李志偉，楊晉

（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng)464000）

基于光輻射特征的多色復(fù)合導(dǎo)彈偵察技術(shù)

李志偉，楊晉

（空軍第一航空學(xué)院，河南信陽(yáng)464000）

針對(duì)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中高速導(dǎo)彈造成的嚴(yán)重威脅，研究了導(dǎo)彈殼體及廢氣羽煙的熱輻射特征，分析了其紅外、紫外波長(zhǎng)及光譜分布。結(jié)合目前紅外焦平面技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，提出了通過(guò)擴(kuò)展工作波段，采用紅外雙色、多色，以及紅外/紫外復(fù)合等技術(shù)，提高光電偵察系統(tǒng)綜合性能的方法。相關(guān)裝備的應(yīng)用證明，多色復(fù)合偵察技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下自身生存能力具有十分重要意義。

導(dǎo)彈，多色復(fù)合，光電偵察，紅外，紫外

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，由于電子對(duì)抗越來(lái)越激烈，因此，對(duì)于導(dǎo)彈、火箭等高威脅目標(biāo)的光電偵察，尤其是被動(dòng)光電偵察已成為復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下近距離對(duì)抗中保存自己、打擊敵人的最有效方法之一。而對(duì)導(dǎo)彈等進(jìn)行光電偵察的首要任務(wù)，就是在其發(fā)射的初始瞬間及時(shí)偵察截獲到目標(biāo)的特征信息，并采取有效的對(duì)抗措施。多年來(lái)，人們主要通過(guò)紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行偵察并實(shí)施告警，然而隨著紅外隱身及干擾技術(shù)的發(fā)展［1］，采用單一波段或某些特定波段簡(jiǎn)單復(fù)合的方式，不但偵測(cè)困難，而且準(zhǔn)確率低，很難適應(yīng)快速偵察以及對(duì)抗的要求。

為了對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施有效的光電偵察，系統(tǒng)分析了其自身光輻射的主要特征，提出了擴(kuò)展工作波段、采用多色復(fù)合等技術(shù)方法，以期達(dá)到最佳的偵察效果。

1 導(dǎo)彈飛行中的光輻射

由于導(dǎo)彈是由火箭驅(qū)動(dòng)的，因此，根據(jù)是否有火箭燃料驅(qū)動(dòng)，可以將其飛行過(guò)程劃分為兩個(gè)階段——初始階段和飛行階段［2］，進(jìn)一步分析其光輻射特征。

初始階段，即導(dǎo)彈點(diǎn)火發(fā)射到發(fā)動(dòng)機(jī)熄火的這一時(shí)段。該階段導(dǎo)彈輻射的主要來(lái)源有4個(gè)：①火箭尾焰的可見光和紅外輻射；②廢氣羽煙產(chǎn)生的紅外輻射和紫外輻射；③火箭的氣動(dòng)加力使導(dǎo)彈蒙皮與空氣摩擦產(chǎn)生的紅外熱輻射；④發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管受熱產(chǎn)生的紅外輻射。

飛行階段，即火箭熄火之后的飛行階段。此時(shí)，導(dǎo)彈利用慣性繼續(xù)向前飛行，其光輻射主要來(lái)源于蒙皮與空氣的摩擦，以及尾噴管的余熱，表現(xiàn)為紅外輻射。

由此可見，導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中除可見光之外，自身產(chǎn)生的光輻射不但包括紅外輻射，而且包括紫外輻射。

2 導(dǎo)彈的紅外輻射

2.1 尾焰及殼體紅外輻射波長(zhǎng)分布

導(dǎo)彈點(diǎn)火以后燃燒室工作，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)罩及尾噴管溫度迅速升高，同時(shí)環(huán)境空氣溫度也急劇升高，產(chǎn)生很強(qiáng)的紅外輻射［3］。由于導(dǎo)彈殼體都是金屬材質(zhì)，因此，可以將其看作是具有高輻射率的灰體，其輻射特性遵循黑體輻射的有關(guān)定律。

根據(jù)維恩位移定律，物體輻射光譜的峰值波長(zhǎng)與絕對(duì)溫度成反比［4］，即

式中，λm為光譜輻射度的峰值波長(zhǎng)，單位μm；T為黑體的絕對(duì)溫度，單位為K；a為2 897μm·K。

在導(dǎo)彈初始飛行階段，火箭尾噴管的溫度可升高到1 000 K以上，此時(shí)產(chǎn)生輻射的峰值波長(zhǎng)

在導(dǎo)彈慣性飛行階段，導(dǎo)彈殼體因氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的溫度主要與導(dǎo)彈的飛行速度、飛行高度以及飛行時(shí)間有關(guān)。研究表明，殼體的溫度與速度的平方成正比關(guān)系，速度越高，產(chǎn)生的輻射越強(qiáng)，在12 300 m的高空，熱平衡時(shí)殼體的表面溫度T（單位為K）與速度的關(guān)系為［2］：

式中，M為導(dǎo)彈速度的馬赫數(shù)。

以空空戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈為例，其飛行速度通常為4 MHz～10 MHz，按照上述公式推算，殼體表面溫度可達(dá)785 K～3 770 K，產(chǎn)生輻射的峰值波長(zhǎng)為3.7μm～0.77μm，在近紅外波段范圍之內(nèi)。

根據(jù)上述分析，針對(duì)空空導(dǎo)彈的紅外探測(cè)器的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)盡量考慮采用1μm～3μm的大氣窗口。

2.2 廢氣羽煙紅外輻射光譜特征

在導(dǎo)彈發(fā)射的初始階段，火箭羽煙也是一個(gè)重要的輻射來(lái)源。由于羽煙化學(xué)組分及結(jié)構(gòu)的特殊性，其輻射規(guī)律非常復(fù)雜，不僅包括紅外輻射，而且包括紫外輻射。

2.2.1 羽煙的化學(xué)組分

為了使導(dǎo)彈的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生更高的推力，通常使其工作在富燃料狀態(tài)，此時(shí)羽煙中含有大量的可燃燒物質(zhì)，這些可燃燒物質(zhì)一旦得到空氣中氧氣的補(bǔ)充，就會(huì)二次燃燒。低空時(shí)，二次燃燒的溫度可達(dá)到500 K以上。

燃料的羽煙中含有多種微粒，根據(jù)燃料的不同，微粒的成分有所差異。以含有13%鋁的聚亞胺酯固體燃料為例，其燃燒后各種產(chǎn)物的重量比如表1所示［5］。

表1 聚亞胺酯固體燃料燃燒后的產(chǎn)物重量比

燃料燃燒過(guò)程中燃燒室溫度很高，此時(shí)噴嘴及室內(nèi)壁材料將會(huì)受到熔蝕，因此，廢氣中還可能包含有其他成分的粒子。研究表明，羽煙輻射的光譜分布與羽煙中分子種類有關(guān)，根據(jù)各組分的光譜分布可以進(jìn)一步研究羽煙輻射的光譜特征。

2.2.2 羽煙的紅外輻射光譜特征

通常情況下，尾焰及排出后不久的廢氣團(tuán)可粗略地看作是一種灰體，廢氣羽煙中大量的高溫固體微粒不但具有很強(qiáng)的紅外輻射，而且還具有對(duì)來(lái)自燃燒室輻射的反射能力。因此，羽煙的輻射光譜主要由高溫粒子輻射和散射的連續(xù)光譜相互疊加而成。同時(shí)，由于羽煙中各種粒子的直徑與紅外波長(zhǎng)具有同一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此，嚴(yán)格來(lái)講，粒子的輻射不僅僅包括單純的灰體輻射，還包括粒子的散射，其光譜輻射如圖1所示。該圖表示了某型含鋁固體推進(jìn)劑火箭的近場(chǎng)光譜分布情況。

圖1 火箭近場(chǎng)光譜分布圖

從圖1可以明顯看出，羽煙中粒子輻射和散射的連續(xù)光譜（虛線）對(duì)整個(gè)輻射起了很大作用。

除此之外，羽煙結(jié)構(gòu)也是影響羽煙紅外輻射光譜特征的一個(gè)重要因素。研究表明，羽煙結(jié)構(gòu)與環(huán)境壓力和火箭的速度有關(guān)。通常在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口呈現(xiàn)一個(gè)不受干擾的錘形羽煙區(qū)，該區(qū)域內(nèi)羽煙的微粒呈均勻等溫分布，且溫度最高［5］。

通常情況下，導(dǎo)彈羽煙的溫度可達(dá)2 000 K～3 000 K，根據(jù)維恩位移定律可計(jì)算出其波長(zhǎng)范圍在1.45μm～0.97μm之間，這個(gè)范圍的波長(zhǎng)也在1μm～3μm的大氣窗口之內(nèi)。

3 導(dǎo)彈的紫外輻射

導(dǎo)彈飛行過(guò)程中產(chǎn)生的紫外輻射主要來(lái)源于燃料燃燒時(shí)產(chǎn)生的廢氣羽煙。

3.1 羽煙紫外輻射規(guī)律

由于羽煙化學(xué)組分的特殊性，因此，在其產(chǎn)生紅外輻射的同時(shí)也產(chǎn)生一定的紫外輻射。羽煙的紫外輻射主要是熱輻射與化學(xué)熒光，其中熱輻射主要是由羽煙在二次燃燒時(shí)產(chǎn)生的大量高溫Al2O3粒子引起的，而化學(xué)熒光則是化學(xué)動(dòng)力學(xué)過(guò)程導(dǎo)致的非平衡自由輻射。

羽煙尾流中包含有大量的未燃盡燃料，這些燃料通過(guò)化學(xué)反應(yīng)生成高濃度的碳、氫、氮等化合物，從而產(chǎn)生紫外輻射。研究表明，導(dǎo)彈羽煙紫外輻射的光譜強(qiáng)度與推進(jìn)劑化學(xué)組分的分子種類及二次燃燒有關(guān)。例如，液氫/液氧推進(jìn)劑產(chǎn)生羽煙的紫外光譜輻射強(qiáng)度比煤油/液氧推進(jìn)劑的紫外光譜輻射強(qiáng)度高8個(gè)～13個(gè)數(shù)量級(jí)，且在0.28μm波長(zhǎng)處的輻射亮度前后相差12個(gè)數(shù)量級(jí)［6］。

表2給出了某型導(dǎo)彈羽煙主要組分與紫外發(fā)射帶的對(duì)應(yīng)關(guān)系［7］。

表2 羽煙主要組分與紫外發(fā)射帶的關(guān)系

從表2可以看出，導(dǎo)彈羽煙發(fā)出紫外輻射的波長(zhǎng)大約在0.200μm～0.437μm之間，利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽煙的這種紫外輻射特征可以實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的紫外偵察告警。

由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)固體燃料和液體燃料在化學(xué)組分上的差別，目前國(guó)外裝備的紫外偵察告警設(shè)備，通常以對(duì)固體燃料驅(qū)動(dòng)的導(dǎo)彈偵察效果最佳。

3.2 羽煙紫外偵察特點(diǎn)

隱蔽性強(qiáng)、背景噪聲低、虛警率低、與其他偵察告警系統(tǒng)兼容性好、無(wú)需制冷設(shè)備，對(duì)于短程空空、地空等便攜式導(dǎo)彈還可進(jìn)行全程探測(cè)，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)、艦艇和坦克等末級(jí)近程全方位防御。

該偵察方式只能用于導(dǎo)彈飛行的初始階段，發(fā)動(dòng)機(jī)熄火后即無(wú)法對(duì)目標(biāo)截獲，且無(wú)法測(cè)距。因此，在光電偵察裝備應(yīng)用中，通常與紅外等偵察方式配合使用。

4 提高導(dǎo)彈光電偵察準(zhǔn)確率的途徑

4.1 擴(kuò)展紅外工作波段

受技術(shù)限制，早期的紅外光學(xué)系統(tǒng)大多只具有單波段工作能力，且主要集中在3μm～5μm的中波紅外和8μm～12μm的長(zhǎng)波紅外，而對(duì)于1μm～3μm的短波紅外還存在一定的偵察盲區(qū)，而這個(gè)波段又是對(duì)導(dǎo)彈偵察的最佳波段，該波段雖然受霧霾天氣的影響較大，但對(duì)其他氣象條件的適應(yīng)性相對(duì)較強(qiáng)。

導(dǎo)彈在發(fā)射后的整個(gè)飛行過(guò)程中，只有在剛剛發(fā)射的初期，由于自身溫度較低，其輻射的紅外波長(zhǎng)才有可能在8μm～12μm范圍內(nèi)，而這個(gè)階段則非常短暫，因此，單一采用該波段區(qū)間進(jìn)行偵察，捕捉目標(biāo)的時(shí)機(jī)存在很大的局限性。隨著溫度的迅速升高，其輻射的紅外波長(zhǎng)也迅速縮短到1μm～3μm，且出現(xiàn)3μm～5μm波段的過(guò)渡時(shí)期也非常短暫，因此，增加1μm～3μm工作波段，可以延長(zhǎng)對(duì)導(dǎo)彈的感知時(shí)間，尤其對(duì)于長(zhǎng)距離奔襲而來(lái)的導(dǎo)彈，能夠有效彌補(bǔ)由于探測(cè)距離限制對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射初期中波紅外及長(zhǎng)波紅外探測(cè)能力的不足。

在紅外偵察系統(tǒng)中，可以根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)的要求，對(duì)上述3個(gè)波段范圍進(jìn)行組合，采用雙色或多色復(fù)合方式，設(shè)計(jì)出特定功能的探測(cè)器，滿足對(duì)導(dǎo)彈飛行不同階段的紅外探測(cè)。

4.2 采用紅外/紫外復(fù)合偵察方式

以美國(guó)的AN/AAR系列機(jī)載導(dǎo)彈偵察告警系統(tǒng)為例，其AN/AAR-44、44（V）、44A等型號(hào)均只能工作在紅外波段，雖然對(duì)導(dǎo)彈的紅外偵察告警能力較強(qiáng)，然而隨著紅外隱身技術(shù)的不斷改進(jìn)，對(duì)導(dǎo)彈紅外偵察的難度也越來(lái)越大，因此，配合紅外偵察，增加紫外偵察告警功能，采用紅外/紫外復(fù)合的方式，是提高對(duì)導(dǎo)彈偵察告警準(zhǔn)確率的有效途徑。

從20世紀(jì)80年代開始，美國(guó)便對(duì)上述機(jī)載導(dǎo)彈偵察告警系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，推出了針對(duì)導(dǎo)彈紫外告警的AN/AAR-47，該系統(tǒng)能在導(dǎo)彈到達(dá)2 s～4 s內(nèi)發(fā)出警報(bào)，并能自動(dòng)釋放假目標(biāo)實(shí)施干擾。此后又推出了AN/AAR-54（V），該系統(tǒng)不但增加了將導(dǎo)彈與假目標(biāo)區(qū)分的功能，而且還將截獲目標(biāo)的時(shí)間縮短到了1 s左右，指向精度高達(dá)1°［5］，大大提高了戰(zhàn)機(jī)的空中生存能力。

4.3 采用多光譜信息融合技術(shù)

導(dǎo)彈在飛行過(guò)程中，不同階段表現(xiàn)出的光譜特征、空間特征都有一定的差別。例如在助推階段，由于羽煙中含有混合的二氧化碳和水蒸氣，具有明顯的發(fā)射和吸收頻譜特征，且在光譜的4μm～5μm紅外波段產(chǎn)生特征性的“紅”、“藍(lán)”尖峰。因此，利用導(dǎo)彈輻射的瞬時(shí)光譜特征、時(shí)間光譜特征、空間光譜特征等，通過(guò)信息融合，可進(jìn)一步判別導(dǎo)彈的飛行階段、飛行狀態(tài)等，提高對(duì)導(dǎo)彈識(shí)別的準(zhǔn)確率。

5 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái)，非致冷紅外焦平面陣列技術(shù)的快速發(fā)展，使得紅外偵察系統(tǒng)的體積、重量、功耗等大大減少，為多波段、大口徑、大視場(chǎng)導(dǎo)彈偵察系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了可能［8］。然而，隨著光電對(duì)抗的日益白熱化，紅外偵察與紫外偵察、電視偵察等多種偵察方式的相互融合顯得更加重要，是進(jìn)一步提高導(dǎo)彈偵察準(zhǔn)確率的主要途徑，也是未來(lái)光電偵察與光電對(duì)抗研究的一個(gè)重要方向。

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Research of Multi-color Composite Missile Reconnaissance Technology Based on Optical Radiation Characteristics

LI Zhi-wei，YANG Jin
（The First Aeronautical Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

In allusion to the serious threat of high-speed missile in modern warfare,the heat radiation characteristics of missile crust and exhaust gas tail smoke is studied.The wavelength and spectral distribution of its infrared and ultraviolet is analyzed.Combined with the current development of infrared focal plane technology,the method of improving electro-optical reconnaissance system synthetic performance is proposed by expanding waveband,using technologies of IR double-color, multi-color,as well as IR/UV composite.The related equipment application shows that the applications of multi-color composite reconnaissance technology has great significance for improving oneself survivability in a complex battlefield environment.

missiles,multi-color composite,electro-optical reconnaissance,infrared,Ultraviolet

TN971；TJ760

A

1002-0640（2015）12-0173-04

2015-11-08

2015-01-27

李志偉（1964-），男，河南宜陽(yáng)人，副教授。研究方向：光電技術(shù)及其在航空武器裝備中的應(yīng)用。