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精确制导离不开的激光技术

2016-08-31 10:04
Hsiao Chen
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  近年来,一批前沿技术发展迅速,呈现出革命性突破的态势,固态射频相控阵技术、太赫兹技术、量子信息技术、石墨烯技术等领域的科技突破,对未来精确制导武器装备与技术发展将产生重要影响。

  前沿技术发展对光学制导技术的影响及作用

  以激光探测技术、多色/多光谱识别技术、石墨烯技术、相变技术为代表的前沿技术在目标识别、抗干扰、探测信息获取等方面对光学制导技术产生重要影响。

  激光探测技术有效提升目标识别及抗干扰能力

  激光探测尤其是激光主动成像制导技术具有信息维数多(角度/距离/强度/速度/微动信息)、选择能力强、测距测角精度高(厘米级距离、百微弧度级角度分辨率)等突出特点,通过与现有红外成像或射频制导体制复合,甚至是独立应用,能够显著提高导弹末制导探测和目标识别能力,尤其对提升抗射频拖曳等主瓣掩护式干扰、红外烟障遮蔽干扰等能力具有重大技术潜能,可以广泛应用于防空反导、对地、对海等作战中。非扫描凝视成像是激光主动成像制导的发展趋势,涉及窄脉冲高重频固体激光发射、线性模式雪崩光电二极管(APD)探测器等阵列接收、纳秒级高速信号并行处理等核心技术。

  美国近年已研制出以雪崩光电二极管(APD)阵列探测的激光雷达、自混频阵列探测的固态激光雷达和多狭缝条纹管激光雷达为代表的激光凝视成像雷达,瞄准了低成本自主攻击系统(LOCAAS)、陆军低成本武器和海防项目应用,目前美国在研弹载激光雷达旨在突破百毫焦量级激光光源,APD探测器阵列规模也达到了256×256元以上,为推动弹上远距离激光探测奠定了基础。

  多色/多光谱识别与偏振探测技术有效提升光学探测信息获取能力

  多色/多光谱识别与偏振探测技术是提升光学探测信息获取能力的重要研究方向,通过采用短波/中波/长波红外复合或某一波段内多个子波段复合探测的方式,或多个偏振态组合探测的方式,从光谱维、偏振维提升末制导探测系统的信息获取能力,实现对目标/背景差异性的增强,有效提升光学制导系统的目标识别能力和抗干扰能力,在防空、反导、对地、对海打击方面具有广阔的应用前景。

  国外多色/多光谱光学成像技术已实用化,如美国的“标准-3”Block1B导弹采用基于256×256叠层双波段探测器的双色成像导引头,“大气层外杀伤器”(EKV)采用红外双色与可见光复合成像导引头,能够有效对抗带有大球、小球等多种诱饵的突防场景,目前已进入装备应用。美国海军从20世纪90年代中期开始研究利用偏振成像提高对海洋背景下舰船目标识别能力的方法,洛克希德·马丁公司在2006年进行了从空中对地面目标的探测试验,在12千米的作用距离下验证了偏振探测对提高图像对比度的作用。

  石墨烯技术促进红外制导技术发展

  石墨烯是由碳原子组成的六角型呈蜂巢晶格材料,具有独特的电学、光学、力学、化学性能,这些优越的性质及其特殊的二维结构使得石墨烯在精确制导武器领域展现出广阔的应用前景。

  利用石墨烯在红外波段的优越光敏特性,可研制高性能红外成像传感器,用于预警探测或导弹武器末制导。目前,IBM公司已经研制出石墨烯/绝缘体超晶格,使石墨烯具有光子特性,并制成可实现太赫兹级频率的滤波器与线性偏光片等光学元件,有助于在未来扩展至中红外线和远红外线波段的光电设备应用中。2014年3月,密歇根大学的研究人员通过分离具有隧道层的两张薄石墨烯,成功地分离了电子和空穴,生成了大电流。通过将石墨烯层做成晶体管,可以将电流放大到可应用水平。目前的红外探测器需要冷却,而这种利用石墨烯制成的超宽频带光电探测器却可以在室温下工作,为在红外寻的导弹导引头的应用开辟了可能。

  相变技术提升强激光防护能力

  基于相变原理的强激光防护技术具有防护波段宽、能够对波长相同而强度不同的光辐射区别对待、相变可逆等优点,氧化钒系列是目前研究热门的相变材料之一,氧化钒薄膜与其他非线性光学材料组合防护技术在光学末制导系统的强激光对抗中有广阔的应用前景。美国西屋电气公司曾成功研制出一种氧化钒防激光膜,用来保护传感器上的红外探测系统免受强激光武器的破坏。

  前沿技术发展对射频制导技术的影响及作用

  以有源相控阵雷达技术、太赫兹探测技术、频率选择表面技术为代表的前沿技术在反隐身、目标识别、抗干扰等方面对射频制导技术产生重要影响。

  有源相控阵雷达技术为雷达导引头反隐身提供新的技术途径

  微电子、热控等技术的快速发展使得高功率密度小型有源相控阵天线得以实现,弹载相控阵雷达导引头技术迅速成为精确制导领域的一个研究热点,与传统常平架雷达导引头相比,具有空间功率合成、捷联数字稳定、波束快速电扫、全固态高集成度等技术优势,结合多维高密度信息处理能力,相控阵雷达导引头为精确制导武器应对未来战场威胁提供了一种有效的解决手段。空间功率合成可实现大功率孔径积,且随着第三代宽禁带半导体氮化镓(GaN)器件的发展,合成功率有望大幅提升,为雷达导引头反隐身提供了一种重要技术选择;利用捷联数字解耦,使导引头具有更高的弹体扰动解耦性能,有利于提高精确制导武器的制导精度;采用空时自适应处理技术,可以实现更好的抗干扰、强地杂波抑制,提升对“低慢小”目标的探测能力;天线布阵灵活和捷联的特点使得相控阵雷达导引头更易于实现与红外或被动雷达等多种传感器的共口径复合,为改善高性能精确制导武器抗干扰性能、提高制导精度等提供了新的有效途径。

  自20世纪90年代以来,美国、俄罗斯、日本等多个国家逐步在多种毫米波和厘米波雷达导引头中引入相控阵技术。美国航空导弹研发工程设计中心(AMRDEC)曾研发基于射频微机电系统的移相器,准备用于导弹主动、被动相控阵导引头。2013年,IBM公司研发出包含所需毫米波器件的相控阵收发组件,可进行高精度雷达成像。俄罗斯AGAT研究所正在研制用于未来导弹导引头的主动相控阵技术。该导引头采用小型化设计和性价比高的大功率发送/接收模块,并可解决波束稳定性问题以及由于导引头运动所产生的电波耦合以及角稳定性问题。日本2012财年预算中计划为16架F-2战斗机装备AAM-4B导弹,该导弹是世界上第一种配备有源相控阵雷达导引头的空空导弹。

  太赫兹探测技术提升目标要害部位识别与选择性摧毁能力

  太赫兹波介于毫米波与长波红外波段之间,兼具二者的波段特征,主要特性有:脉冲宽度窄,可应用于侦察和精确制导、探测更小的目标以及实施更精确的定位;穿透性强,可轻易穿透烟尘、墙壁、碳板及陶瓷等物质;频段带宽宽,大量尚未分配的频段能成为良好的通信信息载体;具有传输速率高、方向性好、散射小、抗干扰能力强的特性。利用太赫兹波脉冲宽度窄、穿透烟雾能力强、气动光学效应影响小等特点,可获取目标的细微结构信息,能够提高精确制导武器对目标要害部位识别与选择性摧毁能力。另外,使用太赫兹雷达制导技术可以探测对传统雷达具有隐身能力的目标,实现反隐身。

  成像探测是太赫兹技术的重要发展方向之一。2008年,美国加州喷气推进实验室(JPL)基于固态电子器件研制了580GHz相参主动雷达,调频带宽近20吉赫兹。目前,美国诺斯罗普·格鲁曼公司“太赫兹电子研究”项目正在开发太赫兹关键器件和集成技术,以实现中心频率为1.03太赫兹的小体积、高性能电路。太赫兹集成电路将提高探测能力,确保更加隐蔽的小孔径通信、高分辨率成像。“太赫兹电子研究”项目研究人员还基于MEMS真空管设计和实现了0.85太赫兹的功率放大器,可以用于美国国防高级研究计划局(DARPA)的视频合成孔径雷达(VISAR)以及军事领域。

  频率选择表面技术提升抗高功率微波能力

  频率选择表面技术通过大量相同单元电磁周期结构和器件加载,实现对不同工作频率、极化状态和入射角度电磁波的频率选择,这种特性使其呈现出在开放空间、可与飞行器外形相赋形的电磁波空间滤波器特性,适用于弹上精确制导系统的抗高功率微波应用。2010年美国空军技术研究所提出了将频率选择表面技术应用于高功率微波技术的设想,并开展了相关概念的研究工作。

  前沿技术发展对信息处理的影响及作用

  微系统技术、量子信息技术可有效提升精确制导武器信息处理能力,为复杂系统设计、导引头小型化奠定基础。

  微系统技术可提升复杂系统设计能力

  微系统技术是以微电子技术、微光电技术和微机电系统/纳机电系统(MEMS/NEMS)技术为基础,通过系统构架技术和算法软件技术,将微传感器、微机构或微执行器、微控制器、各种接口以及微能源等集成为一体化多功能系统的技术。先进的信息处理理论及微电子技术是微系统技术的基础,也是支撑精确制导武器应对未来战场复杂作战环境的核心技术之一,对精确制导武器的发展具有巨大的推动作用。飞速发展的微系统技术为精确制导信息处理系统实现强大的运算处理能力提供了有力的支撑,对导引头目标识别、抗干扰等复杂系统设计和强大的处理能力需求具有巨大的支撑潜能。

  自1992成立以来,美国国防部DARPA微系统技术办公室(MTO)已经在微处理器、微机电系统和光子元器件等微电子产品进行了预先战略投资。经过二十多年的发展,DARPA微系统技术有效支撑了相控阵雷达、高能激光器和红外成像技术等领域的发展,并取得重要进展,有力支持了美国建立和维持技术优势。目前,DARPA已经形成支撑精确制导武器在传感、通信、执行、处理等方面能力变革的微系统技术平台。

  量子信息技术对信息处理产生数量级的提升

  量子信息技术基于量子特性,如量子相干性,非局域性,纠缠性等,可以实现现有信息技术无法做到的新功能。例如,可以加速某些函数的运算速度,可以突破现有信息技术的物理极限。量子信息技术应用在精确制导武器的制导控制方面,将对精确制导信息处理性能产生数量级的提升。

  量子雷达可以将环境对雷达信号的干扰降到最低,可对目标进行清晰成像,在探测隐身目标方面能力突出。量子传感器在精密测量和探测、精确导航和制导等领域将发挥非常重要的作用,如量子陀螺仪在精确制导武器导航、制导控制方面具有重要的应用价值。

  量子成像是一种全新的成像体制,基于光场的量子效应,利用新型的辐射源、检测方法及信号处理技术,实现对目标的高分辨、高灵敏度、高精度探测,并提供更多的目标信息,可克服现有探测系统的原理性瓶颈难题。欧盟从2001年起专门设立了量子成像研究计划(QUANTIM项目),探索如何利用量子成像技术使成像品质突破目前的经典理论极限;美国2005年开展了主动式光学强度关联遥感成像雷达、新概念微波强度关联凝视成像雷达等量子成像技术研究。2014年1月,美国陆军研究实验室开发了一种可穿透烟雾和热浪的量子成像技术,并在弱光和气流干扰情况下获取了距离2.33千米的高清晰度目标图像。DARPA还开展了量子纠缠科学与技术(QUEST)项目,利用量子纠缠现象,实现量子成像。目前,美国正在探讨的量子传感技术主要有陀螺仪、磁力测定、重力梯度测量、下一代小型传感器以及原子电子技术。

  启示与建议

  高度重视前沿技术发展

  服务于精确制导武器长远发展需求,依托新器件、新材料、新技术进步,进一步加强对战略性、前沿性技术研究的投入,持续推动弹载相控阵导引头、激光探测等重点专题研究,深入探索量子探测、太赫兹探测等精确制导新体制、新原理,优化精确制导技术体系,不断培育新的发展方向,支撑精确制导武器装备持续发展。

  加强跨学科的技术交流和研究,促进精确制导技术的成果转化效率

  加强精确制导与微电子、光电子、电子对抗、先进材料等相关跨学科领域的技术交流与思想碰撞。一是密切关注微电子、光电子等基础领域的发展动态,提高对相关基础领域的认识水平,合理规划精确制导技术攻关方向和目标,追求系统技术和基础技术的协调发展;二是针对抗干扰、信息处理等跨领域的技术研究问题,注重加强与相关专业领域的互动、交流和联合研究,主动挖掘、积极嫁接,提高前沿技术在精确制导技术领域的应用效率。

声明: 本文由入驻维科号的作者撰写,观点仅代表作者本人,不代表OFweek立场。如有侵权或其他问题,请联系举报。

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