盾和弹之间的那点事(二十)——制导篇：毫米波雷达制导
何谓毫米波？
毫米波就是指波长为1～10毫米的电磁波，是频率最高、波长最短的微波频段。毫米波由于波长介于微波与红外、可见光之间（毫米波也属于微波的一种，这里为了方便讲解将毫米波与其它微波波段进行区分），因而兼有微波和光电的优点，使其在通信、雷达、制导、遥感、射电天文等方面都有重大的应用价值。在军用领域，除了毫米波雷达外，毫米波在军用通信领域也可大有作为，这是因为毫米波具有波束窄、方向性强的特点，使其很难被对方的电子侦察系统截获，因而可以提供安全、隐蔽、保密的军用通信。毫米波用于通信还有一大优点是其拥有极宽的频带带宽。一般认为毫米波的频率范围为26.5～300GHz，频带带宽高达273.5GHz，超过从直流到微波全部带宽的10倍，这对于无线通信来说十分重要。因为无线电频谱资源不是取之不尽、用之不竭的，而人类对无线电频谱资源的需求却急剧膨胀，比如“北斗”二代与“伽利略”卫星导航系统的频率之争就是无线电频率资源日趋紧张的一个体现，因此毫米波通信在频率资源极其紧张的今天无疑是极具吸引力的。毫米波尤其适用于卫星通信，可以提供比传统通信卫星更大的通信容量和更高的数据传输速率，典型代表就是美国先进极高频军用通信卫星AEHF，其通信容量比传统军用通信卫星提高了十倍以上，而且保密性、抗干扰性和低可截获概率等性能指标也得到全面提升。总结来说，毫米波通信具有波束窄、数据传输率高、隐蔽性强、抗干扰能力强以及全天候工作的特点，在军用通信领域有着很大的发展前景。
毫米波雷达也是近年来发展较快、并得到各国军队普遍重视的一种重要军用装备技术。毫米波雷达就是指工作在毫米波波段的雷达。一般情况下雷达为了提高远程探测距离，大多工作在波长较长、频率较低的波段，多为厘米波和分米波，还有工作在米波或者更长波段的雷达。而毫米波雷达的波长较短，频率极高，使其具备了分辨率高、测量精度高的特点。这是因为对于雷达来说，波长越短、频率越高，则雷达波束越窄，“看”目标“看”得越清楚。在相同天线尺寸下，毫米波的波束要比微波波束窄得多。例如一个12厘米的天线，工作于9.4GHz时其波束宽度为18度，而工作在94GHz时其波束宽度仅1岛度，从而可以分辨相距更近的多个小目标，或者更为清晰地观察目标。如果说传统的微波雷达看的是物体轮廓，则毫米波雷达就可以看物体细节，即毫米波雷达的探测、跟踪精度非常高。正是因为毫米波雷达的这一特性，使得它非常适合用于各种火控雷达，一些传统的×波段火控雷达也有往毫米波方向发展的趋势。毫米波雷达凭借极高的精度甚至可用于探测、跟踪飞行中的炮弹或火箭弹。
毫米波雷达的典型应用就是“长弓阿帕奇”武装直升机，其头上顶的“长弓”火控雷达就工作在毫米波波段，可实现对地面、低空和水面目标的高精度探测。“长弓”雷达之所以选择了毫米波波段，就是因为地面目标一般体型都比较小（比如坦克和导弹发射车），处于复杂的地形环境中，且经常与其它无关目标混杂在一起，传统微波雷达的分辨能力很难有效地探测、识别地面目标。传统雷达的发射波束较宽，覆盖范围大，当对地面目标进行探测时，由于地面的环境较为复杂，除了被探测的目标以外，同时还存在着各种无关的杂物，比如地面建筑物、复杂的自然环境和地形，这些都会对雷达的探测产生不良的影响。雷达较宽的发射波束除了照射目标以外，还不可避免地会照射到目标周围的无关杂物，从而产生无用的雷达回波，也就是杂波。杂波会干扰雷达对目标的正常探测，甚至会产生无法探测的盲区，这也是传统雷达在对地/对海或对低空飞行目标进行探测时的一大难题。而毫米波雷达的窄波束可以有效克服地面杂波及背景干扰，再加上毫米波雷达的尺寸、重量可以做得非常小，因此直升机也可以在头上“顶个球”。
毫米波雷达的高精度使它也很适合用于舰载火控雷达，比如我国1130近防炮就配备了专用的毫米波火控雷达。毫米波雷达尤其适合用于探测、跟踪低空来袭的反舰导弹类目标，并且也有利于探测快艇等小型水面目标。不过毫米波雷达多用于近程防空系统或者炮瞄雷达，因为毫米波雷达相比厘米波、分米波雷达其探测距离通常都要小得多，这是毫米波波长较短带来的固有缺陷。毫米波在大气中的传输损耗大，同样的作用距离下其所需要的发射功率及天线增益都比微波雷达更高，这限制了毫米波雷达作用距离的提升。而且毫米波雷达发射的窄波束先天不适合用于远程大范围探测，这是其用于舰载雷达的一大制约因素。不过毫米波雷达探测距离近的缺点并不是绝对的，当它的天线孔径足够大、发射功率足够强时，毫米波雷达也是可以实现远程探测的。美国就曾研发过超大型毫米波探测雷达，天线尺寸达到13.7米，最大探测距离达到惊人的2500千米，并且仍保持了很强的目标分辨能力，用于探测弹道导弹时可以提供极高的探测精度，具备了识别和区分真假弹头的能力。当然，该雷达的研发难度非常高，在经过了多年的技术改进后还只是试验的性质。
毫米波雷达还具备以下的优点——抗干扰能力强由于毫米波雷达发射的是窄波束，使敌方难以截获雷达信号，敌方干扰机的干扰功率信号正确指向毫米波雷达要比指向微波雷达更困难;反隐身能力：目前隐身飞机设计的隐身频率主要作用于微波雷达，对毫米波这种“非主流”的雷达波段效果不佳，而且隐身机的机体等不平滑部位相对毫米波来说更为明显，因此毫米波雷达具有一定的反隐身能力;毫米波雷达凭借极高的分辨率也有利于雷达成像，从而提高雷达对目标的识别和分辨能力，并使雷达系统具备更加强大的功能。
毫米波雷达制导
毫米波雷达制导就是指导弹的导引头采取了毫米波雷达技术，一般情况下多为主动式制导。毫米波雷达导引头体积小、重量轻，因此广泛应用于各类制导武器中。如果说毫米波雷达由于探测距离较近而使其应用范围受到限制的话，则毫米波雷达导引头对这个问题就不那么敏感了。因为导弹导引头对探测距离的要求远比雷达要小，而对探测精度的要求却远比雷达苛刻，因此新一代导弹导引头的一个发展趋势就是向更高的工作频率发展。目前的弹载主动雷达导引头多工作于X波段或Ku波段，虽然从性能上看并无太大缺陷，但目前的隐身、干扰措施大多针对这一类型的导引头，因此提高导引头的工作频率是有着现实意义的。毫米波用于末制导时兼有微波制导和光学制导的优点。与工作于厘米波段的主动雷达导引头相比，毫米波雷达导引头的分辨率、探测精度更高，而同红外、激光、电视等光学导引头相比，毫米波雷达导引头穿透云雾、全天候作战的能力更强，且采取了主动制导方式，不易受目标和外界因素的影响，其制导性能更稳定可靠。
毫米波雷达制导技术尤其适用于各种对地武器，原因就在于其分辨率高，更适合对付处于复杂地形环境下的地面目标。俄罗斯成功研制了一种试验性的毫米波主动雷达导引头，重8千克，工作频率94GHz，天线直径12厘米，对火箭发射架、履带车等目标的探测距离在500～2800米范围内。该导引头已进行了地面和飞行试验，试验结果表明它能从地形背景中提取目标特征，然后自动跟踪并引导导弹攻击目标。以传统X波段、Ku波段主动雷达导引头的分辨率，在这种环境下的作用效果将会大幅下降。在前篇中曾提到过印度陆攻版“布拉莫斯”巡航导弹，它最初采用的就是×波段的主动雷达导引头，在用于对陆攻击时分辨率严重不足，只能在试验中打击平原地形下孤零零的房屋目标。“布拉莫斯”block2据说换装了毫米波雷达导引头，提高了对地面目标的分辨能力，具备了发现4千米外坦克的能力，但飞行速度过快又导致了导引头的反应时间不足，所以其打击效果仍然不甚理想。当然，“布拉莫斯”的问题并不在于毫米波雷达导引头本身，而是其整体设计与制导体制上的问题，光改进导引头却不改进整个制导体制，是不能改变陆攻版“布拉莫斯”“伪陆攻巡航导弹”的本质的，印度人仍不得不发展看上去较为“正常”的“无畏”巡航導弹。
毫米波雷达制导还有一个重要的发展方向就是用于反舰导弹的末制导。与陆上武器不同，目前主流反舰导弹普遍采用的是厘米波末制导雷达，如X波段，部分工作于频率更高的Ku波段。这主要是因为相比陆上环境，海面的背景较为“干净”，杂波干扰比陆地要小，而且水面舰艇的体型普遍较大，其本身就是一个巨大的雷达反射体，这些条件都有利于反舰导弹导引头对目标的探测。因此老式的X波段雷达导引头的分辨率已够用，而且技术比较成熟，研制成本和使用费用较低。但反舰导弹的末制导也要往更高频率发展，新一代反舰导弹已逐渐开始采用频率更高的Ku波段导引头或毫米波雷达导引头。毫米波雷达导引头的分辨率高，有利于提高反舰导弹的攻击精度，甚至可以对目标舰艇进行雷达成像，从而有可能实现对目标舰艇的自动识别，和对目标舰艇要害部位的针对性打击。现代军舰的设计普遍重视隐身能力，但水面舰艇的许多隐身措施对毫米波的效果并不明显。这是因为毫米波的波长较短，舰艇表面对于厘米波来说是平滑的，但对毫米波却往往是比较粗糙的，从而形成较强的雷达散射，增大了水面舰艇的RCS值。此外，反舰导弹采用毫米波雷达导引头也有利于提高其抗干扰能力，这对于反舰导弹的突防来说十分关键。现有的电子对抗设备对厘米波雷达导引头的对抗手段已经比较完善，但对毫米波雷达的干扰仍存在一定困难，针对毫米波雷达末制导的电子对抗系统仍处于发展中。不过毫米波在大气中传播损耗大，在雨、雾等天气条件下，毫米波的传播损失比微波更严重，在相同的作用距离下毫米波雷达导引头所需的发射功率比微波雷达导引头更高，这一点限制了毫米波雷达制导技术在反舰导弹上的应用。
防空导弹中应用毫米波雷达制导的典型例子就是美国“爱国者”PAC-3型防空导弹，其配备了Ka波段主动雷达导引头，波长8毫米，制导精度比PAC-2导弹有了质的提高，据称制导误差小于0.17米，可以以直接碰撞杀伤的方式击毁目标，PAC-3导弹因此具备了很强的反导能力。而且由于PAC-3导弹采用了分辨率高的毫米波雷达导引头，虽然不对目标进行成像，但可以提供目标的仿形波形数据，可判别目标的头部、尾部和质心，由制导处理器决定击中目标的位置，比如导弹的弹头段，从而实现更强的精确杀伤能力，这对于彻底消除来袭导弹的威胁来说是非常重要的。不过毫米波雷达制导用于防空导弹的一大缺陷就在于导引头的探测距离过近，为此PAC-3导弹在飞行全程的最后2秒才打开主动导引头，这对于防空导弹系统来说是很不利的，因为这明显会加重地面制导雷达的负担。不过，PAC-3导弹因为其主要任务是反导拦截，而且拦截距离不超过50千米，在这个距离上并不会造成地面制导雷达负担过重，相反反导作战对于防空导弹的末制导精度要求非常高，PAC-3导弹正是因为其特殊的作战需要而采取了毫米波末制导技术。由于毫米波雷达末制导存在大气传输损耗大、作用距离偏近的缺陷，而且其较窄的发射波束也将限制防空导弹自身的搜索能力，这使得毫米波雷达制导在防空导弹上的应用受到很大限制，其或许更适合用于弹体较细、射程较近且对精度要求高的中近程防空导弹。
毫米波雷达导引头如果是用于中远程防空导弹时，由于导弹自身的探测距离和搜索能力受到一定程度的限制，因此導弹将更依赖于地面/舰载雷达提供的中段引导，对中制导的精度要求比传统主动雷达导引头更高，否则导弹在进入末制导阶段、主动雷达导引头开机后，很有可能因为自身的搜索能力有限而无法有效的捕获、锁定目标，从而导致中制导和末制导的交班失败。从这一点上讲，地面/舰载雷达必须有足够高的制导精度将导弹送至最后一程，以便使弹上导引头一开机就能成功的准确锁定目标。某些精度偏低的雷达（如s波段、L波段的舰载相控阵雷达）或目标数据更新率较低的雷达（如旋转阵）很可能无法为导弹提供足够的引导精度。“爱国者”PAC-3导弹就采取了独特的半主动雷达制导+毫米波主动雷达制导的复合制导方式，这是一种非常少见的复合制导方式组合，即导弹的中制导采取了半主动雷达制导。半主动雷达制导也是寻的制导的一种，制导精度高，通常情况下作为一种末制导方式。将制导精度极高的寻的制导用作导弹的中制导方式，才能保证主动毫米波雷达导引头在末制导阶段开机后能成功锁定目标。但这种模式很难复制到其它的防空导弹上，尤其是远程防空导弹。因为寻的制导虽然制导精度非常高，但它的作用距离偏近，因而更适合用于导弹的末制导，而不适合用作远程防空导弹的中制导。“爱国者”PAC-3导弹的反导拦截距离不超过50千米，其并没有超出半主动雷达制导的作用距离，这是PAC-3导弹可以利用寻的制导方式作为中制导的关键所在。
综上所述，毫米波雷达制导作为一种正在发展中的精确制导技术，未来有望被更多的制导武器所采用，我国也已经开始逐渐应用这种制导技术。毫米波制导器件存在制造工艺复杂、造价昂贵的问题，这在一定程度上限制了毫米波制导的发展，但随着时代的进步，以及相关材料、器件、结构、工艺的发展，毫米波制导技术的普及目前已不存在难题。主动毫米波雷达制导的发展趋势之一是发展毫米波雷达成像制导技术，另一个趋势是向毫米波/红外、毫米波/微波、毫米波主动/被动复合制导等多模复合制导方式发展，其中毫米波制导与光学制导技术尤其是红外成像制导技术相结合是值得注意的发展动向。毫米波雷达导引头天生具备了尺寸小、重量轻的优点，因此更有利于在导弹有限的弹体空间内组成复合制导，比如美国的第二代小直径制导炸弹就采取了被动红外+半主动激光+主动毫米波雷达的复合制导方式，炸弹在中段飞行时以GPS定位信号飞向目标，进入末段攻击阶段时先通过半主动激光制导获取目标，再利用毫米波雷达进行持续跟踪，在最后阶段以红外传感器来分辨和识别目标，完成最后的精确攻击。
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作者：涂林峰
来源：《兵器知识》
