激光引信新技术研究
摘 要:通过对现有激光引信探测手段和探测原理的分析,为应对未来战争的需求,提出一种新的激光引信技术——逆合成孔径成像激光引信。逆合成孔径成像激光引信能够在导弹高速运动的情况下,通过导弹与目标的相对运动完成对目标的瞬时成像并引导导弹完成对目标的精确打击,具有重要的军事应用价值。
关键词:激光成像引信; 高速运动; 瞬时成像; 精确打击
中图分类号:TP957 文献标识码:A
文章编号: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
引信是利用环境信息和目标信息,或按预定条件控制战斗部在相对于目标最有利的位置或时机起爆或引爆战斗部主装药的控制系统,因此引信必须具备四个基本功能:保险、解除保险、锁定目标和确定炸点、起爆战斗部[1]。引信工作过程的动态性、瞬时性和一次性,构成了引信区别于导弹其他系统的主要特点。一个性能良好的引信,不仅能保证战斗部以至全弹的安全性,而且能使战斗部充分发挥毁伤目标的威力。随着高新技术的不断发展,可以预见未来的战场环境和战争模式将更加复杂,导弹将面对具有隐身技术、携带干扰设备的高机动性飞机,以及运动速度高、运动形式复杂的弹道导弹、巡航导弹等众多目标。这些新特点要求未来导弹的引信必须向智能化方向发展,即集计算机、自动控制、人工智能和各种先进传感器于一体的综合性控制技术,应该具备三种功能:感觉功能、思维功能和控制动作功能。因此实现导弹引信的智能化、智能探测与自适应控制应是关键环节[2-6]。
针对未来导弹引信对目标实现智能探测的需求,本文提出一种新的激光引信技术——逆合成孔径成像激光引信,它能够通过导弹与目标的相对运动完成对目标的瞬时成像,完成对目标的准确识别和定位,并在此基础上能引导导弹完成对目标的精确打击。
1 导弹引信发展现状分析
自导弹出现以来,引信技术的研究与发展就一直倍受关注。现有的导弹引信主要包括无线电引信、红外引信和激光引信[7]。
1.1 无线电引信
无线电引信是早期使用较为广泛的一种引信,具有动态性、瞬时性、一次性;引爆指令的高精确性;近距离和超近距离工作下,引信启动的适时性;工作波段宽;体积小、质量轻、可靠性要求高、抗电磁干扰能力差的特点。但是无线电引信的单一调制波形呈现出的较大不足,以及由于距离特性的非绝对截止和非相关噪声的存在,限制了其在低空、超低空和空地、地地导弹中的应用,限制了在作用距离较大导弹引信上的应用。随着毫米波技术的发展,特别是毫米波固态器件的发展,使引信工作在毫米波段成为可能。毫米波无线电引信的毫米波波导元件体积小,质量轻;能实现窄波束、低副瓣,可提高探测精度和分辨率,提高引战配合效率;抗干扰能力较强,有利于超低空工作,在同样的弹目相对速度下,具有较高的引信灵敏度;受气候影响较小,几乎可全天候工作。
1.2 红外引信
红外引信与无线电引信所利用的信号不同,其原理和具体结构也不同,主要区别是光敏装置部分。红外引信体积小、质量轻;具有良好的抗干扰能力;工作的隐藏性好;被动红外引信实现方法简单,工作在近红外和中红外波段,无法进行全向攻击,并且由于不同目标的红外辐射具有较大的差异,导致引信作用距离散布较大。此外,易受环境背景和锈饵干扰,不能全天候工作。为确保导弹引信在未来作战的复杂环境下仍能有效地毁伤目标,发展红外成像引信成为了一种有效措施和必然趋势。红外成像引信抗干扰和抗电磁辐射能力较强,无需现有各种导弹引信所要求的延迟时间,在不同弹目交会条件下,可较好地解决炸点自适应控制,较精确地给出目标方位信息,真正解决引战配合问题,真正实现对目标部位的瞄准和定向实时引爆,进而能大大提高导弹的单发毁伤概率。但是目标的二维乃至三维信息给信息处理提出了更高的要求。
1.3 激光引信
现代作战环境的需求和激光技术的迅猛发展极大地促进了激光引信的产生。由于激光具有方向性强、单色性和相干性好等优异性能,因此利用激光引信实现成像探测是一种重要手段。激光引信体积小、成本低;能够提供较精确的目标距离——方位信息;具有良好的抗电磁/干扰能力;定距精度高,实时测距准时引爆,对各类目标控制炸点精度高;工作安全可靠。因此,在导弹引信中得到了广泛的应用。
2 逆合成孔径成像引信成像技术研究
传统引信不能辨识目标部位,研究起爆控制时一般把整个目标看作点目标或线目标而建立起爆控制模,难以对引信实施较为准确的起爆控制,而成像引信可以有效识别目标及目标的关键部位,使对目标的精确打击成为可能,其起爆控制先由引信获取目标图像,然后识别待打击部位及相对导弹脱靶方位,并计算战斗部最佳起爆延时,同时预测经最佳起爆延时后脱靶方位变化,以确定最佳起爆方位,最后根据方位,经简单编码,控制多输入多输出爆炸逻辑网络,实现战斗部定向起爆,从而实现对目标高效的精确打击。因此,成像引信是未来引信发展的重要方向。
空空导弹的打击目标主要是高速运动目标,因此要求成像具有实时性。通常的激光成像采用的是基于扫描式的成像方式,对运动目标实现高分辨瞬时成像较为困难。与现有的激光成像相比,逆合成孔径成像技术所需的成像时间更短,图像的方位向分辨率更高,并能够通过对图像及其局部特征的提取增强对目标的识别能力。
2.1 逆合成孔径技术
逆合成孔径技术现在主要应用于逆合成孔径雷达之中,它的成像原理如图1所示。假设雷达位于坐标系XOY的原点O,X轴方向为起始时刻的雷达电轴方向,Y轴为垂直于电轴方向的目标运动方向。选择目标的中心点A为参考点,在起始时刻,参考点位于X轴上距离雷达Xc处(Xc远远大于目标的尺寸)。目标由k个散射点构成,散射点Pk在坐标系中的坐标为(xk,yk),目标沿着Y轴的正方向以速度v作匀速运动[8]。
图1 雷达与目标模型几何关系
目标中心点A在t时刻位于(Xc,vt),散射点Pk位于(Xc+xk,vt+yk),散射点Pk到雷达的距离为Rk(t)=(Xc+xk)2+(vt+yk)2,中心点A到雷达的距离为R1(t)=X2c+v2t2,由于OPk和OA远远大于PkA,则两者之间的径向距离差为(实际距离在雷达电轴方向上的分量):
ΔR(t)=Rk(t)-R1(t)
=(Xc+xk)2+(vt+yk)2-X2c+v2t2
xk+vykt/Xc(1)
若将其平动分量加以补偿,目标相对于雷达的运动则等效为转台目标,即目标放在转台上匀速转动,雷达等效于从固定位置接收回波信号[9]。如图2所示,目标参考点A固定于雷达坐标系X轴上距雷达Xc处(Xc远大于目标尺寸),目标坐标系xAy坐标轴方向与雷达坐标系方向一致。假设成像期间T内目标相对于雷达可以近似看作匀速转动,r为点目标到转台中心的半径,转速为ω0,在相邻两次观察时间内,点目标转过了一个很小的角度δθ1,由P移动到P′的位置,则转台目标的散射点P′到参考点A的径向距离为:
ΔR′(t)=Rk′(t)-Xc
=X2c+r2+2Xcrcos θ-Xc
xk+ykω0t(2)
式中:θ=θ0+δθ1。经过对比可以发现,当ω0=v/Xc时式(1)和式(2)相同。也就是说匀速运动目标经运动补偿后,散射点在径向上相对于参考点作匀速运动,即径向速度vrk=vyk/Xc=ykω0。
2.2 成像分辨率分析
假设发射的是脉冲信号,距离向分辨率将等于处理后脉冲信号时宽τ所对应的距离,若采用复杂的脉压信号,τ应以信号带宽B的倒数代替,即纵向距离(距离向)分辨率ΔRx为:
ΔRx=cτ/2=c/(2B)(3)
式中:c为光速。
图2 目标转台模型示意图
横向距离的分辨基于多普勒分辨,如图2所示。r为点目标到转台中心的半径,在相邻两次观察时间内,点目标转过了一个很小的角度δθ1,则其在雷达电轴方向(X轴方向)的位移为:
Δx=x2-x1=rcos(θ0+δθ1)-rcos θ0
=rcos θ0cos (δθ1)-rsin θ0sin (δθ1)
ypδθ1(4)
转动引起的两次回波相位差为:
Δφ=4πΔx/λ=(4π/λ)ypδθ1(5)
式中:λ为发射信号波长。式(5)表明,点目标的两次回波相位差与该点相对于中心点的方位向位置yp成正比,目标距离转动轴心的位置越远,该点目标的多普勒频率越高。目标匀速转动时,在M次观测时间范围内总共转过的角度为Δθ=Mδθ1,则横向距离相差Δy的两个点目标的总回波相位差为:
Δφ=(4π/λ)ΔyΔθ(6)
用傅里叶变换作多普勒分析时,只要用Δφ≥2π两个点目标就可分辨出来,这时的横向分辨率为:
ΔRy=λ/2Δθ(7)
可见,在波长一定的情况下,横向分辨率越高,则需要转过的角度越大。
2.3 逆合成孔径成像激光引信
引信最重要的作用就是能够适时引爆战斗部。导弹在拦截飞机等目标时,弹目交会速度往往极高,因此成像引信需要适应这种高速交会的情况,能够实现瞬时高分辨成像,并在极短时间内完成引爆。激光信号的极大带宽和极短波长,将大大提高引信的瞬时高分辨成像能力。因此,这里将逆合成孔径技术与激光技术相结合,并应用于导弹引信中,用于实现在高速运动情况下的瞬时成像和准确定位。
从上一节的分析可以得知,成像的距离分辨率取决于信号的带宽。假设微波信号的带宽为400 MHz,则由式(3)可以推出,成像的距离分辨率ΔRx=0.375 m,而激光信号通常的带宽要远大于微波信号;假设发射激光信号的带宽为40 GHz,则距离分辨率ΔRx可以达到0.003 75 m,其成像效果要远好于微波信号,能实现对目标更加准确的识别。
图3 逆合成孔径成像激光引信结构图
成像的横向分辨率主要取决于信号的波长和目标与雷达的相对转角,在波长一定的情况下,要实现越高的横向分辨率就需要越大的转角,即要越多的时间,这将影响成像的实时性。而激光信号的波长要比微波信号短很多(通常为3~5个数量级),因此,在达到相同分辨率的情况下,利用激光信号成像所需时间将大大缩短,十分符合引信对瞬时成像的要求。
图4即为逆合成孔径激光成像引信对目标实现成像并引导导弹对目标实现精确打击的示意图。
图4 逆合成孔径成像激光引信引导导弹攻击飞机示意图
3 结 语
将逆合成孔径技术与激光技术相结合并应用于导弹引信中是引信技术的一个全新尝试。但是,要进一步运用于工程实现,还有许多问题亟待解决,主要包括:
(1) 发射功率问题。现有的激光引信采用的发光器件主要是半导体激光器,它具有体积小、结构简单等特点,通常的发射功率在60~90 W之间,引信接收到的能量会随着距离增加呈三次方的比率衰减,即发射能量增加8倍,探测距离才能增加1倍。逆合成孔径成像激光引信需要将发射的激光信号扩束后实现成像,因此信号能量的衰减将更加严重,要在远距离实现对目标的探测和成像,则提高引信的发射功率至关重要。
(2) 提高抗干扰性能。激光信号容易受到自然环境的影响,对云层、薄雾、飞机尾气的干扰比较敏感,容易因此而造成虚警,使战斗部早炸或误炸。因此,如何采用有效的手段提高激光引信的抗干扰性能也是需要解决的问题。
(3) 收发串扰问题。收发串扰是激光引信普遍存在的问题[10],在逆合成孔径成像激光引信中同样也会存在。形成串扰的原因一般是,辐射光电脉冲由系统空间形成的直接耦合和由公共线地线、电源线形成的网络耦合。只有有效解决这一问题,才能使引信的性能发挥到最佳。
本文提出的逆合成孔径成像激光引信与其他激光引信相比,可以完成对目标超高分辨瞬时成像和识别,并在此基础上实现对目标的精确打击,为导弹引信的智能化探测提供了新的思路,具有一定的参考价值。
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