毫米波雷達精確制導導彈發展分析

吳馨遠，劉 箴，張思琪，許潔心，陳士超

(西安現代控制技術研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

毫米波雷達精確制導技術是普遍應用于現代精確制導武器的高新技術,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,因此毫米波雷達導引頭具有體積小、重量輕、精度高、抗干擾能力強、穿透云霧塵埃能力強等特點。此外,還可與紅外、激光導引頭集成,形成多模導引頭,進一步提升制導武器的抗干擾能力和戰場適應性能。

1 典型毫米波雷達精確制導武器發展現狀

1.1 長弓海爾法導彈和聯合空地導彈(JAGM)[1]

AGM-114海爾法導彈是美國陸軍現役重型反裝甲系列精確打擊導彈。AGM-114L長弓海爾法導彈基于AGM-114K海爾法Ⅱ導彈的設計,將114 K的激光半主動導引頭段替換為與AH-64D阿帕奇AN/APG-78長弓雷達匹配的平臺式Ka波段毫米波主動雷達導引頭,如圖1所示。導引頭采用8 mm毫米波導引頭雷達,工作在35 GHz頻段,測角方式為單脈沖測角體制,導彈口徑178 mm。導彈利用機載AN/APG-78長弓雷達,實現全天時全天候目標分類和識別。

圖1 AGM-114L長弓海爾法導彈導引頭Fig.1 Seeker of AGM-114L Longbow Hellfire

AGM-114L長弓海爾法導彈導引頭包括半球形頭罩和圓柱形天線/萬向支架組件。毫米波雷達天線位于頭罩內,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(IMS)和前級裝藥,之后裝有激勵器、中頻接收機、時鐘、PP/SI、DSP存儲器和通用處理器(GPP)/存儲器等電子組件。

攻擊目標時,由AN/APG-78長弓雷達或目標捕獲及指示瞄準具捕獲目標,隨后將目標參數裝訂至導彈,便于導引頭對準目標并設定慣性導航系統。導彈含3種發射模式:LOAL、LOBL、LOBL-I,前者用于靜止目標,其余兩種用于移動目標。

隨后,美國陸軍對AGM-114L進行升級,使其毫米波雷達導引頭具備干擾源自動尋的/抗干擾(軟件升級)和反主動防護系統(軟硬件升級)的能力。

AGM-179A聯合空地導彈(JAGM)適配于多平臺,替代機載陶、AGM-114海爾法、AGM-65幼畜等導彈,提高作戰靈活性并降低勤務支持成本。JAGM以AGM-114R海爾法Ⅱ為原型彈,保持模塊化設計,采用毫米波雷達和激光半主動雙模制導方式,對地面、海上的靜止、移動、重新定位目標進行有效殺傷。中程型JAGM(JAGM-MR)替換發動機并增加低成本成像傳感器,改為三模導引頭,改善了目標跟蹤、命中點位置和對多種條件及目標組的殺傷力如圖2所示,長弓海爾法、聯合空地導彈性能參數如表1所示。

表1 長弓海爾法、聯合空地導彈性能參數Table 1 Performance specifications of Longbow Hellfire, JAGM and JAGM-MR [5]

圖2 JAGM導引頭Fig.2 Tri-mode seeker of JAGM

1.2 硫磺石導彈

硫磺石(Brimstone)導彈是歐洲導彈集團(MBDA)為滿足英國皇家空軍對遠程反裝甲武器需求,基于海爾法導彈研制的空地武器。至今以基型硫磺石導彈為基礎,已螺旋式發展出雙模硫磺石、硫磺石2等多種型號,形成一彈多平臺武器系統,可精確打擊主戰坦克、海岸監視雷達、機動車輛等時敏目標。

基型硫磺石[2]毫米波雷達主動尋的制導反坦克導彈于2005年服役,典型特點是相位修正卡塞格倫天線和基于準光學技術的全極化單脈沖饋電網絡。其3 mm毫米波導引頭采用低功率、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,導彈口徑為178 mm,如圖3所示。該導引頭具有全天時、全天候目標搜索識別能力、地形回避能力,能夠對目標回波完成高分辨的成像,利用彈上處理系統對目標實現實時識別與分類。對于識別出的目標,導彈可以定位目標的最佳打擊部位,最大程度地對目標造成殺傷破壞。導彈可從任意高度(45～13 700 m)發射,高空發射后以60°角向下俯沖,距地面150 m時改為穩定巡航,搜索目標。

圖3 硫磺石導引頭Fig.3 Seeker of Brimstone

為更好適應伊拉克戰爭中的戰場需求,提高導引頭在復雜背景下的目標選擇能力,在基型的基礎上增加激光半主動導引模式,成為雙模導引頭,雷達與激光半主動系統共用拋物反射面天線。此外,雙模硫磺石[1]導彈應用新處理算法,結合慣性導航系統、數字自動駕駛儀,允許導彈在發射后取消攻擊或糾正目標鎖定,還可以根據目標類型,選擇使用單模或雙模攻擊,進一步提升了精確制導能力[2]。

硫磺石2(SPEAR Cap 2 Block 1)導彈以雙模硫磺石導彈為基礎,增加了被動雷達模式,提升了對地面高速移動目標(含低雷達散射截面(RCS)目標)的搜索跟蹤能力[2],其導引頭如圖4所示。對機動目標,制導末段從激光半主動模式交接至毫米波雷達制導模式。對集群目標則可采用毫米波雷達單模方式齊射,且發射后無需管控[3]。

圖4 硫磺石2導引頭Fig.4 Seeker of Brimstone 2

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

硫磺石3A導彈保留了硫磺石2導彈的模塊化彈體、雙模導引頭、不敏感彈藥火箭發動機和多效戰斗部,替換過時部件并對性能做出提升。采用基于MEMS的IMU和改進型自動駕駛儀,而內存及計算處理的更新也有利于后續拓展硫磺石3B導彈。

應英國國防部需求,歐洲導彈集團(MBDA)沿用硫磺石3導彈的技術[3]和模塊化設計,研制了一種能夠搭載多平臺、全天時精確打擊靜止/移動裝甲目標的防區外空對面導彈SPEAR Cap 3[1],如圖5所示。該彈可通過雙向數據鏈,實現發射后重新定位。硫磺石及其改型性能參數如表2所示。

圖5 SPEAR Cap 3Fig.5 SPEAR Cap 3

1.3 反輻射導彈

AGM-88E先進反輻射導彈(AARGM)在美國第三代反輻射導彈哈姆的基礎上,保留氣動外形、火箭發動機和戰斗部,增加工作頻率為94 GHz的主動毫米波制導雷達模式,成為主/被動雷達雙模復合導彈[5],不僅能以低附帶損傷快速打擊雷達目標及非雷達時敏目標,還可有效應對敵方雷達關機,其性能達到了第4代水平。

AARGM[1]導彈的毫米波雷達導引頭由W波段脈沖收發機和專用天線等組成,寬頻帶被動雷達(IARH)寬頻帶接收機可以高精度測量目標信號的相位、振幅和頻率,如圖6所示。

圖6 AGM-88E AARGM導引頭Fig.6 Seeker of AGM-88E AARGM

AARGM導彈采用曲線彈道,便于IARH接收機獲取目標雷達輸出的多個測向截取信息,通過被動三角測距確定目標雷達相對于導彈的方位,隨后與GPS接收機/處理器的信息融合,轉換為大致坐標位置。可以根據需要使用毫米波雷達導引頭確定彈目垂直角度。如果目標發射機在攻擊過程中關機,則毫米波雷達導引頭末段搜索模式啟動,重新捕獲目標發射機。

AGM-88G增程型AARGM導彈(AARGM-ER)滿足了美國海軍對提升AARGM導彈在A2/AD環境中對抗先進能力作戰效果的要求。它沿用AGM-88E導彈的傳感器、電子設備和戰斗部[7],包括探測距離為9.3 km的毫米波主動雷達導引頭、數字被動天線陣列、微波電路集成插件、雷達射頻信號數字處理機。該型導彈既可以像傳統哈姆那樣接收并鎖定敵方雷達信號,利用曲線彈道對目標雷達進行被動三角定位,也可以在雷達關機后通過毫米波主動雷達導引頭鎖定目標進行攻擊,其視場、靈敏度、帶寬、精度和數據處理能力均優于哈姆導彈,此外還可以打擊非雷達目標。

AGM-88F導彈沿用了現有哈姆導彈型號的毫米波導引頭,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]。典型反輻射導彈性能參數如表3所示。

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

1.4 含毫米波的復合精確制導彈藥

雖然毫米波雷達制導具備全天候工作、體積小等諸多優點,但隨著戰場環境復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進行復合,提升其戰場適應性。

1.4.1 暴風之錘(Storm Breaker)多模復合制導炸彈

暴風之錘GBU-53B SDBⅡ[1,7-8]小直徑制導炸彈采用三模導引頭,將毫米波雷達/非制冷紅外成像/激光半主動模式集成在體積很小的單個萬向架上,采用蛤殼式透明天線頭罩,是世界首型三模導引頭,如圖7所示。非制冷紅外成像傳感器采用卡塞格林光學結構,感知目標的紅外溫度特性,形成圖像并精確識別。通過數據融合和控制實現3種傳感器探測信息的無縫共享,實現全天時、全天候對固定、移動目標的打擊。

圖7 暴風之錘GBU-53B SDBⅡ導引頭Fig.7 Seeker of StormBreaker GBU-53B SDBⅡ

該制導炸彈在中段為GPS輔助導航,導引頭進行末制導,撞擊目標前,導引頭回傳最后一幅圖像,便于指揮站評估毀傷效果。導引頭利用武器的雙波段雙向數據鏈傳輸數據,Link 16數據鏈與機載Link 16設備互聯通信,甚高頻(UHF)信道接收地面發射的目標指示信息,未來可根據需要升級軟件,增加其他波形。

1.4.2 斯塔納(Stunner)雙模制導導彈

斯塔納導彈是以色列大衛投石索中程防空系統的攔截導彈,是用于攔截近程彈道導彈、大口徑火箭、巡航導彈和無人機的兩級攔截彈,2017年與大衛投石索防空系統一同投入使用。

斯塔納導彈的導引頭采用不對稱設計,紅外導引頭位于最前端,斜向一側,共形雷達天線位于另一側[9]。通過數據鏈與地面通信,可自動或通過指令改變飛行路徑或重新定位[10]。

由于MMW導引頭拓寬了導彈的戰場適用性,MMW導引頭的使用也受到多個國家的重視。

土耳其Kuzgun[11]系列精確制導彈藥是100 kg級的模塊化、低成本新一代產品,命中精度高,附帶損傷低,如圖8所示。目標包括軍事單位、輕/重型裝甲車輛、掩體及地面移動目標等。該系列彈藥配備慣性導航系統、GPS(CRPA/抗干擾)、數據鏈、激光或IIR/CCD探測器和集成毫米波雷達。含毫米波的復合精確制導武器性能參數如表4所示。

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

圖8 Kuzgun內部設計Fig.8 Internal design of Kuzgun

2 毫米波雷達精確制導武器特點及發展趨勢

2.1 毫米波雷達精確制導武器特點[12]

其特點主要概括為以下幾個方面:

1) 尺寸小,重量輕,通過煙霧塵霾的能力強,作用不受氣候條件制約,機動性和隱蔽性好。機載使用時可提高載機生存率,同時降低附帶損傷。部分導彈尺寸小至可掛載在戰斗機內埋武器艙內。

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分出運動目標的能力強,對目標的速度鑒別性好,但作用距離受限。

3) 對于毫米波主動雷達制導彈藥,可有效對抗突然關機的敵方雷達目標。但另一方面,由于導引頭不斷向外輻射射頻信號,所以更有可能被敵方探測到,進行干擾或攔截。

2.2 發展趨勢[12-14]

信號處理、電子技術及材料、計算機等領域的發展促進了毫米波雷達精確制導在現代精確制導武器上的應用。對典型毫米波雷達精確制導武器進行梳理總結,從中可預見未來將朝著以下幾個方向發展:

1) 偵察半徑更遠、識別性能更優、對抗能力更強現有毫米波導引頭采用一維距離像進行搜索識別,存在作用距離近和識別率低等問題。綜合考慮毫米波雷達導引頭性能及導彈精確打擊要求等,可設計最優彈道,借助其他成像方法,進行二維相干積累,提升信號增益,增加導引頭作用距離。同時,綜合利用目標幾何、散射、背景和視頻等多類特征,結合深度神經網絡的優異特性,顯著提升毫米波雷達導引頭的目標識別性能。

而作戰環境和作戰任務日益復雜,毫米波雷達導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,未來發展也必然需要更強的干擾對抗能力。

2) 模塊化、系列化、智能化模塊化、系列化發展是目前各精確制導武器的發展趨勢,模塊化結構設計使導彈更易于改進升級,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,同時也提高了導引頭的可靠性。新一代人工智能技術未來將在彈道規劃、基于圖像的目標識別、多模式聯合工作等多個方面提升現有毫米波雷達導引頭目標搜索識別能力。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,一直新型和未知干擾,大幅增強毫米波制導導彈的偵察打擊能力。

3) 多平臺應用,向各新型戰機、無人機、無人平臺延伸機載空空、空地導彈通常要求具有發射后不管、全方位探測(特別是良好的低空及下視性能)以及與初、中段制導相配合實現遠程攻擊的能力。為此,通常采用脈沖多普勒工作體制,足夠高的脈沖重復頻率可保證無雜波區檢測目標。隨著新型戰機如F-35的發展,硫磺石、JAGM等彈藥也相繼做出改進,以適應在新平臺上的發射。而如今戰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,如暴風之錘搭載的MQ-9死神無人機、硫磺石3搭載的MQ-9B海上衛士和Kuzgun搭載的Bayraktar TB2、Akinci、Aksungur無人機。此外,基型硫磺石還可搭載無人車,Kuzgun可搭載艦船。

4) 成熟制導體制間相互組合,形成新型多模復合導引頭單一的制導模式容易受到戰場環境限制,降低武器作戰使用的靈活性。毫米波雷達導引頭具備尺寸小、重量輕的特點,在已成熟的單一探測體制武器上加裝毫米波雷達探測體制,更有利于在有限空間內綜合利用不同制導體制的優勢。如雙模硫磺石復合了半主動激光導引頭和毫米波導引頭,形成人在回路干預能力,集防區外發射、全天候作戰和快速部署等優勢為一體。

3 結束語

隨著現代戰場環境不斷變化,毫米波雷達精確制導技術自20世紀50年代發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。而為了實現這些彈藥的作戰需求,信號處理、電子技術及材料等領域也不斷推進,可以說,毫米波雷達精確制導技術引領了MMIC、雷達成像芯片等多個器件領域的發展。未來,毫米波雷達精確制導武器將繼續向多模復合制導及毫米波成像技術方向發展,以取得更廣泛的應用前景,滿足更苛刻的作戰使用要求。