作者：高烽
出版社：电子工业出版社
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雷达导引头概论试读：
内容简介
本书介绍雷达导引头的基本体制和相关技术，全书共12章，内容包括概述、目标、环境、信号与噪声、导引头基本功能、主动导引头、半主动导引头、被动导引头、复合导引头、系统设计、分系统技术和试验技术。
本书可作为从事雷达导引头研制工作的工程技术人员和高等院校相应专业师生的参考书。
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图书在版编目（CIP）数据
雷达导引头概论/高烽编著.—北京：电子工业出版社，2010.12
ISBN 978-7-121-12161-6
Ⅰ.①雷… Ⅱ.①高… Ⅲ.①雷达-导引头-概论 Ⅳ.①TJ765.3
中国版本图书馆CIP数据核字（2010）第214543号
责任编辑：侯丽平
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出版发行：电子工业出版社
北京市海淀区万寿路173信箱 邮编 100036
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印 次：2010年12月第1次印刷
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服务热线：（010）88258888。前 言
雷达导引头是安装在导弹头部的探测装置，是无线电寻的制导武器系统的弹载关键设备。
雷达导引头以雷达原理和雷达系统为基础。美国于20世纪50年代由麻省理工学院出版的《雷达丛书》，以及后来由斯柯尔尼克主编的《雷达手册》，一直是研制雷达导引头的经典参考文献。近年来，我国由王小漠院士和张光义院士主编的《雷达技术丛书》汇集了雷达基础理论和国内雷达界众多专家学者的实践经验，对雷达导引头的研制同样具有重要参考价值。我国也出版过几本针对某种类型雷达导引头的专著，当前还缺少关于雷达导引头的综述类著作。本书阐述各种雷达导引头基本体制、工作原理、技术性能和设计要点，旨在为雷达导引头的设计师们奉献一本内容丰富、概念清晰、编排缜密、行文流畅的参考书。
全书共12章。内容涉及各种体制的雷达导引头，以及雷达导引头的目标与环境、系统设计、分系统技术和试验技术等方面。
第1章简要介绍寻的制导原理、寻的系统体制和导引头分类。
第2章与第3章分别介绍雷达导引头的目标与环境，内容涉及目标的电磁特征、目标的电磁隐身，以及电波传播、杂波和干扰。
第4章介绍信号的分析方法、信号的表达方式、雷达信号的特点、导引头常用信号，以及噪声的数值表征和窄带噪声。
第5章介绍雷达导引头的目标检测、信息提取和指令形成等基本功能。
第6章至第9章分别介绍主动导引头、半主动导引头、被动导引头和复合导引头，共涉及16种不同形式的雷达导引头。
第10章介绍雷达导引头的系统设计，内容包括作用距离、测量精度、环境适应性、电磁兼容性和可靠性的基本设计方法。
第11章介绍雷达导引头的分系统技术，综述天线、发射机、接收机、信息处理机、伺服系统与二次电源的主要功能、技术要求和基本体制。
第12章介绍雷达导引头的试验技术，如实验室试验、半实物仿真试验、外场验证试验、挂飞验证试验和搭载验证试验等。
本书注重雷达导引头物理概念和工程实践的阐述。因篇幅有限，书中未涉及雷达原理和雷达系统基础知识，读者可通过各种雷达专著了解有关内容。
上海无线电设备研究所策划了《雷达导引头概论》的编著工作，周如江所长、蔡昆常务副所长对本书的编审和出版工作给予充分的支持与帮助。西安电子科技大学张守宏教授、哈尔滨工程大学司锡才教授、上海无线电设备研究所黄公弼研究员审阅了书稿。上海无线电设备研究所倪保家研究员、任志成研究员、蔡红豪高级工程师，以及王树文、王志诚、蒲书缙、姚凤薇、邹波、高路、崔永香、谈骏、周启华、吴振凯、徐春夷、王德强和李伟国等同志参与了本书个别章节部分内容的编写和校对工作，在此谨向他们致以谢意。2010年9月18日第1章 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。本章介绍寻的制导原理、寻的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。
寻的制导系统的工作原理可由导弹-目标运动方程组和制约导弹［1］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。图中：导弹与目标分别位于M与T处；R为导弹-目标距离；MT导弹指向目标的射线MT为视线；q为视线与基准线的夹角；θ为导弹M速度矢量与基准线的夹角；θ为目标速度矢量与基准线的夹角。q、Tθ、θ三个角度均以基准线为参照，逆时针旋转为正值。另外，φ、MTMφ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。T图1-2 导弹与目标运动关系
由图1-2可以列出导弹-目标运动方程：
导弹的运动参数θ（t）、q（t）由导引方程约束，采用不同的约M束方程，可获得不同的导引规律。比如采用比例导引规律时，导弹速度矢量的转动速率dθ（t）/dt 比例于视线角速率dq（t）/dt，即M
式中：k为比例导引系数。通常，dq（t）/dt由导引头提取，而gdθ（t）/dt 由导弹自动驾驶仪中的加速度计间接测量，即M
式中：a（t）为导弹横向加速度；ν（t）为导弹速度。MM
为了改善弹道特性，通常采用修正比例导引。为使弹道具有单值性，比例导引系数应为
式中：N为有效导航比；ν（t）为径向速度，又称接近速度。r
将式（1-3）和式（1-4）代入式（1-2），可得修正比例导引方程：
为了实现修正比例导引，除了实时测量dq（t）/dt和a（t）值外，M还需提取ν（t）信息。尽管修正比例导引一般不需要距离信息，但是r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dq（t）/dt、ν（t）和R（t）由导引头测量，并由指令形成电路给rMT出指令电压
式中：k为电压转换系数。u
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
式中的系数k应与式（1-6）中的电压转换系数相同。u
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。图1-3 比例导引系统的基本结构
制导过程中，自动驾驶仪提取的误差信号为
由误差信号控制驾驶仪的执行机构，操纵导弹飞向目标。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。根据载体信号的不同来源，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.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。
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已。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。
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
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。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。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。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毫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。
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［3，4］引头、被动导引头和复合导引头。
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冲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。
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。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。图1-8 半主动导引头的简化框图
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。
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。
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
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。
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。
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。半主动模式采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。主动模式也采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。图1-11 半主动/主动复合导引头的简化框图
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。
除了被动/主动复合导引头和半主动/主动复合导引头之外，还可以组合成其他复合形式，如双波段复合主动导引头、SAR/主动导引头复合探测装置等。
本书阐述的主动导引头、半主动导引头、被动导引头和复合导引头都属于无线电寻的装置，国内称这类导引头为雷达导引头。这里，不妨对“雷达导引头”这一术语稍做讨论。在《雷达手册》的第1章“雷达概论”中明确指出：雷达以辐射电磁能量并检测反射体的回波的方式工作，它是一种有源装置，具备自己的发射机而不依赖于外界的辐射。在《雷达手册》的第25章“双基地雷达”中又指出：双基地雷达采用两个相距颇远的基地，其中一个基地放置发射机，另一个基地放置接收机，由发射机照射目标、接收机检测和处理目标回波。在《雷达手册》的第19章“导弹的雷达制导”中介绍了雷达技术在导弹武器中的应用：主动导引头是典型的弹载雷达装置；半主动导引头是双基地雷达系统中的接收装置；被动导引头可分为反辐射寻的、基于干扰的寻的和辐射计测量寻的三种模式。按照《雷达手册》的经典概念，半主动导引头和被动导引头都不是严格意义上的雷达装置，前者是双基地雷达中的接收装置，后者仅是一种接收设备。然而，“雷达”的英文原意是“radio detection and ranging”，其中并不明确探测设备是否具有发射装置，除了具有发射机的常规雷达之外，还出现了无源雷达、被动雷达等术语。导引头研制人员习惯于将以无线电波为载体的主动导引头、半主动导引头和被动导引头称为主动雷达导引头、半主动雷达导引头和被动雷达导引头，并将它们统称为雷达导引头。采用国内习惯用语，本书以《雷达导引头概论》为书名。第2章 目 标
除了雷达原理和雷达系统之外，雷达导引头设计工作还涉及多种专业知识，如目标电磁特性与环境效应等。本章介绍目标电磁特性的基本概念，若需要了解详细知识，可参阅文献［2，5］。环境效应将在第3章中介绍。2.1 目标的电磁特征
雷达的目标信息包括目标位置信息和目标特征信息两大类。目标的位置信息隐含于目标回波中，可以通过对目标回波的距离和角度的精密跟踪获取目标的位置信息。实时获取运动目标的位置信息，还可以得到目标的运动参数和运动轨迹。目标特征信息也隐含于目标回波中，从中可以获取目标的雷达散射截面及其起伏模型、目标极化散射矩阵、目标多散射中心分布和目标图像等信息，它们表征了雷达目标的固有特征。2.1.1 散射特性
目标的散射特性是影响主动和半主动导引头探测性能的重要因素。
1.雷达散射截面的定义
目标的雷达散射截面（RCS）是表征目标对于照射电磁波散射能2力的一个物理量。RCS的量符号为σ，单位为平方米（m）。RCS有两种定义：一是理论定义；二是实验定义。
RCS的理论定义由简明方程表达，即
式中：R为观测点至目标的距离；E为观测点处的目标散射电磁s场的电场强度；E为目标处的入射电磁场的电场强度。当距离R趋向0无限大，即满足远场条件时，照射目标的入射波近似为平面波，且散射场强E与R成反比，此时RCS与R无关。
RCS的实验定义由雷达方程导出，雷达方程可以表达为
式中：P为雷达天线的接收功率；P为雷达发射功率；G为雷RTA达天线增益；R为雷达-目标距离；σ为目标的雷达散射截面；λ为雷达工作波长。式（2-2）具有明确的物理意义：第一个因子表示雷达在目标处建立的功率密度；前两个因子之积表示目标以一个等效面积σ俘获入射能量并各向同性地辐射的功率密度；第三个因子为雷达天2线的等效孔径面积，即A=Gλ/（4π），三个因子之积表示天线俘获AA目标的二次辐射功率。
由式（2-2）可写出RCS的实验定义：
当探测雷达的发射功率、天线增益和和工作波长确定后，根据距离和接收功率的测量统计值，可求得目标的RCS。
2.后向散射
主动导引头接收的反射波是导引头发射机照射目标后的后向散射，相应的目标雷达散射截面称为后向RCS，简称RCS。
1）典型飞机的RCS统计平均值
典型飞机的RCS统计平均值如表2-1所示，对应的工作波长为5 cm。飞机类目标方位维的RCS随方位角呈规律性变化，最小值出现在5°～20°范围（鼻锥方向为0°），最大值出现在90°附近。为了规范飞机类目标的RCS，通常取方位维-45°～+45°范围内的RCS统计平均值作为典型的RCS数值。飞机类目标俯仰维的RCS较大，隐身飞机的俯仰维的隐身效果也较差。对于隐身侦察强击机，俯仰角90°方向的RCS比俯仰角为0°的鼻锥方向的RCS增大约40 dB。表2-1 典型飞机的RCS统计平均值表2-1（续）
典型飞机的RCS统计平均值与波段的关系如表2-2所示。常规飞机的微波频段的RCS较小，RCS的频率响应通常两端高，中间低。表2-2 典型飞机的RCS统计平均值与波段的关系
在（50～400）MHz范围内，飞机类目标可能产生RCS谐振现象，RCS数值明显增大。
2）典型导弹的RCS统计平均值
表2-3为典型导弹的RCS统计平均值，它给出了三种导弹在S、C、X、Ku波段上，俯仰角为0°时两种极化（水平极化或垂直极化）的方位维RCS，其值分别为导弹的头部和正侧部-45°～+45°范围内的RCS统计平均值。表2-3 典型导弹的RCS统计平均值表2-3（续）
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]