紅外型空空導彈技術發展展望

張同賀

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紅外型空空導彈技術發展展望

張同賀

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

就紅外型空空導彈與紅外導引制導相關的技術發展情況進行了分析，梳理了未來紅外型空空導彈對紅外技術的新需求，對中遠距攔截攻擊、強復雜干擾、武器自主化、反隱身、多任務、導引制導引戰深度融合等重點需求做了說明，闡述了滿足這些需求將要發展的射后截獲、氣動熱抑制、目標匹配與特征融合、高靈敏度探測、基于標準解的實時信息修正控制技術等20項新技術，簡單綜述了實現這些技術的途徑。

武器自主化；反隱身；多任務；射后截獲；氣動熱抑制

1 空空導彈的信息流發展

經過幾十年不懈努力，空空導彈已經發展四代。紅外型空空導彈的劃代一般是以導引頭[1]的技術特征為主要標志的，第一代主要特征是單元非制冷調幅尾后探測，尾后攻擊，比例導引；第二代主要特征是單元制冷調幅探測，后半球攻擊，比例導引；第三代采用單元或多元，制冷探測，具有一定的抗干擾能力，全向攻擊，比例導引加末端修正；第四代主要特征是采用制冷焦平面成像探測器，具有較強的抗干擾能力，全向攻擊，比例導引＋推矢控制＋瞄準點選擇。

今天世界已經進入較為成熟的信息時代，有必要從系統角度對空空導彈的發展作一個全新的說明。主要根據信息流的變化特征對空空導彈系統進行劃代。

第一代空空導彈從信息流特征看（如圖1），武器系統具有基于地面雷達的有限戰區感知能力，只有地面指揮系統與平臺之間有簡單的信息交流，具體作戰僅能靠飛行員目視發現目標進行視距內作戰，導彈只能定軸瞄準定軸發射，由于只能尾后攻擊，對飛行員站位要求高，沒有信息對抗能力。

第二代空空導彈從信息流特征看（如圖2），武器系統具有基于地面雷達的戰區感知能力，有地面指揮系統與平臺之間的信息交流，平臺增加了搜索雷達，由于搜索雷達精度不夠，僅能引導飛行員去搜索雷達指示的大致方位去尋找目標，具體作戰仍靠飛行員目視發現目標進行視距內作戰，導彈的主戰模式還是定軸瞄準定軸發射，有一些具備了定軸瞄準離軸發射能力，雖然擴大到后半球攻擊，對飛行員站位要求仍然較高，沒有信息對抗能力。

第三代空空導彈從信息流特征看（如圖3），武器系統最重要的信息特征是預警機的投入使用，使得空戰機群具備了空中戰區統一指揮與信息共享的能力，同時基于地面雷達的戰區感知能力增強，地面指揮系統、空中指揮系統與平臺之間的信息交流能力大幅度提升，平臺增加了火控雷達，火控雷達精度足以引導導彈指向目標，導彈具備了雷達隨動功能，實現了自動捕獲功能并且擴大了捕獲目標的視場范圍，導彈具備了離軸掃描離軸發射的能力，攻擊范圍擴大到全向，減少了對飛行員站位要求，導彈具備了初步的信息對抗（抗干擾）能力。

第四代空空導彈從信息流特征看（如圖4），武器系統導航信息與衛星信息加入信息流，與預警機信息、地面雷達信息、平臺雷達信息等構成了體系化、網絡化的信息支援與信息保障能力，空戰機群空中戰區統一指揮與信息共享的能力得到加強，地面指揮系統、空中指揮系統與平臺之間的信息交流能力進一步完善。信息體系對目標的指示精度不僅能滿足導彈的隨動捕獲功能，更重要的是信息體系具備了敵我目標與真假目標的識別能力，使得極其重要的射后截獲功能得以實現；不僅實現了全向攻擊，而且使得紅外型空空導彈實現中距攔射成為可能，飛行員得到了一定程度的解放，飛行員的安全性得到明顯改善，具備了“自由空戰”的雛形。導彈命中精度和命中概率提高，抗干擾概率大幅提升，空戰全面邁入信息化體系對抗時代。

第五代代空空導彈從信息流特征看（如圖5），武器系統將所有信息節點所獲得的信息進行深度融合，形成可重構、可恢復的強大的智能網絡體系，任何單一信息節點被摧毀都不影響作戰單元與導彈系統的任務實施。在強大信息網絡支持下，可實現空戰的無人化、自動化、自主化，飛行員得到徹底解放，空戰就像一場大型游戲，其場景與虛擬現實有相似之處。空戰將真正走向信息、智能、智慧的直接較量，勝負雖然要通過物質的接觸來實現，但物質的地位將明顯弱化。

圖1 第一代空空導彈“信息流”關系

圖2 第二代空空導彈“信息流”關系

圖3 第三代空空導彈“信息流”關系

圖4 第四代空空導彈“信息流”關系

圖5 第五代空空導彈“信息流”關系

2 紅外空空導彈新需求

2.1 中遠距攔截

“先敵發現，先敵發射，先敵脫離，先敵命中”是空空導彈戰的“四先”準則，“四先”準則決定了交戰雙方盡可能回避進入近距格斗狀態。打得遠，看得遠是實現“四先”的前提條件，打不遠不可能做到先敵發射，看不遠不可能做到先敵脫離，因此，紅外型格斗導彈有向中遠距攔截發展的趨勢，這種趨勢因雷達型導彈的電磁對抗能力弱而變得非常迫切。要完成中遠距攔截的作戰使命，氣動熱環境勢必惡化，而且會面臨截獲假目標的風險，所以，必將需要射后截獲、氣動熱抑制、結構匹配與特征識別等技術的支持。

2.2 強光電對抗

沒有強光電對抗能力的空空導彈，將失去其作戰效能，至少其作戰效能將大幅度下降，不可能達到“先敵命中”的目的。光電對抗種類不斷豐富，途徑不斷增多，模式不斷更新，勢態日趨復雜，難度越來越大，同時光電對抗能力不僅僅表現在抗人工干擾上，也體現在抗自然環境干擾上，自然干擾的非平穩隨機性決定了沒有一勞永逸的解決手段。優良的光電對抗能力需要抗新型多模式干擾、體系對抗、自然環境定義等技術的支持。

2.3 反隱身

隱身技術的出現，使得不具備反隱身能力的一方成為“盲人”，處于被動挨打的地位。反隱身飛行器，是空空導彈的重要作戰使命，而隱身飛機對雷達的隱身性能遠勝于紅外，因此相對而言，紅外具有反隱身的優勢。要將這一優勢轉化成切實的能力，必須有高靈敏度探測、低信噪比目標探測與截獲、基于場景的體探測等技術支持。

2.4 多任務

空空導彈發展到四代以后，作戰使命除了常規的奪取制空權的空戰外，逐漸向反巡航導彈、反反艦導彈、反臨近空間飛行器方向拓展，有的空空導彈甚至專門開發了對地移動目標攻擊模式。多任務的需求必須按照一個平臺多項任務的模式來實現，決不能僅僅采用空空導彈模式來兼顧，為此需要多任務規劃與架構設計、多任務目標定義、多模式算法設計等技術支持。

2.5 武器自主化

武器系統發展到今天，信息越來越占有主導地位，而信息的多渠道獲取構成了龐大的體系。然而，在信息鏈條之中總有一些關鍵的節點，比如衛星、預警機、地面基站等，這些關鍵信息節點必將使是首要攻擊對象，試想當信息體系被局部攻破時，尤其是平臺信息不存在時，武器系統還有還手能力嗎？發展武器自主化能力就是確保不失去還手之力的途徑。另外，武器自主化也是無人作戰時代的必由之路。要實現空空導彈自主化攻擊，必須有真假與敵我目標識別、智能分析與決策、戰場系統信息融合等技術的支持。

2.6 導引制導引戰一體化

空空導彈是主要戰術導彈中身段比較“纖細”的，為了實現“四先”，任何多余的“脂肪”必須剔除，為此，導引小回路與制導大回路的概念越來越弱，導引回路消失，變為制導回路的一個部件，導引與制導實現一體化設計。另外隨著高速目標和弱小目標的發展，傳統側視引信難以探測目標，制導引信的一體化是引信技術的發展趨勢。要實現導引制導引戰一體化設計，并能增強毀傷效能，需要彈內超實時仿真、基于標準解的實時信息修正控制、引戰交匯條件探測識別等技術支持。

3 紅外空空導彈新技術

3.1 可切換交直流耦合焦平面探測器技術

焦平面陣列探測器，是先進紅外導引頭的基礎，其高空間分辨能力是其他體制不可比擬的。然而，相對于多元體制的光電轉換交流耦合，目前制冷焦平面陣列探測器都是直流耦合。交流耦合在處理氣動加熱急劇升溫時有較大的優勢，可以自動地減掉直流分量，雖然交流噪聲也會隨之有所增加，但動態范圍不會受到太大影響，而在此情況下，直流耦合將直接吃掉動態范圍，為了適當地保有系統動態范圍，只能減小積分時間，降低系統靈敏度。嚴重時，系統將飽和。為此，需要開發可切換交直流耦合焦平面陣列探測器。

3.2 高幀頻多波段焦平面探測器技術

空空導彈是空中攻擊高速高機動目標的導彈，需要比較高的幀頻，一般不小于100。同時，沒有強對抗能力的導彈，在未來的空戰中將基本失去作戰效能，雖然采用焦平面陣列探測器后，抗傳統紅外誘餌的能力大幅度提升，但面元、多點元、定向能等各種新型干擾層出不窮，使得單波段成像系統抗干擾能力下降[2]，急需研發多波段紅外成像導引系統。如果采用單波段探測器通過光學系統實現多波段，系統將付出靈敏度下降、時間漂移大等代價。急需開發高幀頻多波段焦平面陣列探測器。

3.3 高集成焦平面探測器技術

目前，焦平面探測器的讀出電路功能還比較單一，現在大規模集成電路技術發達而成熟，可以考慮將探測系統預處理電路的功能集成到探測器內完成，使得探測器直接輸出經過非均勻性校正過的數字圖像，這樣可提高系統信噪比，提高環境適應能力和電磁兼容性適應能力，同時減小探測系統的體積、質量，降低功耗，增強系統的可靠性。探測器與探測系統預處理電路設計的緊密結合，有利于探測器技術與紅外探測系統技術的深度融合與共同進步。

3.4 高靈敏探測技術

中遠距攔截與反隱身兩項能力需求，高度依賴射后截獲與高靈敏探測技術的進步，當然氣動熱抑制技術與低信噪比截獲技術也不可或缺。由于目標迎頭方向的紅外輻射主要是蒙皮輻射，峰值波長在長波段，采用長波紅外系統可以有效提高目標的迎頭作用距離，然而，整流罩材料是空空導彈上應用長波系統的主要技術瓶頸，未來這一技術瓶頸可通過采用代價更高的金剛石整流罩技術得到解決。另外，當點源目標落入面陣探測器相鄰像元之間的空檔時，紅外探測系統對目標輻射的響應大幅降低，從而嚴重影響了空空導彈對目標的遠距離探測能力。采用微透鏡陣列作為聚能元件與探測器耦合，將落在光敏元空隙間的光能盡可能匯聚到光敏元上，可以有效提高光能利用率。

3.5 多維度特征圖像處理技術

圖像信息特征的定義方法很多，有人關心拓撲結構，有人關心輪廓，有人關心灰度分布，有人關心各種統計數據，有人關心骨架特征，有人關心局部對比等等不一而足。空空導彈將會使用數十種特征，而這些特征在一種圖像處理算法下不可能都獲得最佳提取，因此，需要與不同維度的特征相適配的圖像處理算法同時工作，為此，系統將付出實時處理能力下降和計算資源增加的代價。計算光學技術的快速發展，使得提取局部特征的能力大大增強，多維度圖像處理所能獲取的效益更加明顯。

3.6 低信噪比探測截獲技術

氣動熱環境、攻擊掠海掠地飛行目標、云況復雜情況下，系統信噪比都會明顯下降，降低系統截獲信噪比門限，系統的虛警概率就會增加，而不降低截獲門限，系統的截獲距離會顯著下降。當截獲距離下降到一定程度后，系統將發生功能性失效，若保證系統“能用”，就必須考慮降低截獲門限。而當虛警概率高到一定程度，系統就會不“好用”。與單元和多元探測系統相比，成像系統由于具備結構體識別的優勢，低信噪比探測截獲有潛力可挖。而且低信噪比截獲所獲得的貢獻非常直接，基本都與理論貢獻相符，不需要工程修正系數。

3.7 基于場景的體探測技術

以往空空導彈重點考慮了空戰需求，飛機的尺寸在距離較遠時都呈現點特征，所以截獲識別即使是在成像體制下也主要以點截獲為主。然而，隨著反隱身、反反艦導彈、反巡航導彈等使命的實戰化落實，點截獲在許多情況下都不再適用，采用基于場景的體探測技術，結合先驗模板進行匹配。這一技術對于攻擊面上目標的導彈可能是輕車熟路，而對于空空導彈還是一項新課題。

3.8 目標匹配與特征識別融合技術

空空導彈的主要作戰任務是攻擊空中目標，奪取制空權，作戰樣式的主要特征是快速運動平臺攻擊快速運動目標，而且對于超視距攻擊而言，目標尺寸小且不可預知，所以，以往紅外空空導彈都采用射前截獲方式。在射前截獲方式下，目標特征信息已經實時獲取，接下來就在基于當前特征下開展識別與跟蹤工作，目標匹配算法僅在抗干擾過程中部分采用。為了完成反隱身、反反艦導彈、反巡航導彈等使命，必須采用目標匹配與特征識別融合技術，并將這一技術與射后截獲配合使用[3-4]。

3.9 氣動熱抑制技術

氣動熱是長時間超音速飛行紅外導彈的大敵，氣動熱抑制成了超音速飛行紅外導彈的首要任務。抑制氣動熱可從以下幾個方面入手，一是頭罩保護技術，讓紅外頭罩只在需要時“睜開眼睛”，減少氣動熱源；二是頭罩整體制冷技術，使得氣動熱產生的熱能迅速消散；三是增加前置激波錐或采用保形光學技術，減少氣動熱的吸收；四是可通過抑制激波的光譜濾波、選用在高溫狀態下具有更低紅外輻射系數的整流罩材料等措施降低紅外輻射對系統的影響；五是改進紅外整流罩及對接結構體的傳導與熱容設計，降低氣動熱產生的溫升。

3.10 多模探測制導技術

為了滿足強光學與電子對抗、適應復雜作戰環境的需求，多模探測與制導技術必將加速發展。雷達、紅外、可見光、激光等探測模式的組合，可以使各種探測模式的優勢得以發揮，彌補各自的不足。現在，許多民用小型化探測技術發展很快，隨著各模式探測體積的減小，有限空間內集成多種探測模式已經有實用化的意義。平臺雙向數據鏈的支持以及導彈飛行控制精度的不斷提升，會適當降低對截獲靈敏度的苛刻要求，也會彌補各模式共存帶來的相互影響的缺點。另外，多模式探測對于評估交匯條件給出恰當的引戰配合時機并最終提高殺傷效能也有重要作用。

3.11 射后截獲技術

中遠距攔截雷達彈普遍采用中制導加末制導的復合制導方式，都是射后截獲，而紅外型空空導彈以往都是射前截獲。射后截獲具有巨大優勢，是解放飛行員、讓飛行員能夠進行“自由空戰”的主要技術手段。紅外彈的射后截獲與雷達但相比距離較近，是中制導交接班的有利因素，但因為距離近，戰場態勢比較膠著，敵我雙方機動大，這是紅外彈射后截獲的劣勢。所以紅外彈的射后截獲技術必須與真假目標識別、敵我目標識別、體系對抗等技術結合在一起，只有交接班概念的射后截獲不是完備的射后截獲技術。

3.12 真假與敵我目標識別技術

海灣戰爭以來，美國主導下進行的幾次中西亞國家戰爭中，都出現過美國空軍誤炸盟軍的情況，說明即使信息系統強大如美國，也不能完全解決敵我識別問題。以往的空戰，敵我識別問題都是有平臺來完成，導彈不承擔此任務，同時，紅外格斗彈都采用射前截獲，截獲時真假目標問題也是由作戰系統或者飛行員來判斷的。隨著中遠距攔截的需求，未來導彈的主戰模式向射后截獲轉變，要求導彈必須具備真假目標識別能力，確保截獲對象就是攻擊對象，而不是人工誘餌、自然物體等假目標。隨著無人作戰系統及武器自主化的實現，武器與攻擊對象間的敵我識別技術是需要大力開發的。

3.13 抗新型多模式干擾技術

抗干擾技術是導彈沒有止境的追求，抗干擾能力決定了未來導彈的作戰效能。誘餌類干擾從追求干擾能量壓制向追求與目標同能量方向發展，從單一誘餌向分列式誘餌發展，從點元誘餌向面元誘餌發展，從能量干擾向遮蔽、阻斷式干擾發展，從定向致眩向定向致瞎發展。有人甚至提出隨著激光武器的實戰化傳統空空導彈還能存在多久的質疑。種種干擾樣式，都提出了挑戰，必須通過多光譜探測技術、變增益光學技術、導彈隱身技術、激光反射技術等硬件，尤其是多信息融合、復雜場景定義、邏輯分析與綜合等軟件算法技術，提升紅外空空導彈抗新型多模式干擾能力。

3.14 體系對抗技術

光電對抗不僅僅是導引頭的事，同時也是制導系統、平臺系統的事。當導彈處于抗干擾狀態時，制導系統可以根據導引頭信息、平臺裝訂的初始發射條件重新規劃全新彈道，在導彈動力射程、機動能力范圍內，盡可能為導引頭提供新的有利于干擾與目標在像面上空間分離的觀察視角；平臺系統通過數據鏈，將導引頭識別信息與火控跟蹤雷達信息進行融合，為導引頭的抗干擾決策提供支持。同時，導彈之間可以協同工作，當自身不能決策時，可將自身探測識別信息傳遞給其他導彈，讓其他導彈完成攻擊；導彈也可根據預警機、衛星等信息網絡系統提供的目標信息完成決策與攻擊。

3.15 智能分析與決策技術

AlfaGo計算機戰勝李世石標志著人類在智能的路上取得了長足進步。導彈是最符合人類構成劃分的武器，眼睛、大腦、制導控制、動力能源、信息感知都十分相似，未來導彈的核心技術將越來越多地體現在軟件上。人有五官，信息感知能力是比較強的，大腦對信息的整體綜合能力是極其發達的。未來導彈也需要增強作戰態勢感知能力，同時必須開發將人類擅長的基于生物神經網絡的整體綜合分析能力模型化數學化的理論與技術，結合計算機的快速計算能力，實現導彈智能分析與決策能力的升級。

3.16 多任務目標定義技術

隨著空空導彈多任務需求越來越迫切，多任務定義作為一項獨立技術逐漸體現出價值。要完成多任務，從導引頭的探測識別與截獲、抗背景干擾和人工干擾到引戰配合、甚至戰斗部殺傷方式都將重新定義。合理的需求定義需要有十個屬性，但最少也要具備完備性、唯一性、無歧義、可執行、可驗證，以便達到閉環。需求的可定義是一切的基礎，多任務目標定義技術將回答每一個任務的技術邊界。

3.17 多任務規劃與架構設計技術

由于空空導彈的作戰使命有鮮明的特點，所以空空導彈一般不適合采用一個平臺兩種導彈的方式實現多任務，必須是一種技術狀態下同時具備兩種工作模式。為了資源的利用效率，也為了更好地完成裝訂的作戰使命，導彈軟件必須開展多任務規劃與架構設計。必須增強軟件頂層架構設計能力，在不同任務間切換時哪些軟件模塊共享，哪些算法獨立都有著很深的內在邏輯關系，不清晰明確的多任務架構，很可能使軟件開發事倍功半。

3.18 彈內超實時仿真技術

目前，自主飛行的導彈都可以獲得內彈道和外彈道兩套數據，這兩套數據都是實時獲得的。當導彈處于抗干擾狀態時，導引頭所獲得的信息在一定時間內可能因干擾的存在而失真，甚至徹底被干擾欺騙。如果制導回路能夠實現超實時仿真，飛行中的導彈就可以獲得第三套數據，即超實時仿真數據。這一套數據以發射條件為初始條件，不抗干擾時，每過一定時間根據獲得的內彈道數據和平臺數據鏈數據作為更新的初始條件。抗干擾時，將超實時仿真結果與實時信息作融合比較，當實時信息偏差太大時，可果斷丟棄目前攻擊對象，轉為跟蹤超實時仿真確認對象，達到提高抗干擾能力的目的。

3.19 基于標準解的實時信息修正控制技術

基于模型標準解的實時信息修正控制技術與以往導彈采取的基于實時信息的制導控制技術相比，導彈的制導方式就發生了革命性的變化，不再有小回路概念，是標準解決方案。這種變化至少能獲得以下好處：

1）減小了對于實時信息的依賴，實時信息的快速性要求有可能降低，導引頭有可能在占有更少資源的情況下獲得更好的性能；

2）制導系統對信息的突變性有最佳的耐受能力，對抗干擾過程中的彈道穩定性有利；

3）有利于提高抗干擾能力，從而提升作戰效能；

4）使冗余設計成為可能，那些非關鍵的參量，即使出現硬件故障，對系統的影響也會降到最低。

3.20 引戰交匯條件探測識別技術

引戰配合以往認為主要是引信與戰斗部的事，實際上是導彈系統的事。不僅要通過導引頭與制導飛控信息約束引信的工作時間窗，更重要的是，要通過導引頭獲得的圖像序列信息及飛控組件獲得的交匯角信息，準確地判斷引炸時間。紅外導引頭不能測距，是紅外被動探測理論決定的，然而在假定目標尺寸與形體結構已知情況下，獲得進入方向和粗精度的相對速度仍然是可能的。由于引戰交匯條件探測識別技術對導彈的殺傷效能影響巨大，所以有必要聯合導引頭、飛控、引信綜合出最佳引戰配合條件。

4 結束語

本文所列出的僅是未來紅外空空導彈與紅外探測、識別、制導、抗干擾、模式轉換等有關的部分技術，絕大多數技術都是軟件算法技術，這些技術的名稱與描述未必都符合行業內的術語規范，闡述也不一定正確。但無論怎樣，未來紅外空空導彈將向著中遠距攔截攻擊、強復雜干擾、武器自主化、反隱身、多任務、導引制導引戰深度融合等方向發展，并且在相當長的時間內，紅外型空空導彈仍然有旺盛的生命力。應當不斷地開發各種新技術尤其是軟件算法技術以滿足空空導彈不斷提升的能力需求。

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A Technical Review of Infrared Air-to-Air Missiles

ZHANG Tonghe

(,471009,)

Development of infrared air-to-air missile and infrared guidance related technologies are analyzed. The future needs of infrared air-to-air missile for IR technology are reviewed. Key demands, such as medium and long distance interception, strong complex interference, weapon autonomy, counter stealth, multi-task and deep fusion of guidance are interpreted. For the fulfillment of those demands, 20 new technologies, such as capture-after-launch, aerodynamic heat suppression, target matching and feature fusion, high sensitivity detection, real-time information correction control technology based on standard solution, and the way to realize these techniques, are reviewed.

weapon autonomy，counter stealth，multi-task，capture-after-launch，aerodynamic heat suppression

TJ765.3

A

1001-8891(2016)10-0813-07

2016-09-22；

2016-09-29.

張同賀（1963-），漢族，河南西平人，研究員，主要從事紅外導引制導技術研究。