雷達/紅外復合制導空艦導彈搜捕問題綜述

李海軍，魏嘉彧，牟俊杰，姜 濤，劉崇屹

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

1 引言

空艦導彈作為現代海戰重要作戰兵器之一，已經過四代的革新發展。面臨當今復雜的海戰場環境，導引頭搜捕能力成為導彈命中率的關鍵因素，提高空艦導彈搜捕能力已成為各國共識。美國自20世紀80年代起，在現有導彈基礎上致力于研究復合制導、紅外成像、毫米波雷達等技術[1]，2011年利比亞戰爭中使用紅外成像制導的海軍幼畜AGM-65F導彈擊毀利比亞船只，研制的攜帶多模復合導引頭的LRASM向智能化邁進[2]；日本XASM-3[2]采用雙模制導，具有較強戰術靈活性；俄羅斯著力于發展超音速技術和數據鏈技術，日炙等[3]超音速導彈陸續列裝。其中，雷達/紅外雙模制導作為復合導引的典型機理，因其能夠全天候工作，抗干擾能力強[4-6]，具備適應復雜戰場環境的作戰能力，成為當下空艦導彈重要的精確制導方式。

2 復合制導搜捕原理

載機平臺發射的導彈進入末制導階段后，由于雷達的距離傳感優勢，其主動雷達系統率先開機，進行目標搜索，探測到目標后保持穩定跟蹤，同時引導紅外光軸與雷達波束方向一致，待彈目距離小于紅外系統探測距離時，紅外傳感器開機，對預先鎖定的目標進行識別，此時雷達也處于搜捕狀態，若鎖定目標為假目標，則進行雙模搜索模式，將2種制導機制獲得的目標信息融合，進行進一步的判斷、搜捕，流程如圖1所示，K0為理論自控終點，K1為實際自控終點，R為雷達搜索波門遠界，r為波門近界，H為紅外系統開機點，M為目標位置。

圖1 雷達/紅外復合制導示意圖Fig.1 Radar/infrared composite guidance figure

3 影響搜捕能力的因素

由于導彈飛行過程中存在自身系統誤差等內部影響以及風場、目標機動等外部制約，基于對復合制導搜捕過程的分析，可以將影響搜捕概率的因素細化為自控飛行散布、目標散布、雷達搜捕因素和紅外搜捕因素、戰場環境因素等5個方面，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) 導彈自控飛行散布

末制導雷達開機時刻導彈所處的位置為導彈自控飛行終點[7]。受到發射平臺、戰場環境因素等影響，雷達開機實際位置與理論終點存在偏差，即自控終點誤差。自控終點誤差過大，會使得導引頭開機時刻處于不良捕獲狀態，影響導彈對預定目標的搜捕。此外，導彈自控飛行受到質心偏差、隨機風擾動、慣導系統偏差[8]產生飛行漂移散布，誤差隨飛行時間累積，對目標搜捕造成較大偏差。

2) 目標散布

目標散布誤差可大致分為目標機動誤差與指示誤差[7，9]。載機對目標進行初步探測時，其跟蹤能力有限，且與目標機動測量存在一定時間偏差。當敵艦發現來襲導彈時，可能采取變速、變方向、變轉彎半徑等機動措施[10]，要求導彈有較為靈敏的搜索跟蹤性能，對紅外成像制導而言，搜捕難度陡升。由于難以對目標運動狀態準確描述，通常在研究中考慮敵艦最大機動范圍來采取下一步打擊措施。

3) 雷達搜捕因素

雷達搜索目標時，通常認為當目標被雷達波門區域有效覆蓋時捕獲成功[11]。覆蓋區域大小取決于雷達波門近界、遠界、搜索扇面角大小。開機時刻導彈與目標有效距離處于近界、遠界之間是預選目標能夠被初始鎖定的必要條件。當目標處于雷達波門內時，雷達自身性能參數決定是否能夠對目標識別進行準確識別。當雷達視場中有非目標存在時，對真目標的有效搜捕對雷達參數性能提出更高要求。此外，例如捕鯨叉導彈，其搜索扇面角較大，為±45°[12]，視場能存在假目標的可能性隨搜索扇面增大，依據現有目標識別能力，搜捕概率降低。

4) 紅外搜捕因素

紅外傳感器系統的搜捕能力主要體現在搜索截獲能力和對已截獲目標的跟蹤探測能力。紅外制導系統影響其搜捕能力的因素主要分為傳感器性能參數、目標輻射特性、進入角和目標背景灰度差[13]。搜索截獲能力受目標輻射特性、導彈攻擊方向與太陽方位的夾角以及目標與背景的灰度差的影響較為顯著。傳感器性能參數對應跟蹤探測能力，主要包括光學系統透過率、光學系統焦距、光學系統通光孔徑和探測器探測率[14]4個方面。

5) 戰場環境因素

戰場環境因素主要涵蓋戰場天候條件和島岸環境2個方面。在實戰中，大氣窗口探測波段通常是紅外導引頭的主要探測波段[15]。戰場天候條件主要包括能見度、雨、霧、風力等[16]。雨霧會顯著衰減目標的紅外能量和雷達電磁輻射；不同能見度條件下，紅外傳感器識別目標能量有所差異，戰場隨機陣風使得導彈自控飛行散布增大。此外，島岸背景中零星分布的島礁、巖石以及復雜的岸上設施，可能使得目標處于島岸電磁背景當中，導致雷達捕獲目標失敗[17]。

4 搜捕概率計算方法

雷達/紅外雙模導引頭是主動雷達子系統和紅外成像子系統的分孔徑復合模式[18]，2個探測系統既可獨立工作又有信號聯系，如圖3所示，被探測目標的雷達輻射特征和紅外輻射特征相互獨立、互不影響。復合制導搜捕能力是將雷達搜捕能力與紅外探測能力的融合，對其進行評估量化需要對雷達搜捕能力和紅外搜捕能力展開分析。

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

1) 雷達制導搜捕概率計算

目前計算捕捉概率模型的解析方法較多，文獻[19]提出利用卷積算法計算目標照射概率，沒有考慮目標的運動規律；文獻[20]將矩形法和積分法和縱向劃分法改進模型進行對比，研究雷達搜索范圍對捕捉概率的影響；文獻[21-22]分別利用對策論、搜索論求搜捕概率。此外，諸多學者分別考慮自控終點散布誤差、目標機動誤差以及目標指示誤差[8，23-24]、數據鏈斷鏈時間[25]等因素對捕捉概率的影響，建立搜捕能力影響因素模型[26]，分析毫米波雷達制導導彈系統誤差源及其分布特性[27]，考慮島礁環境下的搜捕概率[24]，并研究兩彈方向協同對典型目標捕捉概率[28]。

總體看來，對于單一雷達制導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，不具有一定的系統性，并且對于不同戰場環境條件——降雨、煙霧、水文等因素對搜捕能力的影響以及多彈協同搜捕量化問題均有待深入探究。

2) 紅外成像制導搜捕概率計算

通常，傳統的紅外成像制導目標捕獲概率通過蒙特卡洛等統計方法得到，需建立導彈制導控制系統的詳細數學模型，對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[15]將搜捕概率簡化為平面內正態分布積分問題，并分析大氣平均衰減率對導彈搜捕概率的影響；文獻[16]利用美國空軍modtran4模型，僅探討戰場環境對紅外制導導彈捕獲影響；文獻[29]通過分析影響截獲概率主要誤差源，實現一次彈道計算的截獲概率的數學模型，簡化計算同時產生一定誤差。

在量化紅外搜捕能力時，可以采用統計與理論分析模型結合的方法，充分考慮各類影響，使得研究結果更具實際意義的同時提高計算的準確度。

3) 雷達/紅外復合制導搜捕概率計算

雷達/紅外復合制導空艦導彈成功搜捕目標分為2種情況，基于對復合導引頭工作機理的分析，雷達/紅外復合制導搜捕能力需綜合考慮搜索、捕獲、跟蹤、融合等，如圖4所示。當紅外子系統開機時，若雷達處于跟蹤模式，則引導紅外光軸對準目標進行搜索，搜捕概率的計算與雷達遠區搜捕概率、成功引導紅外概率[30]和紅外搜捕概率、雷達/紅外信息關聯成功率有關。其中，雷達/紅外信息關聯成功率是2種制導體制正確捕獲同一目標并轉入同一目標跟蹤的概率，可以根據融合算法預估為一個定值；若紅外子系統開機時，雷達未能捕獲跟蹤目標，2種制導體制同時進行搜捕，復合搜捕概率與雷達遠區搜捕失敗概率、紅外搜捕概率、融合跟蹤概率相關。紅外搜捕概率是照射概率與截獲概率之積，截獲概率通常根據紅外系統性能和目標性能取常值。

當復合導引頭處于雙模跟蹤狀態時，雷達航向角和紅外航向角屬于正態分布，互相獨立且同分布，當雷達跟蹤精度為0.50、紅外跟蹤精度0.10時，根據概率統計方差公式，經信息融合處理后，跟蹤精度可達0.098，稍優于紅外角跟蹤精度[32]。雷達和紅外輸出點跡中有同一目標時，結合雷達目標特征和紅外目標特征，對雷達目標航跡和紅外目標航跡進行關聯算法處理，調整關聯門限，可使雷達紅外關聯成功率滿足要求。

圖4 雷達/紅外復合制導搜捕流程框圖Fig.4 Radar/infrared composite guidance search process

在復合導引頭的研究中，主要涵蓋了雷達對紅外子系統的導引能力、雙模制導抗干擾能力以及多種制導體制數據融合方法，有關搜捕能力分析的文獻較少。文獻[32]將雙模系統的雷達信號和紅外信號分為4種情形，利用二元檢測原理推導理以信噪比為變量的檢測概率。文獻[30]研究復合制導反艦導彈主動雷達對紅外導引頭的引導，推導雷達對紅外成功引導概率。文獻[18]通過對雙模導引頭工作機理的研究，根據貝葉斯假設檢驗，分別建立了分布式檢測最優融合規則、“與”規則和“或”規則條件下的目標檢測概率模型。

目前，統一2種制導體制的搜捕能力計算時，在相對理想條件下以信噪比為變量，未能考慮制導特性、戰場環境因素和導彈自身性能的問題。鑒于用同一量綱難以對搜捕能力展開準確評估，實現雷達/紅外復合制導搜捕能力量化可靠性、有效性，可以建立對2種單一制導體制搜捕分析以及2類目標特征數據融合機理的研究。

5 搜捕能力的優化發展

1) 搜捕信息一體化

通過數據鏈系統實現數據時空一體，提高傳感系統數據的統一。當任意子系統發生故障后，能夠從時間、空間等2種校準方式進行恢復處理。研究基于前沿技術的雷達/紅外數據融合方法，諸如神經元網絡技術、人工智能等，以提高數據融合效能。開發多彈聯合搜索，彈彈以及導彈與其他通訊載體的互聯互通[33]，在時間、空間、功能和戰術上實現對指定目標的搜捕識別。可以通過發射前置導引導彈，獲取的戰場態勢，再回傳給從彈進行制導修正，戰術與技術結合，以提高對目標實時探測和修正的能力，提高命中精度。

2) 目標識別技術優化

在硬件層面，采用探測距離遠、分辨率更高、更靈敏化、搜索范圍更靈活、強抗干擾能力的末制導雷達和紅外傳感器，例如合成孔徑雷達、太赫茲雷達、紅外多光譜、超長波紅外等技術。建立目標、戰場環境特征數據庫，特別是對島岸目標進行打擊情況下，采用編隊模式識別、搜索過程實時判別分選技術等先進目標識別處理技術，充分利用搜捕過程中的冗余數據以預判處理，提高導引頭對真假目標的判別，引導導彈根據實時搜捕動態對后續搜索自主智能規劃。

3) 航路機動搜索

通過導彈飛行控制系統與目標識別算法的雙重優化以及對戰場環境的預先分析，實現航路機動的搜索方式。在導彈大動力航程基礎上，預先選擇合適的航路點，再根據規劃航路開展區塊搜捕。在島岸環境下，機動規避島礁，采取變搜索扇面角、變雷達波門遠、近界的方式進行搜捕。

6 結論

精確制導技術隨導彈的發展已經歷了四代變革，其中雷達/紅外復合制導克服單傳感器缺陷，能夠融合目標不同類型特征，有效提高跟蹤精度和抗干擾性能，大大加強空艦導彈打擊目標效能，是制導領域先進技術。目前國內外針對復合制導聯合搜捕能力的量化研究較少，往往通過實彈試驗進行搜捕指標驗證，尚未建立仿真模型，影響因素分析不全面，難以對特定戰場環境下的空艦導彈搜捕能力進行研究。因此，量化分析其搜捕能力，優化數據融合技術，對后續的裝備研制改進以及不同戰場環境下作戰方法研究具有重要意義。