ZT: 半主动雷达制导体制的变迁

飘雪共青城 发布于2015年1月20日 14:29
对空导弹由二战末期出现，20世纪50年代开始兴起，纵观对空导弹办个多世纪的发展史，每一次精度和射程的提高，都必然是制导体制进步的结果。对空导弹的制导体制从二战末期纳粹开发的X4型空对空导弹的有线遥控制导，经历二战后无线电架束、无线电指令、半主动雷达制导体制，如今已经发展到载机可以发射后不管的主动雷达制导体制，红外制导体制在此不表。其中半主动雷达制导体制由20世纪60年代兴起，历经办个多世纪仍在现役中距空空导弹和防空导弹中广泛应用，半主动雷达制导体制是制导体制发展史中变种最多、应用最广、承前启后的一种制导方式，是人类在当时技术条件下伟大的智慧结晶，在此对半主动雷达制导体制的发展历程进行一下梳理。

连续波半主动

早期的雷达大体上分为两大类，首先是脉冲式雷达，这种雷达发射微波脉冲，在两个脉冲之间的间隙接收回波，脉冲式雷达探测距离远，军用雷达中，警戒雷达一般采用脉冲式雷达。

另一种是连续波雷达是发射雷达波的同时接受反射信号，雷达波的发射和接收没有间隔，因此连续波雷达的发射机和接收机是分开的，连续波雷达的优点是对于动目标十分敏感，探测精度高，测速能力强，连续波也可通过对于发射波形进行频率调制实现测距的功能，缺点也显而易见，发射功率低，探测距离较近。

连续波半主动制导体制也成全程半主动制导体制，是半主动雷达制导体制的开端。该体制是由连续波雷达发出连续波照射目标，导弹导引头接收带有多普勒频移的目标反射过来的回波，将其与导弹尾部天线接收到的雷达波进行比较，以提取目标信号，在此过程中，目标的频率与接近速度成正比，窄带频率跟踪器锁定到目标回波上，并提取制导信息。在整个过程中，目标都要受到照射，由于连续波雷达能根据目标的多普勒频率不同将目标信号与地面背景杂波区分开，因此，这种系统具有较强的低空作战能力。早期用于野战防空的防空导弹，就是用连续波半主动体制进行导引的，比较典型的是美国的霍克、改进霍克以及苏联的SA-6防空导弹，早期的麻雀空空导弹，也是采用的该种制导体制。

连续波半主动体制的防空导弹，雷达系统大体上由两部分组成，首先是一部分是脉冲式雷达负责搜索和警戒，探测到目标之后，由连续波雷达负责照射目标为导弹提供制导信息，下面我们以霍克基本型（MIM23A）防空导弹为例，对连续波半主动体制的防空系统的作战过程进行说明。

霍克基本型防空导弹的雷达系统由四部雷达构成，一部AN/MPQ-35警戒雷达（脉冲雷达，用于探测高空目标），一部AN/MPQ-34警戒雷达（连续波雷达，用于测量目标方位和速度，有良好的地空动目标分辨能力，工作波段为X波段），一部AN/MPQ-33/39照射雷达（连续波雷达，用于照射指定目标，就是锁定目标，导弹接收到的回波和尾部基准信号，便是此雷达发出的），一部AN/MPQ-37测距雷达（脉冲式雷达，在敌方电子干扰使得照射雷达不能获得目标距离时，开机测距）。

AN/MPQ-35警戒雷达，脉冲式雷达探测距离远，该雷达在霍克系统中主要负责探测远距离和高空目标

AN/MPQ-34警戒雷达，利用连续波雷达良好的低空性能和动目标分辨能力，在霍克系统中，该雷达主要负责测量目标速度和方位

AN/MPQ-33/39照射雷达，该雷达是典型的连续波照射雷达，由于单天线系统不能实现照射机与接收机的足够隔离，所以连续波照射器通常是双天线雷达，照片中非常明显地说明了该雷达为双天线系统

AN/MPQ-37测距雷达，一般情况下，该雷达只在照射雷达受到干扰时为其测距

霍克地空导弹，由于其采用连续波制导体制，弹头和弹尾都有天线，导引头接收到的有频移的雷达回波和尾部天线接收没有频移的基准信号进行对比形成制导指令

霍克防空导弹的工作过程可以概括为，目标的探测、识别和测定由立体覆盖脉冲截获雷达（即为图中AN/MPQ-35脉冲雷达）和水平搜索连续波截获雷达（即为图中的AN/MPQ-34连续波雷达）来完成，这些雷达得到的数据用来为大功率照射器（即为图中的AN/MPQ-33/39照射雷达）指定目标，照射雷达在指定方位上进行搜索，并对目标进行持续照射，照射雷达在速度和角度上跟踪目标（这就是目标的锁定），并对发射的波形进行频率调制以实现测距功能，其测量精度足以满足火控计算的要求。目标到达开火距离时，导弹发射，对于连续波半主动制导体制的导弹，由于其头部天线接收带有频移的目标回波的同时，尾部天线要同时接收照射雷达的雷达波作为基准信号，因此，该制导体制下，导弹发射后必须在雷达的照射圆锥范围内飞行，所以连续波半主动制导的防空系统导弹的弹道十分单一。当有敌方电子干扰时，照射雷达对目标的测距能力可能会减弱到不能满足火控计算要求，此时，AN/MPQ-37测距雷达便发挥作用对目标进行测距。导弹将在这样的雷达照射环境下持续飞行直至目标被击毁或者导弹脱靶自毁。

看到这里，有的读者可能会问，采用连续波半主动导弹作为武器的战斗机上是不可能装一部硕大的双天线连续波雷达的，那么战斗机是如何实现连续波制导的呢？战斗机上往往采用连续波注入技术发射和接收连续波为武器提供制导。典型的例子就是美国的AIM-7D空空导弹的载机。

导引头的进化：倒置接收机

在介绍导弹导引头信号通路的结构之前，必须介绍两个概念。地面背景杂波和馈通是导引头设计中遇到的最主要的两个干扰源。地面背景杂波顾名思义，就是地面上的杂波，馈通就是照射的溢出信号进到导引头天线的后瓣中。早期的导引头接收机的通带（信号通路）结构可以概括为，首先是最宽的中频、其次是稍窄一些的视频、最后是窄速度门（速度门即为信号处理器）。信号处理的过程中，目标信号和地面背景杂波、馈通以及地方干扰信号必须竞争到最后一级电路，所以接收机的动态范围（就是传感器所能同时记录最大和最小信号差值的绝对值）必须做的足够大以同时记录这些信号，最后由窄速度门进行提取。这样的系统抗干扰性能往往非常差，所以导引头接收机的升级方向就很明确了：尽早过滤掉杂波和馈通提取目标信号，保证处理信号的纯净。

20世纪60年代早期，出现了高选择性的中频晶体滤波器和低噪声、精确调谐的固态微波源。这使得尽早过滤掉干扰信号称为可能，倒置接收机方案应运而生。所谓倒置接收机，并非把导引头中的接收机的物理位置颠倒一下，而是将接收机通带倒过来，将窄速度门放在中频以保证第一时间过滤掉无用信号，之后的信号通带越来越宽。我们可以把信号的通带想象成一个漏斗，倒置接收机，就相当于把通带这个漏斗的小口放在最前面。这样做的好处是降低了对于硬件动态范围的要求，这样，系统的复杂程度大大降低，抗干扰能力进入了一个崭新的阶段。

美国雷神公司于1964年开始投资研制倒置接收机，1965年决定在霍克改进计划中投入使用。20世纪70年代进入实用阶段，改进霍克、不死鸟、英国的天空闪光和意大利的阿斯派德导引头中都采用了倒置接收机设计，我国的霹雳-11型中程空空导弹源于阿斯派德，因此可以推断也必然采用了倒置接收机设计。

中制导的加入

自从空空导弹和防空导弹诞生以来，增加导弹的有效射程一直是研究人员不懈努力的方向，制约对空导弹射程的往往不是导弹发动机的燃烧时间，而是是否能够进行有效导引，

连续波半主动体制由于从锁定到击落要持续对目标进行照射，如果导弹射程增加、飞行时间加长，整个系统从头到尾的负荷极大（尤其是对于战斗机，雷达从头至尾满负荷工作的能耗是难以接受的），而射程较远的导弹，从发射到距目标一定距离处对于制导精度的要求并不需要连续波半主动体制那样的精度，于是采用经典的指令体制作为中制导的复合制导体制出现了。

这种复合制导体制的工作过程可以概括为：导弹初段靠惯性引导，被载机的雷达截获进入中制导阶段，在这个阶段中，自寻的导引头不开机，载机同时测量导弹和目标的坐标，并向导弹发出制导指令，当导弹距离目标足够近导引头开机进入末制导阶段（爱国者系统为距离弹目相遇点10秒时自寻的导引头开机），末制导采用TVM制导体制或者连续波半主动体制进行引导直到目标被击落。一般的中制导往往伴随着末段TVM制导体制，极少采用末段连续波体制，因为连续波雷达发射功率低、探测距离近，如果采用中段指令加末段连续波，照射雷达的功率会非常惊人。

加入中制导末端采用连续波体制的系统并不多，最为人所熟知的便是早已名声在外的米格-31和R33空空导弹的组合。R33导弹于1982年进入国土防空军的米格-31部队服役，设计目标是应对速度高达3马赫的SR-71以及突袭苏联本土的B-52、B-1B轰炸机，最大射程达到120千米，中制导采用无线电指令、末制导采用连续波半主动体制。三角旗设计局的R-33导弹是空空导弹发展史上的一个怪胎，由于当时应对SR-71这样的高空高速目标的压力逐渐增大，而米格-31拦截SR-71时的拦截窗口稍纵即逝，所以导弹的射程必须要远以拓宽拦截窗口，但是苏联的电子技术水平的限制，R33的时代并不具备研制主动雷达导引头的能力，于是采用了远距离性能并不好的末端连续波体制。苏联人用一种十分极端的方式来弥补连续波雷达探测距离有限的先天劣势，于是他们为米格-31配备了一部史无前例的大功率机载相控阵雷达，以保证在如此远的距离上连续波信号也有相当的强度，这就是俄国人给米格-31配备一部在地面开机能把兔子烤熟的大功率雷达的原因。70年代，美国海军F-14配备的AIM-54空空导弹的设计目标与R-33基本相同（攻击远距离的大型轰炸机），但是服役时间比R-33早8年的AIM54却采用了主动雷达导引头，这是美苏电子技术差距十分明显的体现。

米格-31功率巨大的相控阵雷达，充满了苏联人对于R33没有主动雷达导引头的无奈，照片中前起落架左右的即为R-33重型空对空导弹

1974年服役的AIM-54采用了主动雷达导引头，而1982年服役的R33用相当极端的方式实现了连续波体制末制导

巅峰的来临——TVM制导体制的诞生

60年代后期，断续的连续波、脉冲多普勒和更加复杂的波形投入使用，为了在不增大发射机峰值功率的情况下获得很高的距离分辨率，脉冲压缩雷达应运而生。这些复杂的波形的处理难度比连续波大得多，为了保证与这些复杂波形的兼容性，开发出了TVM（track via missile，路径由弹）制导体制。

波形复杂程度的增加使得波形处理设备越来越复杂，这样就不得不把连续波半主动体制下的信号放大和处理系统放到地面上。TVM体制是由照射雷达对目标进行照射，目标反射的回波一路由雷达天线接收，一路由导弹的无线电测向仪接收并将测出的目标相对导弹的角度和多普勒信号传回地面进行处理，之后形成制导指令发回导弹对其进行制导。TVM制导使得导引头的结构更加简单，而且导弹距离目标越近，导弹测量数据对于制导指令运算结果的影响就越大，因此TVM制导体制的精度受到目标距离的影响很小。

TVM制导体制主要用于中远程防空导弹的末制导阶段，TVM制导交班过程为三个阶段，一是导弹出桶至照射雷达截获导弹，导弹根据陀螺仪记录的倾斜角和方位角进入照射雷达的截获矩阵，持续2-3s；二为截获导弹到弹上无线电测向仪开始工作的时间，这个阶段采用指令制导；三为无线电测向仪开始工作到引信开始工作的阶段，此阶段为TVM制导。

S-300防空导弹系统应用了TVM制导体制，至今仍然是俄罗斯防空力量的中坚，该系统作战性能优异，曾大量出口到中国，并且作为中国空军地空导弹部队的拳头力量

采用TVM制导体制的防空系统一般都有一部相控阵雷达为其指示目标，与前几种半主动雷达制导体制不同，TVM制导体制在抗特定形式的干扰时有着独特的优势。TVM制导体制目前对于拥有自卫式干扰机的目标（有ECM的战斗机，如F15、苏27等）应对手段比较成熟。主要是使该体制具备无源被动测距能力，将此能力与相控阵雷达跟踪干扰源的能力结合在一起，就可以有效对抗阻塞式干扰，而且干扰源越强，导弹的命中精度就越高。而连续波半主动体制中一旦环境中出现大量杂波湮没目标信号时，导弹很容易丢失目标。TVM制导体制的地面波形数据处理设备对于载机来说比较庞大，这是半主动空空导弹没有采用该体制的主要原因。TVM制导体制在中远程防空导弹系统中应用十分广泛，其中以爱国者1、2防空导弹系统和S-300防空导弹系统最为著名。

TVM制导体制是半主动雷达制导体制的巅峰，就像黄昏的火烧云，以最为绚丽的方式宣告了半主动时代的终结，弹载主动雷达导引头已经日趋成熟，主动雷达制导体制的序章已经奏响。

CL8158 发表于 2015-1-22 15:58