雷达导引头-第1章

雷达导引头沈阳航空航天大学刘昕第1章概述1.1寻的制导原理1.2寻的制导体制1.3导引头分类概述雷达导引头又称无线电寻的器，它是一种安装在导弹头部的探测装置，是无线电寻的制导系统的关键设备。所谓制导就是控制导弹以一定的规律接近并摧毁目标。不同于指令制导、驾束制导、惯性制导和导航制导，寻的制导是利用弹上探测装置发现目标，测量目标相对于导弹的位置参数和运动参数，形成控制指令，操纵导弹飞向目标的一种制导方式。本章介绍寻的导弹的制导原理、制导体制和导引头分类。1.1寻的制导原理寻的制导系统的弹上设备由导引头（探测装置）、自动驾驶仪（控制设备）与弹体（控制对象）组成。如图1-1所示。图1-1寻的制导系统的弹上设备在寻的制导阶段，导引头发现并跟踪目标，提取目标相对于导弹的位置和运动信息，弹上计算机利用目标信息形成控制信号控制自动驾驶仪，改变导弹的飞行姿态。飞行过程中，导引头实时更新目标信息，弹上计算机不断产生新的控制信号控制导弹飞行，直至接近并摧毁目标。1.1寻的制导原理寻的制导系统的跟踪原理可由导弹-目标运动方程组和制约导弹运动的导引方程来描述。为了简化分析，设导弹与目标在同一铅垂面内运动，其相对位置和运动关系通常用极坐标系表示，如图1-2所示。1.1寻的制导原理图中：导弹与目标分别位于M与T处；为导弹-目标距离；导弹指向目标的射线MT为视线；q为视线与基准线的夹角；为导弹速度矢量与基准线的夹角；为目标速度矢量与基准线的夹角。MTRMθTθ、、三个角度均以基准线为参照，逆时针旋转为正值。另外，、分别为导弹速度矢量、目标速度矢量与视线的夹角，称为前置角。qMθTθMφTφ1.1寻的制导原理由图1-2可以列出导弹-目标运动方程：(1-1)()()()()()()()()()()()()()()()()()coscossinsinMTMMTTMTMMTTMMTTdRtvttvttdtdqtRtvttvttdtttqtttqtφφφφφθφθ=−+=−+=−=−1.1寻的制导原理导弹的运动参数、由导引方程约束，采用不同的约束方程，可获得不同的导引规律。比如采用比例导引规律时，导弹的速度矢量的转动速率比例于视线角速率，即（1-2）式中，为比例导引系数。通常，由导引头提取，而由导弹自动驾驶仪中的加速度计间接测量，即（1-3）式中，为导弹横向加速度；为导弹速度。()/Mdtdtθ()/dqtdt()()Mgdtdqtkdtdtθ=gk()/dqtdt()()()MMMdtatdtvtθ=()Mat()Mvt为了改善弹道特性，通常采用修正比例导引。为了使弹道具有单值性，比例导引系数应为（1-4）式中：为有效导航比；为径向速度，又称接近速度。将式（1-3）和式（1-4）代入式（1-2），可得修正比例导引方程：（1-5）()()rgMvtkNvt=N()rvt()()()MrdqtatNvtdt=1.1寻的制导原理1.1寻的制导原理（1-5）为了实现修正比例导引，除了实时测量和值外，还需提取信息。尽管修正比例导引一般不需要距离信息，但是为了进一步改善制导性能，应在不同的导弹-目标距离上，适当调整有效导航比。在这种情况下，提取距离信息仍然是必要的。制导信息、和由导引头测量，并由指令形成电路给出指令电压（1-6）式中：为电压转换系数。()/dqtdt()Mvt()rvt()MTRt()()()kurdqtutkNvtdt=uk1.1寻的制导原理导弹驾驶仪中的加速度计测得导弹的横向加速度，相应的电压值为（1-7）式中的系数应与式（1-6）中的电压转换系数相同。比例导引系统的基本结构如图1-3所示，该系统中的雷达导引头包含了指令形成功能，也可以将此功能纳入制导计算机。制导过程中，自动驾驶仪提取的误差信号为（1-8）由误差信号控制驾驶仪的执行机构，操纵导弹飞向目标。()()MauMutkat=uk图1-3比例导引系统的基本结构()()()ekaMututut=−1.2寻的制导体制在寻的制导系统中，弹载探测设备是一个时空信号处理器，它的任务是检测目标、跟踪滤波和提取目标信息。弹载探测设备的首要任务是从复杂的杂波和干扰背景中检测目标散射或辐射的信号，从中提取目标相对于导弹的位置参数和运动参数，获取制导信息。根据弹体信号的不同来源，寻的制导系统可分为主动寻的制导、半主动寻的制导、被动寻的制导和复合寻的制导。1.2寻的制导体制1.主动寻的制导在主动寻的制导系统中，弹载探测设备装有发射和接收装置，发射装置朝目标方向发射信号，接收装置接收目标的反射信号，从中获取目标信息，并由弹上计算机形成控制信号，操纵导弹飞向目标。图1-4是主动寻的制导示意图。图1-4主动寻的制导示意图主动寻的制导不需要导弹以外的其他设备参与制导，具有发射后不管或交班后不管的自主制导能力。然而，正因为主动探测设备必须自行发射信号，使导弹处于有源工作状态，易被敌方反辐射武器侦察和攻击。1.2寻的制导体制2.半主动寻的制导半主动寻的制导系统的照射器安装在地面、舰艇或飞行器上。制导过程中，照射器朝目标方向发射信号，导弹上的接收装置接收目标的散射信号，提取目标信息，并由弹上计算机形成控制信号，操纵导弹飞向目标。图1-5是半主动寻的制导示意图。图1-5半主动寻的制导示意图就武器系统而言，半主动寻的制导系统仍然是一个自主制导系统，只是将发射与接收设备分离配置而己。但是导弹上的接收装置却处于非自主工作状态，必须依赖照射器对目标的照射，才能获取目标回波，得到目标信息，故称其为半主动探测装置。半主动制导过程中，照射器必须持续不断地朝目标方向发射信号。显然，照射器易受反辐射武器的攻击。1.2寻的制导体制3.被动寻的制导被动寻的制导系统是利用目标的辐射信号工作的。导弹上的接收装置接收目标的辐射信号，从中提取角度信息，并由弹上计算机形成控制信号，操纵导弹飞向目标。图1-6是被动寻的制导示意图。图1-6被动寻的制导示意图1.2寻的制导体制被动寻的制导系统中，导弹本身不发射信号，处于隐蔽工作状态。文献[2]列出了被动寻的体制的三种模式：反辐射寻的（ARH)模式、基于干扰的寻的（HOJ)模式和辐射计测量寻的模式。（1）反辐射寻的模式可用于空地导弹、空空导弹或地空导弹,攻击敌方雷达。（2）基于干扰的寻的模式是弹载主动探测设备或半主动探测设备兼备的探测瞄准式自卫干扰源的寻的方式。（3）辐射计测量寻的模式是利用目标固有的热辐射探测目标，可作为攻击地面目标的亳米波导引头的一种末端探测模式。本书阐述的被动寻的制导系统是反辐射寻的模式，它依赖于目标的辐射信号，一旦目标停止辐射，反辐射寻的制导系统将失去制导能力。1.2寻的制导体制4.复合寻的制导除了单一体制的主动、半主动和被动寻的制导外，还可以将它们组合成复合寻的制导系统，如被动/主动复合制导系统和半主动/主动复合制导系统等。1.3导引头分类依据信息载体的不同形式，导引头可分为雷达导引头、红外导引头、激光导引头等类型。在雷达导引头中，目标信息以无线电波为载体。相应于寻的制导体制，雷达导引头可分为主动导引头、半主动导引头、被动导引头和复合导引头。1.3导引头分类1.主动导引头主动导引头是一部弹载雷达装置。主动导引头由天线、发射机、接收机、信息处理机和伺服系统组成，图1-7是其简化框图。发射机产生载体信号照射目标，接收机接收目标反射的回波信号，信息处理机提取目标信息，伺服系统控制天线实现角预定、角稳定和角跟踪。主动导引头收发兼备，是一部完整的弹载雷达。图1-7主动导引头的简化框图脉冲主动导引头、准连续波主动导引头和脉沖多普勒主动导引头是三种常见的主动导引头。相控阵导引头和合成孔径导引头是两种尚在开发中的主动导引头。1.3导引头分类2.半主动导引头半主动寻的制导系统中，载体信号来自制导站的照射器，导引头接收机的接收信号为目标对照射信号的散射波。半主动导引头由直波天线、直波接收机、回波天线、回波接收机、相参处理器、信息处理机和伺服系统组成，图1-8是其简化框图。图1-8半主动导引头的简化框图1.3导引头分类图1-8半主动导引头的简化框图直波天线和直波接收机接收并处理来自照射器的直波信号，从中提取相参基准。回波天线和回波接收机接收并处理目标散射的回波信号。相参处理器对基准信号和回波信号做相参处理，获取多普勒信息。信息处理机在进行频域跟踪的基础上，通过伺服系统对目标实施角跟踪，提取目标的角信息。由于导引头中不包含发射设备，导引头不具备自主探测能力，故称其为半主动导引头。连续波半主动导引头、间断连续波半主动导引头是两种常见的半主动导引头。无直波半主动导引头和逆单脉冲半主动导引头是开发中的两种新型半主动导引头。1.3导引头分类3.被动导引头被动导引头是一部宽带信标接收机，它接收目标上的辐射源的辐射信号，从中提取目标的角度信息。被动导引头由天线阵、接收机、信息处理机和伺服系统组成，图1-9是其简化框图。图1-9被动导引头的简化框图比相式被动导引头、比幅-比相式被动导引头和旋转天线测向式被动导引头是比较常见的被动导引头。1.3导引头分类4.复合导引头如前所述，单一体制的主动、半主动和被动导引头可以组合成复合导引头。被动/主动复合导引头和半主动/主动复合导引头是两种常用的复合导引头。1)被动/主动复合导引头图1-10为被动/主动复合导引头的简化框图，它由被动寻的模式与主动寻的模式复合而成，共用一个伺服系统。图1-10被动/主动复合导引头的简化框图1.3导引头分类弹上制导计算机装定被动模式探测天线的指向，其宽波束足以在远距离上覆盖被攻击目标，信号分选系统借助目标雷达信号的先验信息（如载频、重复频率、脉冲宽度等）和制导系统提供的目标分布域的张角信息，从进入被动天线的众多信号中选择并锁定目标雷达信号，提取目标的角度信息，实施角跟踪。在被动模式角跟踪过程中，联动主动天线使其指向目标，当目标进入主动模式的探测距离范围时，主动模式检测识别目标，并进行距离、速度和视线角速度测量，获取精确制导信息。图1-10被动/主动复合导引头的简化框图1.3导引头分类2)半主动/主动复合导引头图1-11为半主动/主动复合导引头的简化框图，它由半主动寻的模式与主动寻的模式复合而成，共用一个伺服系统。图1-11半主动/主动复合导引头的简化框图1.3导引头分类半主动模式接收与信息处理系统和主动模式收发与信息处理系统各自独立。半主动模式釆用经典三通道单脉冲测角系统，多普勒信息处理、单脉冲角信息处理均由半主动模式数字信息处理机完成。主动模式也釆用三通道单脉冲测角系统，另设一个通道作为测距信道，多普勒信息处理、单脉冲角信息处理与距离信息提取均由主动模式数字信息处理机完成。由于双模共用伺服系统，必须对两种模式的角信息进行综合和优化处理，由模式控制系统控制复合导引头的工作方式。按当前的技术水平，半主动模式的回波天线与主动模式的天线还不能设计成分离口径的独立天线，采用双模共口径设计是必要的，这是研制半主动/主动复合导引头的关键技术。