多模复合末制导中的W波段双极化系统关键技术研究

发布时间：2020-06-06 22:15

【摘要】：复杂光电对抗和背景杂波条件下的目标探测与识别是对地末制导技术亟需解决的突出难题。传统的末制导技术由于制导模式单一、识别能力有限,使得末制导武器不能真正具备“发射后不管”的功能,发展光学/毫米波多模复合探测技术是末制导武器的必然趋势。激光/红外/毫米波三模复合制导技术具有全天候、目标识别和抗干扰能力强、制导精度高等突出优势,因而是通用空地导弹技术方案的最佳选择。W波段毫米波全极化雷达的频段优势以及全极化散射特性和高分辨特性,从不同的维度刻画了目标的内外在特征,可以在一定程度上提高其目标识别能力和抗干扰能力,通过与目标光学特征的进一步融合可显著提高复合末制导系统的目标识别和抗干扰能力以及制导精度。在此背景下,本文构建了用于激光/红外/毫米波三模复合制导的W波段平面双极化探测系统,并对其中的关键技术进行了深入研究。主要的创新性研究工作如下:1)激光/红外/毫米波三模复合方案的优化设计。对不同的激光/红外/毫米波三模复合方案进行了深入分析,确定了毫米波采用中间开孔的平板天线、激光采用反射式、红外采用折反式的共孔径“集能器”优化设计方案。针对传统毫米波末制导雷达在复合制导中应用的局限性,提出了基于平面双极化天线的多子阵数字单脉冲雷达系统。采用多子阵架构的天线具备一定的波束调整能力,可修正光学系统对毫米波天线造成的波束畸变和瞄准误差,还可以利用空间功率合成技术解决目前W波段功率器件输出功率受限的问题,同时提高了毫米波雷达系统的可靠性。在此基础上,根据制导要求对毫米波系统的关键参数进行了设计,研究了通道间幅相误差对系统空间功率合成效率、数字单脉冲测角精度、圆极化波形合成轴比以及极化散射矩阵测量精度的影响,为进一步开展研究提出了约束条件。2)开展了W波段全并馈平面双极化天线技术研究。提出了一种基于TM_(210)谐振模式的辐射器和双层介质集成波导馈电构成的W波段双极化全并馈缝隙天线。采用基于TM_(210)模的辐射器以及在阵列布局中采取偏移式反相馈电等措施,可仅用双层介质板实现阵列所需的双极化全并馈网络,并易于实现天线的横向扩展。优化设计并实现了8×8双极化天线子阵,其带宽大于4GHz,增益高于23dBi,交叉极化电平优于30dB。所实现的天线子阵具有结构简单、低剖面、低成本的优点。基于8?8双极化天线子阵,构建了用于多模复合制导的中间开孔的双极化天线阵列,通过仿真优化表明该天线可满足复合末制导系统的应用需求。3)开展了W波段收发组件的小型化和平面化技术研究。基于机、电、热一体化设计思路,完成了收发组件的设计,实现了收发组件的小型化平面化集成,并重点对平面化滤波器技术和低损耗互联匹配技术进行了研究。兼顾收发组件对滤波器电气性能和结构的要求,提出了一种低成本、易安装以及准平面的“内埋式”波导滤波器并完成了实物加工。为了进一步提高系统的集成度,设计了一种基于新型singlet结构的砷化镓介质集成波导滤波器,并据此设计了混频滤波多功能芯片,在一个芯片上实现了变频和满足工程需求的带外抑制,在保证性能的基础上简化了组件的装配工艺。对W波段金丝键合结构进行了等效建模和理论分析并给出了相应的匹配结构,实现了W波段器件间的低损耗匹配互联,优化了键合工艺,进一步提高了W波段收发组件的可靠性和稳定性。4)开展了多通道幅相校准技术的研究。提出了一种基于六端口技术的多通道幅相校准方案。该方案仅需利用现有的收发通道以及嵌入在天线和收发组件之间的校准网络,即可完成对收发通道间发射幅相误差和接收幅相误差四个参数的测量和校准。基于砷化镓工艺详细设计了可与收发通道直接集成的六端口校准芯片,并结合工艺特点,对其中的关键器件进行了优化设计。同时,基于波导结构进行了校准方案的实验验证,结果表明在0~360°的范围内,测量精度优于±4°,可以满足系统的校准精度要求。以上研究工作及所取得的成果,为激光/红外/毫米波复合末制导雷达系统的设计与工程实现奠定了基础。
【图文】：

示意图,天线,实物,光路

北京理工大学博士学位论文极化更好的识别效果。在同样采用极化白滤波器处理下，更高的分辨率可以获得更强的识别能力[36,38]。该结果充分地证明了采用高分辨和多极化体制相结合在消除杂波虚警，提高目标识别能力方面具有显著的优势。鉴于极化技术在提高目标检测概率、目标识别以及抗干扰等方面的优势，美国英国等西方国家开始将极化技术应用于毫米波末制导雷达[41-45]。2005 年，欧洲导弹集团（MBDA）研制的硫磺石导弹装备部队，该导弹可由固定翼飞机或直升机发射，用于攻击地面目标[46-51]。硫磺石导弹采用了马可尼公司研制的 W 波段调频连续波体制的雷达导引头，，如图 1.1 所示，该导引头采用卡赛格伦天线，单圆极化发射，双圆极化接收，通过旋转主镜可以实现一定范围的波束扫描能力。据称硫磺石导引头可以对装甲车、武装运输车、自行火炮、地面防空单元等几类目标实现有效地识别[19]。

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北京理工大学博士学位论文2008 年欧洲导弹集团推出了改进的双模硫磺石（Dual Mode Brimestone，[58]。在原有的 94GHz 毫米波极化雷达的基础上增加了激光半主动探测系导弹在复杂背景下的目标选择能力，并在 2012 年 6 月 25 日首次进行了针的试射[59,60]。公开的资料显示，改进型的硫磺石双模导引头毫米波部分仍模硫磺石导引头类似的卡赛格伦天线，而其激光部分则未见报端，美国专利：US6268822）所披露的技术方案与双模硫磺石复合导引头有一定的相似.2 所示。在该方案中，半主动激光探测器位于卡塞格伦天线主反射面后方排列的方式构成激光探测阵列，该方案要求毫米波反射面天线相应的环状射毫米波透射激光的特性，这种技术需要采用特殊的材料和先进的镀膜工
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TJ765.3;TN820

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