控制与制导
相控阵雷达导引头关键技术初探
李秋生
摘 要 相控阵雷达导引头具有
波束扫描灵活、空间功率和时间资源分配可控等传统雷达导引头所没有的优点。在分析相控阵雷达导引头技术选取的基础上, 方案, 网络的收发一体化设计、捷联去耦以及导引头数据处理等相控阵雷达导引头的一些关键技术作了初步探讨。关键词 雷达 导引头 相
控阵 关键技术
无源干扰、诱饵欺骗等) 别, 以及多目标攻击。
, 技术发展现状的基础上, 本文就导引头总体方案的选取及其涉及的一些关键技术作些初步探讨。1 发展现状
引言
相控阵雷达导引头是导引头体制发展的一个新领域, 它打破了以往机械扫描雷达导引头固定波束形状、固定波束驻留时间、固定扫描方式、固定发射功率和固定数据率的限制, 具有灵活的波束指向及驻留时间、可控的空间功率分配及时间资源分配等特点, 从而使相控阵雷达导引头具有灵活的搜索方式, 能够增强对目标的截获能力, 提高跟踪的稳定性以及对丢失目标的快速重新捕获, 支持对多目标(包括有源/
目前世界上技术先进国家逐步在多种厘米和毫米波段雷达导引头中引入相控阵技术, 如美国、俄罗斯和英国等, 这方面美国一直走在世界的前列。
美国于1987年实施轻型外大气层射弹(LE AP ) 计划, 并由马丁・玛丽埃塔公司配套研制了用于导弹拦截的毫米波平面相控阵雷达导引头, 导引头采用多模块封装与高密度连接(HD I ) 技术, 取消了大量引线, 结构小巧而紧凑。另据报道, 美国国防高级研究计划局(DARP A ) 已投资开发出微机电(ME MS ) 电子扫描天线阵(ES A ) 导引头, 作为低成本巡航
, 它X , 其关ME MS 技术集成的4位移相器, 使成本降低了一个数量级, 功耗降低了两个数量级。
英国《简氏导弹与火箭》2002年4月报道, 俄罗斯安泰设计局已研制出一种可用于导弹制导的模块化相控阵天线单元, 这些天线单元有毫米、厘米和分米三个工作频段。另据法国《航宇防务》2003年5月12日报道, 英国Q i 2neti Q 公司对其I 波段电扫描阵列天线进行了成功的闭环试验。
此外, 具有与弹头共形的曲面毫米波相控阵雷达导引头国外也早已在开展技术攻关, 目前阵元配置、波束控制及馈电结构等方面还存在诸多困难。2 总体方案选择
与地面或机载相控阵雷达类似, 相控阵导引头的典型组成方案是用移相器控制波束的发射和接收, 共有两种组成形式:一种称为有源相控阵列, 每个天线单
本文2006208214收到, 作者系赣南师范学院硕士研究生
飞航导弹 2007年第6期
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
・55・
元用一个接收机和发射功率放大器; 另一种称为无源相控阵列, 各天线单元共用一个或几个发射机和接收机。它们的性能与采用的阵元密切相关。文献[1]给出了有源和无源相控阵雷达的系统结构。设计中究竟是采用有源还是无源相控阵方案, 需要综合考虑发射功率、馈线损耗、馈线网络承受功率以及发射机的增益、带宽、效率、调制方式、相位灵敏度、电源要求、可靠性、成本、体
[2]
积和质量等多方面的因素。此外, 方案的选取还要考虑到目前相控阵雷达的总体技术水平以及相关的微波器件水平。
下面以有源相控阵方案为例, 3 关键技术分析3. 1 天线阵列的热设计
了有温度梯度要求外, 还要考虑
与导弹气动外形的匹配以及气动加热等因素的影响, 因此, 天线阵列不宜采用自然散热或强迫风冷等方式, 而必须采用其它人工散热方式并进行控制。弹载条件下, 可采用热管温控系统, 将T/R 组件上的热传到阵面上, 阵面壁板本身采用无芯热管, 通过它将热传至阵外与热交换器进行交换。这种方案控制温度灵敏, 精度高, 可获得较低的阵内温度梯度, 但结构较为复杂, 设计中需要充分考虑如何将热源的热有效传递到壁板上。3. 2 馈三种方式, 其中强制式馈电和透镜式空馈较适宜弹载条件下使用, 但强制馈电的馈线较为复杂, 小型化设计和制造是个难点, 而对于有源条件下的透镜式馈电, 小焦距直径比(f /d ) 透镜背面的均匀照度难以保证, 从而导致孔径利用损失, 一般倾向于采用强制馈电方式。为减小天线阵列的质量和体积, 给T/R组件散热创造条件, 减小微波馈电网络的加工量, 设计中应考虑将收发馈电网络合并, 进行一体化设计。
以单脉冲收发馈电网络的设计为例, 假定天线阵列要求的发射分布函数为T (m , n ) , 相应馈电网络的分布函数为T N (m , n ) , 接收天线和波束要求的分布函数为R Σ(m , n ) , 相应馈电网络的分布函数为R ΣN (m , n ) , 这些分布函数均为电流(或电压) 分布函数, (m , n ) 代表天线单元的位置
坐标。
由于发射功率电平较高, 先按T (m , n ) 设计馈电网络, 即满足T N (m , n ) =T (m , n ) 。R Σ(m , n ) 比较接近T (m , n ) , 故可将接收和波束形成网络与发射馈电网络共用, 也即满足R ΣN (m , n ) =T N (m , n ) , 通过T/R组件中的收发开关切换工作状态。为了实现R Σ(m , n ) , 通过T/R组件接收支路中数字式衰减器衰减量的设置使R Σ(m , n ) =T N (m , n ) ×R A (m , n ) , 从而可得数字式衰减R A (m , n ) 。αm , ) 和R Δβ(m , n ) /R组件数字式衰减量的分布函数R A (m , n ) 和馈电网络形成的R Δn ) 、R Δn ) 实αβN (m , N (m , 现, 也即有R Δ=αN (m , n )
R Δα(m , n ) /RA (m , n ) , R ΔβN (m , n ) =R Δ为β(m , n ) /RA (m , n ) 。
天线阵列的热设计是相控阵雷达导引头研制成败的关键要素
之一。在有源固态相控阵雷达导引头中, 问题显得尤为突出。因为天线阵中T/R组件的密度很大, 它们的间隔仅为波长的一半左右, 在X 波段这个间隔大约是15mm 。这是由两个组件中心算起的间隔, 因此在阵列中, T/R组件的间隙很小。假定每个组件产生的脉冲功率为5W , 工作比为20%, 平均功率为1W , 放大器的效率为25%, 则有3W 的功率要变为热量。若阵列中含有200个T/R组件, 则有600W 的功率变为热量。要在天线阵面有限的空间内散发如此大的热量, 可见问题的严重性。
对于相控阵雷达导引头, 除・56・
解决和差矛盾并简化馈电网络的设计, 接收波束的和差形成一般采用部分独立的方法, 例如可选择和差独立点数尽可能少的贝利
[3]
斯分布来设计。3. 3 捷联去耦相控阵雷达导引头的天线阵列与弹体固连, 弹体的俯仰、翻滚、偏航等剧烈的姿态运动都将直接影响到导引头对目标的截获与跟踪, 必须实现刚性连接条件下的捷联去耦, 以隔离弹体扰动对天线波束指向的影响。
随着惯导器件的发展, 惯性器件可以不需要平台隔离, 能承受较大的角速度和角加速度, 另外, 数字计算技术的快速发展, 也使得以数字方式对弹体扰动造成的天线波束指向偏差实施实时
飞航导弹 2007年第6期
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修正较易于实现。因此, 可以采用数字捷联平台, 实现相控阵雷达导引头的扰动去耦, 稳定天线波束在惯性空间的指向。文献[4]推导了相控阵雷达导引头的捷联去耦算法, 文献[5]则给出了雷达导引头捷联平台的工作原理和实施方法, 设计中可加以参考, 这里不再赘述。3. 4 数据处理
相控阵雷达导引头的数据处理的核心是导引头最优地完成其常规和突发事件的一系列算法, 如:对经过滤波处理的目标当前数据及预测数据进行处理, 提供波束指向控制指令; 进行大量相关处理, 提供目标航迹; 进行调度处理, 性。数据处理的主要任务包括:
1) 产生波束驻留指令, 包
括波束的角位置、发射时间、频率、波形、脉冲周期、检测门限、波束驻留标志等;
2) 对波束控制和信号处理等实施统一管理;
3) 处理目标回波数据, 包括检测、跟踪及相关处理;
4) 为控制系统提供所需的数据(指令) ;
5) 使导引头、计算机资源与整个任务负载相匹配;
6) 对导引头进行自检及故障诊断和定位等。4 结束语
在技术方案上应具有一定的先进
性。工程研制中, 还需进一步加强导引头总体以及上述关键技术的攻关研究。
参考文献
[1] 向敬成, 张明友. 雷达系统. 北
京:电子工业出版社, 2001
[2] 张光义. 相控阵雷达系统. 北京:
国防工业出版社, 1994
[3] 殷连生. 低副瓣有源相控阵天馈
系统中的一体化设计. 电子与信息学报, 2002, 24(10) :1412～
1417
[4] 究. 制导与引信,
(19～22
高烽, 周辉. 一种捷联式数字角
, , 定的差距, 作为一个基础研究项目, 必须具有一定的超前意识,
信息处理系统. 制导与引信,
2000, 21(4) :1～11
伊朗试射反舰导弹
在2006年里, 伊朗不止一次地试验其仿制的反舰导弹, 如诺尔(Noor ) 和考萨尔(Kosar ) 。这些导弹为中程反舰导弹, 有海岸发射型和直升机发射型。
据伊朗方面的消息称, 2006年4月3日他们试射了考萨尔反舰导弹, 这是一种雷达规避导弹, 带有不受电子干扰的制导系
统, 但未透露该导弹的有效载荷和射程。
两天之后, 他们又试射了新型空面反舰导弹诺尔(轻型) , 该导弹是一种超视距武器, 由直升机发射, 采用主动雷达导引头, 其射程为200km 。2006年8月伊朗又进行了陆基发射型诺尔导弹的试射, 并成功击中了海上目
标。
目前, 伊朗除继续进行上述导弹的试验外还在研制远程面空导弹, 他们已从俄罗斯购买了С2300СП导弹, 准备对其进行改进。
严 明
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控制与制导
相控阵雷达导引头关键技术初探
李秋生
摘 要 相控阵雷达导引头具有
波束扫描灵活、空间功率和时间资源分配可控等传统雷达导引头所没有的优点。在分析相控阵雷达导引头技术选取的基础上, 方案, 网络的收发一体化设计、捷联去耦以及导引头数据处理等相控阵雷达导引头的一些关键技术作了初步探讨。关键词 雷达 导引头 相
控阵 关键技术
无源干扰、诱饵欺骗等) 别, 以及多目标攻击。
, 技术发展现状的基础上, 本文就导引头总体方案的选取及其涉及的一些关键技术作些初步探讨。1 发展现状
引言
相控阵雷达导引头是导引头体制发展的一个新领域, 它打破了以往机械扫描雷达导引头固定波束形状、固定波束驻留时间、固定扫描方式、固定发射功率和固定数据率的限制, 具有灵活的波束指向及驻留时间、可控的空间功率分配及时间资源分配等特点, 从而使相控阵雷达导引头具有灵活的搜索方式, 能够增强对目标的截获能力, 提高跟踪的稳定性以及对丢失目标的快速重新捕获, 支持对多目标(包括有源/
目前世界上技术先进国家逐步在多种厘米和毫米波段雷达导引头中引入相控阵技术, 如美国、俄罗斯和英国等, 这方面美国一直走在世界的前列。
美国于1987年实施轻型外大气层射弹(LE AP ) 计划, 并由马丁・玛丽埃塔公司配套研制了用于导弹拦截的毫米波平面相控阵雷达导引头, 导引头采用多模块封装与高密度连接(HD I ) 技术, 取消了大量引线, 结构小巧而紧凑。另据报道, 美国国防高级研究计划局(DARP A ) 已投资开发出微机电(ME MS ) 电子扫描天线阵(ES A ) 导引头, 作为低成本巡航
, 它X , 其关ME MS 技术集成的4位移相器, 使成本降低了一个数量级, 功耗降低了两个数量级。
英国《简氏导弹与火箭》2002年4月报道, 俄罗斯安泰设计局已研制出一种可用于导弹制导的模块化相控阵天线单元, 这些天线单元有毫米、厘米和分米三个工作频段。另据法国《航宇防务》2003年5月12日报道, 英国Q i 2neti Q 公司对其I 波段电扫描阵列天线进行了成功的闭环试验。
此外, 具有与弹头共形的曲面毫米波相控阵雷达导引头国外也早已在开展技术攻关, 目前阵元配置、波束控制及馈电结构等方面还存在诸多困难。2 总体方案选择
与地面或机载相控阵雷达类似, 相控阵导引头的典型组成方案是用移相器控制波束的发射和接收, 共有两种组成形式:一种称为有源相控阵列, 每个天线单
本文2006208214收到, 作者系赣南师范学院硕士研究生
飞航导弹 2007年第6期
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
・55・
元用一个接收机和发射功率放大器; 另一种称为无源相控阵列, 各天线单元共用一个或几个发射机和接收机。它们的性能与采用的阵元密切相关。文献[1]给出了有源和无源相控阵雷达的系统结构。设计中究竟是采用有源还是无源相控阵方案, 需要综合考虑发射功率、馈线损耗、馈线网络承受功率以及发射机的增益、带宽、效率、调制方式、相位灵敏度、电源要求、可靠性、成本、体
[2]
积和质量等多方面的因素。此外, 方案的选取还要考虑到目前相控阵雷达的总体技术水平以及相关的微波器件水平。
下面以有源相控阵方案为例, 3 关键技术分析3. 1 天线阵列的热设计
了有温度梯度要求外, 还要考虑
与导弹气动外形的匹配以及气动加热等因素的影响, 因此, 天线阵列不宜采用自然散热或强迫风冷等方式, 而必须采用其它人工散热方式并进行控制。弹载条件下, 可采用热管温控系统, 将T/R 组件上的热传到阵面上, 阵面壁板本身采用无芯热管, 通过它将热传至阵外与热交换器进行交换。这种方案控制温度灵敏, 精度高, 可获得较低的阵内温度梯度, 但结构较为复杂, 设计中需要充分考虑如何将热源的热有效传递到壁板上。3. 2 馈三种方式, 其中强制式馈电和透镜式空馈较适宜弹载条件下使用, 但强制馈电的馈线较为复杂, 小型化设计和制造是个难点, 而对于有源条件下的透镜式馈电, 小焦距直径比(f /d ) 透镜背面的均匀照度难以保证, 从而导致孔径利用损失, 一般倾向于采用强制馈电方式。为减小天线阵列的质量和体积, 给T/R组件散热创造条件, 减小微波馈电网络的加工量, 设计中应考虑将收发馈电网络合并, 进行一体化设计。
以单脉冲收发馈电网络的设计为例, 假定天线阵列要求的发射分布函数为T (m , n ) , 相应馈电网络的分布函数为T N (m , n ) , 接收天线和波束要求的分布函数为R Σ(m , n ) , 相应馈电网络的分布函数为R ΣN (m , n ) , 这些分布函数均为电流(或电压) 分布函数, (m , n ) 代表天线单元的位置
坐标。
由于发射功率电平较高, 先按T (m , n ) 设计馈电网络, 即满足T N (m , n ) =T (m , n ) 。R Σ(m , n ) 比较接近T (m , n ) , 故可将接收和波束形成网络与发射馈电网络共用, 也即满足R ΣN (m , n ) =T N (m , n ) , 通过T/R组件中的收发开关切换工作状态。为了实现R Σ(m , n ) , 通过T/R组件接收支路中数字式衰减器衰减量的设置使R Σ(m , n ) =T N (m , n ) ×R A (m , n ) , 从而可得数字式衰减R A (m , n ) 。αm , ) 和R Δβ(m , n ) /R组件数字式衰减量的分布函数R A (m , n ) 和馈电网络形成的R Δn ) 、R Δn ) 实αβN (m , N (m , 现, 也即有R Δ=αN (m , n )
R Δα(m , n ) /RA (m , n ) , R ΔβN (m , n ) =R Δ为β(m , n ) /RA (m , n ) 。
天线阵列的热设计是相控阵雷达导引头研制成败的关键要素
之一。在有源固态相控阵雷达导引头中, 问题显得尤为突出。因为天线阵中T/R组件的密度很大, 它们的间隔仅为波长的一半左右, 在X 波段这个间隔大约是15mm 。这是由两个组件中心算起的间隔, 因此在阵列中, T/R组件的间隙很小。假定每个组件产生的脉冲功率为5W , 工作比为20%, 平均功率为1W , 放大器的效率为25%, 则有3W 的功率要变为热量。若阵列中含有200个T/R组件, 则有600W 的功率变为热量。要在天线阵面有限的空间内散发如此大的热量, 可见问题的严重性。
对于相控阵雷达导引头, 除・56・
解决和差矛盾并简化馈电网络的设计, 接收波束的和差形成一般采用部分独立的方法, 例如可选择和差独立点数尽可能少的贝利
[3]
斯分布来设计。3. 3 捷联去耦相控阵雷达导引头的天线阵列与弹体固连, 弹体的俯仰、翻滚、偏航等剧烈的姿态运动都将直接影响到导引头对目标的截获与跟踪, 必须实现刚性连接条件下的捷联去耦, 以隔离弹体扰动对天线波束指向的影响。
随着惯导器件的发展, 惯性器件可以不需要平台隔离, 能承受较大的角速度和角加速度, 另外, 数字计算技术的快速发展, 也使得以数字方式对弹体扰动造成的天线波束指向偏差实施实时
飞航导弹 2007年第6期
1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
修正较易于实现。因此, 可以采用数字捷联平台, 实现相控阵雷达导引头的扰动去耦, 稳定天线波束在惯性空间的指向。文献[4]推导了相控阵雷达导引头的捷联去耦算法, 文献[5]则给出了雷达导引头捷联平台的工作原理和实施方法, 设计中可加以参考, 这里不再赘述。3. 4 数据处理
相控阵雷达导引头的数据处理的核心是导引头最优地完成其常规和突发事件的一系列算法, 如:对经过滤波处理的目标当前数据及预测数据进行处理, 提供波束指向控制指令; 进行大量相关处理, 提供目标航迹; 进行调度处理, 性。数据处理的主要任务包括:
1) 产生波束驻留指令, 包
括波束的角位置、发射时间、频率、波形、脉冲周期、检测门限、波束驻留标志等;
2) 对波束控制和信号处理等实施统一管理;
3) 处理目标回波数据, 包括检测、跟踪及相关处理;
4) 为控制系统提供所需的数据(指令) ;
5) 使导引头、计算机资源与整个任务负载相匹配;
6) 对导引头进行自检及故障诊断和定位等。4 结束语
在技术方案上应具有一定的先进
性。工程研制中, 还需进一步加强导引头总体以及上述关键技术的攻关研究。
参考文献
[1] 向敬成, 张明友. 雷达系统. 北
京:电子工业出版社, 2001
[2] 张光义. 相控阵雷达系统. 北京:
国防工业出版社, 1994
[3] 殷连生. 低副瓣有源相控阵天馈
系统中的一体化设计. 电子与信息学报, 2002, 24(10) :1412～
1417
[4] 究. 制导与引信,
(19～22
高烽, 周辉. 一种捷联式数字角
, , 定的差距, 作为一个基础研究项目, 必须具有一定的超前意识,
信息处理系统. 制导与引信,
2000, 21(4) :1～11
伊朗试射反舰导弹
在2006年里, 伊朗不止一次地试验其仿制的反舰导弹, 如诺尔(Noor ) 和考萨尔(Kosar ) 。这些导弹为中程反舰导弹, 有海岸发射型和直升机发射型。
据伊朗方面的消息称, 2006年4月3日他们试射了考萨尔反舰导弹, 这是一种雷达规避导弹, 带有不受电子干扰的制导系
统, 但未透露该导弹的有效载荷和射程。
两天之后, 他们又试射了新型空面反舰导弹诺尔(轻型) , 该导弹是一种超视距武器, 由直升机发射, 采用主动雷达导引头, 其射程为200km 。2006年8月伊朗又进行了陆基发射型诺尔导弹的试射, 并成功击中了海上目
标。
目前, 伊朗除继续进行上述导弹的试验外还在研制远程面空导弹, 他们已从俄罗斯购买了С2300СП导弹, 准备对其进行改进。
严 明
飞航导弹 2007年第6期
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