反辐射武器攻防对抗理论与试验
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1.1 反辐射武器发展现状与趋势

自1965年越南战争中首次得到成功应用后,反辐射导弹在现代战争中得到了广泛使用,取得了令人瞩目的战绩,包括1973年10月第四次中东战争、1982年6月贝卡谷地袭击战、1982年英阿马岛战争、1986年3月美国对利比亚的袭击、1991年海湾战争、1995年波黑冲突,以及2003年伊拉克战争,直至2011年北约多国空袭利比亚的战争中,反辐射武器都扮演了重要角色。可以说,反辐射武器是现代化战争中争夺“制电磁权”不可或缺的手段。

1.1.1 反辐射武器发展现状

到目前为止,反辐射武器已历经三代。第一代反辐射导弹的主要缺点是易受干扰、命中率低,一旦目标雷达关机,导弹便易失控,并且导弹的射程较近,只能攻击特定频段的雷达目标,对于具有捷变特性的雷达无能为力。到了第二代反辐射导弹,在射程、威力和性能方面均有了极大提高,截获地面雷达信号的频段范围也大大扩展,而且初步具有一定的对付目标雷达突然关机的能力,也就是在导弹发射一定时间后即使目标雷达突然关机,导弹的被动导引头仍能根据记忆的目标位置求出弹道参数,并引导导弹飞向预定目标。不过实战表明,当时采用的目标位置和频段记忆法对付目标雷达的突然关机还不是很有效。目前,第三代反辐射导弹的综合性能有了很大提高,能覆盖现役各种雷达的工作频段,反应快、射程远、威力大、精度高、抗干扰性能好,且不受载机发射速度和机动性的限制,最主要的是其对付目标雷达突然关机的能力得到了极大提高。第三代反辐射导弹的另一个突出特点是采用复合制导技术,大大提高了攻击的成功率。

美国是研制反辐射导弹最早的国家,也是使用反辐射导弹最多的国家。此外,俄、英、法等国也相继研制了多种类型的反辐射导弹,已有一些型号在服役,有的甚至已经发展了几代。近年来,其他一些国家,包括东南亚一些国家和地区也纷纷加入到反辐射导弹的研制行列中,图1.1所示为世界各国的典型反辐射武器。

图1.1 世界各国典型反辐射武器

1.美国

1)“百舌鸟(Shrike)”AGM-45A/B反辐射导弹

该导弹是美国海/空军装备使用的第一代空地反辐射导弹,主要用于摧毁地空导弹阵地、高炮指挥雷达和其他雷达设施。“百舌鸟”导弹从20世纪60年代初开始研制,1963年开始投产,1965年投入越南战场使用,为美国保障空袭行动发挥了巨大作用。据统计,在使用“百舌鸟”之前,越南北方平均每使用10枚“萨姆-2”防空导弹便可击落一架美军飞机;使用“百舌鸟”等对抗措施之后,平均70枚导弹才能击落一架飞机。此后“百舌鸟”反辐射导弹几经改进,在20世纪70年代的中东战争、1982年的英阿马岛之战,以及1986年美国对利比亚的空袭中都取得了令人瞩目的战绩。

“百舌鸟”导弹弹长3.05m,弹径203mm,翼展914mm,最大射程为45km,使用高度为1500~10000m,制导系统为被动雷达导引,引信为触发或非触发引信,战斗部为破片杀伤战斗部,动力装置为一台固体火箭发动机。

该导弹的主要优点是结构简单、通用性强,可装备多种型号的作战飞机,它已于1981年停产。

2)“标准(Standard)”AGM-78反辐射导弹

该导弹是美国海/空军装备使用的第二代机载反辐射导弹,于1966年7月开始研制,1967年开始飞行试验,1968年研制成功并投入批量生产,同年AGM-78A进入军队服役。

“标准”反辐射导弹弹长4.575m,弹径343mm,翼展1070mm,最大射程为55km,使用高度为3000~6000m,其制导系统为被动雷达导引,有一定的抗雷达关机能力,引信为触发或非触发引信,战斗部为预制破片杀伤战斗部,动力装置为一台固体火箭发动机。

“标准”反辐射导弹同“百舌鸟”反辐射导弹相比,射程远,覆盖的频率范围较宽,具有一定的记忆能力,威力和性能方面均有较大提高。但实战表明,其采用的目标位置和频率记忆法对抗雷达关机并不是很有效。“标准”导弹结构复杂、比较笨重,影响飞机的装载。另外,其生产成本为“百舌鸟”反辐射导弹的5倍。因此现已被第三代反辐射导弹——“哈姆”AGM-88高速反辐射导弹所取代。

3)“哈姆(Harm)”AGM-88高速反辐射导弹

该导弹是美国海/空军装备使用的第三代机载反辐射导弹,也是至今在战场上使用过的最先进的反辐射导弹,于1972年4月开始研制,1975年开始飞行试验,1980年投产,1983年5月开始服役。

早期的“哈姆”导弹导引头使用两个分离的天线,一个是平面螺旋天线,另一个是线列天线。天线波束宽度为50°~60°,跟踪角为4°~8°。天线固定在弹体上,省去了复杂昂贵的万向支架;天线线阵由弹上计算机控制,被动雷达导引头的超外差接收机具有很高的中频频率,并装有几个预选射频滤波器来提供不同的通向前端的射频路径,选择合适的接收路径是由弹上计算机来控制的。导引头装有10块微波电路、对数集成放大器和一个视频数字处理器。由于采用新的微波电路和信号处理器件,信号处理分系统能储存各种已知雷达的信号特性数据,视频数字处理器可对各种雷达信号进行探测、分选、识别等处理并产生制导信息。导引头能探测各种常规脉冲雷达、连续波雷达、频率捷变雷达。接收机灵敏度很高,可以截获电动机电磁辐射源。20世纪80年代后,美研制了它的改进型AGM-88C,以对付前苏联先进雷达采用的频率捷变和瞬时短脉冲等技术,新导引头用一个尺寸更小的天线代替了原来的两部天线,而且将天线安装在常平架上,配置天线稳定系统,提高了天线的搜索范围和跟踪精度邵姚定.宽带被动导引头技术的分析[J].制导与引信,1995(3):27-39.

“哈姆”导弹弹长4.148m,弹径254mm,翼展1130mm,使用高度为12200m,其射程大于40km,最远达到90km以上,导弹飞行速度达到3马赫,最大弹速可达4马赫。“哈姆”导弹的导引头比以前的产品有了很大改进,其频率覆盖范围达到0.8~20GHz,包括了目前绝大多数防空雷达的工作频率,因此不必像“百舌鸟”导弹那样需要根据作战对象事先更换导引头。导引头灵敏度高,测量精度也较高,保证了远距离的高精度打击。导引头信号处理能力大大加强,可以对付具有频率捷变等复杂信号的雷达。该导弹采用微处理器技术,提供了自卫、随机和预编程三种工作方式,大大提高了导弹的自动化程度。“哈姆”导弹可以在载机没有对准雷达的情况下发射,在飞行过程中自主搜寻目标。“哈姆”导弹的战斗部系“百舌鸟”反辐射导弹的战斗部改进而来,采用高爆炸药预制破片杀伤战斗部,并采用激光近炸引信,可在目标上空最佳高度引爆战斗部。飞行控制舱装有数字式自动驾驶仪、捷联式惯导系统和机电式控制舵机,即使目标雷达关机,通过该惯导系统仍可以继续对其跟踪,采用比例导引律使导弹飞向目标。其动力装置为固体火箭发动机。

该导弹的主要特点是:发射范围广、视界宽、反应快、威力大、精度高、抗干扰能力强,抗雷达关机能力显著提高。其缺点是造价太高。

4)“响尾蛇”AGM-122A/B反辐射导弹

该导弹是美国海军和海军陆战队使用的机载近距反辐射导弹,由攻击直升机和固定翼攻击机用来攻击敌高炮射击指挥雷达和近距地空导弹制导雷达。

“响尾蛇”导弹弹长2.90m,弹径127mm,翼展630mm,最大射程为17.7km,使用高度为1525m。其制导方式为被动雷达导引,引信为主动激光引信,动力装置为固体火箭发动机。

该导弹装备美国海军和海军陆战队武装直升机和攻击机,在作战使用时须与有关机载设备配合工作。可在发现目标后发射导弹,也可对导引头预先编程,利用地形掩护,超低空发射导弹,发射后导弹按预编程序爬升到一定高度捕获目标。

5)“沉默彩虹”AGM-136A反辐射导弹

“沉默彩虹”AGM-136A反辐射导弹是美国海军和空军联合研制的第一种巡逻型中程反辐射导弹。“沉默彩虹”导弹于1983年开始研制,1987年4月进行首次飞行试验,到1990年9月完成全部研制工作。目前,该项计划已经终止,但相关研究并未中断,“沉默彩虹”导弹的许多技术已经移植到智能化的战斧巡航导弹中。

“沉默彩虹”导弹呈正常气动布局,弹长2.54m,弹体直径0.7m,翼展最大高度0.695m,全弹重575kg,速度为高亚音速,射程为1000km。“沉默彩虹”导弹由4大部分组成:弹体、弹翼与尾翼,制导与控制系统,战斗部与引信,动力装置。制导与控制系统包括导引头、计算机、舵机系统等。导引头中的反辐射导引头可覆盖超高频(2~36GHz)。战斗部和引信包括一个重18.1kg的高能炸药战斗部及一个触发和近炸引信。动力装置为一台小涡轮风扇发动机,其额定推力为2.7kN,该发动机燃烧效率高,所以“沉默彩虹”导弹有较远的动力航程,续航时间超过3h。

“沉默彩虹”导弹是自主系统,可以在没有任务预先目标指示的情况下,自动搜索和攻击目标,也可按射前预编程飞到预定的地区,具有较大的战术灵活性。在飞行过程中,它可以由数据传输装置控制,临时变更原预置的飞行程序,以适应战场环境的要求。发射“沉默彩虹”导弹后,载机即可撤离作战区域。捕获目标后,导弹即以高亚音速飞向目标,俯冲攻击雷达发射机;如果敌雷达关机,导弹可根据预先存储的目标信息完成攻击任务;也可在目标区上空巡逻飞行,直到雷达发射机重新辐射电磁波后进行攻击。

6)“电子间谍(Ferret)”反辐射导弹

“电子间谍”导弹是美国陆军正在试验的一种巡逻型多用途反辐射导弹,它可从轻型车辆或直升机上发射,执行空中侦察和攻击地面雷达的精确打击任务。

“电子间谍”导弹弹长1.8m,质量为65.83kg,战斗部为破片战斗部,弹翼和舵面均可折叠,可装入储运发射箱中。导弹的作战高度为914~1524m,续航时间为2h,活动半径为600km。“电子间谍”导弹可以与E-3预警飞机、E-8监视系统、RC-7飞机配合作用,可在雷达探测盲区中进行侦察,可对目标自主搜索。当不易区分目标或接近己方阵地时,可由人来控制。该导弹适用于条件恶劣的战场环境。

7)美军的反辐射导弹发展计划

在“沉默彩虹”AGM-136A和RGM-136(陆射型)导弹计划之后,美国又开始了“先进反辐射导弹(Advance Anti-Radiation Guidedmissile,AARGM)”、“空射饱和反辐射系统(Air-Launched Saturation System,ALSS)”和“更高速反辐射导弹(Higher Speed Anti-Radiationmissile,HSARM)”的研制。

“先进反辐射导弹”AARGM由美国海军航空系统司令部和空军研究试验中心负责组织研制工作。导弹将采用复合导引头,即传统的被动导引头加先进的红外或毫米波导引头,导弹的射程将增大,机动能力也将提高。AARGM采用“哈姆”的弹体,以GPS/INS进行中段制导,末段则采用由毫米波主动雷达和进一步改进的宽频带被动雷达组成的双模导引头。目前关于该导弹作战方式的描述是:发射后导弹沿曲线弹道飞行,将宽频带被动雷达导引头快速转向目标以进行被动三角测量,如果目标雷达关机,导弹先在GPS/INS引导下靠近目标,然后启动毫米波主动雷达导引头,寻找雷达天线或导弹金属发射架的强回波以进行攻击。由此可见,AARGM将能有效地摧毁关机雷达,并且可以节约打击成本、增强打击效果。科学与应用技术公司的负责人还宣称AARGM在交付时,导引头将采用与导弹头部共形的天线阵列,并将具有“自动目标识别”(Automatic Target Recognition,ATR)能力,这样AARGM将还能用来打击敌方弹道导弹发射架、指挥控制中心、雷达电源车等目标。

“空射饱和反辐射系统”ALSS是一种射前预编程的低成本巡逻型反辐射导弹,由海军武器中心负责执行研制计划。它既可以作为诱饵使用,又可以直接攻击敌防空系统的雷达。它既具有摧毁/压制敌防空系统的能力,又具备饱和攻击敌防空系统的能力,研制成功后将取代“沉默彩虹”反辐射导弹。该导弹将使用小型涡喷发动机,其射程为100~200km。

除此之外,2001年11月,美国海军提出了“高速反辐射验证(High Speed Anti-Radiation Demonstration,HSAD)”项目招标书,目的是研制新型发动机,提高正在改进中的反辐射导弹速度和射程。2002年初,美国海军选择了大西洋研究公司新研制的变流量涵道式发动机进行高速反辐射验证,如果验证成功它将转入型号项目研制的系统发展与验证(SDD)阶段,与AARGM计划发展的先进技术集成优化,改进后的导弹将被称为“更高速反辐射导弹(Higher Speed Anti-Radiationmissile,HSARM)”,它是一种全新的第四代多功能反辐射导弹。HSARM除了整合AARGM计划发展的先进技术外,还将整合尾部操纵技术和大幅度降低雷达散射截面积的技术。美国海军要求HSARM能和现有的HARM导弹平台兼容,可由F/A-18C/D战斗机发射,射程约为185km。

2.苏联/俄罗斯

1)早期系统

20世纪70年代初埃及空军从苏联得到少量KSR-2P(AS-5)反辐射导弹,这些导弹在1973年的战争中用来攻击以色列的霍克导弹及其雷达设施。到了20世纪70年代后期,前苏联空军装备了第一种能用单座战术飞机携带的小型反辐射导弹Kh-25MP,它采用被动雷达导引头,而不是常用的无线电指令制导系统,同美国的“百舌鸟”导弹大小相当,可由米格-21或雅克-38一类小型战斗机携带。比Kh-25MP先进的是Kh-28导弹,它是一种非常大而且重的武器,装备在专用防空压制飞机。Kh-28导弹在尺寸上与美国的标准反辐射导弹相似,它至少有三个可选择的导引头,以适应北约防空体系和海军雷达的不同频带。

2)新式武器

20世纪70年代末,苏联反辐射导弹发展的重点集中在几个方面,包括改进导引头以对付北约新一代配有ECCM系统的防空雷达,这其中有两个突出的挑战:一是相控阵雷达的出现,如美国的“爱国者”防空雷达系统AN/MPQ-53;二是空中预警机目标日益重要。传统的机械扫描雷达使用宽的波束扫描,这种波束为反辐射导弹提供了跟踪信号,新式电子扫描的相控阵雷达常常使用具有极短照射目标时间的窄波束,这使得导引头很难觉察。苏联新一代的反辐射导弹就能对付这种威胁。

(1)X-58(AS-11)反辐射导弹。该导弹是苏联自行研制并装备部队使用的第三代机载反辐射导弹,于20世纪70年代初开始研制,1978年服役,装备战术攻击飞机,用来补充第二代机载反辐射导弹X-28(AS-9),装备战术轰炸机和重型攻击机。

该导弹是为对付北约组织的地面防空雷达,尤其是像美国“爱国者”(Patriot)地空导弹系统的相控阵雷达AN/MPQ-53而设计的。在设计思想和战术使用上,该导弹和美国广泛装备使用的第三代反辐射导弹——“高速反辐射导弹(HARM)”AGM-88A相似,但在技术性能和破坏威力上要更胜一筹。

该导弹在结构和气动外形设计上,采用了正常式气动布局方案,在内部结构上采用固体火箭发动机。该导弹系高超音速反辐射导弹,马赫数达到3.60(HARM导弹的马赫数为3)。

为对付不同频段的雷达目标,该导弹有多种可互换使用的被动雷达导引头,其计算机具有多目标存储记忆能力,具有抗雷达关机能力,并在飞行中具有重新瞄准能力和选择优先攻击目标能力。战斗部除采用通常的单一式爆破杀伤战斗部外,还有一种内装小炸弹的子母式战斗部。导弹战斗部采用主动雷达引信,动力装置为一台两级推力固体火箭发动机。该导弹射程为10~160km。

(2)X-31П(AS-12)反辐射导弹。X-31是苏联/俄罗斯自行研制并装备部队使用的第四代空射巡航导弹,分为反辐射和反舰两个型号,X-31П是反辐射型。该导弹头部装有被动雷达导引头和高爆炸药战斗部,引信为触发引信,动力装置为一台组合式火箭/冲压发动机。X-31П是俄罗斯第一个采用组合式火箭/冲压发动机的反辐射导弹,正是这种发动机使导弹获得很高的平均机动飞行速度,能有效地攻击诸如美国“爱国者”(Patriot)防空导弹系统的地面相控阵雷达。

X-31П导弹弹长4.70m,弹径360mm,射程10~150km,最大速度为3.5马赫。X-31П导弹需与机载雷达告警接收机配合工作,也可与临时装在飞机上的雷达定位吊舱配合工作。为对付范围广泛的不同频段的雷达目标,采用可互换使用的对应不同频段的被动雷达导引头,现有3种这样的导引头,既可攻击地面雷达目标,还可攻击空中预警指挥飞机。

3.英国——“阿拉姆(ALARM)”反辐射导弹

该导弹是英国皇家海/空军装备使用的第三代机载反辐射导弹,于1983年开始研制,用于取代法、英两国联合研制生产的“玛特尔(Martel)”AS37被动雷达型导弹和美国的“百舌鸟”AGM-45反辐射导弹。

该导弹也具有覆盖频率范围宽、信号处理能力强的特点。导引头的头锥为塑料制成的雷达天线罩,内装全固化宽频带单脉冲被动雷达导引头。导引头采用数字式信号处理技术和预编程技术,频率覆盖范围宽,并且通过修改软件就能对付新出现的威胁雷达,无须研制新的导引头。战斗部为爆破杀伤战斗部,引信为触发和近炸引信,近炸引信为红外激光引信,引爆高度可根据目标类型进行调整。“阿拉姆”弹速比“哈姆”低,适合低空作战。最特别的是“阿拉姆”设计了一种待机工作方式,当导弹飞行过程中雷达突然关机,则导弹会先爬升到10000m以上的高空,打开降落伞,使导弹徐徐下降,延长了导弹在空中的停留时间。这时如果有雷达开机,被导引头探测到,并且是属于预定的威胁,导弹就抛弃降落伞,依靠重力俯冲攻击雷达。

4.法国——“阿玛特(ARMAT)”反辐射导弹

该导弹是法国空军装备使用的第三代机载反辐射导弹,用于取代“玛特尔”(Martel)AS37被动雷达型导弹。

该导弹采用法国达索电子公司研制的新型被动雷达导引头和先进的电子设备,制导系统能够应付频率捷变、雷达关机、各种诱饵及各种电子对抗技术,备有数个可互换使用的被动雷达导引头。该导弹动力装置为固体火箭发动机,射程为93km。此外,该导弹加装了惯性导航系统,采用中段惯性制导加末段被动雷达制导,使导弹获得昼夜全天候、近距防区外发射、发射后不管的作战能力。因此,该导弹在作战性能水平上与同时代的美国“哈姆”高速反辐射导弹和英国“阿拉姆”空射反雷达导弹相比,射程远、战斗部大,防区外攻击能力更强。

5.以色列

1)“哈比”反辐射无人机

反辐射无人机的发展是无人机在未来电子战领域应用的重要扩展。相比于反辐射导弹,反辐射无人机的成本更低,攻击的机动性更强。特别是反辐射无人机可以长时间在目标上空巡逻搜索,待敌方雷达开机时再发起攻击。目前,世界上许多国家都在研制反辐射无人机,其中以色列的“哈比”、德国的“达尔”及南非的“云雀”最为典型。

“哈比”反辐射无人机是以色列飞机工业公司研制的能自主探测、攻击和摧毁敌防空系统的“自杀”性无人机,该机采用一台26马力(1马力=75kgf·m/s)的双缸双冲程活塞式发动机和推进式螺旋桨,带有被动导引头,可全天候作战使用。飞行速度200km/h,巡航速度165km/h,飞行高度3000m,航程100km以上,续航时间3~5h,攻击精度达5m。

2)“星-1(Star-1)”反辐射导弹

“星-1”导弹是以色列飞机工业公司研制的一种巡逻型反辐射导弹,由战斗机在防区外发射,压制或摧毁敌防空系统雷达。

“星-1”导弹是一种中单翼飞行器,弹长为2.70m,弹径为330mm,翼展1.15m。该弹采用NPT151-4涡喷发动机,由飞行控制计算机通过控制箱进行控制,最大射程可达400km,巡逻时间为20min,巡航速度为0.4~0.5马赫,巡航高度为0~7.5km。

“星-1”导弹的制导由导航系统和被动导引头组成。导航系统使用GPS接收机,被动导引头是一种宽频带被动传感器。战斗部为高爆破杀伤战斗部,质量为30kg。“星-1”导弹还有一种地面和海上发射型。

6.反辐射炮弹和反辐射炸弹

英国马可尼公司曾于20世纪70年代研制过155mm反辐射炮弹。同一时期,美国陆军设想发展反辐射炮弹(ARP)作为“铜斑蛇”激光制导炮弹的下一个型号,用来攻击战场上的各种雷达及干扰发射机。20世纪80年代,由于考虑到“铜斑蛇”射程有限等问题,ARP计划演变成了一项由美国陆军和海军陆战队联合研制的项目——增程的制导炮弹(ERGP)。2005年1月左右,美国防高级研究计划局同BAE系统公司签订了一项合同,对射频制导弹药(RFGM)项目所需的技术进行开发和验证,其目标是发展一种口径为81mm的反辐射制导迫击炮弹,采用被动式、全天候导引头,可以接收射频信号确定其发射源所在位置,然后制导炮弹摧毁发射源目标。

反辐射炸弹的组成和工作原理大体上与反辐射导弹类似。主要区别是反辐射炸弹是沿自由落体以滑翔方式搜索、跟踪目标雷达进行攻击。其特点是控制简单、命中精度低,但具有较大的战斗部,杀伤半径较大,弥补了精度低的不足,因而是一种低成本的制导武器。典型的反辐射炸弹是MK-82反辐射炸弹,爆炸时其弹片可飞出300m以外。

表1.1列出了几种典型反辐射导弹的参数。

表1.1 典型反辐射导弹的参数

1.1.2 反辐射武器发展趋势

经过几十年的开发和研究,反辐射武器目前正向超宽频带、复合制导、高精度、远射程(航程)的方向发展,以提高其攻击效果及攻击目标范围。

(1)采用复合制导,和其他精确制导武器界限日益模糊化。早期的反辐射武器制导方式一般采用单一的微波被动寻的导引方式,可以采用雷达关机和欺骗干扰方法来破坏其导引头的正常工作,从而影响反辐射武器的命中精度。为了提高命中率和使用灵活性,在制导方式上可采用复合制导方式,这样一来,新的反辐射导弹对辐射源的依赖将大大减少,再也不是传统意义上的反辐射导弹,它成为一种包含被动雷达制导方式的复合精确制导弹药。新一代反辐射导弹的技术特点使得它和其他精确制导武器日趋接近。可以采取的复合制导方式包括以下几种。

① 被动寻的+主动雷达末制导(厘米波和毫米波雷达):该方式主要用于反辐射导弹,可有效地对付攻击末段的各种干扰,实现高精度的攻击。

② 被动寻的+电视末制导:该方式可用于反辐射导弹和反辐射无人机。

③ 被动寻的+红外末制导:该方式可用于反辐射导弹和反辐射无人机,特别适用于对运动目标的攻击。

④ GPS中段制导+被动寻的+红外、主动雷达、电视末制导、激光制导:该方式主要用于实施远程攻击的反辐射无人机。

第四代反辐射导弹中段普遍采用了GPS/INS制导技术,而在末段采用双模制导体制:红外+被动雷达或者主动毫米波+被动雷达。

(2)更加先进的信号处理方式。超分辨阵列测向技术是被动导引头发展的趋势,这种体制解决了瞬时视野、测角精度和分辨力三者之间的矛盾。此外,更加先进的信号处理方式能够满足复杂电磁环境下目标的分选和识别等。

(3)增大航程,增加巡航时间。“百舌鸟”、“哈姆”等反辐射导弹的作用距离都在20~30km,属于近程导弹,通过改进动力装置加大射程,使反辐射导弹能从敌防区外发射,提高攻击的隐蔽性和载机的安全性。例如,美国正在研制的“先进能力反辐射导弹”和正在预研的“空射饱和系统”反辐射无人机,前者是“哈姆”的后继型,后来用来取代“沉默彩虹”反辐射无人机,既可作为诱饵使用,又可从敌防区外直接发起攻击。

空中巡逻型反辐射武器是直接攻击反辐射导弹的一种补充,主要靠长时间滞空巡逻搜索来压制防空雷达的正常使用。这种武器多数可以陆基发射,系统较为简单,成本相对低廉。高速反辐射导弹与巡逻型反辐射武器结合使用,将会在防空压制作战中取得更好的效果。

(4)扩展工作带宽,扩大攻击范围。攻击目标正在由单一的雷达发展到各种辐射源武器;导引头工作频带由传统的雷达频带分别向两端延伸,低到米波频段,高到毫米波频段,从而能将世界上现有的各种辐射源都列入其攻击范围(包括各种通信设施的电磁辐射、电视台、核电站的电磁泄漏等)。另外,导引头还将具有瞬时扩频能力,以对付频率捷变雷达。

(5)提高反辐射武器在复杂的电磁环境中识别和攻击目标的能力,实现制导系统数字化,以提高反应速度。

(6)增大爆炸威力。采用高效能的战斗部,提高单位体积炸药的爆炸威力以扩大战斗部的有效杀伤半径;采用高性能的引信,以便当反辐射武器处于对雷达破坏力最大的位置时使战斗部起爆。

(7)采用隐身技术,提高反辐射武器的空间生存能力。

(8)形成系列化研制和生产,大大降低成本。

1.1.3 反辐射武器抗诱偏技术发展现状与趋势

被动导引头采用单脉冲技术来对辐射源进行定位并实施攻击,受客观条件的限制,导引头的天线不能太大,并且为了捕捉目标,其天线波束宽度不能太窄。这使得在导引头分辨距离之外攻击密集目标或带有诱饵站的制导雷达时,由于不能分辨目标,而不能准确实施攻击(导引头跟踪的是多目标的能量中心);当距离目标较近可以分辨目标时,由于导弹(或其他载体)速度较高,机动过载有限,此时已不能击中目标。这是目前反辐射武器的弱点,也是有源诱偏技术对抗反辐射武器攻击的突破口。只要合理布站,就可以有效地避免反辐射导弹的攻击。这些技术削弱了反辐射导弹作战效能,对反辐射导弹提出了严峻的挑战。

作为反辐射武器的核心传感器,被动导引头可能遇到以下几种情况的多辐射源干扰问题:

(1)多个雷达脉冲源;

(2)连续波信号中同时有脉冲信号;

(3)多个同时到达、时域和频域完全重叠的信号。

对于第一种情况,可采用基于脉冲描述字的分选方法来解决,这是目前主要的方法;对于第二种情况,可利用相位和幅度变化信息来进行连续波中脉冲信号的检测,以及强脉冲抑制下的参数测量与估计;对于第三种情况,理论上可以采用谱估计、时频分析、阵列空间谱估计等方法对多个干扰源进行联合参数估计和干扰源数目估计。但是,对于被动导引头这样的无源探测系统,系统受阵元个数及天线尺寸的限制,采用上述方法分辨时域、频域完全重叠且空域上无法依靠波束分辨的两个或两个以上的辐射源信号是很困难的。

国内外有关PRS抗多点源干扰的方法有以下几种。

(1)采用脉冲前沿跟踪和时间选择技术,鉴别跟踪单一信号和抗多路径干扰、多源干扰。时间选择技术就是用选定的信号本身产生选通波门,对信号在时域上进行选择,对感兴趣的信号实现稳定跟踪。

必须说明的是,脉冲前沿跟踪和时间选择技术只适用于对抗两个或两个以上发射脉冲信号的干扰源,对于两个发射连续波信号的干扰源将是无效的。

(2)窄带锁相环路和角度波门技术。与脉冲前沿跟踪类似,窄带锁相环路是在频域上实现对某单个辐射源的稳定跟踪,而角度波门技术虽然不能提高PRS的角度分辨力,但是可以通过搜索角和跟踪角的变换实现对于某个辐射源的稳定跟踪。

(3)采用数据积累取均值的方法。文献司锡才,查玉峰.两点源抗反辐射导弹诱偏(骗)技术[J].航空学报,1989,10(6):288-296.通过实验发现,当两点源发射信号的振幅比β>1.25时,SY-2G导引头不再跟踪两源的功率重心,而是跟踪功率大的那个源。文献Dunlop A J.AGC Response and Target Gliant.现代雷达,1986(5). L.V.McWhorter.Response of variousmonopulse seeker to amulti-source environment.South East Con'81.P698-709. Kanter, I.Varieties of averagemonopulse responses tomultiple targets.IEEE Trans.AES-17, no.1, January 1981, P25-28.指出:快速AGC跟踪系统中,被动导引头对多个数据积累取均值后不再跟踪两源的功率重心,而是跟踪功率大的那个源。因工艺和器件上的原因,两源的功率不可能完全相等,天线方向图不可能完全一样,使得到达导引头处两点源的功率不可能完全相等,这就为PRS对抗两点源干扰提供了可能。并且对于发射脉冲信号或连续波信号的两点源,都适合采用对多个数据积累取均值的方法跟踪两点源中的大功率源。此外,文献吕彤光.被动雷达导引头抗干扰技术研究[D].博士学位论文.长沙:国防科技大学研究生院.2001,10.对于数据积累的抗诱偏效果进行了进一步分析,得到了跟踪两个辐射源中较大功率辐射源的方法和条件。

(4)采用边带跟踪和孤立脉冲的方法。在战场环境下,敌方有可能使用两(多)个噪声调频干扰源对我方反辐射武器进行干扰,由于同时在一个小角度方向上可能有两个干扰源,ARM要攻击其中一个干扰源是很困难的,所以,在同时存在两个连续波噪声调频源时,怎样使导引头稳定跟踪其中一个源是保证在实际战场环境下反辐射武器正常发挥作用的关键。同时存在的两个干扰源可能有以下两种情况:

① 频带不相同;

② 频带基本重叠。

对于频带不相同的两点源,文献被动导引头多干扰模式分选技术研究报告[R].长沙:国防科技大学电子技术系,1996,5. 郭志刚.多干扰源信号分选算法研究[D].长沙:国防科技大学硕士学位论文,1998,1.采用边带跟踪的方法实现对其中一个源进行跟踪。即接收机带宽小于干扰总带宽的一半,因为两干扰源的频带不完全覆盖,通过改变接收机本振频率,使得两干扰源混频后落入接收机带通滤波器的功率变得有差别,对测得的角度进行均值处理或找出测得角度直方图的最大峰,就有可能对大功率源进行跟踪。

对于频带基本重叠的两点源,可以分为“宽带”和“窄带”干扰信号进行讨论。对于宽带信号,文献被动导引头多干扰模式分选技术研究报告[R].长沙:国防科技大学电子技术系,1996,5. 郭志刚.多干扰源信号分选算法研究[D].长沙:国防科技大学硕士学位论文,1998,1.采用孤立脉冲形成的方法实现对其中一个源进行跟踪,即通过选取适当的接收机带宽,使得中放输出形成孤立脉冲并且两干扰信号的孤立脉冲重叠概率小于50%,这样对一段时间内测角值进行直方图统计,理论上会出现在两个源的偏角处出现峰值,因此可以得到两个源的偏角,可以选择其中一个进行跟踪。但对于频带基本重叠的窄带干扰信号,尚无有效的方法对其中一个进行跟踪。

(5)文献王军宁.多源信号的角分辨和角跟踪[D].西安:西安电子科技大学硕士学位论文,2002,1.将聚类分析方法应用到导引头跟踪两个干扰源的过程中,提高了对于多目标的角度分辨能力。

(6)超分辨算法。空间谱估计方法提供了超过“瑞利限”的角度分辨能力,它所具有的对来波方向估计的渐进无偏性和超分辨特性,完全可以用于高密度信号环境下的无线电测向,其在被动导引头上的应用前景被各军事大国所看好。

空间信号的方向估计与时间信号的频率估计十分相似。在理论上,它们均可表述为基本的非线性参数问题。许多时域非线性谱估计方法推广成为空域谱估计方法,于是便产生了所谓的高分辨谱估计方法(技术)。在过去的30多年时间里,许多专家学者对空间谱估计这一技术进行了广泛而深入的研究,取得了极为丰硕的成果。

自20世纪70年代以来,主要的高分辨谱估计方法有Pisarenko的谱波分析法、Burg的最大熵法(MEMBurg J P.Maximum entropy spectral analysis.Proc.of the 37thmeeting of the Annual int[C].SEGmeeting, Oklahoma City, OK, 1967.)、Capon的最小方差法(MVMCapon J.High-resolution frequency-wave number spectrum analysis[J].Proc.of IEEE, 1969, 57(8): 1408-1418.)。Tufs和Kumaresan研究认为,基于线性预测理论的超分辨算法不能有效利用加性噪声的统计特性,因而其分辨性能较差Kumaresan R, Tufts D W. Estimating the angles of arrival of multiple plane waves[J]. IEEE Trans. on AES,1983, 19(1): 134-139.。他们利用特征分解方法,使得基于线性预测理论的DOA方法的信噪比门限大大降低。美国的Schmidt R O.等人提供的多重分类(MUSICSchmidt R O.Multiple emitter location and signal parameter estimation[J].IEEE Trans.on AP, 1986, AP-34(3): 276-280. Schmidt R O.Multilinear arraymanifold interpolation[J].IEEE Trans.on Signal Processing, 1992, 40(4): 857-866.)算法,实现了空间谱算法向现代超分辨测向技术的飞跃。MUSIC算法的提出也促进了特征子空间类(也称为子空间分解类)算法的兴起,利用两个子空间的正交特性构造出针状空间谱峰,从而大大提高算法的分辨力。子空间分解类算法从处理方法上可分为两类:一类是以MUSIC为代表的噪声子空间算法,另一类是以旋转不变子空间(ESPRIT)为代表的信号子空间类算法。以MUSIC算法为代表的算法包括特征矢量法Cadzow J A, Kim Y S, Shiue D c.General direction-of-arrival estimation: a signal subspace approach[J].IEEE Trans.on AES, 1989, 25(1): 31-46.、MUSICSchmidt R O.Multilinear arraymanifold interpolation[J].IEEE Trans.on Signal Processing, 1992, 40(4): 857-866.、求根MUSICRao B D, Hari K V S.Performance analysis of Root-MUSIC[J].IEEE Trans.on ASSP, 1989, 37(12): 1939-1949.法及MNMKumaresan R, Tufts D W.Estimating the angles of arrival ofmultiple plane waves[J].IEEE Trans.on AES, 1983, 19(1): 134-139.等。以ESPRIT为代表的算法主要有TAMKung S Y, Arum K S, Rao D V B.State space and SVD based approximationmethods for the harmonic retrieval problem[J].J.Opt.Soc.Amer, 1983, 73(12): 1799-1811.、LS-ESPRITRoy R, Kailath T.ESPRIT a subspace rotation approach to estimation of parameters of cissoids in noise[J].IEEE Trans.on ASSP.1986, 34(10): 1340-1342.及TLS-ESPRITRoy R, Kailath T.ESPRIT- estimation of signal parameters via rotational invariance techniques[J].IEEE Trans.on ASSP, 1989, 37(7):984-995.等。20世纪80年代后期开始,最大似然MLStoica P, Nehorai A.MUSIC,maximum likelihood, and Cramer-Rao bound[C].In Proc.ICASSP, 1988:2296-2299. Ottersten B, Vibergm, Stoica P, Nehorai A.Exact and large samplemL techniques for parameter estimation and detection in array processing[C].IN Haykin, Litva, and shepherd, editors, Radar array processing, Springer-Verlag, Berlin, 1993: 99-151.算法、加权子空间拟合WSFCadzow J A.Ahigh resolution direction-of-arrival algorithm for narrow-band coherent and incoherent sources[J].IEEE Trans.on ASSP, 1988, 36(7): 965-979.算法及多维MUSIC(即MD-MUSICClergeot H, Tressens S, Ouamri A.Performance of high resolution frequencies estimationmethods compared to the Cramer-Rao bounds[J].IEEE Trans.on ASSP, 1989, 37(11): 1703-1720.)算法等的相继提出进一步完善了空间谱估计理论。最大似然ML,包括确定性最大似然算法DMLStoica P, Nehorai A.MUSIC,maximum likelihood, and Cramer-Rao bound[C].In Proc.ICASSP, 1988:2296-2299. Ottersten B, Vibergm, Stoica P, Nehorai A.Exact and large samplemL techniques for parameter estimation and detection in array processing[C].IN Haykin, Litva, and shepherd, editors, Radar array processing, Springer-Verlag, Berlin, 1993: 99-151.和随机性最大似然参数估计方法SMLOttersten B, Vibergm, Stoica P, Nehorai A.Exact and large samplemL techniques for parameter estimation and detection in array processing[C].IN Haykin, Litva, and shepherd, editors, Radar array processing, Springer-Verlag, Berlin, 1993: 99-151.,应用于波达方向估计。由于方向估计似然函数是非线性的,求解其最优解需要进行多维搜索,运算量巨大。Wax提出了用轮换投影APZiskind I, Waxm.Maximum likelihood localization ofmultiple sources by alternating projection[J].IEEE Trans.on ASSP, 1988, 36(10): 1553-1559.算法求解似然函数的最优解,大大减少了运算量,但是只能得到局部最优,并不保证全局最优。WSF算法同样按子空间特性分为两类:一类是信号子空间拟合算法Cadzow J A.Ahigh resolution direction-of-arrival algorithm for narrow-band coherent and incoherent sources[J].IEEE Trans.on ASSP, 1988, 36(7): 965-979.,另一类是噪声子空间拟合算法Krim H, Vibergm.Two decades of array signal processing research[J].IEEE signal processingmagazine, 1996, 13(4): 67-94.。ML算法的实现过程和WSF算法的实现过程可以通用,如MODE算法Stoica P, Sharman K C.Novel eigenanlysiamethod for direction estimation[J].IEE Proceeding.Pt.F, 1990.137(1): 19-26.、MVP算法Vibergm, Ottersten B, Kailath T.Detection and estimation in sensor arrays using weighted subspace fitting[J].IEEE Trans.on SP, 1991, 39(11): 2436-2449.、迭代二次型最大似然IQMLBresler Y,macovski A.Exactmaximum likelihood parameter estimation of superimposed exponential signals in noise[J].IEEE Trans.on SP, 1991, 39(11): 2436-2449.等均可用ML和WSF算法的实现过程。

由于空间谱估计方法提供了超过“瑞利限”的角度分辨能力,将其应用到反辐射武器上,会极大地改善反辐射武器的角度分辨能力,因此有很多学者研究在反辐射武器上应用空间谱估计算法的可能。反辐射武器是电子战中的“硬杀伤”武器,对其制导和作战方式都是各国保密的重中之重,公开发表的相关的文献很少。在文献AGM-88 High-speed Anti-Radiationmissile(HARM)[M].Janes Electronicmission Aircraft.19, 2007, United States.中给出了HARM导弹各型号的相关数据,在AGM-88A、AGM-88B上除了宽带被动接收雷达天线外,还存在一组线阵天线阵,为采用空间谱估计算法提供了相应条件。文献吕彤光,周一宇,李盾,等.两点源干扰中被动雷达导引头测角性能分析[J].宇航学报,2001,22(6):15-25.简单分析了在反辐射武器上应用空间谱估计算法的前景和相应难点,提出天线阵布阵困难、计算量大、空时的欠采样是PRS上应用空间谱估计算法的难点。文献司锡才,崔冬槐,司伟建.反辐射导弹对抗低截获概率雷达和诱饵技术[J].系统工程与电子技术,2005,27(9):1549-1552.利用天线阵子的空间布阵实现对PRS上的空间谱估计,并进行了相关实验来分析其分辨能力,但是没有给出具体的实现方法与相应设置参数。文献刘剑,王丰华,黄知涛,周一宇.阵列扩展用于反辐射导弹抗诱偏的研究[J].系统工程与电子技术,2007,29(3):365-367.利用大的快拍数,用时间换空间对阵列进行扩展,提高PRS的分辨率和分辨精度,但是大的快拍数在实际应用中很难满足。文献刘义,赵志超,王雪松,等.反辐射导弹复合测角抗诱骗干扰方法[J].宇航学报,2009,30(5):2122-2127.提出了一种单脉冲-空间谱复合测角方法,通过对两种方法的信息融合得到目标信息估计,使ARM利用空间谱估计成为可能,但相应地增大了反辐射武器装备的复杂度。在文献刘义,赵志超,王雪松,等.反辐射导弹复合测角抗诱骗干扰方法[J].宇航学报,2009,30(5):2122-2127.的基础上,文献刘义,罗军,王雪松,王国玉,冯德军.诱偏干扰环境下被动雷达导引头数据灰色处理方法[J].信号处理,2010,26(3):436-440. 刘义,赵春娜,王雪松,王国玉,冯德军.一种对抗环境下反辐射导弹瞄准点估计方法[J].宇航学报,2010,31(3):764-768. Liu Yi.A Data Processing Approach in Passive-Radar-Seeker Based on Grey Entropy[C].IEEE 2009 ICIECS, Wuhan, China.进一步分析诱偏干扰环境下的被动雷达导引头的数据处理方法。在PRS上应用空间谱估计算法,还有很多技术问题没有解决,离实际工程应用还有一段距离。