在Ka波段实现有源雷达导引头的设计挑战

主动雷达导引头是导弹载雷达，其明确任务是将母拦截导弹制导到来袭弹道导弹。本文介绍了一种在Ka波段开发的主动雷达导引头。本文简要介绍了导引头的要求、实现各种子系统的挑战、集成系统测试和结果。还尝试对关键的 Seeker 子系统进行建模，并给出了集成模型结果。该模型和集成导引头的结果非常吻合，证明了数学模型的有效性。

各国之间为实现射程越来越远的弹道导弹而进行的竞赛日益激烈。印度也处于所有导弹发展的最前沿，并拥有远程和核能力三位一体的导弹。虽然印度是导弹系统的领跑者，但印度也宣布了不首先使用此类战略系统的政策。这使得印度容易受到来自边境的导弹袭击。因此，对印度来说，开发和安装主动弹道导弹防御系统变得非常重要，以通过中和来袭的威胁弹道导弹来对抗大气层本身的此类攻击。只有当拦截器能够被精确地引导到攻击弹道导弹上时，拦截才有可能。只有当拦截导弹由导弹载雷达（即主动雷达导引头）制导时，这才有可能。

主动雷达导引头的要求

主动雷达导引头是一种导弹载雷达，通常在 X 波段及以上的频率下工作。对导引头的要求源于这样一个事实，即仅使用地面传感器数据对拦截导弹进行简单制导并不能使拦截导弹能够锁定并摧毁来袭的威胁。可实现的未命中距离和威胁的杀伤概率变得非常差。发生这种情况的原因是，即使雷达是最先进的雷达，具有远距离和毫弧度的角度精度，通常所有此类监视雷达都是如此;错过的距离仍然很大。这种未命中距离使携带的弹头无效，因此无法拦截。图-1描述了导引头要求的这种场景。

Ka-Band Seeker 的动机

通常，导引头是导弹平台上的雷达。因此，导引头的所有构件都与地面雷达相同[1]。接收器和环行器直接安装在天线上，以保持射频损耗最小。该有效载荷安装在 2 轴云台系统上。与地面雷达相比，不同之处在于探测和跟踪范围更短，而且体积和空间可用性也不大。导引头是用于精确寻的单发系统。地面雷达以 1-10Hz 的典型更新运行，导引头需要提供更快的更新以获得更好的寻的制导。由于导弹的空气动力学要求，可用体积受到限制，因此功率孔径积受到限制，因此射程受到限制。因此，射频系统设计成为实现最大功率孔径乘积的挑战。使用可实现的硬件实现增益最大化成为这种发展的驱动因素。Ka波段的选择主要基于系统设计的可实现性，具有最大距离检测和小于2 mrad的角度跟踪精度[2]。

主动雷达导引头的要求

Ka波段导引头开发的挑战

导弹机动性的动力学给实现导引头系统带来了很多挑战。即使拦截器正在进行机动以微调最终游戏引导，导引头也必须保持锁定状态。

导引头的基石

这要求由有效载荷组成的天线平台能够稳定地抵御所有此类导弹动力学。图-2显示了土著寻求者的构建块。对于各种性质的子系统的合并，导引头也称为系统系统。

A. 天线

开槽波导阵列[3]涉及在波导的一侧构建线性分流槽阵列，而线性阵列的馈送是通过波导宽壁另一侧的倾斜串联槽。该横向开槽阵列再次由比较器[4]馈送，该比较器涉及波导形式的平面魔术三通，以处理两个附加金属层中的高射频功率。图-3描绘了基于阵列平面魔术三通的比较器。图-4显示了集成天线的测试结果。

B. 激励器、接收机和雷达 DSP

实现的相干激励器产生干净、相干的信号用于传输，以及接收器通道所需的本振。低噪声Monpulse接收器[5]具有从天线端口到ADC电平的所有三个通道增益和相位匹配，旨在避免单脉冲模式的任何劣化。高速ADC和FPGA构成了雷达DSP架构的支柱。集成接收器和DSP性能如图-5所示。

C. 伺服稳定系统

虽然从天线到DSP的射频路径确保了检测性能，但稳定系统确保了对目标的跟踪。陀螺稳定系统确保导引头和目标导弹之间的视线（LOS）保持，并且从天线开始的射频链不会因平台的主体运动而受到干扰。

开槽波导阵列

单脉冲比较器

单脉冲天线特性和场模式

集成接收器灵敏度和通道间隔离

Ka波段导引头系统工程

空间的可用性、体积和导弹集成选项是系统工程考虑的因素。对飞行条件下的结构强度和刚度进行了深入分析。进行了公差分析，以确保最终系统集成的顺利和完美。图-6显示了对本土系统和导弹集成方案进行的结构分析。

导引头结构分析

、

导弹整合方案

初始集成系统测试设置

实验室设置

集成导引头的测试方法是一个挑战，因为初始测试需要在实验室环境中进行。这些测试需要针对典型的射频电平测试进行，例如灵敏度、系统噪声以及检测范围、跟踪精度等。如图-7所示，实验室测试设置是为了执行本地系统测试而创建的。

集成的实验室设置和控制 GUI

集成系统性能

A. RASTEF测试

本土导引头系统已在RASTEF本土雷达模拟和测试设施进行了各种目标距离和多普勒剖面的测试。集成导引头已经过多普勒测试，范围从1000米/秒到7000米/秒，加速度从0-200米/秒不等2.这些是静态测试，在没有任何目标或导弹体机动的情况下进行。

图8显示了2000m/s相对速度的本土系统性能结果。探测范围和多普勒测量值值得注意。

相对速度为2000m/s，加速度高达10g且随机指定误差的结果

结果表明，弹道目标的目标获取距离约为20公里。多普勒测量值在 ±0.15 deg from 5 km 以内，角度测量值从5公里开始优于 within ±1m度;因此，最小化未命中距离。

B. 硬件在环仿真 （HILS） 测试

硬件在环仿真 （HILS） 测试是在动态条件下对集成系统进行的，用于身体隔离和闭环跟踪。目标和拦截器都经过机动和测试以进行轨道维护。图-9显示了HILS测试期间实现的性能。结果表明，在整个测试过程中保持了稳定的跟踪，导引头性能令人满意。

导引头安装在 n hils 测试台上

隔离测试

闭环跟踪

探索者的数学模型

有必要将硬件形式的最终系统集成到导弹上。然而，开发一个集成系统的数学模型是有意义的，该模型被集成到拦截导弹制导模型中，用于系统研究和拦截任务算法的微调。因此，开发了一个数学模型来模拟整个导引头，以便与6自由度拦截器模型集成。图-10显示了数学模型的结果。这可以很容易地推断出所获得的数学模型结果与集成系统行为是紧密一致的。给出了天线行为和积分性能的数学模型结果。

天线结果

集成导引头数学模型结果

结论

一种本土Ka波段导引头系统已经成功开发，本文提出了研究结果。集成导引头的行为令人满意，如测试结果所示，并且能够处理弹道导弹。测试结果表明，导引头会产生非常精细的未命中距离，可以同时使用接近传感器和弹头进行处理。