紅外型空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭特點(diǎn)及實(shí)現(xiàn)方式分析

■張紅波 魯 星 李妙玲

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)爭攻防對(duì)抗日益激烈，戰(zhàn)爭環(huán)境日趨復(fù)雜，要求紅外型空空導(dǎo)彈能在復(fù)雜的環(huán)境和強(qiáng)干擾條件下準(zhǔn)確地探測、識(shí)別、跟蹤目標(biāo)。為此，目前，空空導(dǎo)彈將采用紅外導(dǎo)引頭技術(shù)，它主要有許多獨(dú)特的技術(shù)要求及特點(diǎn)。

1.紅外型空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)要求及特點(diǎn)分析

1.1 具備更高的空間分辨力與探測性能

紅外導(dǎo)引頭技術(shù)從單元、多元發(fā)展到成像，導(dǎo)彈的空間分辨率和抗干擾能力不斷提高。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)擺脫了把跟蹤目標(biāo)作為一個(gè)點(diǎn)熱源因而只能跟蹤目標(biāo)最熱部分的局限性，通過成像探測器捕獲目標(biāo)的紅外圖像，其溫度分辨率小于0.1℃，可為控制系統(tǒng)提供更多的目標(biāo)形狀、能量信息，使得導(dǎo)彈的命中精度高、抗干擾性強(qiáng)。成像制導(dǎo)使其制導(dǎo)系統(tǒng)具有一定“智能”和軟件可編程靈活性，可根據(jù)圖像特性，選擇目標(biāo)要害部位進(jìn)行攻擊，故可以在復(fù)雜背景或強(qiáng)干擾情況下仍能準(zhǔn)確地?fù)糁心繕?biāo)，從根本上改善制導(dǎo)武器的性能。

目前作為主流的紅外成像導(dǎo)引頭采用了線列掃描成像(IRIS-T)或凝視成像技術(shù)(AIM-9X，ASRAAM)。線列掃描成像具有更好的抗激光干擾的能力，且探測器像元的均勻性較好。而凝視紅外成像制導(dǎo)技術(shù)由于采用大規(guī)模探測單元和凝視工作方式，能夠連續(xù)累積目標(biāo)輻射能量，因此具有高分辨率、高靈敏度、高信息更新率的優(yōu)點(diǎn)，適用于對(duì)高速機(jī)動(dòng)小目標(biāo)、復(fù)雜地物背景中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)或隱蔽目標(biāo)的成像。此外，凝視成像省去了機(jī)電掃描部件，體積小、重量輕、可靠性高，非常適用于對(duì)空間、重量要求高的空空導(dǎo)彈。

由于第五代空空導(dǎo)彈本身對(duì)紅外導(dǎo)引頭的探測靈敏度、雜波抑制能力、目標(biāo)識(shí)別能力、瞄準(zhǔn)點(diǎn)識(shí)別選擇能力均有很高的要求，這些要求都希望導(dǎo)引頭有小的單元瞬時(shí)視場(空間分辨率)。

對(duì)于導(dǎo)彈系統(tǒng)而言，大的視場和小的單元瞬時(shí)視場往往是相互抵觸的。大的視場對(duì)于提高目標(biāo)探測概率、降低對(duì)中制導(dǎo)精度要求等導(dǎo)彈戰(zhàn)術(shù)性能有利。但是，成像導(dǎo)引頭相對(duì)于非成像導(dǎo)引頭在目標(biāo)識(shí)別和抗干擾能力上的優(yōu)勢(shì)主要在于能夠利用目標(biāo)、干擾在形狀信息上的差異。目前，空空導(dǎo)彈的空間分辨率多在0.4mrad左右，對(duì)于不開加力的單發(fā)戰(zhàn)斗機(jī)類目標(biāo)，導(dǎo)彈從后向觀測，能被導(dǎo)引頭敏感的發(fā)動(dòng)機(jī)艙及尾噴口部分的尺寸在2m×2m，因此其距導(dǎo)彈5km外在紅外成像導(dǎo)引頭上的成像大小已小于1個(gè)像素，導(dǎo)引頭已無法利用形狀信息對(duì)其進(jìn)行識(shí)別，成像的好處沒有得到充分發(fā)揮。因此，第五代空空導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭可采用320×256元探測器來替代四代彈的128×128元探測器，將空間分辨率提高到0.2mrad左右。

1.2 具備更好的光譜分辨力

近年來，隨著面源型紅外誘餌彈等光電對(duì)抗技術(shù)的飛速發(fā)展，單一波段的紅外成像制導(dǎo)武器的作戰(zhàn)效能日益削弱，因此雙色成像制導(dǎo)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。盡管在某些譜段打擊的目標(biāo)與其所處的背景或者其釋放的干擾差別很小，但是他們之間的相似性不可能在較寬的紅外波段內(nèi)都穩(wěn)定存在。因此雙色成像制導(dǎo)技術(shù)在繼承紅外成像技術(shù)繼承來的固有優(yōu)勢(shì)外，在能量信息、空間信息基礎(chǔ)上引入第三維光譜信息進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別，大大提高探測識(shí)別性能，克服單一探測頻段的局限。

目前得到重點(diǎn)研究的是多光譜成像制導(dǎo)技術(shù)。由于該技術(shù)可以同時(shí)在多個(gè)窄的光譜波段上對(duì)同一對(duì)象(背景與目標(biāo))進(jìn)行觀測并獲得相應(yīng)波段的相應(yīng)圖像，它反映了觀測對(duì)象在各個(gè)窄光譜波段上的相應(yīng)特性，包含了觀測對(duì)象的更多信息。在進(jìn)行抗干擾時(shí)，可利用的光譜信息更多，而光譜特征是不同化學(xué)成分的物質(zhì)所具有的固有特性，利用該特性，可大大提高導(dǎo)彈的抗干擾能力。可以說紅外成像探測正處于從通過探測信號(hào)的強(qiáng)度來得到目標(biāo)的“黑白照片”階段的后期，向通過探測信號(hào)的強(qiáng)度和光譜來得到目標(biāo)的“彩色照片”的階段過渡。

多光譜導(dǎo)引頭還具有更高的可靠性。若目標(biāo)采用隱身技術(shù)或使用激光定向干擾使得目標(biāo)在某些波段的圖像丟失時(shí)，導(dǎo)引頭還可以利用其它波段的圖像繼續(xù)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行識(shí)別，從而提高導(dǎo)彈的戰(zhàn)場適應(yīng)能力。

此外，多光譜導(dǎo)引頭還具備更好的抗氣動(dòng)加熱能力。對(duì)于中波紅外導(dǎo)引頭而言，接收到的激波氣體的輻射能量多集中在4.2μm左右，如果能夠?qū)χ胁ǘ芜M(jìn)行細(xì)分，則可以利用譜段信息屏蔽掉激波輻射能量形成的干擾，有利于對(duì)目標(biāo)的截獲和穩(wěn)定跟蹤。

目前國內(nèi)已開展了雙色紅外成像導(dǎo)引頭預(yù)先研究工作，第五代空空導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭可在現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)上做進(jìn)一步應(yīng)用研究工作。

1.3 采用多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)

可以考慮采用相控陣?yán)走_(dá)/紅外成像雙模導(dǎo)引頭和紅外成像/激光主動(dòng)成像復(fù)合導(dǎo)引頭。雷達(dá)與紅外成像復(fù)合導(dǎo)引頭的優(yōu)點(diǎn)是可以相互取長補(bǔ)短，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和適應(yīng)能力，障礙則是其技術(shù)復(fù)雜性和由此而引起的成本大幅上升。由于激光三維主動(dòng)成像導(dǎo)引頭具有高角度分辨率、高距離分辨率特性，可以同時(shí)獲取反映固有特征的強(qiáng)度像和反映目標(biāo)幾何形狀的三維幾何像，同時(shí)可用距離選通實(shí)現(xiàn)目標(biāo)篩選，因此特別適合于復(fù)雜環(huán)境下的目標(biāo)識(shí)別和抗人工干擾。而紅外成像與激光主動(dòng)成像模式進(jìn)行復(fù)合，可以先利用紅外成像系統(tǒng)作用距離遠(yuǎn)、視場范圍大的優(yōu)勢(shì)來探測并截獲目標(biāo)，再利用激光主動(dòng)成像系統(tǒng)來對(duì)目標(biāo)進(jìn)行精確識(shí)別，從而極大地提升導(dǎo)彈的環(huán)境和任務(wù)適應(yīng)性及抗干擾能力。

1.4 具備智能化信息處理能力

智能化信息處理技術(shù)是各種精確制導(dǎo)對(duì)目標(biāo)及干擾背景信息進(jìn)行處理的技術(shù)，它是精確制導(dǎo)關(guān)鍵技術(shù)之一，甚至可以說是瓶頸技術(shù)。國外十分重視智能化信息處理技術(shù)(軟、硬件)，重點(diǎn)是自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別(ATR)技術(shù)研究，ATR技術(shù)60年代初期就已經(jīng)提出來了。由于紅外成像系統(tǒng)具備靈敏度高、特征信息豐富、作用距離遠(yuǎn)、信息更新率快等優(yōu)點(diǎn)，因此它一直是ATR研究的首選傳感器。紅外成像ATR系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)歷兩代：第一代紅外成像ATR系統(tǒng)軟件是不可編程的，是模式識(shí)別算法，只有有限的知識(shí)，沒有向動(dòng)態(tài)環(huán)境學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力；第二代紅外成像ATR系統(tǒng)軟件是可編程的，是知識(shí)基算法，它融入人工智能，有自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力。目前紅外成像ATR技術(shù)在對(duì)地面目標(biāo)的自動(dòng)識(shí)別方面還不成熟，使得紅外成像制導(dǎo)不得不保留人工捕獲的方式。新一代的空空導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭探測系統(tǒng)能夠?yàn)樾畔⑻幚硐到y(tǒng)提供更為豐富的目標(biāo)及其背景的信息，而這些信息的利用率則取決于信息處理技術(shù)，信息利用率越高，得出的處理結(jié)果就可能越真實(shí)，自動(dòng)識(shí)別概率越高。未來的信息處理技術(shù)主要包括多源信息融合技術(shù)、智能抗干擾技術(shù)、低信噪比目標(biāo)自動(dòng)截獲與自動(dòng)識(shí)別技術(shù)以及超高速、模塊化、通用化信號(hào)處理機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，以充分利用傳感器獲取的豐富目標(biāo)信息(形狀、能量、軌跡、光譜)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別處理。

2.紅外型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)可能的實(shí)現(xiàn)方式

分析國內(nèi)外同類型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的實(shí)現(xiàn)技術(shù)，大體有以下幾種方式：

2.1 雙色紅外成像導(dǎo)引頭

紅外成像導(dǎo)引頭是一種有大量探測元，利用目標(biāo)與背景之間的溫度差經(jīng)過數(shù)據(jù)信息處理成像的導(dǎo)引頭。紅外成像導(dǎo)引頭具有以下特點(diǎn)：具有較高的靈敏度和較小的空間分辨率，可以在夜間或煙霧條件下以被動(dòng)方式全方位對(duì)冷目標(biāo)進(jìn)行探測；抗紅外干擾能力強(qiáng)，對(duì)紅外誘餌、假目標(biāo)具有較高的鑒別能力，并且可以抑制背景干擾；可以實(shí)現(xiàn)智能化制導(dǎo)，利用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自行判斷、決策和跟蹤，使導(dǎo)彈可以選擇目標(biāo)和選擇攻擊目標(biāo)的要害部位，在云層中短時(shí)中斷視場仍可跟蹤目標(biāo)。

根據(jù)成像方式不同，紅外成像導(dǎo)引頭可分為掃描成像和凝視陣列成像兩種。凝視陣列的優(yōu)點(diǎn)是采用能瞬間觀察景物的電掃，沒有復(fù)雜的機(jī)械掃描機(jī)構(gòu)及電子處理設(shè)備，對(duì)目標(biāo)的截獲和分辨能力強(qiáng)、信噪比高、虛警率低、重量體積小，但是凝視陣列系統(tǒng)具有陣列中探測器響應(yīng)不均勻性的缺點(diǎn)。而線列掃描成像則具有難度小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。兩種導(dǎo)引頭都可以采用擺動(dòng)的萬向支架，以提高導(dǎo)彈離軸發(fā)射和跟蹤能力。

凝視陣列應(yīng)用的探測器有碲鎘汞、銻化銦、硅化鉑等，采用波段有中紅外(3-5μm)以及遠(yuǎn)紅外(8-12μm)。遠(yuǎn)紅外波段可以提供最佳熱圖像，對(duì)目標(biāo)與背景的溫差靈敏度較高，對(duì)應(yīng)的峰值溫度為30-150℃，導(dǎo)彈可以從任意方向感受飛機(jī)的紅外輻射，但是抗水氣能力差；中紅外波段對(duì)熱點(diǎn)跟蹤性及抗水氣能力強(qiáng)，但易受陽光反射干擾。

由于未來作戰(zhàn)環(huán)境日趨復(fù)雜，對(duì)抗加劇，而單一模式的導(dǎo)引頭都有各自的性能局限性，多模制導(dǎo)可以發(fā)揮各自制導(dǎo)體制的優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)對(duì)方的不足，極大地提高作戰(zhàn)效能和武器的命中率。

2.2 被動(dòng)射頻雷達(dá)/紅外雙模導(dǎo)引頭

被動(dòng)射頻雷達(dá)/紅外雙模制導(dǎo)可實(shí)現(xiàn)全程被動(dòng)制導(dǎo)，即將微波相干型導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭組合在一起，使導(dǎo)彈具有很強(qiáng)的抗干擾能力和突防能力。特別適合攻擊敵方的預(yù)警機(jī)和干擾機(jī)。這種雙模導(dǎo)引頭的主要技術(shù)特點(diǎn)有：

微波相干型導(dǎo)引頭與紅外導(dǎo)引頭在結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)達(dá)到結(jié)構(gòu)兼容的目的；在復(fù)雜的光、電綜合作戰(zhàn)環(huán)境中具有較好的抗干擾作戰(zhàn)能力；既擴(kuò)大了單模紅外導(dǎo)引頭的探測、跟蹤距離，又發(fā)揮了紅外成像導(dǎo)引頭精確制導(dǎo)的特點(diǎn)；具有較好的低空性能；雙模復(fù)合導(dǎo)引頭中的微波相干型導(dǎo)引頭也容易實(shí)現(xiàn)寬波段的接收。

2.3 主動(dòng)毫米波/紅外雙模導(dǎo)引頭

只要在天氣良好的條件下，采用焦平面陣列的紅外成像導(dǎo)引頭無論晝夜均可在15公里外提供高分辨率的影像，從而探測與識(shí)別目標(biāo)，但紅外導(dǎo)引頭不能給出目標(biāo)的距離和速度數(shù)據(jù)，天氣和煙霧會(huì)顯著降低其性能。主動(dòng)式毫米波雷達(dá)也能提供高分辨率影像，用偏振來減小雨的影響，毫米波可全天候使用，又能提供目標(biāo)的距離和速度信息。將主動(dòng)毫米波雷達(dá)與被動(dòng)紅外探測器結(jié)合在一起，就能發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)。紅外探測器探測目標(biāo)熱點(diǎn)和提供最佳攻擊點(diǎn)，主動(dòng)毫米波探測器提供與目標(biāo)的距離信息和確定目標(biāo)散射中心，將復(fù)合的紅外毫米波探測結(jié)果(熱點(diǎn)和散射中心)組合處理，可顯著提高有效攻擊目標(biāo)的概率，并具有很好的抗干擾性和反目標(biāo)隱身能力。

3.結(jié)束語

紅外型空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)將是未來戰(zhàn)場空戰(zhàn)使用的有效技術(shù)之一，它將在第五代戰(zhàn)機(jī)得以大量應(yīng)用。由于其獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)，使其在導(dǎo)彈的應(yīng)用上有多種方式，為此，根據(jù)作戰(zhàn)目標(biāo)的要求，分析其采用的方式將是裝備論證機(jī)關(guān)和科研單位的一項(xiàng)重要工作。