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激光制导导引头系统技术介绍
2024年3月18日
来源:未知
点击数: 64          作者:未知
  • 现今激光制导武器得到了广泛使用和快速发展,介绍了世界上具有代表性的激光制导 武器,包括激光制导炸弹、导弹、火箭弹,以及含激光半主动制导的多模复合制导武器的发展现状;在此基础上,总结分析了激光半主动制导武器的特点;并在发展多模复合制导、激光导引头小型化 等多方面,提出了激光制导武器的发展趋势。

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    激光制导武器具有精度高、抗干扰能力强、 结构简单、成本低等特点,并易与其它制导系统 兼容,现今已广泛应用于多种武器装备,并在近 些年世界局部战争与冲突中,发挥着越来越重要 的作用。同时,激光制导技术还与其它新技术相 结合,不断扩大其应用领域,产生了许多新的武 器装备,有着巨大的发展潜力。

    精确制导武器具备精度高、射程远,备弹量大、持续作战时间长、反应时间 短、效费比高等优点,具有重要战略地位。根据不同制导原理精确制导武器可 以分为寻的式制导、惯性制导、卫星定位制导、复合制导等,其中寻的式制导 主要有全主动式制导与半主动式制导。寻的式制导根据寻的器的不同又可分为 激光寻的制导、雷达寻的制导和红外寻的制导。激光制导作为精确制导的重要 组成部分,其制导精度高、目标命中率好、抗干扰能力强、且容易和其他制导武 器相兼容,基于以上优点激光制导成为当今世界应用于武器装备上的主流制导方 式,在精确制导领域中发挥着巨大的作用。 

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    20世纪60年代初激光制导作为一门新技术开始发展起来,它是利用激光获得 制导信息或传输制导指令使弹体按一定导引规律飞向目标的制导技术。激光制导 技术可被分为激光主动制导与激光半主动制导。激光主动制导特征是其激光指 示器安装在导引头上,在弹体发射后激光指示器主动发射激光并接收激光回波信 号,之后进行信号的采集与数据处理、目标图像识别与匹配等工作。激光主动制 导工作原理示意图如图1-1所示。激光主动制导具有较高的自动化与智能化水 平,可以真正实现“发射后不管”,且制导精度高、抗干扰水平优越,在未来有 广阔的应用前景。但就当前科技水平限制,激光主动制导技术尚未成熟,在实 际中应用较少,与之相对应的激光半主动制导是应用于武器装备的主流技术。

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    激光半主动制导是应用范围最广的一种激光制导技术,其制导精度高、抗干 扰能力强、通用性好,结构简单、成本低廉,被广泛应用于军事实战中。激光半 主动制导技术所装备的武器初次应用于战争中就取得了显著成效,1968年越南战 争中,美军仅使用二十余枚“宝石路”激光制导炸弹就摧毁了固若金汤的清化大 桥。从此激光半主动制导技术开始在战争中大放光彩,许多国家都为此投入大 量人力财力,激光半主动制导技术发展迅速,根据相关统计在海湾战争、科索沃 战争、伊拉克战争中,激光制导炸弹是使用最频繁的精确制导武器。激光半主 动制导系统主要由激光指示器和导引头组成,其工作原理为首先由激光指示器 发射激光指向待击打目标,再由导引头接收反射或漫反射回的激光信号,进而对 携带有目标位置信息的激光信号进行处理后得到角度信息,接着将角度信息传输 至弹体控制系统,最后由弹上控制系统生成控制指令导引弹体调整飞行方向,最 终实现对目标的精准打击。

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    激光半主动制导(Semi-Active Laser)是寻的制导的一种方式,在导弹发射之后,射手或载机向目标发射经过编码的激光波束,并保持跟踪照射目标,导弹上的导引头根据目标反射的激光回波信息,控制导弹飞行,最终命中目标。典型的激光半主动制导武器系统主要由带激光半主动导引头的导弹(或炸弹、炮弹)及发射平台和激光目标指示器构成。

    激光武器指的是利用激光束的能量直接杀伤破坏目标或使其丧失作战效能的武器。它分为战略激光武器和战术激光武器两大类:

    · 战略激光武器分反卫星激光武器和反战略导弹激光武器两种。反卫星激光武器指的是用来摧毁敌方各种侦察卫星、预警卫星或使其失效的激光武器。它的作用机理主要是干扰或破坏卫星的光电系统。反战略导弹激光武器主要用于拦截敌方处于助推段飞行的战略导弹。

    · 战术激光武器可致盲人眼,也可致盲光电系统。致盲人眼的激光武器以波长0.4~1.4微米的可见光和部分近红外波段的激光致盲效果最佳,尤其以绿色激光最为厉害。战术激光武器的突出优点是反应时间短,可拦击突然发现的低空目标。用激光拦击多目标时,能迅速变换射击对象,灵活地对付多个目标。

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    激光武器的缺点是不能全天候作战,受限于大雾、大雪、大雨,且激光发射系统属精密光学系统,在战场上的生存能力有待考验。

    目标指示器用于地面战场场景,可以用于LANTIRN(夜间低空导航和目标瞄准红外系统)这样的机载场合,也可以用于地面设备,为针对目标的武器提供距离和方位等信息。激光目标指示器是一种相对较大较重(达20 kg)的系统,作用距离约为10 km。一些像“小牛”(Maverick)激光制导炸弹和“海尔法”导弹等这样的空射武器配有激光导引头,可定位目标并将武器导向目标。

    激光测距仪体积较小,重量比指示器轻(约3~4 lb),它们装有一对望远镜,有效距离约1 km。目前使用的大多数激光目标指示器和测距仪均工作在1.064μm波长下(Nd:YAG),但这并不是一个对视力无害的波长[14d],因为人眼的敏感范围为0.4~1.2 μm。

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    最近出现的一种小巧而坚硬的非制冷中红外半导体激光二极管把可用频带移出了1.4 μm,这超出了对人眼不安全的极限波长。

    典型的半导体激光材料有:

    ●Ho:YAG,发射的激光波长为2.09~2.10 μm;

    ●Tm:YAG,发射的激光波长为2.32 μm;

    ●Er:YAG,发射的激光波长为2.94 μm;

    ●Dy:YLF,发射的激光波长为4.34 μm。其中,Ho表示钬,Tm表示铥,Er表示铒,Dy表示镝,YAG表示钇铝石榴石,YLF表示氟化钇锂。

    在军事应用上,激光雷达用于对目标进行定位、识别,并将武器引向目标。通常情况下,激光雷达通过下列三种图完成其使命:

    ●距离图像:通过处理来自目标散射体的后向散射信号获得;

    ●俯仰图像:勾画出视场场景内的高度轮廓;

    ●强度图像:根据视场内物体的不同反射率而生成。

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    激光半主动制导具有很高的制导精度和较强的抗干扰能力,可实现有限的射后不管。与红外成像寻的制导相比,具有系统构成较为简单、成本较低的优点;发射点与照射点配置灵活,无需全程照射目标,射程不受限制等优点。另外,由于在射击时必须由射手进行目标识别与照射,导引头只识别跟踪特定编码的激光信号,因此可大大提高命中精度,并最大限度地避免误伤和重复杀伤。激光半主动制导体制可在多种导弹和制导兵器中应用,可从多种载体与平台上发射,具有很大的战场灵活性,是目前应用最为普遍的激光制导体制。

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    制导炸弹是指投放后能对其弹道进行控制并导向目标的航空炸弹。它是在普通航空炸弹的基础上增加制导装置而成的。制导炸弹与导弹不同,导弹本身有动力装置,可以进行远距离飞行。而绝大多数制导炸弹本身没有动力装置,只能靠飞机投弹时所赋予的初速度作滑翔飞行,在炸弹本身制导设备的作用下,自动修正飞行偏差,控制炸弹准确命中目标;少数带小动力推进系统的制导炸弹则由于其自带动力的推进作用,飞行距离以及在空中逗留的时间有所增加。制导炸弹与空地导弹相比,射程较近,机动能力有限,但结构简单,造价较低。它主要用于炸毁防空兵器、火炮、坦克、装甲车辆和仓库;破坏机场跑道、桥梁、堤坝、隧道、特别是坚固的建筑设施,以及炸沉水上目标等。在各种类型的精确制导武器中,制导炸弹占有比较重要的地位。目前,制导炸弹主要有电视制导炸弹和激光制导炸弹。

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    激光半主动导引头是半主动制导系统最重要的组成部分,其作用是接收激光 指示器照射目标漫反射回的激光脉冲信号,再由光学系统聚焦成激光光斑照射 在探测器光敏面上,根据激光光斑在探测器光敏面上的位置,计算导引头航向角 度与俯仰角度,并将其输出至弹体计算机,从而引导武器正确攻击目标。 

    在激光制导领域中方位角的概念非常重要,现对本论文研制激光半主动导引 头输出的导引头航向角度与俯仰角度做出定义。如图1-3所示,以导引头为原点 建立空间直角坐标系,其中Z轴为导引头的光轴方向,也是导引头飞行前进方 向,X轴定义为导引头航向轴,Y轴定义为导引头俯仰轴。导引头与目标物体连线 在XOZ与YOZ平面上的分量为OX′与OY',其中OX′与Z轴夹角φ为导引头航向 角度,OY′与Z轴夹角ψ为导引头俯仰角度。 

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    导引头输出角度的准确与否直接决定弹体击打目标是否命中,可以说导引头 是激光半主动制导的核心,所以导引头的研制对于激光半主动制导技术的发展有 深远影响。在当前激光半主动制导技术的科研领域中,努力提升导引头搜寻、追 踪、捕获能力,进一步提高导引头角度测量精度与响应速度是研究的重点方向。开展激光半主动导引头的研制无论对国家军事实力的提升还是对社会的长治久安 都有着极其重要的意义。 

    下面我们来认识几种制导武器系统的介绍:

    1.电视制导炸弹

    电视制导炸弹是装有电视导引头、能自动导向的航空炸弹。其工作原理是:飞行员发现目标后,使电视导引头的摄像机对准并“锁住”目标,在载机飞到目标的一定距离内投下炸弹,电视导引头便自动跟踪目标,连续测定弹道偏差,并产生控制指令,控制系统根据指令操纵舵面偏转,引导炸弹飞向目标。电视制导炸弹的命中精度较高,但受天气的影响较大,只能在能见度良好的白天使用。

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    2.激光制导炸弹

    激光制导炸弹是装有激光导引头、能自动导向的航空炸弹。在普通航空炸弹上安装一个激光寻的器就成了激光制导炸弹。使用的方法是在载机投弹前先用地面或飞机上的激光照射器照射目标。当机上的激光搜索跟踪器捕捉到激光反射回波后,即可进行投弹。炸弹投下后,由激光导引头控制舵面,修正偏差,自动跟踪被照射的目标。这种炸弹的优点是成本较低,由于可用普通航弹改装,因而成本比电视制导炸弹还要低。激光制导炸弹命中精度高,其命中精度理论误差不超过1米,比电视制导炸弹精度更高。不足之处是受气象条件影响较大,遇有雨、雾、灰尘、水汽、烟幕时,命中精度会大大下降。

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    制导炮弹

    制导炮弹是指弹丸上装有末段制导系统和空气动力装置、发射后能自动捕获目标并自动导向攻击目标的炮弹。它是一种长“眼睛”的炮弹,它像导弹那样自动跟踪目标,却没有导弹那样的动力装置;像普通炮弹那样用火炮来发射,但又比普通炮弹多一种特殊本领——能自动导向目标,所以它又叫末端制导炮弹。

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    1.激光制导炮弹

    该类炮弹主要有美国的“铜斑蛇”激光制导炮弹,这种炮弹用155毫米榴弹炮发射,射程为3~20千米,采用激光半主动寻的制导系统。

    2.毫米波制导炮弹

    该类炮弹主要有美国的“萨达姆”毫米波制导炮弹。这种炮弹被人们誉为“灵巧的智能型炮弹”,它用155毫米或203毫米大口径榴弹炮发射,每发炮弹装有3个子弹头,子弹头用35千兆赫辐射计作被动寻的制导。炮弹发射后,由延时引信控制母弹在目标区上空500米高处将子弹头抛出。子弹头被抛出后,随即打开降落伞,以每秒10米的速度下降。当下降到离地面150米左右时,子弹头内的毫米波探测器开始工作。由于子弹头挂有涡旋环形降落伞,所以它能自动旋转扫描搜索目标。如果透过装甲钢板识别出目标,沿探测器方向瞄准的爆炸弹丸就射出去,以10倍音速所产生的高动能贯穿坦克的顶部装甲,毁伤目标。

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    3.红外寻的制导炮弹

    该类炮弹主要有瑞典的“斯特勒克斯”制导炮弹,这种炮弹用120毫米迫击炮发射。在已知目标方位的情况下,可在距目标8千米时发射炮弹。当炮弹飞过弹道最高点后,红外导引头就开始搜索目标,当搜索到目标所产生的红外线后,导引头自动锁定,在制导与控制系统的作用下飞向目标。

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    制导地雷

    制导地雷是指具有自动辨认目标能力、能主动攻击一定范围内活动装甲目标的新型地雷。它是集自锻破片技术、遥感技术和微处理技术等高技术于一身的智能武器。目前有反坦克制导地雷和反直升机制导地雷两种。

    1.反坦克制导地雷

    该种地雷装有一个无源音响传感器和一套通信设备,能发现300米外的装甲目标,并待其接近至100米时自行引爆。

    2.反直升机制导地雷

    该种地雷设在地面,装有音响传感器、光电传感器和微处理机,能自动寻的。它在半径为1000米的空间内能自动识别敌我目标,待直升机飞临传感器警戒范围内,传感器引爆地雷,自动抛射将雷体抛向目标,以自锻破片摧毁目标。

    制导鱼雷

    制导鱼雷是进攻性水中兵器,通常由潜艇或水面舰艇发射,执行反潜和反舰任务。自反舰导弹问世以来,在远距离的反舰战斗中,导弹的威力已超过鱼雷,但在水下作战领域,尤其是深水作战领域,鱼雷仍占有头等重要的地位,特别是在潜艇威胁日益严重的今天,各国海军对制导鱼雷的发展更加重视,都把制导鱼雷作为重点发展的水中兵器之一。

    今天主要讲激光制导导引头相关知识:

    采用激光半主动制导的武器有许多种,在现代战争中发挥了重要作用。

    1.空对地导弹

    著名型号有美国的AGM-114“地狱火”(Hellfire)、AGM-65C“幼畜”(Maverick)、以色列的“猎人”(Nimrod)、南非的“马库帕”(MOKOPA)等。这些导弹主要由武装直升机和攻击机挂载,用于攻击地面装甲目标。

    2.激光制导炸弹(Laser Guided Bomb)

    美国的“宝石路”(Paveway)系列激光制导炸弹、俄罗斯的KAB系列精确制导炸弹、以色列的“格里芬”系列激光制导炸弹等。

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    3.坦克载炮射导弹

    以色列飞机工业公司(IAI)于1998年向外界展示了其研制的一种采用激光半主动制导的105毫米炮射导弹“拉哈特”(LAHAT)。“拉哈特”该导弹既可以由发射它的坦克自行照射目标,也可以由其他坦克、步兵兵组或无人机照射。

    4.制导炮弹

    目前世界上装备的制导炮弹主要有两种,一种是美国的由155毫米榴弹炮发射的“铜斑蛇”(Copperhead)炮弹,另一种是苏联的由152毫米加榴炮发射的“红土地”及其系列改型炮弹(有155毫米、122毫米、120毫米等多种口径)。它们均采用激光半主动制导体制。

    激光驾束制导属于遥控制导。激光驾束制导武器系统由制导仪(制导站)和导弹组成。射手通过发射瞄准装置瞄准、跟踪目标并发射导弹,同时与发射制导装置瞄准线同轴安装的激光发射装置向目标空间发射经编码调制的激光束,激光束在导弹飞行的空间形成控制场,导弹发射后在激光束中飞行,导弹尾部装有可以感应导弹偏离激光控制场中心的光电探测装置,当导弹偏离控制场中心时,弹上探测装置可以测出偏离的大小和方向,弹上制导控制装置将此偏离信号经处理运算,形成控制信号,将导弹修正到瞄准线上,直至击中目标。

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    特点

    单色激光亮度高、方向性强、相干性好,可准确地定向发射,方便进行多种编码。将激光用于驾束制导,能取得很高的制导精度,很强的抗干扰能力。与有线指令制导相比,激光驾束制导去掉了导线,导弹飞行速度可以更快,机动性更强;激光接收器背对目标安装,抗干扰能力很强。与采用导引头的寻的制导体制相比,激光驾束制导具有结构简单,成本低廉等优点。

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    所谓编码,是指利用不同的调制频率、相位、脉冲宽度、脉冲间隔等参数,将制导信息“加载”到激光束上。

    在激光驾束制导技术中,要求所选用的激光波长在实战应用条件下,具有以下特点:

    1.大气传输性能良好,传输损耗小;

    2.该波长有性能较好的光电探测元件,成本不能太高;

    3.充分考虑目标背景特性,所选波长有利于从背景中选出目标。

    目前,激光驾束制导应用的激光波长主要有:1.06微米(YAG固体激光器)、10.6微米(CO2气体激光器)、0.9微米(半导体激光器)。

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    激光导引头国外发展情况:

    上世纪60年代,美军所研制的激光制导武器“宝石路”激光制导炸弹在越南 战争中首次应用于实战就取得了卓越的成就,至此以后全球许多国家都开始对激 光制导技术进行研究,经过半个世纪的飞速发展,目前对激光制导技术的研究美 国仍处于世界领先水平,此外俄罗斯、日本、中国、法国等国家的技术水平也跨 入了第一梯队。 

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    在诸多款式的激光制导武器中,以美国研制的“宝石路”系列激光制导炸弹 最为典型,目前宝石路激光制导炸弹已经发展到第四代,共有型号30多种,是 当前全球范围内使用最广泛、种类最多的精确制导炸弹。美国是世界上最早开始 研究激光制导武器的国家,早在1962年就开展相关技术的研究,1964年德州仪器 公司完成了激光制导武器研究方案,1966年“宝石路”计划办公室开始建立以论 证激光制导航空炸弹的可行性,1967年“宝石路”激光制导炸弹德州仪器公司正 式展开研制工作,1968年“宝石路”系列激光制导炸弹被送往越南战场进行实际战斗测试,初代“宝石路”系列激光制导武器被命名为“宝石路”Ⅰ系列。接着在 1974年“宝石路”Ⅱ系列问世,“宝石路”Ⅱ系列与Ⅰ系列相比采用折叠式尾翼,结 构更加简单,制导精度提升至3m左右,拥有更加可靠的激光导引头,在制导武 器的滑翔性能方面也有很大的改善。1977年“宝石路”Ⅱ系列开始正式生产并服 务于军队。上世纪80年代“宝石路”Ⅲ系列开始研制,Ⅲ系列采用模块化设计, 使用大视场和高灵敏度导引头,可以实现远距离、全天候作战能力,也可以进行 低空投放,制导精度提升至1m左右,整体看来“宝石路”Ⅲ系列无论从制导精 度还是可靠性方面都优于前两代,在1991年“沙漠风暴”与1999年“沙漠之 狐”两次军事行动中“宝石路”Ⅲ系列激光制导炸弹都起到重要作用。2003年雷 锡恩公司开始为英国研制“宝石路”Ⅳ系列,2008年试验成功,“宝石路”Ⅳ系 列采用GPS/INS复合制导方式,结构小巧、精度更高、可靠性增强,2019年初 至今“宝石路”Ⅳ系列激光制导炸弹开始在台风战斗机上开始服役。

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    激光导引头是激光寻的制导武器的核心组成部分,半主动激光导引头作用是 接收激光指示器照射目标漫反射回的激光脉冲信号,并对激光信号进行处理,输 出导引头航向角度与俯仰角度至弹载计算机。因为激光信号具有方向性强、能量 强度高、单色性好等优点,所以激光导引头也具备制导精度高、分辨率高、结构 简单等特点。激光导引头性能的提升与完善是激光制导武器更新换代的重要标 志,所以自激光制导技术诞生以来就有诸多学者对激光导引头进行研究,经过半 世纪的不断发展,激光导引头发展到较高水平。 
    半主动激光 (SAL) 制导技术结合了非常高的精度和“人在环”功能。武器的传感器,利用SAL来检测由照亮目标的目标指示器产生的编码激光点。激光光斑清楚地将目标标记到空中攻击者或制导武器。

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    协调可以在“光速”下实现,而不需要长时间的坐标传输,这很容易出错。激光制导武器也可以在城市地形中有效使用。但是,必须保持目标,激光指示器和武器之间的恒定视线。地面指定和无人机指定为激光瞄准提供了有效支持。当垂直目标(建筑物的墙壁、门窗)接合时,地面指定是有效的,而无人机或其他空中平台可以利用场景的畅通无阻的视野。无人机和机载指示器在与移动的汽车交战时变得非常有效,这些汽车可以隐藏在其他车辆、建筑物或树木后面的地面观察者面前。空降指示符还可以指定隐藏在有围墙的露台后面或果园等中的战斗人员。然而,由于它们的高纵横角,它们在垂直表面(如窗户或门)的目标方面受到限制。除了在执行任务前的视线验证和代码分配外,在能见度良好的条件下(白天或黑夜)操作时,使用SAL不会造成进一步的限制或复杂性,因此它适用于机会目标和近距离空中支援的临时交战。现代激光制导武器综合了GPS和激光制导能力,提供高精度、全天候攻击能力。

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    激光制导武器受到能见度条件(云、烟雾等)和遮蔽物的不利影响。必须飞行的飞行包线也有操作限制,使飞机和直升机暴露在防空武器之下。当部署或指定在对峙范围内时,激光制导武器通常以平坦的角度到达目标,这些角度没有足够的垂直速度来深入穿透扁平结构(例如地下掩体)。因此,此类武器最好从较短距离和高空投掷,或通过“阁楼”机动,以保持陡峭的攻击角度和较高的穿透速度。

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    美国陆军研究实验室(ARL)正在陆军技术目标(ATO)下寻求先进的导引头技术,用于制导精确弹药,称为更小,更轻,更便宜的弹药部件(SLCMC)。具体来说,基于高度实惠的商用 (COTS) 组件的半主动激光 (SAL) 导引头硬件正在开发中,并对其进行实验表征,以便与标准和名义激光目标指示器一起使用。重点是在可能的情况下利用低成本组件技术和工艺,而不会在系统功能上做出重大牺牲。ARL正在开发的概念由众多定制的模拟和数字电子电路、一个中央微处理器、一个COTS四光电探测器和一个定制的低成本光学透镜单元组成。由此产生的原型布局以模块化方式封装在三个直径为 60mm 的圆形印刷电路板上。其输出设计为与其他车载高重力传感器集成到制导处理器中,以实时计算动态车辆状态。然后,由此产生的引导解决方案用于驱动嵌入式执行器控制系统,从而产生所需的轨迹校正。在论文和演讲中,对系统设计和动态特性(包括相关的控制系统分析)进行了讨论。虽然这项工作的重点是适合于炮弹的特性(高重力生存率、射程、反应时间等),但正在开发的技术适用于各种末端制导弹药。

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    激光半主动导引头总体方案 

    激光半主动导引头是激光半主动制导的核心部件,可以实现目标跟踪识别并 输出其方位角度信息。现代科技武器发展迅速,激光半主动导引头性能也在不断 优化与进步,激光导引头制导性能优良与否直接决定打击目标是否精准,所以研 制一款性能优良的激光半主动导引头十分重要。 

    研制一款高速实时激光半主动导引头,该导引头能够捕捉并处理 目标物体反射回的高频激光脉冲信号,并实时输出导引头航向角度与俯仰角度。

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    激光制导武器能否完成精准打击主要依赖导引头角度测量是否准确。而在激 光光源稳定的前提下,准确的角度测量需要合适的光电探测器。探测器的选择十 分重要,它不仅影响角度测量精确程度、实时速度,而且对硬件电路的设计与研 制有参考作用。目前在测量系统中最常用的光电探测器主要有电荷耦合器件 (CCD)、位置敏感探测器(PSD)、四象限光电探测器(QD)等。 

    (1)电荷耦合器件(CCD) 

    CCD传感器是由许多个光敏像元MOS电容器按一定规律排列组成的集成器 件。与传统的光电探测器不同,它的作用机理是把光信号转变成电荷,进而通过 模数转换芯片转换成数字信号方便计算机进行相应处理。这种通过电荷传递信息 的特性使其具有很高的灵敏度,但是由于CCD通过扫描方式输出,导致对信号的 响应速度慢,外围驱动电路较为复杂。它具有光电转换、信息存贮和延时等功 能,而且集成度高、功耗小,已经在摄像、信号处理和存贮领域中得到广泛的应 用。 

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    (2)位置敏感探测器(PSD) 

    PSD是一种光电位置敏感器件,它是利用半导体横向光电效应实现定位的, 其光敏面是由光电二极管组成的阵列。可分为一维PSD和二维PSD,二者工作原 理基本相同。PSD仅是对入射光能量的重心位置进行敏感探测,所以光斑的形 状和分布对测量结果没有影响。PSD无死区可以实现连续检测,并且能有效分辨 不同频率激光,接收光斑动态范围大,外围电路简单,但是其灵敏度低,光敏面 边缘线性度、分辨率较低。 

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    (3)四象限光电探测器(QD) 

    四象限光电探测器(QD)是由四个完全相同的光电二极管按照直角坐标系 的方式排列而成的探测器,利用光刻技术使十字型的死区平均分割探测器的光敏 面,形成四块完全相同的探测区域。由于四个区域对光信号的响应程度一致,探测灵敏度高,反应速度快,所以可以对高速运动目标进行高精度的测量定 位。QD能够实现连续检测但有死区、探测灵敏度高,响应速度快,但是其探测 器的分辨率与精度受光斑强度、形状、光斑质量、算法选择、外界噪声、外围电 路干扰等因素影响较大。通过分析可知,CCD响应时间慢、驱动电路复杂,虽然线性度好、灵 敏度高,但是对图像的获取是通过电荷的累积积分来完成的,积分时间将会影响 对动态目标的测量,特别是对于激光制导这样高速运动目标的角度测量并不适 用,所以CCD不能作为理想的探测器。PSD响应时间一般、驱动电路简单,可靠 性高,但是PSD获取目标的位置是通过对光斑能量中心进行定位来实现,若目标 距离PSD的距离很远,则不能准确测量,所以PSD通常应用于近距离的激光自准 直系统中,在激光制导这样远距离的角度测量系统中不能作为理想的探测器。而 QD的响应速度快、线性度一般、分辨率较高,可以满足响应速度以及探测精度 等测量需求,所以选择四象限光电探测器作为光电转换装置。 

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    激光目标回波能量模拟器设计

    激光能量模拟器用于模拟制导过程中不同大 气环境、不同距离下激光导引头接收到的回波激 光能量 ,主要由激光器单元、驱动电源单元、衰 减系统单元、控制系统单元、光纤耦合系统、匀光 系统和准直系统等组成。其中,激光器具有大动 态范围能量输出可调功能;控制单位可以控制激 光器输出,能根据大气环境和作用距离的变化调 整能量输出;光学耦合系统把激光器输出激光耦 合到光纤中;通过光纤传输后由匀光系统进行匀 光,最后又经过平行光管进行准直,来模拟远处目 标反射能量,并将其直接输出给激光导引头。

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    激光器选用DPS-A激光器,为侧面泵浦电光 调Q式激光器,属于主动调Q范畴,可产生高峰 值功率的脉冲激光,具有结构紧凑,高能量,高峰 值功率等优势。LD侧面泵浦源工作在脉冲模式 下,能发射较高的单脉冲能量,采用主动的电光调 Q方式将脉冲宽度压缩至纳秒范围内,并且具有 可控性。驱动电源中LD电路部分为LD提供高 峰值的脉冲电流,实现1 064 nm激光的运转,Q 开关驱动电路用以控制调Q开关,实现纳秒级高 峰值功率的短脉冲激光,温度控制器通过控制电 路,控制发热元件的工作温度,确保激光稳定输 出,同时使谐振腔在恒定温度范围内,增强激光器 的环境适应性,实现外场环境下的正常运转。

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    输入激光经过第一片偏振片由部分偏振光变 成偏振光,偏振光穿过半波片时,出射光仍为偏振 光,只不过偏振光的振动面旋转了一定角度 (2θ)。此旋转角的大小取决于入射光振动平面 与晶体光轴间的夹角θ。偏振光学元件使用布儒 斯特角薄膜偏振器调节,通过分光元件将光束分 为P光和S光,一个旋转石英λ/2波片放置在入 射偏振光束上,用来改变P光和S光的比例,从而 调节输出光束能量。这两束光的强度比例可以在 不改变其它参数的情况下连续变化。为不影响衰 减后的输出特性,在激光头前端放置反射型衰减 装置,衰减后部分激光漫反射到吸收体上。

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    激光制导武器的半实物仿真系统

    激光制导武器的半实物仿真系统可以让研究人员和学生更清晰的观测和了解半主 动激光制导武器的工作机制。激光制导武器[5]的仿真系统一般由目标漫反射屏、激光模 拟器和导引头三部分组成。在论文的半实物仿真系统中,参试的弹上设备有激光导引 头部件。弹体姿态运动由两轴转台的两轴模拟,与转台内轴上放置的激光导引头构成 弹体姿态模拟系统;激光目标模拟器(即激光信号源)、两轴转台、反射幕共同构成目 标模拟系统,为激光半主动导引头提供目标环境,激光目标模拟器控制计算机控制激 光目标模拟器在反射幕上产生可被激光导引头接收的符合试验要求的目标光斑,模拟 目标视线运动;

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    激光目标模拟器装在两轴转台上,它的目的是向激光导引头提供指示 目标的光斑,在整个半实物仿真系统在制导过程中,结合反射屏视景系统所生成的场 景,使激光的光斑始终照在场景目标上进行反射。对于导引头所接收的漫反射回来的光 斑,必须保证其进入导引头的那部分能量能够保证探测器的最小可探测信号的要求;弹道解算计算机主要计算导弹弹体方程、目标运动方程、弹目相对运动方程。此外, 弹道解算计算机还要模拟弹载计算机、计算舵机模型等,另外还要形成相应的仿真环 境设备(两个两轴转台)的控制指令,使两轴转台上的激光导引头和目标模拟器在反 射幕上投射的光斑之间形成相对弹目视线运动,同时还将弹目距离输送给激光目标模 拟器控制计算机,用以实时解算目标光斑的能量及大小;导引头通过接收目标反射的 激光回波信号作为制导信息源。导引头探测到的导引信息通过信号采集系统传输到弹 道解算计算机中,弹道解算计算机根据设计好的控制规律和系统模型生成数学舵机控 制指令,构成仿真控制的闭环回路,控制弹体飞向目标。

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    1)目标接收系统:目标接收系统主要指红外导引头光学系统和目标探测器,它的 功能是在目标捕获时,将接收光斑的光信号,并汇聚到目标探测器上;

    2)目标探测系统:是指由目标探测器探测输出信号的处理电路,目标接收系统捕 获到的目标信号经电路处理后可得到弹目视线俯仰角和航向角;

    3)弹体姿态模拟系统:使用两轴转台用来模拟弹体姿态(俯仰和航向),通过目标 探测系统得到的目标方位信息作为初始控制量来控制转台的俯仰和航向姿态角,对目 标进行捕获和跟踪。

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    主动式激光制导原理

    主动式激光制导方式的激光器位于弹体上,利用俯仰机构实现激光器俯仰和 方位角度的改变,实现较大视场内的扫描,弹载导引头光学系统接收目标的激光 回波信号后,利用弹载计算机解读目标的方位信息,通过控制系统调整弹体的飞 行姿态和轨迹,同时将控制命令发送给激光器俯仰机构,实现激光束对目标的跟 踪,其原理如图所示。这种传统的主动式激光制导方式由于受激光器和扫描 机构发展水平的制约,发展得比较缓慢。本文研究新型主动式激光制导方式, 解决了传统主动式激光制导存在的缺陷和不足,采用新型扫描结构,实现激光发 射和接收光路的共路设计,激光指示器和导引头系统固连在同一个俯仰机构上, 减小整个系统的体积,容易实现导引头系统的小型化,原理如图所示。

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    新型主动式激光制导原理,将导引头光学系统分成三部分:激光准直扩束系统、扫描系统和激光回波聚焦系统,扫描系统和扩束准直扩束系 统组成激光发射系统,激光准直扩束系统、扫描系统和激光聚焦系统组成激光回 波接收系统。为了提高系统的探测距离和探测精度,除了要提高光学系统的成像质量外,合理选择激光器和导引头光学系统探测器成为整个系统设计的关键。

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    目前,一些组织正在开发多功能导引头的概念,这些概念在同一焦平面阵列中提供被动成像和半主动激光(SAL)成像能力。同一导引头中这两种功能的组合有望通过减少导弹变体的数量来降低成本。这种组合还允许新的操作概念,例如在任务期间在两种成像模式之间切换。SAL方面的性能依赖于探测器噪声和太阳杂波之上的信号检测。因此,系统规格比简单地定义探测器的灵敏度要复杂得多。使用参数辐射计算,我们提出了一个考虑太阳杂波的导引头品质因数。品质因数可以提供额外的规格来保证系统的性能。对品质因数的要求是针对各种参与场景和条件估算的。在这种情况下,导引头的性能是使用参数的公布值和估计值来评估的。

    当精确打击地/空对地导弹的作战领域扩展到视距外任务时,自主导引头将很快遇到严重困难,特别是在低特征目标和复杂场景方面。我们研究了双模传感器,这些传感器旨在通过将成像传感器与半主动激光导引头相结合来克服这些特定问题。这些传感器提供高可靠性的非视距目标接合,并使用激光目标指示器在操作员的控制下进行,同时一旦被动成像传感器锁定在目标上,通过移交跟踪过程来最大限度地减少目标指定的主动曝光时间。为此,构建了一个实验室演示器,该演示器带有一个标准的电视传感器和一个安装在 2 轴万向节系统上的 InGaAs 4 象限探测器。两个探测器都使用一个共同的目标;聚焦辐射由分束器分束。四象限检测器的信号被数字化,随后由FPGA处理。如果识别出预编程的激光脉冲特性,则评估位置信息并激活云台系统以使激光光斑居中。随后,跟踪器锁定在成像传感器信号中发现的目标特征。一旦确认锁定,激光器可以自动关闭。我们展示了使用双模演示器获得的实验室和现场测试结果。基于这些结果,我们计划在未来用非制冷微测辐射热计阵列取代电视传感器。本文将讨论这种双模传感器的设计和预期性能。

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    武器系统使用激光导引头的情况:

    去年,在美国提供给乌克兰的军援清单中,一款采用激光制导的高精度火箭弹赫然在列。这款火箭弹就是曾在中东战场大显身手的“九头蛇”-70火箭弹。美军还为其搭配了“高级精确杀伤武器系统(APKWS)”套件,使其具备更加精确的打击能力。

    “九头蛇”-70火箭弹是美国通用动力公司于20世纪六七十年代研制的无制导空对地火箭弹。该火箭弹一般用7联装和19联装发射巢发射,最大射程为6.4千米,最大速度为2.7马赫。其MK66固体火箭发动机长1.06米,重6.2千克,前部可配置不同的战斗部和引信,如高爆、破甲、子母、燃烧、照明、反坦克、两用等多种型号的战斗部。该火箭弹可采用触发、近炸、空爆引信,安装战斗部后长度为1.29~1.77米。火箭弹尾部装有三片横向卷叠式翼片,可以700米每秒的速度稳定飞行,有效射程0.5~8千米。“九头蛇”-70火箭弹一般由直升机或固定翼飞机通过外挂吊舱携带,最大的特点是火力密度高,可有力支援地面部队的作战行动。但是,由于没有采用制导技术,这些火箭弹普遍命中精度差,难以有效打击点目标,大多数情况下只能作为面杀伤武器使用。

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    20世纪80年代中期,各种型号的“九头蛇”-70火箭弹已经大量装备美国陆军、海军和海军陆战队的直升机。在20世纪90年代以来的多次局部战争及地区冲突中,“九头蛇”-70火箭弹都曾登场亮相,被公认为美军使用最广泛的直升机机载武器。

    “九头蛇”-70火箭弹最大射程(6千米)处的圆概率偏差为100米,这意味着如果想直接命中6千米处的一辆坦克,理论上需要发射100枚火箭弹。在20世纪90年代初的海湾战争期间,鉴于“九头蛇”-70火箭弹无法有效打击伊拉克军队的士兵、简易掩体、轻型装甲车等点目标,美国陆军不得不动用“海尔法”反坦克导弹。每枚“海尔法”导弹造价超过5万美元,用来对付这些非坦克点目标实在不划算。之后,在巴拿马、索马里和海地的军事行动中,美军的非制导火箭弹进一步暴露了附带破坏大的缺点,很容易在人群密集地区造成误伤,归根到底仍是命中精度差的缘故。为了解决这一问题,美国陆军曾一度要求直升机发射非制导火箭弹时要尽可能靠近目标,如对付卡车大小的目标时,发射距离要求控制在1千米以内。这显然不是长久之计,这不仅“浪费”火箭弹的射程,而且现代作战环境已经不允许直升机过于靠近目标,因为飞机自身很容易成为“靶子”。

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    20世纪90年代,发展精确制导武器在世界军事强国日益风行。美国陆军于1996年提出“高级精确杀伤武器系统(APKWS)”概念,期望为“九头蛇”配上一双高精度“眼睛”,以填补“九头蛇”-70火箭弹和“海尔法”反坦克导弹之间的空白。根据当时的设计要求,APKWS在命中精度上应远远超过非制导火箭弹,接近“海尔法”的水平——1米左右,从而实现“发射一枚火箭弹就击毁一个目标”;在生产成本上要明显低于“海尔法”,适合打击那些价值不高的点目标。

    当时,美军库存中大约有30万枚“九头蛇”-70火箭弹,预计仅陆军就将购买5万~10万套制导组件。因此,APKWS概念一经提出,立刻引起工业界的极大兴趣,多个军火公司表示有意参与制导组件设计竞争。最终,美国陆军航空与导弹司令部邀请BAE系统公司和雷声公司参与“二选一”竞争。结果,两家公司不约而同地提出了半主动激光制导方案,但两家公司的方案在布局上各有特点。雷声公司将激光导引头安装在火箭弹的头部,其好处是在火箭弹发射前导引头就能锁定目标。在BAE系统公司的方案中,激光导引头位于战斗部和发动机之间,光学采集装置均匀分布在4个控制舵面的前缘,这种布局能为导引头提供较大的视场,允许火箭弹配置几乎所有类型的战斗部,但缺点是导引头无法提前锁定目标。2000年,BAE系统公司和雷声公司将各自设计的制导组件装在“九头蛇”-70火箭弹上,先后在尤马试验场进行了实弹发射试验,均声称达到了性能要求。美国陆军研究认为,对于“九头蛇”火箭弹这样的廉价武器而言,能否配置多种战斗部比能否提前锁定目标更重要,所以最终选择了BAE系统公司的方案,并初步决定采购5万~10万套。

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    2003年初,美国陆军指定通用动力公司为主合同商,负责基本型“九头蛇”APKWS制导火箭弹的集成、试验和制造工作,并希望能在2005年末交付使用。配备了APKWS的火箭弹与原来的“九头蛇”-70火箭弹相比,尽管在长度和重量上有所增加,但仍能由标准 M260型7管和M261型19管发射器发射,因此可以直接装备美国陆军多种现役直升机,包括AH-64“阿帕奇”、AH-1W“眼镜蛇”、OH-58D“基奥瓦”、UH-60A“黑鹰”等。此外,随着近年来无人机技术迅速发展,特别是无人机武装化逐渐成为潮流,美国陆军也在考虑为更多的无人机装配“九头蛇”APKWS制导火箭弹。为此,美国陆军航空应用技术处已经研制出一种新型4管发射器,可供“警戒”无人直升机发射该火箭弹。

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    在美国援助乌克兰“九头蛇”APKWS制导火箭弹后,人们开始关注乌克兰如何使用这种火箭弹,它将在战争中起到什么作用。其实,美军已经在中东地区用实战证明了这种“凶器”的巨大杀伤力。2020年1月3日凌晨,3枚导弹先后从美军MQ-9“死神”无人机机翼下发射,准确命中伊拉克巴格达国际机场外疾驰的两辆越野车,两车内共8人毙命,其中包括伊朗伊斯兰革命卫队下属“圣城旅”指挥官卡西姆·苏莱曼尼少将。美国五角大楼证实,美国总统特朗普批准了此次行动,下令在巴格达发动无人机袭击。消息发布不久,特朗普就在推特上发了一张美国国旗的图片。这是一次典型的“外科手术”式的精确打击。

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    据外国媒体猜测,美军使用的很可能是“九头蛇”APKWS制导火箭弹。因为“九头蛇”APKWS制导火箭弹采用激光制导,激光导引头位于战斗部和发动机之间,光学采集装置分布在4个控制舵面的前缘,能为导引头提供较大的视场,也具有很高的精度。这种火箭弹还具有很强的通用性,美军甚至希望用“九头蛇”APKWS制导火箭弹拦截空中飞行的无人机,可见其高精度的打击效果。

    其实,美国还有一种暗杀导弹,就是在“海尔法”反坦克导弹的基础上研制的AGM-114R9X型刀刃导弹,该导弹不会爆炸,却能够伸出锋利的刀刃切割目标。这种导弹在不久前的一次暗杀空袭中登场。不过,从公开视频中可以看到,在针对苏莱曼尼的暗杀行动中,出现了因爆炸而燃烧的汽车。因此,可以确定美军并未使用不会爆炸的刀刃导弹,暗杀“凶器”可能就是“九头蛇”APKWS制导火箭弹。

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    从难以有效打击点目标的普通火箭弹到能执行特殊任务的“狙击手”,从中东战场到乌克兰上空,这款诞生于50多年前的火箭弹没有被层出不穷的新式武器取代,而是在军事科技的助力下持续发挥威力,与多种先进直升机、无人机配合作战,已成为有效而精准的战场“利刃”。

    “地狱火”导弹的军用编号为AGM-114,是美国洛·马公司在“大黄蜂”电视制导空对地导弹基础上研制的空对面导弹,起初主要用于对付坦克等装甲目标。“地狱火”导弹的外形为轴对称圆柱形,导引头尾部圆柱段有四片“X”形控制舵,和尾翼配合可提高导弹机动性。动力装置是单级无烟火箭发动机,导弹发射三秒后即可突破音速。

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    “地狱火”导弹基本型—AGM-114A采用半主动激光制导,制导系统由激光导引头、自动驾驶仪和飞航控制系统组成。重约9公斤的聚能破甲型战斗部中装有6.8公斤高能炸药,破甲厚度可达1.4米。“地狱火”导弹最大射程8千米,命中概率为96%。

    AGM-114A导弹在1991年海湾战争中得到广泛使用,据统计美军武装直升机共发射2 800余枚导弹,击毁伊拉克军队各类目标2 100多个。美军宣称,“地狱火”导弹的实战表现和在沙漠环境下的耐久性非常出色。美军还发现“地狱火”的小弹头很适合巷战,其激光导引功能甚至可以直接打进窗户,对反恐作战有极高战术价值。

    如今,美军用来对付伊朗快艇的AGM-114K型“地狱火”导弹已升级到更高等级。它采用数字自动驾驶仪和抗干扰激光导引头,并对战斗部和电子引信进行改进,导弹质量和长度与基本型AGM-114A一样,但最大射程提高到了9千米,飞行速度增至1.1倍音速。其数字自动驾驶仪可以修正飞行弹道,在飞行末段能以垂直的角度向目标俯冲。如果选用爆炸/破片战斗部,AGM-114K尤其适合攻击小型舰艇目标。

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    据美军介绍,通常采用以一部激光指示器控制两个导弹发射器攻击同一个目标,等导弹命中后再转换到下一个目标,但根据战场需要还可采用两种攻击方式:一是快速发射,当有两个以上互相邻近的目标靠近时,一部激光指示器以一种激光编码依次照射目标,导弹发射器可以6~8秒的间隔按同一编码向目标连续发射导弹,指示器在指示第一枚导弹命中目标后立即转向第二个目标,引导正在飞行的导弹命中第二个目标;二是连续发射,两部或两部以上的激光指示器各自按不同的激光编码照射各自的目标,导弹发射器以约一秒的间隔向这些目标发射导弹,导弹即可按相应的激光编码攻击各自的目标。

    有消息称,美军还指望洛·马公司提供性能更好的AGM-114R型导弹,其最大特点是采用新型IBFS多用途弹头,结合锥形装药和爆破弹头的特点,使其能打击多种目标(包括装甲车辆、空中防御系统、巡逻艇和掩体目标)。AGM-114R采用多种制导方式(激光制导、半主动雷达制导、数字导航、毫米波雷达导引、红外制导等),使导弹具备“发射后不管”和精确打击能力。导引头采用可编程的电子引信,导弹发射后能自主确定最佳制导模式跟踪目标,提高命中目标的概率。

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    美国XM395精确制导迫击炮弹

    美国XM395型120毫米精确制导迫击炮弹(Precision Guided Mortar Munition,PGMM)由艾利安特技术系统公司(Alliant Techsystems)研制,是一种多用途、多模制导弹药,可对高价值目标进行“外科手术式”精确打击,可消灭由土木掩体、水泥墙体和轻型装甲车辆保护的人员,为机动部队提供建制远程精确打击能力。

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    根据美国陆军的要求,PGMM应能按照作战任务的需求,选择激光指示或自主式“射后不管”制导方式。使用激光指示制导方式时,需要人工控制,由前方观察员对目标指示8~10秒的时间。PGMM还可以使用红外成像制导方式,成为“射后不管”精确制导武器。

    第一阶段的PGMM是120毫米多功能半主动激光制导迫击炮弹,半主动激光导引头应用分布式孔径半主动激光导引头技术,灵敏度极高,而且在宽大视场范围内具有很高的角精度。在第一阶段,PGMM只能攻击固定目标,射程要求为7.2~10千米。而未来阶段的改进型弹药将能打击活动目标,射程可达12~15千米。

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    激光制导炸弹

     利用弹上激光导引头获取目标信息,自动导向目标的滑翔式航空炸弹。通常由激光导引头、控制舱、普通炸弹和较大的弹翼组成。投弹前,机载或地面激光照射器照射目标。投弹后,当目标反射的能量足以形成制导信号时,激光导引头控制舵面修正偏差,使炸弹自动跟踪并飞向被照射的目标,实施轰炸。具有命中精度高,但受雨、雾、烟幕、灰尘影响的特点,投弹飞机需按一定的规律飞行,易被敌方发现和击落。

    PGMM使用先进的制导、导航与控制处理器和一个控制推力装置,可以飞行至指定目标。系统由发射药、控制发动机、战斗部、激光传感器和引信5部分组成。激光传感器可以在约80度的视野夹角内捕捉目标并分类,通过处理器将信息传送到制导与控制分系统,以确保直接命中。PGMM安装一个带有可调延时引信的杀伤弹头,使用成型装药战斗部,既可摧毁软目标又可摧毁硬目标。用飞行时间、目标类型和激光编码等参数对引信进行编程后,精确制导迫击炮弹与常规迫击炮弹的发射非常相似,使用钢制和新型复合材料身管均可发射。

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    PGMM能与现役和未来的所有120毫米迫击炮系统兼容,包括M120牵引式迫击炮、M121车载迫击炮;牵引车使用高机动多功能轮式车(HMMWV)、“斯特瑞克”旅战斗队(SBCT)自行迫击炮和“未来战斗系统”120毫米非直瞄迫击炮。

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    艾利安特技术系统公司在2004年12月获得美国陆军8 000万美元的生产合同,并于2005年开始小批量生产XM395精确制导迫击炮弹。2008年第四季度进入批量生产阶段。2010年4月,XM395炮弹正式进入美国陆军服役。2011年3月,XM395制导迫击炮弹首次在阿富汗投入实战。

    2011年4月初,美国国防部通过了第二代小直径炸弹GBU-53/B的设计评审,并进行了飞行试验。该型制导炸弹最大的特点就是可在任何复杂的气象条件下对地面固定目标或者大型移动目标予以打击,并能够对地面空防系统实施攻击,如俄制“山毛榉”、改进型“霍克”防空系统等。

    2010年9月28日,波音公司宣布在位于佛罗里达的艾格林空军基地成功进行了激光制导型“杰达姆”GBU-31制导炸弹的首次飞行试验。激光制导型JDAM是波音公司进一步增强“杰达姆”能力的一个例子,在后续试验中还将对该炸弹打击固定目标、移动目标和可重新部署目标的能力进行验证。通过在现有JDAM制导炸弹上加装精确激光制导套件(PLGS),就可变成激光制导型JDAM,战斗机不但可以攻击移动目标,还可以在发射后重新设定攻击目标。

    波音公司针对JDAM还提出了增程版(JDAM-ER),将射程延伸至64千米,还包括提升GPS的精确度,配备抗干扰的GPS天线,加装用于终端导引阶段的激光寻的器,换装可程序化数据链,加大弹头等。其中为了增加射程,波音公司在JDAM弹体中段加装阿勒尼亚·马可尼公司(Alenia Marconi)的“钻石背”(Diamond back)套件,可在投射后伸出两片长条形弹翼。

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    在第一代小直径炸弹GBU-39发展的初期,美军就构建了第二代小直径炸弹的设计理念。波音公司提出了GBU40/B 后续方案,洛克希德·马丁公司提出了GBU-42方案,主要是在小直径炸弹原弹体结构的基础上加装一个“三模导引头”,即利用3种模式对炸弹进行制导,且3种模式可根据外部环境的变换进行实时切换,以精确打击地面上的小型移动目标。此外,第二代小直径炸弹将增强对小型移动目标的打击能力。

    美军于2006年3月确定了以波音公司的GBU40/B方案为基础、由洛克希德·马丁公司提供导引头、由雷声公司提供技术支持的方案,被命名为GBU-53/B项目。第二代小直径炸弹对第一代小直径炸弹的主要改进是加装了“三模导引头”、“自动瞄准识别系统”及“双路数据链传输系统”。2009年5月,首枚GBU-53/B完成了试射,2009年7月完成数据链试验,2009年10月完成了挂载战机飞行试验。此后,项目小组又验证了最为关键的“三模导引头”外部环境实时转换能力。最终,由于波音公司的研发进展缓慢,美军在2010年6月将第二代小直径炸弹4.7亿美元的全部合同授予了雷声公司。

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    第二代GBU-53/B小直径炸弹是在第一代GBU-39/B小直径炸弹的基础上发展而来,保持了与GBU- 39/B大致相同的外观。第二代小直径炸弹身长约1.8米,翼展1.71米,直径0.145~0.179米,总重约94.7千克。GBU-53/B在外观上的最大的不同是头部前端为钝形透明头锥,主要是为了满足“三模导引头”中红外和激光制导方式的需求;其次,在炸弹的飞行控制方面,GBU-53/B采用刀形翼,更加符合空气动力学原理,可大幅提升炸弹的飞行能力。另外,炸弹的仪器舱在弹体头部的后段,仪器舱的前半部分为信息系统控制单元,用于对数据信息进行收集、整理、传送。仪器舱的后半部分为“三模导引头”的电子设备控制传输单元,用于在“三模制导”时进行数据传输。与此同时,弹体的上层为独特的弹出式空气涡轮,可以利用高速飞行所产生的动力带动1台微型发电机,为“三模导引头”提供电力支持,减轻了弹载热电池的负荷。

    弹体的中部为战斗部。第二代小直径炸弹为“多效能打击战斗部”,装药桶被浇铸成内圆锥形,体积较小但威力不减。引信在战斗部的后端,与尾舱的任务计算机相连接。尾舱的任务计算机后面为弹载热电池,电池后为微型数据链单元。弹体最后端为启动控制单元,外部有4个呈“十”字状配置的折叠尾翼,主弹翼和尾弹翼在投放前均为折叠状态,弹体腹部有2个挂耳和1个数据链接口,在飞机等平台上挂载时为弹腹部朝上。

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    标准模式:适于在良好天气条件下攻击地面目标。GBU53/B炸弹使用“三模导引头”进行制导,可灵活打击移动目标。但这种模式需要对所要进攻的目标实施精确校准,甚至是连续跟踪式校准,因此仅能进行“1对1”的攻击,很难完成攻击大量目标的任务。通常情况下,美军战机的空对地作战在执行近距离空中支援任务时将采用这一模式。

    协同攻击模式:载机在发射GBU-53/B炸弹后,可利用继续发射其他武器的方式同时袭击多个地面目标,达到毁伤大量目标的效果。

    即时打击模式:该模式强调打击的时效性、快速性,多用于进攻远距离和随机出现的地面目标。这种情况下多使用红外制导或激光制导方式攻击,也可以由地面指挥人员通过GPS系统向炸弹传送目标数据信息,利用特有的“双路数据链”瞬时完成数据的交换传输及精确打击,且由于GBU-53/B炸弹的特殊能力,战机可在发射后迅速撤退,降低遭打击的风险。

    按照美军的计划,第二代小直径炸弹于2010年7月开始试生产,2012年年底开始大批量生产,2014年开始交付给美军使用。美国空军和海军计划购买15 000枚第二代小直径炸弹。

    第二代小直径炸弹在头部加装了“三模导引头”(激光制导、红外制导及GPS制导)。在复杂的气象条件下,“三模导引头”可利用GPS制导方式;在暗夜或是光线不足的条件下,可使用红外制导模式实施精确瞄准;在对地面大型固定目标实施打击时,可利用激光制导模式。与此同时,第二代小直径炸弹还引人了先进的成像技术及热辐射测量技术,可利用热源辐射原理搜索跟踪目标。“三模制导”方式可根据外部环境的变化实时自动切换,大幅提升了战机空对地打击的精确性及可靠性。

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    双路数据链设计,使进攻的时效性更为突出。第二代小直径炸弹采用了双路数据链设计,第一路数据链将地面或载机所收集到的情报信息传送至炸弹,或在必要时向炸弹发出攻击指令;另一路数据链将所使用的制导模式在炸弹和信息控制系统之间进行互动式传送,用于武器的瞄准,并将武器发射前和飞行中的状态信息回传至飞机火控系统的控制终端。这种双向通信可以定位机动目标,向飞行中的武器传输命令,如更新目标定位和重新瞄准,并且可以产生制导信息,从而跟踪机动目标,同时使炸弹在打击目标的瞬间传输毁伤评估信息。

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    二是微型导弹精确打击

    近年来,多国将目光集中在使用榴弹发射器发射微型导弹方面,让班组支援火力的精度更高、射程更远、威力更大。2015年,美国完成了“长矛”微型导弹的研制,其弹径40mm,可通过M320A1枪挂榴弹发射器发射,采用半主动激光制导导引头,战斗部270g,射程2km,可用来打击固定或慢速运动的目标,拥有多发编程和发射能力。2019年,土耳其也推出一款称为“弯刀”的40mm弹径微型导弹,同样用枪挂榴弹发射器发射,射程1km,精度误差仅1m。

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    微型导弹方面我国异军突起,近年来先后推出了多款可使用榴弹发射装置发射的微型导弹。高德红外公司出品的QN-202微型导弹,全长520mm,弹径40mm,最大射程2200~3000m,属于发射后不用管的红外寻的导弹,用一支类似于手持榴弹发射器的发射枪发射。上海航天推出的“袖剑”微型导弹,长50cm,弹径60mm,最大射程3000m,也是由专用发射枪发射,可以打击低空飞行的无人机。

    美陆军研究实验室正在研发一种GLUAS榴弹发射型无人机系统,其体积、质量、形状均与美军40mm榴弹相当,可使用M320A1枪挂榴弹发射器发射升空,飞行高度600m,航时大于90min,机载微型摄像机可在半径2km范围内实时回传图像,加装全球定位系统信号接收器后,可从空中准确定位目标或人员位置。目前,GLUAS无人机系统主要有两款无人机,其中一款相当于一架常规气动布局的小型无人机,配备一个折叠式螺旋桨和聚酯薄膜制成的折叠机翼,而另外一款则安装有一套旋翼装置,可以被视为一种小型旋翼无人机。当其发射后,无人机机翼和旋翼打开,进入飞行模式,士兵通过手持式接收控制设备控制无人机的飞行并接收实时图像,可有效增强步兵班组战场态势感知能力。

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    此外,美国还正在开发一种称为“Drone-40”的四旋翼无人机,该无人机既可以徒手释放,也可以使用低速榴弹发射器发射,飞行时速20m/s,航程10km,飞行时长20min,其保留有榴弹的战斗部,成为察打一体的巡飞弹,还能以“蜂群”方式使用,彻底改变了步兵班组的作战样式,可极大增强作战效能。

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