戰術導彈導引頭技術及其發展淺析

盧福剛　陳士超

(西安現代控制技術研究所　西安　710065)

0　引言

導引頭是精確制導戰術導彈的“眼睛”，可有效地把導彈和目標關聯起來并輸出它們之間的相對運動信息。導引頭技術制約著精確制導戰術導彈研發，是決定戰術導彈創新發展的核心關鍵[1-3]。正確把握導引頭技術的研究重點和發展方向，對于加快先進的工程化導引頭樣機研發，可達到事半功倍的效果。高度重視和切實抓好導引頭技術及其發展工作，意味著把住了精確制導戰術導彈可持續和創新發展的“命脈”。

1　導引頭的分類

導引頭按照其結構形式、探測能量的來源及其波段或頻率等，可以分成不同的類型，下面是幾種典型的分類：

1)按照其探測系統與結構本體(或導彈彈體)之間的交聯形式，可以分成捷聯式導引頭[4-5]和平臺式導引頭[6-7]；

2)按照其探測的能量來源，可以分成主動導引頭[8-9]、半主動導引頭[10-11]和被動導引頭[12-13]等；

3)按照其探測能量的波段或頻率，可以分成電視導引頭[14-15]、紅外導引頭[12-13]、激光導引頭[10-11]和雷達導引頭[8-9]等；

4)將上述的分類再進行組合后，又可分成主被動復合導引頭[16-17]、雙模復合導引頭[18-19]和多模復合導引頭[20-21]等等。

2　不同類型導引頭的組成及特點

2.1　捷聯式導引頭

捷聯式導引頭最早出現于上世紀40年代末，直至70年代，其一直被廣泛研發和應用，捷聯式導引頭的典型代表為應用于空空導彈和反艦導彈的點源紅外導引頭[4-5]。近些年來，由于慣性測量、衛星定位、組合導航以及數字信息處理等技術的迅猛發展和應用，以提高導引頭抗發射沖擊過載、簡化結構和降低造價成本為目標，捷聯式導引頭再次煥發了青春，呈現出勃勃的生機。

捷聯式導引頭主要由探測系統、電子艙和結構本體組成，捷聯式導引頭的結構示意圖如圖1所示。探測系統的主要功能是接收從目標反射或發射的能量，輸出能夠反映目標相對探測系統光軸或電軸的夾角。電子艙的主要功能是接收探測系統輸出的原始信息，形成目標相對光軸或電軸的角度信息。結構本體的主要功能是把探測系統、電子艙、整流罩和殼體等導引頭部件有機地裝配和固連在一起，以滿足對捷聯式導引頭的結構強度和氣動外形的要求。

圖1　捷聯式導引頭結構示意圖

由于捷聯式導引頭的探測系統與其結構本體是固連的，因此就其本身來說，只能獲得目標相對其探測系統光軸或電軸的夾角信息，獲得的有效信息較少。捷聯式導引頭的測角示意圖如圖2所示，Xb表示導引頭電軸零位方向，φ表示導引頭俯仰視線(Line of Sight，LOS)角，若探測系統采用是的主動雷達，還能獲得其與目標之間的距離信息。因此，采用捷聯式導引頭的戰術導彈，由于導引頭對目標的觀測視場范圍直接受限于彈體姿態，必然會給制導控制系統的設計和末制導導引方法的選擇帶來一定的限制和困難。捷聯式導引頭的主要特點如下：

1)沒有萬向支架、測角器、力矩電機、動力陀螺或速率陀螺，系統和結構設計簡單，造價成本較低；

2)探測系統與結構本體機械固連，沒有活動組件，抗發射沖擊和飛行過載的能力很強；

3)探測系統的通光口徑或雷達天線口面可以設計的比較大，有利于提高目標的探測距離；

圖2　捷聯式導引頭測角示意圖

4)只能直接獲得目標相對于捷聯式導引頭探測系統光軸或電軸的夾角信息，限制了導彈制導控制系統導引方法的選擇，若要采用比例導引頭方法，除了需要間接獲得視線角速度信息，還需要導彈提供位置和姿態角信息并通過相應的解算和處理，且得到的視線角速度信息精度較差、干擾誤差較大，這些限制使得采用捷聯式導引頭的導彈其命中精度不高；

5)為了保證導彈在整個末制導飛行過程中，目標始終能夠在捷聯式導引頭探測系統的瞬時視場或波束角內，對導彈末段導引飛行的姿態穩定性提出了很高的要求，進而給導彈末段制導控制系統設計增加了難度。

2.2　平臺式導引頭

平臺式導引頭出現于上世紀70年代中后期，伴隨電視電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)、紅外焦平面成像技術、激光探測器以及毫米波雷達技術的迅速發展和不斷成熟，以電視成像、紅外成像、半主動激光、主動毫米波及其相關復合的平臺式導引頭為代表，被廣泛應用于各種類型的精確制導戰術導彈中[6-7]。

平臺式導引頭主要由探測系統、伺服穩定平臺、電子艙和結構本體等組成，主要有動力陀螺穩定跟蹤[22-23]和速率陀螺穩定跟蹤[24-25]兩大類型，動力陀螺平臺式導引頭以及速率陀螺平臺式導引頭結構示意圖分別如圖3和圖4所示。

圖3　動力陀螺平臺式導引頭結構示意圖

圖4　速率陀螺平臺式導引頭結構示意圖

平臺式導引頭與捷聯式導引頭的最大區別是平臺式導引頭的探測系統安裝于伺服穩定的平臺之上，其主要特點如下：

1)能夠通過伺服穩定平臺隔離彈體擾動，易于實現較為復雜的目標掃描捕獲，為目標自動檢測、識別與選擇創造了很好的條件；

2)在完成目標鎖定以后，能夠通過伺服穩定系統使探測系統光軸或電軸始終指向目標，實現對目標的穩定跟蹤，即使由于各種原因造成目標短時間丟失，也易于實現對目標的再捕獲與再跟蹤；

3)可直接輸出視線角速度且視線角速度精度較高，采用末段比例導引，易于實現對目標精確命中和高效毀傷；

4)由于存在伺服穩定系統，相對于捷聯式導引頭，抗發射沖擊過載的能力較差；

5)由于存在萬向支架、力矩電機、測角器、動力陀螺或角速率陀螺及伺服穩定控制模塊，組成結構相對復雜，造價成本較高。

穩定跟蹤平臺是平臺式導引頭的重要組成部分，是實現其視線軸或電軸穩定跟蹤的核心部件。按照穩定跟蹤控制原理，一般分為動力陀螺穩定跟蹤平臺和速率陀螺穩定跟蹤平臺。動力陀螺穩定跟蹤平臺利用動力陀螺的定軸性實現平臺穩定，利用動力陀螺的進動性實現平臺跟蹤，其穩定跟蹤控制原理如圖5所示。速率陀螺穩定跟蹤平臺利用安裝在臺體(萬向支架)上的角速率陀螺測量平臺運動角速率，實現視線軸或電軸在慣性空間的穩定和閉環跟蹤，其穩定跟蹤控制原理如圖6所示。動力陀螺穩定跟蹤導引頭與速率陀螺穩定跟蹤導引頭的對比見表1。

圖5　動力陀螺穩定跟蹤控制原理框圖

圖6　速率陀螺穩定跟蹤控制原理框圖

動力陀螺穩定跟蹤導引頭與速率陀螺穩定跟蹤導引頭的對比見表1。

表1　動力陀螺穩定跟蹤導引頭和速率陀螺穩定跟蹤導引頭對比

3　導引頭技術發展的重點、難點和方向

3.1　導引頭的主要技術指標和能力需求

導引頭的主要技術指標和能力需求如下：

1)作用距離或威力：導引頭作用距離越遠或威力越大，留給導彈末段制導飛行的時間越長，越有利于實現目標的精確命中和高效毀傷；

2)導引信息精度：導引信息精度越高，末段制導精度越高；

3)角范圍：導引頭框架角范圍越大，越易于放寬導彈的作戰使用剖面；

4)動態響應時間：動態響應時間越短，導彈攻擊活動目標的能力越強；

5)可靠性：可靠性越高，導彈的發射飛行成功率越高；

6)探測和敏感方式：單模導引頭易于實現、造價成本較低，但每一種制導模式，如可見光、紅外成像、半主動激光和毫米波雷達等，各具優勢和不足，適應天氣條件、戰場環境和目標特性的能力不同；多模復合難于設計實現，但不同模式可以揚長避短、發揮綜合優勢，適用惡劣氣象條件、復雜戰場環境和不同目標特性的能力強，但造價成本較高；

7)目標自主識別能力：具備目標自主識別能力，可以實現導彈“發射后不管”，發射平臺的生存能力強，射手的壓力小；不具備目標自主識別能力，則需要“人在回路”完成目標識別與鎖定，不能實現導彈“發射后不管”，發射平臺的生存能力差，射手的壓力大。

3.2　導引頭技術發展的重點和難點

導引頭是集光、機、電、結構、控制和信息處理于一體的復雜裝置，是精確制導導彈的核心關鍵部件。對于不同類型的導引頭，其研發重點和難點既有相同之處又各具差異：

1)對于捷聯式導引頭，寬線性范圍和大視場探測系統設計及其結合彈上其它制導控制信息的綜合處理是重點和難點；

2)對于平臺式導引頭，特別是應用于小型和超小型戰術導彈的平臺式導引頭，輕質、小尺寸和高集成度導引頭結構設計，尤其是探測系統和位標器小型化集成設計是重點和難點；

3)對于半主動激光導引頭和被動紅外成像導引頭，高靈敏、低噪聲激光探測器和非制冷大面陣紅外探測器件及其輸出的模擬弱信號處理，電子艙低噪聲設計，激光和被動紅外在不同氣象和戰場環境條件下的傳輸特性及其對不同類型目標表面的漫反射和輻射特性等，是其研發的重點和難點；

4)對于主動毫米波導引頭，不論是常用的8mm波段還是3mm波段，毫米波核心器件的國產化研發，雷達收發系統設計及其工作體制研究與選擇，毫米波信號在不同氣象和戰場環境條件下的毫米波傳輸特性，不同地面典型地貌背景及不同類型軍事目標的毫米波散射特性，軍事目標與主被動干擾物的毫米波特征及其識別與拒判等，是其研發的重點和難點；

5)對于多模復合導引頭，例如半主動激光、主動毫米波和被動紅外的雙模復合或三模復合導引頭，應該在上述單模導引頭重點和難點的解決基礎上開展研發工作，一體化共口徑、共光路、共平臺的復合探測系統設計；小型化、集成化穩定跟蹤位標器及整個導引頭的結構設計；多模信息融合方法和不同模式作戰使用策略研究等，是其研發的重點和難點。

3.3　導引頭技術的發展方向

導彈武器具有威力大、射程遠、精度高的顯著特點。近些年來，各種導彈武器正以前所未有的速度迅猛發展，進入了一個升級換代和創新發展的新時期，導彈攻防對抗更趨激烈，一大批更快、更遠、更準、更智能的導彈武器紛紛登場亮相。其中，更準、更智能的需求和發展趨勢與導引頭技術的發展方向直接相關，主要體現在激光成像探測技術[26]、太赫茲技術[27]、量子信息技術[28]和微系統技術[29]四個方面。

3.3.1激光成像探測技術

激光成像探測技術的特點是信息維度多、測距測角精度高和選擇能力強，能夠顯著提高導引頭探測和識別目標的能力，具有較強的抗干擾能力。美國已經研制出雪崩二極管(Avalanche Photodiode, APD)陣列探測雷達[30]、自混頻陣列探測固態激光雷達，正在研制的激光雷達導引頭將突破百毫焦量級，APD探測器陣列也將在256×256像元以上。2015年，美國國防部高級計劃研究署(Defense Advance Research Project Agency，DARPA)的“寬視場激光相控陣”項目首次將相控陣天線與激光組件集成在一個微芯片之上，可以在51°范圍內進行精確激光掃描，為激光雷達導引頭研發奠定了基礎。

3.3.2太赫茲技術

太赫茲介于毫米波與長波紅外波段之間(0.1THz～10THz)，其可以避開傳統吸波材料的吸波頻段，可應用于反隱身探測技術。太赫茲工作帶寬寬，對目標的微運動特征較為敏感，測角分辨率極高。基于太赫茲技術的導引頭探測系統，會給導引頭的技術發展帶來革命性的變化。美國空軍噴氣推進實驗室研制出的0.58THz逆合成孔徑三坐標成像雷達，調頻帶寬為20GHz，能夠提供1cm的距離分辨率。2014年，羅格公司在DARPA“太赫茲電子研究”項目下開始研發1.03THz的固態放大器集成電路。

3.3.3量子信息技術

量子雷達能夠實現高分辨率和反隱身探測。量子雷達能夠穿透云層和煙霧等實現高精度成像。量子雷達在導引頭探測系統中具有潛在的應用前景。2014年12月，美國羅切斯特大學開展了試驗驗證，證實了量子信息技術的應用，可使雷達有效探測到具有欺騙能力的隱身目標。2015年，英國約克大學的研究團隊研發出一個雙腔轉換器，利用納米振蕩器實現微波與光波的耦合，將成為量子雷達的核心器件。

3.3.4微系統技術

微系統以微納尺度理論為支撐，以微納制造和工藝為基礎，發展并不斷融入微機械、微電子、微光學等各種技術，具有微感知、微處理、微控制等功能，并通過功能模塊的集成向組件級發展。微慣性測量裝置具有體積小、成本低、質量輕、抗沖擊、抗振動和集成度高等特點，適用于導引頭探測系統的伺服穩定機構。利用微系統技術開發雷達射頻收發系統級芯片(System on Chip，SOC)、相控陣T/R子陣、多模導引頭SOC芯片等，能夠促進導引頭進一步朝著小型化和智能化方向發展，對于提高導引頭性能、縮小導引頭尺寸、降低導引頭重量和成本等具有革命性的影響。

4　導引頭技術發展的途徑和舉措

綜合上述導引頭分類、組成、特點、研發重點和難點，以及導引頭技術的發展方向，形成導引頭技術發展的途徑和舉措如下：

1)著眼未來發展，前瞻性地謀劃好制約和影響導引頭革命性發展的新型探測、反隱身等前沿技術研究和應用工作，如激光成像探測技術、太赫茲技術和量子信息技術等；

2)抓住核心關鍵，有目的地籌劃好制約和影響導引頭創新性發展的目標自主識別、抗誘騙等關鍵技術的研究和應用工作，如基于主動毫米波、激光成像和太赫茲等的目標自主識別和抗誘騙關鍵技術；

3)把握重點難點，有計劃地策劃好制約和影響導引頭持續性發展的核心器件、新型材料等瓶頸技術的研究和應用工作，如毫米波核心器件、激光成像面陣模塊、小/微型敏感元器件、寬帶透射材料、分頻透射/反射材料及其制造工藝等；

4)重視試驗測試，有針對性地開展好制約和影響導引頭實際應用的大氣傳輸特性、目標反射特性、環境適應性、彈載適應性、工作可靠性等基礎技術研究和應用工作，如激光、紅外和毫米波等的大氣傳輸特性及其在不同類型目標表面的發射和反射特性，導引頭抗發射沖擊能力、適應振動頻譜特性等；

5)組建一支吃苦耐勞、攻堅克難、永不服輸、開創進取的穩定研發團隊是前提，構建設計分析、試制裝調、試驗測試、考核評估的齊備研發條件是基礎，落實相應知識產權、薪酬待遇、獎懲機制、股權激勵的特別政策是保障。

5　結束語

導引頭技術是精確制導戰術導彈的核心關鍵技術之一，其革命性發展是精確制導戰術導彈根本創新的前提之一。可以說當下和未來，誰擁有導引頭技術、誰把握了導引頭技術的發展方向、誰站在了導引頭技術的制高點，就意味著誰將在日趨競爭激烈的精確制導戰術導彈研發領域和產品市場占據絕對優勢地位。