紅外成像制導抗干擾分析

賈秋銳, 周立柱, 孫媛媛

(空軍航空大學航空軍械工程系,吉林長春130022)

0 引言

圖像制導技術是當今世界各國競相發展的精確制導技術之一,尤其是紅外成像制導技術,更是一種使導彈威力倍增的高效費比技術,大力發展并裝備此技術完全可以滿足2010年前后戰術導彈對紅外制導技術的需求。然而,面對紅外成像制導導彈的強大威力,國外干擾技術專家們近年來也不惜人力、物力積極開展研究,從偵察告警、干擾和摧毀等各個領域進行突破。從資料報道來看,紅外成像制導的干擾措施雖然還不完善,但已有許多行之有效的技術運用到戰機的干擾系統,并取得了良好的效果,已嚴重威脅到紅外導彈的性能發揮。因此,若要使紅外成像制導導彈在復雜情況下精確打擊目標,它必須要有較強的抗干擾能力。

1 紅外特性干擾機理

目前用于紅外熱成像制導系統的武器絕大多數是被動式的,它通過探測目標的熱輻射來迅速地發現、識別和跟蹤目標。但是,它也能像其它武器系統一樣,在一定的條件下受到干擾,以致失去作用。被動式紅外熱成像制導系統正常工作必須具備三個條件:

a)適合成像探測器接收的足夠強的紅外輻射,即入射的輻射波長應與探測器的工作波長相匹配,入射的輻射能量要足夠強;

b)目標和背景之間應有一定的輻射對比度,若用輻射強度表示,則為

式中:C為目標和背景之間的對比度;I T、I B分別為目標和背景的輻射強度;

c)待觀察的目標應有足夠的線度。

由此可見,如果能夠改變目標和背景的輻射特性,減少兩者之間的對比度,或者大幅度地衰減進入導引頭紅外成像傳感器系統的輻射強度,都可以使被動式紅外成像導引頭系統受到干擾。如果干擾的強度相當大,紅外成像導引頭分辨不出目標的熱圖像,便可達到干擾的目的。

紅外干擾具有許多特性,主要表現是大多數誘餌都是化學熱輻射源,以黑體或灰體特性輻射。一般的干擾彈都是利用火藥燃燒形成的火焰來產生較強的輻射,經測定,火焰溫度在(2 000～2 200)K;光譜輻射的最大值波長在(1.4～2.0)μm;干擾輻射能量一般在(1～3)μm 、(3～5)μm和(8～14)μm三個大氣窗口波段內,分配的比例趨勢是由短波到長波依次減小。干擾彈動態光譜分布與靜態基本一致。目前,西方各國使用的紅外誘餌彈輻射波段大都在(1～3)μm和(3～5)μm波段以內[1]。

但當飛機在一定飛行高度拋射干擾彈時,紅外輻射強度變化的特征與靜態時有明顯差別,且隨著載機的飛行高度和飛行速度的增大,干擾彈的紅外輻射降低,上升時間和燃燒時間延長,如圖1所示。

圖1 干擾彈輻射強度隨高度和速度變化曲線

通過以上對目標、干擾彈的輻射特性比較分析,可以看出紅外干擾彈與典型目標的輻射波段分布特性有明顯不同。干擾彈輻射能量在大氣窗口波段內,分配的比例趨勢是由短波到長波依次減小,近紅外區比中紅外區的能量大兩倍以上。目標的輻射特性基本集中在中紅外波段及遠紅外波段,而在近紅外波段的輻射能量衰減較快。依據以上這些特性就誕生了許多現代戰機運用比較成熟和常用的紅外干擾技術,如紅外煙霧干擾技術、紅外欺騙技術、主動紅外干擾技術等。這些技術得到了較大的發展和嘗試,在現代空戰中將越來越影響導彈的命中精度和打擊力。

2 紅外抗干擾技術

防御愈強,進攻也愈堅,在如此復雜多變的電磁干擾環境下,如何提高導彈的精確打擊能力和抗干擾能力,提高打擊的有效性是現在航空武器發展的重大課題,下面簡介幾種紅外抗干擾技術。

2.1 雙色抗干擾技術

采用近/中紅外的探測器組合能夠區分目標和干擾,這是雙色抗干擾技術的理論基礎。2.1.1 紅外導引頭雙色探測原理

為簡單起見,把目標、干擾彈、背景都看成絕對黑體,普朗克公式給出了絕對黑體輻射的光譜分布:

式中:Mbλ為絕對黑體的光譜輻射能量;λ為波長;T為絕對溫度;C1、C2為輻射常數。

普朗克公式計算的結果是單位面積黑體光譜輻射通量。在實際情況下,目標和干擾彈不僅具有不同的溫度,而且具有不同的輻射表面積,表面積越大,同溫度輻射體輻射的能量就越多。但一個輻射體在某一波長λ1上輻射能量的大小不能全面地表現其輻射溫度的大小,這也就是單波段導引頭很難辨別目標溫度特性的原因。對于不同溫度的黑體,具有不同的輻射曲線,黑體在兩個波段上的輻射通量之比只與輻射通量密度有關,與黑體的輻射面積無關。將兩波長對應的普朗克公式相除,得出 λ1、λ2波長處的輻射比k值,k值能夠表現輻射體的溫度特性。在導彈攻擊過程中,誘餌為達到足夠大的輻射強度,其溫度必須遠高于目標的溫度,使得目標和誘餌在不同波段上的輻射強度呈現明顯差異。因此,根據目標和誘餌在兩個波段上積分能量比值的大小,即雙色比可將它們區分出來[2]。

2.1.2 雙色比波門抗干擾技術

雙色比波門抗干擾技術的原理:根據典型目標和干擾的雙色比范圍以及四個臂上的目標成像關系,對檢測出的相對兩臂上的所有對應的脈沖信號進行雙色比計算,根據脈沖對的雙色比對所有脈沖進行標識。在濾除背景脈沖后,按照設定的雙色比波門,根據當前的跟蹤策略挑選所需的脈沖對。在目標搜索和鑒別過程中,采用雙色比波門可以有效地選定目標,并且與時間波門配合,實現對所選目標的跟蹤。

2.1.3 干擾彈光譜檢測技術

軍用飛機與干擾彈的光譜分布圖,如圖2所示。

圖2 飛機和誘餌彈的光譜分布圖

在正常跟蹤目標過程中,干擾彈和軍用飛機具有不同的光譜,波段B(中波)與波段A(短波)的能量比值滿足雙色比波門的要求。當波段A的能量相對于波段B的能量突然增大時,表明在導引頭視場中出現了高溫物體,即存在誘餌彈。導引頭中用兩個相對的探測器分別監測兩個波段的能量電平,一旦誘餌彈進入導引頭視場,通過二者的能量變化及雙色比值即可探測到干擾,可以立即啟動抗干擾模式進行對抗。

2.2 “十”字叉導引頭抗干擾技術

“十”字叉導引頭抗干擾是比較成熟的導引頭抗干擾技術,“十”字叉探測系統在信號檢測、目標和干擾的檢測與識別,以及目標跟蹤等環節上都可以采取抗干擾措施,提高對干擾的抑制能力。2.2.1 干擾彈能量檢測

采用信號幅度上升時間檢測技術來檢測干擾彈是否進入導引頭視場。監視正在跟蹤目標的中波信號的能量電平,在某一時間范圍內接收能量急劇上升,表明在導引頭視場中出現了誘餌彈,這時即可啟動抗干擾措施對抗誘餌彈的干擾;但當接收到的能量下降到預先設定的閾值時,誘餌彈已經離開導引頭視場角,這時將退出抗干擾,進入正常跟蹤。

2.2.2 抗干擾過程中的跟蹤策略

抗干擾過程中,導引頭視場出現多個信號,在所有的信號脈沖中,有干擾,也有目標,應采用有效的跟蹤策略使干擾盡快脫離視場。跟蹤策略主要有三種:狀態記憶、導引頭前置、弱目標驅動。

(1)狀態記憶

目標出現暫時遮擋或復雜紅外脈沖干擾使導引頭視場紊亂時,會導致導引頭瞬時“致盲”。在規定的時間間隔內,通過采用狀態記憶方法輸出上一幀信息,以保證制導過程的連續性。若超過規定的時間間隔,才認定丟失目標,重新進行目標搜索。

(2)導引頭前置

也稱為彈道選擇抗干擾技術,是根據前幾幀的數據,對目標原來的運動特性進行分析,并對未來運動特性進行預測,使導引頭朝目標運動方向的前部運動。使誘餌彈離開導引頭視場的時間比狀態記憶時更快,從而使導彈不跟蹤目標的時間變短。

(3)弱目標驅動

誘餌彈比目標具有更強的紅外輻射,這時導引頭將抑制強信號的控制,而按弱信號產生的驅動信號運動。其結果是導引頭將離開誘餌彈并朝向視場中較冷的紅外目標。

在實驗室內對“十”字叉導引頭進行抗干擾試驗,實驗結果表明其抗干擾概率可以達到70以上,大大提高了導彈的生存和打擊能力。

3 復合制導技術

復合制導是采用兩種或兩種以上不同物理特性的探測器組成的制導系統。在制導時,若探測器串行使用,為復合制導;若并行使用,為多模制導或并聯復合制導。任何一種制導方式都有其優缺點,如能取長補短則能趨利避害。遠程精確制導武器都采用兩種以上的制導方式構成復合制導系統,這樣不僅能提高制導精度而且也能增強抗干擾能力。

4 結論

運用雙色抗干擾技術、“十”字叉導引頭抗干擾和復合制導技術,可顯著提高紅外成像制導武器的抗干擾能力。隨著紅外成像制導導彈技術的發展以及武器系統智能化程度的提高,對抗裝備應同時具有射頻和光頻偵察與干擾能力,并應實現自適應控制和智能化。

[1] 劉永昌,朱虹.紅外成像制導對抗技術分析[J].紅外技術,2000,22(1):13-16.

[2] 賈明勇,董德新,陳勇.多元雙色紅外導引頭抗干擾分析技術研究[J].航空兵器,2006,(3):19-22.

[3] 施德恒.紅外成像導引頭及其成像制導武器[J].現代軍用儀器及技術,2002,(8):34-38.