摘 要:通過對現有激光引信探測手段和探測原理的分析,為應對未來戰爭的需求,提出一種新的激光引信技術——逆合成孔徑成像激光引信。逆合成孔徑成像激光引信能夠在導彈高速運動的情況下,通過導彈與目標的相對運動完成對目標的瞬時成像并引導導彈完成對目標的精確打擊,具有重要的軍事應用價值。
關鍵詞:激光成像引信; 高速運動; 瞬時成像; 精確打擊
中圖分類號:TP957 文獻標識碼:A
文章編號: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
引信是利用環境信息和目標信息,或按預定條件控制戰斗部在相對于目標最有利的位置或時機起爆或引爆戰斗部主裝藥的控制系統,因此引信必須具備四個基本功能:保險、解除保險、鎖定目標和確定炸點、起爆戰斗部[1]。引信工作過程的動態性、瞬時性和一次性,構成了引信區別于導彈其他系統的主要特點。一個性能良好的引信,不僅能保證戰斗部以至全彈的安全性,而且能使戰斗部充分發揮毀傷目標的威力。隨著高新技術的不斷發展,可以預見未來的戰場環境和戰爭模式將更加復雜,導彈將面對具有隱身技術、攜帶干擾設備的高機動性飛機,以及運動速度高、運動形式復雜的彈道導彈、巡航導彈等眾多目標。這些新特點要求未來導彈的引信必須向智能化方向發展,即集計算機、自動控制、人工智能和各種先進傳感器于一體的綜合性控制技術,應該具備三種功能:感覺功能、思維功能和控制動作功能。因此實現導彈引信的智能化、智能探測與自適應控制應是關鍵環節[2-6]。
針對未來導彈引信對目標實現智能探測的需求,本文提出一種新的激光引信技術——逆合成孔徑成像激光引信,它能夠通過導彈與目標的相對運動完成對目標的瞬時成像,完成對目標的準確識別和定位,并在此基礎上能引導導彈完成對目標的精確打擊。
1 導彈引信發展現狀分析
自導彈出現以來,引信技術的研究與發展就一直倍受關注。現有的導彈引信主要包括無線電引信、紅外引信和激光引信[7]。
1.1 無線電引信
無線電引信是早期使用較為廣泛的一種引信,具有動態性、瞬時性、一次性;引爆指令的高精確性;近距離和超近距離工作下,引信啟動的適時性;工作波段寬;體積小、質量輕、可靠性要求高、抗電磁干擾能力差的特點。但是無線電引信的單一調制波形呈現出的較大不足,以及由于距離特性的非絕對截止和非相關噪聲的存在,限制了其在低空、超低空和空地、地地導彈中的應用,限制了在作用距離較大導彈引信上的應用。隨著毫米波技術的發展,特別是毫米波固態器件的發展,使引信工作在毫米波段成為可能。毫米波無線電引信的毫米波波導元件體積小,質量輕;能實現窄波束、低副瓣,可提高探測精度和分辨率,提高引戰配合效率;抗干擾能力較強,有利于超低空工作,在同樣的彈目相對速度下,具有較高的引信靈敏度;受氣候影響較小,幾乎可全天候工作。
1.2 紅外引信
紅外引信與無線電引信所利用的信號不同,其原理和具體結構也不同,主要區別是光敏裝置部分。紅外引信體積小、質量輕;具有良好的抗干擾能力;工作的隱藏性好;被動紅外引信實現方法簡單,工作在近紅外和中紅外波段,無法進行全向攻擊,并且由于不同目標的紅外輻射具有較大的差異,導致引信作用距離散布較大。此外,易受環境背景和銹餌干擾,不能全天候工作。為確保導彈引信在未來作戰的復雜環境下仍能有效地毀傷目標,發展紅外成像引信成為了一種有效措施和必然趨勢。紅外成像引信抗干擾和抗電磁輻射能力較強,無需現有各種導彈引信所要求的延遲時間,在不同彈目交會條件下,可較好地解決炸點自適應控制,較精確地給出目標方位信息,真正解決引戰配合問題,真正實現對目標部位的瞄準和定向實時引爆,進而能大大提高導彈的單發毀傷概率。但是目標的二維乃至三維信息給信息處理提出了更高的要求。
1.3 激光引信
現代作戰環境的需求和激光技術的迅猛發展極大地促進了激光引信的產生。由于激光具有方向性強、單色性和相干性好等優異性能,因此利用激光引信實現成像探測是一種重要手段。激光引信體積小、成本低;能夠提供較精確的目標距離——方位信息;具有良好的抗電磁/干擾能力;定距精度高,實時測距準時引爆,對各類目標控制炸點精度高;工作安全可靠。因此,在導彈引信中得到了廣泛的應用。
2 逆合成孔徑成像引信成像技術研究
傳統引信不能辨識目標部位,研究起爆控制時一般把整個目標看作點目標或線目標而建立起爆控制模,難以對引信實施較為準確的起爆控制,而成像引信可以有效識別目標及目標的關鍵部位,使對目標的精確打擊成為可能,其起爆控制先由引信獲取目標圖像,然后識別待打擊部位及相對導彈脫靶方位,并計算戰斗部最佳起爆延時,同時預測經最佳起爆延時后脫靶方位變化,以確定最佳起爆方位,最后根據方位,經簡單編碼,控制多輸入多輸出爆炸邏輯網絡,實現戰斗部定向起爆,從而實現對目標高效的精確打擊。因此,成像引信是未來引信發展的重要方向。
空空導彈的打擊目標主要是高速運動目標,因此要求成像具有實時性。通常的激光成像采用的是基于掃描式的成像方式,對運動目標實現高分辨瞬時成像較為困難。與現有的激光成像相比,逆合成孔徑成像技術所需的成像時間更短,圖像的方位向分辨率更高,并能夠通過對圖像及其局部特征的提取增強對目標的識別能力。
2.1 逆合成孔徑技術
逆合成孔徑技術現在主要應用于逆合成孔徑雷達之中,它的成像原理如圖1所示。假設雷達位于坐標系XOY的原點O,X軸方向為起始時刻的雷達電軸方向,Y軸為垂直于電軸方向的目標運動方向。選擇目標的中心點A為參考點,在起始時刻,參考點位于X軸上距離雷達Xc處(Xc遠遠大于目標的尺寸)。目標由k個散射點構成,散射點Pk在坐標系中的坐標為(xk,yk),目標沿著Y軸的正方向以速度v作勻速運動[8]。
圖1 雷達與目標模型幾何關系
目標中心點A在t時刻位于(Xc,vt),散射點Pk位于(Xc+xk,vt+yk),散射點Pk到雷達的距離為Rk(t)=(Xc+xk)2+(vt+yk)2,中心點A到雷達的距離為R1(t)=X2c+v2t2,由于OPk和OA遠遠大于PkA,則兩者之間的徑向距離差為(實際距離在雷達電軸方向上的分量):
ΔR(t)=Rk(t)-R1(t)
=(Xc+xk)2+(vt+yk)2-X2c+v2t2
xk+vykt/Xc(1)
若將其平動分量加以補償,目標相對于雷達的運動則等效為轉臺目標,即目標放在轉臺上勻速轉動,雷達等效于從固定位置接收回波信號[9]。如圖2所示,目標參考點A固定于雷達坐標系X軸上距雷達Xc處(Xc遠大于目標尺寸),目標坐標系xAy坐標軸方向與雷達坐標系方向一致。假設成像期間T內目標相對于雷達可以近似看作勻速轉動,r為點目標到轉臺中心的半徑,轉速為ω0,在相鄰兩次觀察時間內,點目標轉過了一個很小的角度δθ1,由P移動到P′的位置,則轉臺目標的散射點P′到參考點A的徑向距離為:
ΔR′(t)=Rk′(t)-Xc
=X2c+r2+2Xcrcos θ-Xc
xk+ykω0t(2)
式中:θ=θ0+δθ1。經過對比可以發現,當ω0=v/Xc時式(1)和式(2)相同。也就是說勻速運動目標經運動補償后,散射點在徑向上相對于參考點作勻速運動,即徑向速度vrk=vyk/Xc=ykω0。
2.2 成像分辨率分析
假設發射的是脈沖信號,距離向分辨率將等于處理后脈沖信號時寬τ所對應的距離,若采用復雜的脈壓信號,τ應以信號帶寬B的倒數代替,即縱向距離(距離向)分辨率ΔRx為:
ΔRx=cτ/2=c/(2B)(3)
式中:c為光速。
圖2 目標轉臺模型示意圖
橫向距離的分辨基于多普勒分辨,如圖2所示。r為點目標到轉臺中心的半徑,在相鄰兩次觀察時間內,點目標轉過了一個很小的角度δθ1,則其在雷達電軸方向(X軸方向)的位移為:
Δx=x2-x1=rcos(θ0+δθ1)-rcos θ0
=rcos θ0cos (δθ1)-rsin θ0sin (δθ1)
ypδθ1(4)
轉動引起的兩次回波相位差為:
Δφ=4πΔx/λ=(4π/λ)ypδθ1(5)
式中:λ為發射信號波長。式(5)表明,點目標的兩次回波相位差與該點相對于中心點的方位向位置yp成正比,目標距離轉動軸心的位置越遠,該點目標的多普勒頻率越高。目標勻速轉動時,在M次觀測時間范圍內總共轉過的角度為Δθ=Mδθ1,則橫向距離相差Δy的兩個點目標的總回波相位差為:
Δφ=(4π/λ)ΔyΔθ(6)
用傅里葉變換作多普勒分析時,只要用Δφ≥2π兩個點目標就可分辨出來,這時的橫向分辨率為:
ΔRy=λ/2Δθ(7)
可見,在波長一定的情況下,橫向分辨率越高,則需要轉過的角度越大。
2.3 逆合成孔徑成像激光引信
引信最重要的作用就是能夠適時引爆戰斗部。導彈在攔截飛機等目標時,彈目交會速度往往極高,因此成像引信需要適應這種高速交會的情況,能夠實現瞬時高分辨成像,并在極短時間內完成引爆。激光信號的極大帶寬和極短波長,將大大提高引信的瞬時高分辨成像能力。因此,這里將逆合成孔徑技術與激光技術相結合,并應用于導彈引信中,用于實現在高速運動情況下的瞬時成像和準確定位。
從上一節的分析可以得知,成像的距離分辨率取決于信號的帶寬。假設微波信號的帶寬為400 MHz,則由式(3)可以推出,成像的距離分辨率ΔRx=0.375 m,而激光信號通常的帶寬要遠大于微波信號;假設發射激光信號的帶寬為40 GHz,則距離分辨率ΔRx可以達到0.003 75 m,其成像效果要遠好于微波信號,能實現對目標更加準確的識別。
圖3 逆合成孔徑成像激光引信結構圖
成像的橫向分辨率主要取決于信號的波長和目標與雷達的相對轉角,在波長一定的情況下,要實現越高的橫向分辨率就需要越大的轉角,即要越多的時間,這將影響成像的實時性。而激光信號的波長要比微波信號短很多(通常為3~5個數量級),因此,在達到相同分辨率的情況下,利用激光信號成像所需時間將大大縮短,十分符合引信對瞬時成像的要求。
圖4即為逆合成孔徑激光成像引信對目標實現成像并引導導彈對目標實現精確打擊的示意圖。
圖4 逆合成孔徑成像激光引信引導導彈攻擊飛機示意圖
3 結 語
將逆合成孔徑技術與激光技術相結合并應用于導彈引信中是引信技術的一個全新嘗試。但是,要進一步運用于工程實現,還有許多問題亟待解決,主要包括:
(1) 發射功率問題。現有的激光引信采用的發光器件主要是半導體激光器,它具有體積小、結構簡單等特點,通常的發射功率在60~90 W之間,引信接收到的能量會隨著距離增加呈三次方的比率衰減,即發射能量增加8倍,探測距離才能增加1倍。逆合成孔徑成像激光引信需要將發射的激光信號擴束后實現成像,因此信號能量的衰減將更加嚴重,要在遠距離實現對目標的探測和成像,則提高引信的發射功率至關重要。
(2) 提高抗干擾性能。激光信號容易受到自然環境的影響,對云層、薄霧、飛機尾氣的干擾比較敏感,容易因此而造成虛警,使戰斗部早炸或誤炸。因此,如何采用有效的手段提高激光引信的抗干擾性能也是需要解決的問題。
(3) 收發串擾問題。收發串擾是激光引信普遍存在的問題[10],在逆合成孔徑成像激光引信中同樣也會存在。形成串擾的原因一般是,輻射光電脈沖由系統空間形成的直接耦合和由公共線地線、電源線形成的網絡耦合。只有有效解決這一問題,才能使引信的性能發揮到最佳。
本文提出的逆合成孔徑成像激光引信與其他激光引信相比,可以完成對目標超高分辨瞬時成像和識別,并在此基礎上實現對目標的精確打擊,為導彈引信的智能化探測提供了新的思路,具有一定的參考價值。
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