍵， 這種天線罩需要透過兩個跨度較大的波帶， 加工及實現難度大。

（3） 共形天線方式。 該方案紅外探測器中置， 雷達天線以預埋/蝕刻等技術嵌入導引頭頭罩殼體， 不占用頭體空間， 是非常有利于多模復合同時工作的一種結構形式，? 如圖2所示。

但共形天線方案主要問題與其優點一樣明顯。 共形天線與頭罩本身設計及加工難度較大， 頭罩本身存在光電透過性矛盾的同時， 還需考慮天線共形問題， 頭罩加工一致性控制非常困難， 同時天線指向角控制、 掃描角精度都是復雜的理論問題， 該方向是目前創新研究的課題之一。

2.3 多模復合頭罩技術

多模復合系統中， 以常見的微波/雷達與紅外/光學制導系統為例， 本質上是多種不同頻段電磁輻射所表達的電磁波探測系統， 因此要求復合頭罩能透過包括雷達、 光學等多個頻段的信號， 同時頭罩材料必須具有均勻穩定的物理特性以及耐高溫、 高熱傳導率的能力， 而光學探測窗口長時間暴露在高溫環境中， 將產生熱障效應， 導致光學探測系統失效， 因此， 復合探測系統對頭罩的要求非常苛刻。

一般能長時間抵抗高溫的罩體材料， 部分能透過微波信號， 但基本不能透過光學/紅外信號; 一般能透過紅外信號的材料， 部分能透過微波雷達信號， 但耐熱和結構強度基本不可能達標。 基于以上嚴格的約束條件， 根據實際工作流程需求， 可選擇的一種工程實現方式是采用雙層頭罩系統， 雷達系統可長時間工作， 當在末段需要光學系統參與工作時， 采用拋罩系統拋除外層頭罩， 由復合多模系統在熱障效應導致的時間窗口內， 進行多模復合制導工作。

其次， 還需要具備良好的耐熱性及耐熱沖擊性。 高速飛行會使天線罩內部產生強大的熱應力， 因此要求天線罩具備較低的膨脹系數及優異的耐熱沖擊能力。 另外， 還要求其具備較高的結構性能及較低的溫度敏感性。

對于內層多模頭罩， 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具有可忽略不計的吸收、 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， 復合頭罩材料必須具有低的介電常數（<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 信號和圖像處理技術

多模復合導引頭處理系統對不同波段傳感器提供的大量目標信息進行綜合分析并提取目標特征量， 對實時信號處理運算量要求極高， 特別是部分雷達成像系統需要并行完成大量復雜實時處理計算， 因此， 對相應處理系統平臺的構架形式（特別是總線構架）、 處理性能、 數據吞吐速率， 以及體積大小、 堅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設計架構采用的是VPX總線標準系統， 該標準來源于美國國家標準化組織正式批準的VITA46標準， 已成功應用在美軍F-18， F-16等戰斗機處理系統， 代表了新一代國防、 航空和軍用綜合信息處理平臺系統的發展趨勢和方向。 該系統融合了高速串行交換、 通用處理器的矢量并行計算、 復雜接口與算法的軟硬件協同實現、 實時操作系統與底層支持驅動軟件、 算法軟件中間件、 高速通訊模塊等一系列先進技術， 是國際先進嵌入式處理機的發展方向。 該系統一般由加固機箱、 電源模組、 VPX處理板卡、 高速背板及其他結構附件等組成， 如圖3所示。 標準VPX處理板卡實物圖見圖4。

2.5 多模信息融合技術

信息融合技術主要是在多傳感器獲取包括雷達/光學等多種頻段內特征信息的同時， 處理器按一定準則對各傳感器獲得的輸出信息進行融合， 以獲取正確有效的制導信息。 數據融合包含數據預處理、 數據關聯、 多傳感器融合等幾個部分。

其中數據預處理的目的是將各自獨立參考框架內傳感器提供的觀測數據， 變換到同一個參考框架， 以適應不同傳感器測量差的差異性， 典型的預處理包括： （1） 時間配準， 將不同步測量結果統一到同一時刻， 可采用最小二乘法; （2） 空間配準， 借助多傳感器對空間相對目標的測量， 對測量偏差進行估計和補償， 例如復合捷聯去耦; （3） 剔除結果中野值， 可利用卡爾曼濾波方法。

數據關聯是判斷來自不同局部節點的兩組數據是否代表同一個目標的過程， 從數學角度可分為： （1） 基于統計的方法， 如加權法、 獨立序貫法、 相關序貫法等; （2） 基于模糊數學的方法， 利用隸屬度函數（Membership Function）描述兩組數據的相似程度。

而融合算法考慮的是如何利用多傳感器測量數據對狀態向量進行估計， 使該估計比單個傳感器估計性能更優。 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年提出的證據理論方法， 后由Shafer加以擴展， 形成D-S理論。 它采用信任函數而不是概率作為度量， 通過對事件的概率進行約束以構建信任函數， 進而進行決策。 另一類方法是基于特征層融合， 即將多個傳感器特征數據融合輸出， 以提高系統精度， 包括卡爾曼濾波、 最小二乘理論等。 其中， 前者在工程實現上性能優于后者， 后者則較為適用特征級數據， 可作為前者的前提。

綜上所述， 復合制導是為了通過組合不同類型傳感器， 對其輸出信息進行綜合利用， 以使得整體制導系統在性能上得以互補， 彌補單模制導技術的缺陷， 以提高尋的系統總的性能指標。 實際使用中， 可以根據作戰要求、 目標特征和導引頭的類別， 設計融合算法。

3 結 束 語

隨著精確制導武器攻擊目標的變化、 戰場環境的復雜化和多樣化、 對抗手段的不斷發展， 精確制導武器采用非成像單一尋的制導方式， 已難以滿足現代作戰效能需求， 精確制導武器的尋的體制正在逐步從單一模式向多模復合方向發展。 多模制導技術憑借其顯著的綜合性能優勢而迅速發展， 已經成為世界各國軍事領域的研究熱點。

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