空空導彈雙色紅外成像制導關鍵技術分析

李麗娟，白曉東，劉 珂

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

1 引言

現代戰爭的推演刺激著各種干擾與抗干擾技術在相互對抗中不斷進步，因此，各種戰術導彈所面臨的戰場環境日益復雜，對抗性也愈加激烈。紅外制導技術已從單元、多元發展到成像制導，而紅外對抗技術如紅外誘餌彈、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展和應用之中。以最常用的紅外誘餌彈為例，正在發展中的新技術包括: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;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在更多的特征上具有相似性。這使得采用單波段成像制導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引頭很有威脅的一種干擾手段。飛機在探測到來襲導彈的方向時通過機載激光定向干擾系統向來襲導彈發出高能量激光，使紅外成像導引頭致盲或致眩，從而破壞導彈對目標的穩定跟蹤造成脫靶。隨著激光定向干擾技術的發展及其在作戰飛機上的實際應用，目前的單波段紅外成像導引頭將難以發揮作用。

可見，在這種復雜的光電環境中，單一波段的紅外成像探測、制導武器由于獲得的信息有限，作戰效能將被日益削弱，在未來戰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技術的進一步發展。

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

2 國外空空導彈雙色紅外成像制導技術發展現狀

國外已有多個空空導彈采用了雙色紅外成像制導技術，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代近距格斗空空導彈。該彈使用推力矢量控制和雙波段紅外成像導引頭，離軸角可達±90°，具有抗人工干擾和背景抑制能力。導引頭能與頭盔瞄準具或機載雷達隨動，可自動掃描或直接瞄準。該導引頭具有發射后鎖定能力并能在大離軸角發射后暫時未能鎖定目標情況下的記憶跟蹤能力。發射后自動跟蹤目標以用于遠程前半球區域作戰，還能夠靠飛機雷達、頭盔瞄準器或者用定軸瞄準方式截獲目標。

法國的“米卡”紅外成像型空空導彈由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。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，具有較遠的作用距離和較好的抗干擾能力，離軸發射角達到±90°。該導彈還具有緊湊的尺寸、很高的飛行速度、高機動性、發射后不管和多目標打擊能力，已經在法國空軍和海軍裝備使用。

以色列的怪蛇5空空導彈采用了以色列研發的制冷型焦平面陣列，導引頭在兩個波段中工作，能夠攻擊正在投放曳光彈誘導導彈的目標［2］。其導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，增強了抗紅外干擾能力并可選擇瞄準點。當怪蛇5跟蹤一架戰斗機時，這一瞄準點位于目標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測目標的運動。導彈可使用發射前鎖定和發射后鎖定兩種模式。于2004年啟動生產線，以色列空軍已經采用系留導彈進行訓練和戰術使用。

從技術上看，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，而以色列“怪蛇”－5空空導彈采用雙波段凝視紅外探測器，技術上更為先進，性能更優。

3 空空導彈雙色紅外成像制導關鍵技術分析

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

3.1 雙色波段的選擇

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

(1)在所選的波段內大氣透過率較高;

(2)具有探測靈敏度高的雙色探測器;

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

(1)中短波組合

目標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。

缺點是由于目標在短波的輻射較弱，我們只能依靠中波探測目標，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的迎頭探測能力。且中長波的組合使導引頭在天氣的適應性上能夠相互補充，在高濕度地區中波更為有利，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探測，在光學材料選擇和系統設計上較為容易。

缺點是目標與干擾的差異相對較小。

可見，從長遠來看，若長波在空空導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缺點，在實際系統中都有應用，關鍵是要采用與之相適應的信息處理算法，提高系統目標探測與干擾鑒別的能力。

3.2 雙色探測器技術

雙色探測器是制約國內雙色紅外成像制導技術發展的一個瓶頸。由于空空導彈的彈徑較小，又要實現大的回轉角，因此需要采用集成的雙色探測器實現雙色成像。雙色成像系統可由線列或凝視雙色探測器構成，雙色探測器從技術實現上主要有兩種途徑:

(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。對于凝視雙色探測器，其空間分辨率比同等規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，或同一波段內細分的波譜組合［3］。在該技術領域目前有兩種主導技術。一種是以MCT探測器技術為基礎，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)技術為基礎發展起來，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的困難，更適合應用于雙色紅外成像導引頭中。

目前疊層雙色探測器在國外已經成熟，國內也在發展之中，從技術上已取得了較大的進步。

3.3 雙色成像預處理技術

在雙色探測器確定之后，通過探測器與系統的匹配性設計，降低系統噪聲水平，提高系統的溫度分辨率是系統設計中的一個關鍵。它主要包括低噪聲探測器預處理技術和非均勻性校正技術。

3.3.1低噪聲探測器預處理技術

在信號傳輸和處理的各個環節，采用以下技術降低噪聲:

(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，減小信號間的串擾。

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

3.3.2 非均勻性校正技術

探測器的非均勻性表現為固定的圖案噪聲，圖像的非均勻性會嚴重影響系統的探測靈敏度和目標截獲與跟蹤性能。因此，非均勻性校正技術是紅外成像導引頭使用中必須解決的關鍵問題之一。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，這對空空導彈的使用帶來了復雜性。另外，空空導彈使用時面臨飛行高度和環境

溫度的較大變化，在地面定標后的校正系數在高空動態飛行環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的靈敏度。因此，在兩點校正的基礎上，必須采用其他方法實時修正校正系數。一種是采用基于場景的校正算法，如時域高通濾波法、神經網絡算法、常統計量約束算法等，這些算法可以實時校正系統的偏移，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，而實戰跟蹤狀態下目標總是在中心附近的小區域內，可能引起目標信號的衰減。因此，在使用上述算法時需要從系統的角度考慮算法應用的時機，并與系統其他部件配合。另一種方法是在系統中增加硬件機構，在校正時能為系統提供一個或兩個均勻溫度的場景，從而實現實時的一點或兩點校正。該方法以硬件的復雜換取算法的簡化，且校正的精度高，適用范圍廣。在結構空間允許的情況下，這是一種較好的選擇。

3.4 共光路雙色光學系統技術

適用于彈載應用的共光路雙色光學系統的設計存在以下特點:

(1)小彈徑大跟蹤場情況下，光學系統結構嚴格受限。因此，在光學系統設計時，應根據系統結構特點，允許的光學系統空間尺寸、重量及技術性能要求、性價比等，進行詳細的分析，選擇合適的光學結構并進行優化設計。

(2)需要在較寬的光譜波段內校色差。由于紅外波段可用的光學材料有限，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系統校色差、熱差。因此，需要通過材料的優選和結構參數的優化設計，使光學系統的色差滿足總體指標要求［4］。

(3)要進行光學系統的無熱化設計，使系統在導彈工作的較寬的溫度范圍內都有良好的成像質量。由于彈載應用的空間限制及高可靠性要求等，通常采用光學被動式無熱化設計技術。如球面系統光學材料匹配、采用非球面、使用簡單的機械結構補償等［5］。

(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，以及在光學結構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的消光措施對于提高系統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

利用雙色圖像提高抗干擾能力是發揮雙色紅外成像導引頭優勢的關鍵。根據目標與誘餌干擾的雙波段圖像特點，通過檢測跟蹤目標在雙色比、平均灰度、面積、能量等特征的變化進行干擾的起燃判斷;綜合利用潛在目標的運動、光譜、形狀和能量等特征，通過特征融合和特征關聯，實現目標與干擾的識別。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、以及目標與干擾間的特征差異，通過特征聚類分析進行目標與干擾的鑒別。

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

當系統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，此時由于雙波段的采用仍可以利用另一波段的圖像繼續識別跟蹤目標。

4 結論

空空導彈雙色紅外成像制導技術是提高導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的關鍵技術和可能的技術途徑。為了進一步發展空空導彈紅外成像導引頭的技術水平，需要加大雙色抗干擾與雙色疊層探測器等相關技術的研究深度，促進相關技術成果在系統中的應用和轉化。

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