“弹簧刀”巡飞弹的制导关键技术
“弹簧刀”巡飞弹的制导关键技术
在俄乌冲突中，无人机作为战场力量的倍增器发挥了重要作用。其中，美国援助乌克兰的"弹簧刀"系列巡飞弹在打击俄军目标方面取得了显著效果，展现了无人智能领域的新战法。本文将深入探讨"弹簧刀"系列巡飞弹的制导关键技术及其技术特征。
"弹簧刀"系列巡飞弹概述
"弹簧刀"系列巡飞弹（见图1） 是美国航空环境公司研制的陆射巡飞弹，主要用于精确打击，可使小规模作战部队在无空地火力支援的情况下打击高价值固定或移动目标。该型号从2006年开始研制，经过14年的发展，"弹簧刀"的基本型编号为"弹簧刀"300，"弹簧刀"600则是放大、增重的反装甲改进型，并且已经开发多联发射装置，能够实现与 RQ-20"美洲狮"和 RQ-11"大乌鸦"等美无人机协同作战，极大提升作战能力。目前正在陆续开发陆、空、舰射反装甲型，与 XQ-58A 低成本可消耗无人机集成，成为可多域多平台发射的多用途精确制导武器（见图2）。
"弹簧刀"系列巡飞弹制导技术
"弹簧刀"系列巡飞弹制导设计方案中，导引头作为其武器系统的核心，具备自主搜索、识别与跟踪目标等诸多功能，能够确保弹体系统不断地跟踪目标，实现对目标的精确打击。弹体在飞行中段制导方式为雷达导引，距目标2km 左右的飞行末端的制导方式为红外多光谱和光学导引头进行复合制导，从而实现对地面目标的精准打击，其制导流程如图3所示。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头基本组成
从结构上来看，"弹簧刀"系列巡飞弹红外导引头采用了美军当下最成熟的技术，分析其主要组成部件大致可分为光学感应系统、成像处理系统、红外感应系统、制冷系统、陀螺伺服系统以及信号处理系统等。其中，信号处理系统主要由信号传导电路、控制调节器电路、信息处理主机等核心电子部件组成；光学感应系统主要由整流罩、高清透光镜片和高光敏元件组成，其作用原理主要是实时接收和汇集目标辐射的光学和红外线能量。
陀螺伺服系统属于较为成熟的军民通用技术，主要由转子、内环、外环、支架、绕组线圈以及等构成，美军的"弹簧刀"巡飞弹相对结构更加精致，效能也远优于其民品。从原理上分析主要是让瞄准攻击目标的光学感应系统、成像处理系统与光敏元器件等探测系统元件，不会受巡飞弹在高速飞行过程中，由于自身弹体扰流造成的摆动影响到攻击目标的准确度，始终能够让探测系统光轴保持相对稳定，从而完全隔离了导弹弹体姿态角的扰动因素，使位标器做到对目标的全程稳定跟踪，这也是实现"发射后不管"自主攻击的主要元器件之一。
"弹簧刀"巡飞弹的电子线路系统上集成有红外导引头的信息处理系统，以及其自身的控制调节系统电路等，主要作用原理是减少和调控信息处理系统输出误差指令信号，并对指令信号进行功率放大，确保形成跟踪目标的可控电流，同时还能够反馈于控制调节器，实现对导引头控制回路进行及时校正。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头工作原理
"弹簧刀"系列巡飞弹红外导引头主要采用了红外探测感应装置持续识别、捕获和跟踪目标的红外辐射能量，从而实现自动寻的，并具备性能极高的隔离弹体姿态角扰动功能，可以极大消除弹体扰动带来的对位标器在空间指向稳定性的影响，还能够对进行锁定后的目标对象，实施自主智能跟踪并以实时输出方式形成所需要的精确制导信息。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头工作流程
其红外导引头系统的工作过程（见图4所示），目标对象的红外辐射透过巡飞弹整流罩时，红外导引头的光学感应系统就会迅速接收到目标对象的红外辐射参数，并由巡飞弹成像系统将其信号聚焦在探测器的光敏感应面上，通过红外探测器上的光电转换器件将光信号转换成电信号，经内部电子线路进行一系列的信号滤波、放大处理，能够检测到关于目标位置的误差信息，经由成像电路系统生成图像信号，经过目标校正和图像预处理后得到初始目标红外图像，并将该信号传至陀螺伺服系统，同时带动光学系统跟进，使光轴朝向目标位置进行运动，从而构成导引系统的角跟踪回路，确保实现了导引系统对目标对象的不间断跟踪，形成的制导控制系统所需导引电信号会经由电子线路系统及时输入至巡飞弹动力控制系统，形成控制指令并操控弹体自主飞向目标。
"弹簧刀"系列巡飞弹红外导引头以典型的凝视红外成像探测技术为代表，受制于巡飞弹武器小弹径、大跟踪场等外部条件限制，其探测组件必须保持体积足够小、重量尽可能轻，同时还要保证目标响应上又能具备图像分辨率高、灵敏度高、信息更新率高特性，巡飞弹前端由于省去传统扫描成像方式中的光学系统及扫描部件，确保了集成化程度更高，实现了巡飞弹的弹载各项指标要求，未来飞弹核心导引部分必将向更加轻小微型化方向发展，腾出的容量将使巡飞弹的火力更加强大。
目前，在"弹簧刀"系列巡飞弹红外导引头上采用的凝视红外成像技术已在精确制导武器中得到广泛应用，美军最新型的"响尾蛇"系列空空导弹就采用性能类似的锑镉汞凝视焦平面成像红外导引头，均是通过内部制冷装置对光敏元件实施冷却，其导引头同样具有180度大跟踪视场，目标截获距离约为13～16km，其出色的导引技术和性能使其具有超视距、多目标识别瞄准和全方位跟踪能力；此外，英军近距格斗空空导弹（ASRAM）也是采用制冷凝视焦平面成像红外导引头；以色列的"怪蛇"系列空空格斗导弹则采用双波段焦平面阵列红外导引头和独具特色的制导算法，不仅在发射后能够实现截获和全向攻击能力，还具有极强的抗干扰能力，在技术和性能方面更加稳定。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头关键技术分析
下面对美"弹簧刀" 系列巡飞弹导引头中涉及的几项关键技术进行分析研究。美"弹簧刀"系列巡飞弹导引头集成可见光成像导引和红外成像导引技术，相比于红外成像导引头，可见光成像导引头还具有分辨率高、对比度高、信噪比高、成本低、目标易辨识等优点，两种图像导引技术对比情况见表2。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引技术在实战中也存在一定问题，特别是"弹簧刀"300型号，当目标距离探测器较远时，其成像像素较少，缺乏尺寸、形状、纹理等结构信息；当背景环境复杂时，如存在薄雾、逆光，可见光波段折射，目标信号强度较弱；而且捷联式导引头视线角较窄，目标机动时易脱离探测范围，成像易受弹体旋转与抖动影响等（见图 5） 。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头目标检测技术
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头采用的目标检测技术主要是从探测器成像中排除图像背景杂波噪声，找出特征图像，并给出巡飞弹在图像中的位置。目前在目标检测算法方面，根据"弹簧刀"系列巡飞弹技战术指标分析，美军已经取得较大突破，应用基于深度学习的人工智能算法。该算法的主要原理是对深层人工神经网络进行反复训练的方法。由于深层人工神经网络—深度卷积神经网络 （ DC-CN）在图像识别和生成的实践应用中的良好反映，能够很好实现对打击目标特征的自主获取，并对打击目标的红外图像进行自动识别与分类处理，并赋予机器智能化自主学习和不间断创新的能力。目前在国内基于人工神经深度学习的智能目标识别技术，尚受制于红外目标图像的数据源有限和多目标识别中红外图像复杂多变性问题困扰，这些问题将是在未来红外图像目标识别技术实现突破的重点攻关方向。
"弹簧刀"系列巡飞弹在红外图像实时检测方法应采用的是帧间检测方法，可以根据打击目标和背景的温度、形状、灰度以及运动特征进行近实时判断分析，识别精度较高，因而不易导致高漏检率和虚警率。此外在美军的类似装备上还普遍运用跟踪前检测算法。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头目标跟踪技术
"弹簧刀"系列巡飞弹图像导引头实时目标跟踪技术是在视频初始帧通过目标检测技术确定了目标大小与位置的情况下，预测后续帧中目标的大小与位置的技术，跟踪的实时性是为了保证后续视线角更新的快速性，满足最终制导控制要求。巡飞弹目标跟踪面临的技术难点主要是复杂的飞行环境、相似背景的干扰、光照的变化、物体的遮挡以及物体自身的外形和尺寸的改变，另外还有旋转平移和物体快速运动等因素，这些因素使得目标跟踪在实际场景中的应用具有一定的难度。从"弹簧刀" 系列巡飞弹实时目标跟踪能力分析，美军在这方面相关技术解决的较好，实际应用层面的解决办法值得深入研究。
对于国内来说，需要进行突破的技术难题是算法运算量和存储空间的需求增加，导致实时跟踪反应不灵敏。未来若要实现红外成像导引头目标跟踪精度的可靠性和实时性，借鉴美军相关装备技术参数来看，迫切需要发展出具备较低运算量的弹载计算机软硬件系统。
"弹簧刀"系列巡飞弹导引头视线角提取技术
"弹簧刀"系列巡飞弹视线角提取技术是在目标跟踪基础上，通过利用目标在每一帧成像中的像素位置计算得到弹目视线角及角速率信息，为末端制导提供准确导引信息。目标视线角是否可以准确提取将会影响末制导的制导精度。从"弹簧刀" 系列巡飞弹的技战术参数来看，捷联导引头直接测量得到的是目标相对于弹体坐标系的弹目视线角，包含了目标惯性空间的视线角和弹体运动两部分信息。 要实现比例导引等先进制导方式，则必须去除捷联导引头测量中耦合的弹体运动信息，并引入微分环节以提供弹目视线角速率信息。
"弹簧刀" 系列巡飞弹导引头高维数据处理技术
"弹簧刀"系列巡飞弹图像导引头高维数据处理技术是一种通过对算法进行优化加速，并利用硬件平台加速处理技术，最终实现计算平台数据处理加速的技术，满足导引头对实时性处理要求。由于"弹簧刀"系列巡飞弹图像属于高清级别，由此导致的高维数据信息数据量大，且相比于通用计算机系统，嵌入式平台的计算与存储资源紧缺，导致实现实时处理难度更高。 并且对于其捷联式成像导引头，为了在增大其探测视场角的同时，提高其对目标的探测能力，感光器件分辨率需足够大，导致单幅图像处理的计算量变大，图像处理帧频降低，制导信息输出实时性受到影响，影响最终弹药制导回路的稳定性，目前如何在嵌入式平台上实现高维数据实时处理是国内相关武器装备所需解决的技术难题。
"弹簧刀" 系列巡飞弹技术特征及与相关装备关系
"弹簧刀"系列巡飞弹是汲取制导弹药和无人机等技术优势而发展起来的一种高度信息化的智能弹药。 该类武器集目标侦察、精准打击、可控毁伤、战效评估与协同作战能力于一身，极有潜力成为催生新质战斗力的利器。 巡飞弹具有可长时间滞空飞行、可对较大范围内目标信息不明确的"灰色区域"内机动目标和时敏目标持续威慑和压制、并实施协同攻击的独特优势；配备复合导引头和不同类型的载荷时，还能执行侦察监视、毁伤评估、通信中继、电子干扰等作战任务，通过数据链组网，还可实现巡飞武器与巡飞武器之间、巡飞武器与其他武器系统之间的协同作战，战场威力不可小觑。
巡飞武器是跨代特征显著的新型武器装备，其技术特征可概括为以下几个方面。一是其导引技术、飞控技术等多迁移来自相关武器装备，因而集成性较高，能够满足战场恶劣环境下特殊任务的需求，具备从多种武器平台上发射或投放，既可火箭炮箱式发射、集装箱式垂直发射和单兵便携发射，也可作为子弹药由炮弹、火箭弹、导弹等多种弹药武器平台空中投放。
二是具备长时间目标跟踪识别能力，具有较长的滞空时间，主要以吸气式发动机（或电动机）为动力，达数十分钟（甚至数小时） 以上，能够盘旋于任务区域上空，依靠其强大的导引识别技术，能够显著增强了弹药的作战持久性，提高作战适用性。
三是可携带多种任务载荷，既可对目标实施精确打击，也可对目标区域实施侦察、监视、电子干扰和毁伤效果评估，从而能够有效打击战场上的活动目标、时敏目标、雷达目标，或者对重要区域进行长时监视和持续封控，增加了执行各类作战任务的灵活性。
四是配备弹用数据链系统，可实时进行图像、状态等战术信息的传递，可采用"人在系统"的远程管控模式实施作战任务重部署，并可多枚巡飞弹或与其他火力构成作战网络，实现网络化协同作战。
五是通过动态立体侦察掌控战场态势，并可根据攻防态势变化，实施适时航路规避，战场生存和突防能力较强，可作为无人机、地面雷达等侦察系统的补充，提升高对抗条件下的信息感知能力。
发展建议
一是充分发挥和借鉴" 高手在民间" 思想，借助军工集团和民营企业较为成熟和先进的技术快速形成装备能力。 网络化巡飞武器属于新一代装备，必须打破常规思路，在导引头等关键部件和关键技术提供多样化技术实现途径。 尤其在目标检测、目标跟踪、数据处理等领域，民参军将大幅缩短研制周期、降低装备采购成本、减小技术风险，为陆军提供" 管用、好用、用得起" 的网络化巡飞武器。
二是研发网络化巡飞武器骨干装备，快速形成新质战斗力。 以典型近程、中程和远程巡飞武器为骨干，快速形成具备"侦察 - 识别 - 引导 - 打击 - 评估"任务功能的网络化巡飞作战新质战斗力，实现对较大范围内目标信息不明确的"灰色区域" 内机动目标和时敏目标持续威慑、精确打击和封控压制。
三是构建与我新型陆军任务使命相匹配的巡飞武器体系。 按照"机动作战、立体攻防" 的战略要求，着眼新型陆军转型发展对新质战斗力提出的能力要求，结合我周边潜在威胁对作战任务提出的任务使命要求，体系化顶层设计与我陆军精确火力打击体系相匹配的网络化巡飞类武器体系，构建发射平台灵活多样、控制范围无缝衔接、巡飞时间长短互补、任务载荷功能多样、任务使命高效匹配的网络化巡飞武器体系。