空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)分析

李麗娟，白曉東，劉 珂

(1.中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽471009;2.航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，河南洛陽471009)

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的推演刺激著各種干擾與抗干擾技術(shù)在相互對抗中不斷進步，因此，各種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈所面臨的戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，對抗性也愈加激烈。紅外制導(dǎo)技術(shù)已從單元、多元發(fā)展到成像制導(dǎo)，而紅外對抗技術(shù)如紅外誘餌彈、紅外偽裝、隱身、紅外定向干擾、紅外成像誘餌等也在不斷地發(fā)展和應(yīng)用之中。以最常用的紅外誘餌彈為例，正在發(fā)展中的新技術(shù)包括:改變干擾釋放策略，以不同壓制比的多誘餌彈向多方向投放;采用伴飛誘餌或拖曳式誘餌，模擬飛機的運動軌跡;改變誘餌彈材料和燃燒方式，使其光譜特性更接近目標(biāo);面源形紅外誘餌彈，形成干擾云團等。可見，紅外誘餌彈改進的方向是使干擾與目標(biāo)在更多的特征上具有相似性。這使得采用單波段成像制導(dǎo)的武器在對抗紅外誘餌方面存在一定的困難。

激光定向干擾是對紅外成像導(dǎo)引頭很有威脅的一種干擾手段。飛機在探測到來襲導(dǎo)彈的方向時通過機載激光定向干擾系統(tǒng)向來襲導(dǎo)彈發(fā)出高能量激光，使紅外成像導(dǎo)引頭致盲或致眩，從而破壞導(dǎo)彈對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤造成脫靶。隨著激光定向干擾技術(shù)的發(fā)展及其在作戰(zhàn)飛機上的實際應(yīng)用，目前的單波段紅外成像導(dǎo)引頭將難以發(fā)揮作用。

可見，在這種復(fù)雜的光電環(huán)境中，單一波段的紅外成像探測、制導(dǎo)武器由于獲得的信息有限，作戰(zhàn)效能將被日益削弱，在未來戰(zhàn)爭中將不能有效地進行精確打擊，這也迫使人們尋求紅外成像制導(dǎo)技術(shù)的進一步發(fā)展。

紅外雙色探測是利用目標(biāo)和干擾光譜分布的差異來識別真實目標(biāo)的，作為一種提高導(dǎo)彈抗干擾能力的有效方法，已在P－73M和PYTHON－4導(dǎo)彈導(dǎo)引頭中得到采用。在繼承單波段成像探測優(yōu)點的同時，利用雙色信息的雙色紅外成像制導(dǎo)可以獲得兩個波段的圖像信息，進一步增強其抗人工及復(fù)雜背景干擾能力，是紅外成像制導(dǎo)發(fā)展的方向之一。

2 國外空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

國外已有多個空空導(dǎo)彈采用了雙色紅外成像制導(dǎo)技術(shù)，如南非的A_DARTER，法國的IR MICA和以色列的怪蛇5［1］。突出的抗干擾能力是它們的共同特征。

南非的A_DARTER是其研制的第4代近距格斗空空導(dǎo)彈。該彈使用推力矢量控制和雙波段紅外成像導(dǎo)引頭，離軸角可達±90°，具有抗人工干擾和背景抑制能力。導(dǎo)引頭能與頭盔瞄準(zhǔn)具或機載雷達隨動，可自動掃描或直接瞄準(zhǔn)。該導(dǎo)引頭具有發(fā)射后鎖定能力并能在大離軸角發(fā)射后暫時未能鎖定目標(biāo)情況下的記憶跟蹤能力。發(fā)射后自動跟蹤目標(biāo)以用于遠程前半球區(qū)域作戰(zhàn)，還能夠靠飛機雷達、頭盔瞄準(zhǔn)器或者用定軸瞄準(zhǔn)方式截獲目標(biāo)。

法國的“米卡”紅外成像型空空導(dǎo)彈由MBDA公司和法國空軍在20世紀90年代共同研制，在2000年批量生產(chǎn)。采用雙波段紅外成像焦平面陣列探測器，機電掃描方案和完善的信號處理技術(shù)，具有較遠的作用距離和較好的抗干擾能力，離軸發(fā)射角達到±90°。該導(dǎo)彈還具有緊湊的尺寸、很高的飛行速度、高機動性、發(fā)射后不管和多目標(biāo)打擊能力，已經(jīng)在法國空軍和海軍裝備使用。

以色列的怪蛇5空空導(dǎo)彈采用了以色列研發(fā)的制冷型焦平面陣列，導(dǎo)引頭在兩個波段中工作，能夠攻擊正在投放曳光彈誘導(dǎo)導(dǎo)彈的目標(biāo)［2］。其導(dǎo)引頭跟蹤裝置可暫時跟蹤曳光彈，然后將其抑制掉，跟蹤真正目標(biāo)，增強了抗紅外干擾能力并可選擇瞄準(zhǔn)點。當(dāng)怪蛇5跟蹤一架戰(zhàn)斗機時，這一瞄準(zhǔn)點位于目標(biāo)座艙稍后一點的部位。彈載計算機可對兩個波段的圖像進行比較，并且利用軟件算法預(yù)測目標(biāo)的運動。導(dǎo)彈可使用發(fā)射前鎖定和發(fā)射后鎖定兩種模式。于2004年啟動生產(chǎn)線，以色列空軍已經(jīng)采用系留導(dǎo)彈進行訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)使用。

從技術(shù)上看，南非的A-Darter和法國的IR MICA采用雙色線列探測器組成掃描成像系統(tǒng)，而以色列“怪蛇”－5空空導(dǎo)彈采用雙波段凝視紅外探測器，技術(shù)上更為先進，性能更優(yōu)。

3 空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)分析

空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)的核心是雙色紅外成像導(dǎo)引頭。與單波段紅外成像導(dǎo)引頭相比，雙色成像導(dǎo)引頭需要解決的主要問題是:一、如何實現(xiàn)雙色成像;二、如何利用雙色信息進行目標(biāo)截獲、跟蹤和抗干擾。圍繞上述問題，在開展空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)技術(shù)研究中，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

3.1 雙色波段的選擇

選擇合適的雙色波段是提高系統(tǒng)抗干擾能力的關(guān)鍵。雙色波段的選擇要從系統(tǒng)的角度綜合考慮，既要保證目標(biāo)與干擾在兩個波段的光譜差異大、有利于目標(biāo)與干擾的鑒別，又要考慮系統(tǒng)的綜合探測能力及可實現(xiàn)性。一般來講，要考慮以下因素:

(1)在所選的波段內(nèi)大氣透過率較高;

(2)具有探測靈敏度高的雙色探測器;

(3)目標(biāo)與干擾的雙色特征差異大，穩(wěn)定性好。常用的雙色波段選擇有:中短波、中長波和中中波，它們各有優(yōu)缺點。

(1)中短波組合

目標(biāo)與干擾在這兩個波段的雙色比差異最大，且在每個單波段，目標(biāo)與干擾的特征差異也是最大的。從這點考慮，對抗干擾最為有利。

缺點是由于目標(biāo)在短波的輻射較弱，我們只能依靠中波探測目標(biāo)，短波只在抗干擾時起作用。且太陽與地物反射干擾在短波較為嚴重，一定程度上增加了抗干擾算法的復(fù)雜性。

(2)中長波組合

能夠同時提高抗干擾能力和探測能力。長波的使用可以提高對飛機目標(biāo)的迎頭探測能力。且中長波的組合使導(dǎo)引頭在天氣的適應(yīng)性上能夠相互補充，在高濕度地區(qū)中波更為有利，而長波穿透煙霧的能力更強。

缺點是長波的氣動加熱更嚴重，長波頭罩材料的選擇存在困難，且長波探測器的制作較困難，成本更高。

(3)中中波

兩個波段可兼顧抗干擾和目標(biāo)探測，在光學(xué)材料選擇和系統(tǒng)設(shè)計上較為容易。

缺點是目標(biāo)與干擾的差異相對較小。

可見，從長遠來看，若長波在空空導(dǎo)彈上使用的一些困難得到解決，則中長波組合是較理想的選擇。中短波與中中波組合各有優(yōu)缺點，在實際系統(tǒng)中都有應(yīng)用，關(guān)鍵是要采用與之相適應(yīng)的信息處理算法，提高系統(tǒng)目標(biāo)探測與干擾鑒別的能力。

3.2 雙色探測器技術(shù)

雙色探測器是制約國內(nèi)雙色紅外成像制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的一個瓶頸。由于空空導(dǎo)彈的彈徑較小，又要實現(xiàn)大的回轉(zhuǎn)角，因此需要采用集成的雙色探測器實現(xiàn)雙色成像。雙色成像系統(tǒng)可由線列或凝視雙色探測器構(gòu)成，雙色探測器從技術(shù)實現(xiàn)上主要有兩種途徑:

(1)平面拼接式雙色探測器

兩個波段的探測器處于一個平面內(nèi)相間排列。對于線列雙色探測器，可以是兩列并行排列的探測器，每列分別響應(yīng)不同的波段;對于凝視雙色探測器，可以采用兩個波段的敏感元間隔排列的方式。此種雙色探測器所形成的雙色圖像在空間上有一定偏差，需要進行空間配準(zhǔn)。對于凝視雙色探測器，其空間分辨率比同等規(guī)模的單色探測器要低。

(2)疊層雙色探測器

疊層雙色探測器是新一代紅外焦平面器件的突出代表，它由縱向分布的兩個疊層光電二極管或紅外光探測量子阱組成，可獲得空間上完全同步的兩個波段的紅外輻射。其探測的兩個波段，可以是從短波紅外到長波紅外中無交疊的兩個光譜帶的組合，或同一波段內(nèi)細分的波譜組合［3］。在該技術(shù)領(lǐng)域目前有兩種主導(dǎo)技術(shù)。一種是以MCT探測器技術(shù)為基礎(chǔ)，通過改變材料的配比，生成敏感不同波段的膜層。另一種是以量子阱探測器(QWIP)技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展起來，QWIP雙色探測器的敏感光譜多為3～5和8～12μm兩個波段，串音小，但量子效率較低。疊層雙色探測器避免了兩波段圖像空間配準(zhǔn)的困難，更適合應(yīng)用于雙色紅外成像導(dǎo)引頭中。

目前疊層雙色探測器在國外已經(jīng)成熟，國內(nèi)也在發(fā)展之中，從技術(shù)上已取得了較大的進步。

3.3 雙色成像預(yù)處理技術(shù)

在雙色探測器確定之后，通過探測器與系統(tǒng)的匹配性設(shè)計，降低系統(tǒng)噪聲水平，提高系統(tǒng)的溫度分辨率是系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵。它主要包括低噪聲探測器預(yù)處理技術(shù)和非均勻性校正技術(shù)。

3.3.1低噪聲探測器預(yù)處理技術(shù)

在信號傳輸和處理的各個環(huán)節(jié)，采用以下技術(shù)降低噪聲:

(1)對探測器信號處理電路采取屏蔽措施;

(2)采用高精度、低噪聲的穩(wěn)壓源和二次電源;

(3)探測器控制和時序信號進行光電隔離;

(4)信號低噪聲放大，采用平衡傳輸方式;

(5)信號加屏蔽，減小信號間的串?dāng)_。

由于雙色探測器的信號多、需要的電源多，預(yù)處理電路上的器件也增加了許多，因此需要采用小型化設(shè)計技術(shù)在較小的空間限制下實現(xiàn)雙色信號的低噪聲處理。

3.3.2 非均勻性校正技術(shù)

探測器的非均勻性表現(xiàn)為固定的圖案噪聲，圖像的非均勻性會嚴重影響系統(tǒng)的探測靈敏度和目標(biāo)截獲與跟蹤性能。因此，非均勻性校正技術(shù)是紅外成像導(dǎo)引頭使用中必須解決的關(guān)鍵問題之一。兩點校正是常用的校正算法，但由于兩點校正系數(shù)保持有效的時間較短，通常需要在使用前進行校正，這對空空導(dǎo)彈的使用帶來了復(fù)雜性。另外，空空導(dǎo)彈使用時面臨飛行高度和環(huán)境

溫度的較大變化，在地面定標(biāo)后的校正系數(shù)在高空動態(tài)飛行環(huán)境下可能會引起較大的誤差，從而使圖像的非均勻性增大降低系統(tǒng)的靈敏度。因此，在兩點校正的基礎(chǔ)上，必須采用其他方法實時修正校正系數(shù)。一種是采用基于場景的校正算法，如時域高通濾波法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、常統(tǒng)計量約束算法等，這些算法可以實時校正系統(tǒng)的偏移，消除1/f噪聲和其他低頻噪聲。其缺點是要求場景是隨機運動的，而實戰(zhàn)跟蹤狀態(tài)下目標(biāo)總是在中心附近的小區(qū)域內(nèi)，可能引起目標(biāo)信號的衰減。因此，在使用上述算法時需要從系統(tǒng)的角度考慮算法應(yīng)用的時機，并與系統(tǒng)其他部件配合。另一種方法是在系統(tǒng)中增加硬件機構(gòu)，在校正時能為系統(tǒng)提供一個或兩個均勻溫度的場景，從而實現(xiàn)實時的一點或兩點校正。該方法以硬件的復(fù)雜換取算法的簡化，且校正的精度高，適用范圍廣。在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下，這是一種較好的選擇。

3.4 共光路雙色光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)

適用于彈載應(yīng)用的共光路雙色光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計存在以下特點:

(1)小彈徑大跟蹤場情況下，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)嚴格受限。因此，在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點，允許的光學(xué)系統(tǒng)空間尺寸、重量及技術(shù)性能要求、性價比等，進行詳細的分析，選擇合適的光學(xué)結(jié)構(gòu)并進行優(yōu)化設(shè)計。

(2)需要在較寬的光譜波段內(nèi)校色差。由于紅外波段可用的光學(xué)材料有限，它們的折射率及折射率光譜特性、溫度特性不是特別有利于光學(xué)系統(tǒng)校色差、熱差。因此，需要通過材料的優(yōu)選和結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計，使光學(xué)系統(tǒng)的色差滿足總體指標(biāo)要求［4］。

(3)要進行光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計，使系統(tǒng)在導(dǎo)彈工作的較寬的溫度范圍內(nèi)都有良好的成像質(zhì)量。由于彈載應(yīng)用的空間限制及高可靠性要求等，通常采用光學(xué)被動式無熱化設(shè)計技術(shù)。如球面系統(tǒng)光學(xué)材料匹配、采用非球面、使用簡單的機械結(jié)構(gòu)補償?shù)龋?］。

(4)抑制雜散光干擾。常用的雜散光抑制措施包括采用光闌、光闌筒和遮光罩，以及在光學(xué)結(jié)構(gòu)件表面加消光紋和消光涂層［6］。此外，對探測器冷屏提出相應(yīng)的消光措施對于提高系統(tǒng)的抗雜散光抑制能力也非常有效。

3.5 雙色圖像抗干擾技術(shù)

利用雙色圖像提高抗干擾能力是發(fā)揮雙色紅外成像導(dǎo)引頭優(yōu)勢的關(guān)鍵。根據(jù)目標(biāo)與誘餌干擾的雙波段圖像特點，通過檢測跟蹤目標(biāo)在雙色比、平均灰度、面積、能量等特征的變化進行干擾的起燃判斷;綜合利用潛在目標(biāo)的運動、光譜、形狀和能量等特征，通過特征融合和特征關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)目標(biāo)與干擾的識別。在特征識別時，可利用多干擾在運動軌跡和光譜特征上的相似性、以及目標(biāo)與干擾間的特征差異，通過特征聚類分析進行目標(biāo)與干擾的鑒別。

由于雙色特征的采用，在壓制比較低、視場中存在與目標(biāo)特征相似的干擾(單波段內(nèi))等情況下可獲得優(yōu)于單波段導(dǎo)引頭的抗干擾性能。

當(dāng)系統(tǒng)受到激光致眩干擾時，其中一個波段的圖像可能會被激光干擾而無法正常跟蹤目標(biāo)，此時由于雙波段的采用仍可以利用另一波段的圖像繼續(xù)識別跟蹤目標(biāo)。

4 結(jié)論

空空導(dǎo)彈雙色紅外成像制導(dǎo)技術(shù)是提高導(dǎo)彈抗干擾能力的重要途徑之一。文中分析了雙色紅外成像制導(dǎo)的關(guān)鍵技術(shù)和可能的技術(shù)途徑。為了進一步發(fā)展空空導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭的技術(shù)水平，需要加大雙色抗干擾與雙色疊層探測器等相關(guān)技術(shù)的研究深度，促進相關(guān)技術(shù)成果在系統(tǒng)中的應(yīng)用和轉(zhuǎn)化。

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