自推進紅外誘餌發展現狀及干擾紅外導引頭機理分析

劉 杰，劉國生，周建波，陳 寧，馬賢杰，李增光

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

傳統紅外誘餌作為干擾紅外制導導彈最簡單有效的方式，可有效對抗早期紅外制導導彈。隨著制導技術的發展，傳統紅外誘餌在對抗先進紅外精確制導武器方面已顯得力不從心[1]。

紅外導引頭實現抗干擾是基于對比干擾與目標在各種信息上的不同，從而識別出目標，達到抗干擾的目的[2]。目標與干擾在信息上的不同主要表現在運動、光譜、空間位置、能量、形狀等特性[3-5]。隨著第三代（十字叉型導引頭、玫瑰花掃描導引頭）、第四代（成像導引頭）紅外制導導彈的裝備，導引頭的抗干擾能力大大增強。對于十字叉型導引頭，截獲目標后，通過縮減波門，濾除干擾和背景，緊緊套住目標，實現抗干擾；對于玫瑰花掃描和紅外成像型導引頭，采用準成像和成像方式獲取目標圖像，通過圖像預處理、圖像分割、特征提取和圖像識別提取目標圖像特征，采用相關跟蹤、運動軌跡預測跟蹤、航跡外推等跟蹤算法對目標運動軌跡進行預測，實現抗干擾。

傳統紅外誘餌與飛機平臺運動軌跡區別明顯，導引頭采用波門選通或軌跡識別方法可以很容易剔除干擾；自推進紅外誘餌由于自帶動力，拋射后伴隨載機飛行，可逼真模擬載機的運動特征，能有效干擾先進紅外制導導引頭。本文介紹了先進紅外制導導引頭工作原理和抗干擾措施，分析了自推進紅外誘餌干擾先進紅外導引頭的原理，為對抗先進紅外制導導引頭提供思考。

1 自推進紅外誘餌工作原理

自推進紅外誘餌通過特殊的噴喉以及彈體氣動外形設計，燃燒產物從尾噴口噴出，為誘餌提供動力，使誘餌拋射出筒后保持與載機相似的運動特征，模擬載機的運動軌跡；同時，噴射出的燃燒產物形成紅外輻射源，且輻射強度大于載機尾噴管和尾焰，輻射光譜與載機相近，逼真模擬載機的紅外輻射特征。因此，自推進紅外誘餌可以逼真模擬載機的運動軌跡特征和紅外輻射特征，從而能夠有效對抗具有軌跡識別能力的紅外制導導引頭。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 自推進紅外誘餌彈工作原理示意圖

2 國外自推進紅外誘餌發展現狀

國外裝備的典型自推進紅外誘餌主要有Esterline公司MJU-71/B、MJU-57/B、Kilgore公司MJU-47/B、MJU-39/40B、洛勒爾公司Loralei伴飛誘餌、切姆林公司K 7等，均已經裝備到F-16、F-18、F-22等多種機型上，到2012年動力式誘餌研制經費投入將近100億美元，裝備訂貨量將占誘餌市場份額的20%左右，研究新型誘餌技術對抗具有運動軌跡識別技術的紅外成像制導導彈已成為國外電子戰領域的研究熱點和發展趨勢之一。

MJU-71B是Esterline公司開發的一種自推進紅外誘餌[6]，采用改進的MTV藥劑作為煙火材料。這種煙火材料既產生誘使敵方導彈遠離飛機的紅外能量，同時也起推進劑的作用，能產生足夠的推力，使誘餌彈跟隨飛機飛行而不會迅速下落。MJU-71/B的尺寸為25 mm×25 mm×206 mm，可從美國空軍的標準投放系統上投放，外形如圖2所示。

圖2 MJU-71/B自推進式紅外誘餌

MJU-57/B，如圖3所示，其尺寸為φ36×150 mm，主要包括火箭發動機、點火組件、尾翼，火箭發動機包括固體推進劑、不銹鋼管、塑料噴嘴裝置等。

MJU-47/B紅外誘餌如圖4所示，它采用改進的MTV藥劑作為煙火材料。MJU-47/B的尺寸為52 mm×65 mm×200 mm，質量為123 9 g，可從美國空軍的標準投放系統如AN/ALE-45/47上投放，用于F-15、F-16等戰斗機上。

圖3 MJU-57/B自推進誘餌

圖4 MJU-47/B自推進紅外誘餌

MJU-39/40B由推進/紅外復合裝藥和SMD 2種載荷組成，尺寸為52 mm×65 mm×260 mm，該彈專為F-22飛機研制，由AN/ALE-52投放器投放。光譜和強度上能夠形成與飛機紅外特征相似的紅外輻射，并且在飛行速度和運動軌跡方面與載機相當，可以誘騙具有目標光譜鑒別和運動識別能力的紅外制導導彈。

洛勒爾公司研制Loralei空氣動力式誘餌主要用在下一代戰術飛機。它用火箭作動力，由標準的干擾投放器彈射，誘餌運動軌跡和紅外輻射特征與載機相似。切姆林公司研制的K7自推進型紅外誘餌如圖5所示，其性能參數為：彈體尺寸：51.82 mm×24.64 mm×206 mm；質量為540 g；發射后質量為460 g；紅外輸出＞2.0 kW/sr(4～5μm)；上升時間＜0.1 s；最小燃燒時間為1.5 s；發射速度為26～54 m/s。自帶推進載荷，可用于對抗具有抗軌跡識別能力的熱尋的和紅外成像制導導彈，匹配投放器包括AN/ALE40、45和47系列以及M 130/M 147等。

圖5 K7自推進誘餌的實物圖及戰術使用效果圖

3 先進導引頭工作原理及抗干擾措施分析

自第一代紅外制導導彈問世至今，紅外制導導彈已經發展到第四代，攻擊范圍從尾后攻擊發展到全向攻擊，工作波段從近紅外向遠紅外發展，制導體制從點源制導向成像制導轉變，制導精度進一步提高、抗干擾能力進一步增強。其中，具有運動軌跡識別能力的導引頭為采用十字交叉/玫瑰花掃描體制的第三代紅外制導導引頭，以及具有成像能力的第四代紅外制導導引頭。

3.1 十字叉型導引頭

3.1.1 工作原理

十字叉型導引頭系統由光學系統、探測器及信號處理電路3大部分組成[7]。工作方式為圓錐掃描式，在像平面上產生像點掃描圓。像平面上放置十字叉型探測器陣列，目標像點以圓的軌跡掃過十字叉型探測器列陣。圖6為反射式光點掃描光學系統示意圖。

圖6 反射式光點掃描光學系統示意圖

十字叉型導引頭信息處理電路原理方塊圖如圖7所示。方位和俯仰十字叉探測器臂產生的脈位調制信號分別輸入到各自的前置放大器進行放大，然后饋入各自的對數放大器，再將對數脈沖信號分別經過各自的開關電路后，進入采樣、保持緩沖電路，對來自基準信號發生器的正弦基準信號和余弦基準信號電壓進行采樣、保持，以產生瞬時的直流誤差電壓VAZ和VEL，此瞬時直流誤差電壓大小由脈沖信號相對于正弦基準和余弦基準瞬時值的位置來決定，也就是由目標偏離光軸的失調角大小來決定，直流電壓的極性由目標偏離光軸的方向來確定，因此，直流誤差電壓即可反映目標的方位信息。控制導引頭向減小直流誤差的方向運動，即可實現對目標的準確跟蹤。

圖7 十字叉型導引頭信息處理電路原理方框圖

3.1.2 抗干擾措施分析

從圖7可看出，十字叉型導引頭采用波門脈沖發生器控制開關電路，只有開關電路的門打開的時間內，目標脈沖進入波門，開關電路才輸出一脈沖信號，這個脈沖信號對相應的基準信號采用保持緩沖后，輸出一直流誤差電壓。此直流電壓又反饋到波門脈沖發生器中與相應的基準信號進行比較，產生新的波門脈沖去套住下一個周期探測器產生的電脈沖。在波門脈沖未加到開關電路的其他時間內，開關電路不讓其它脈沖或干擾信號通過，利用波門的選通作用，達到剔除背景和干擾的目的。波門脈沖出現的時間與目標脈位調制信號出現的時間完全同步，而目標脈位調制信號與目標的空間方位有關，從緩沖器輸出的直流誤差電壓反映目標的方位，當目標和干擾在空間差異明顯時，采用波門選通可以很容易將干擾剔除。

3.2 玫瑰線掃描導引頭

3.2.1 工作原理

玫瑰線掃描導引頭使用2個反向旋轉的偏斜光學元件，偏斜光學元件可以是光楔、傾斜鏡或者偏心透鏡。把紅外光學系統中常用的卡賽格倫系統的主反射鏡和次反射鏡各對光軸偏斜同一角度γ，并各自以F1和F2的轉速繞光軸反方向旋轉，便實現玫瑰線掃描，如圖8所示。

圖8 玫瑰線掃描光學系統示意圖

玫瑰線掃描軌跡方程為：

式中，ρ為掃描花瓣長度，即視場半徑，與偏斜角度有關，也與目標距離有關。F1、F2為主、次鏡的轉速（旋轉頻率）。

當沿玫瑰線軌跡掃過視場中的目標時，位于系統焦點上的紅外探測器接受目標輻射產生的一個目標脈沖，對應的視場為玫瑰線掃描的瞬時視場；當玫瑰線軌跡掃完一個周期，其對應的視場為玫瑰線掃描的總視場（如圖8所示）。玫瑰線掃描獲得的目標信息是以目標脈沖的形式出現的，而每一個目標脈沖都隱含了一個目標時間ti，ti與目標的方位息息相關，只要把視場中一個目標的方位信息X（t）和Y（t）的信號電壓分別疊加到位標器的偏航和俯仰進動線圈上，使之轉向X（t）、Y（t）減小的方向，直至X（t）=Y（t）=0時，位標器光軸（視線）對準目標為止。一旦目標偏離光軸（視線），就有X（t）、Y（t）值出現，又“自動”地使之向視線方向轉移，實現自動跟蹤目標的目的。

3.2.2 抗干擾措施分析

由于玫瑰線掃描目標脈沖的非周期性和多脈沖特性，使得采用一般的相關跟蹤和波門選通技術難以解決多目標問題；用一般的模擬電路就更難實現了。一次完整的玫瑰線掃描，可得到目標不同部位處的熱輻射信號特征，經過信號處理，即可得到目標的熱圖像信息，因此，玫瑰線掃描本質上是一種亞成像工作體制。作為一種亞成像機制，玫瑰掃描系統采用瞬時視場掃描總視場，可以實現總視場的空間分解，得到目標的亞圖像。結合信號處理技術與計算機技術對圖像進行預處理與圖像識別，捕獲跟蹤目標區域，并采用預測跟蹤的方式，在預測區域內識別要跟蹤的目標，經過運動補償、估計，控制玫瑰線掃描，可以實現對目標區域的鎖定跟蹤，將大部分背景和干擾濾除。

3.3 紅外成像導引頭

3.3.1 工作原理

紅外成像制導系統的核心部件是紅外成像導引頭，一般由紅外攝像頭、圖像處理系統、圖像識別系統、跟蹤處理系統和攝像頭跟蹤系統等部分組成，其中圖像處理和圖像識別子系統是紅外成像制導系統的核心。典型的紅外成像制導系統如圖9所示。

圖9 紅外目標跟蹤系統

紅外成像導引頭通過探測目標與背景的溫差形成紅外圖像，現今紅外成像制導大都采用凝視成像體制。凝視成像采用一個凝視焦平面陣列，其材料為銻化銦或碲鎘汞，為兩維陣列制導探測象元。這些探測象元都集成在一塊硅片上，硅片的另一面是同等數量的紅外電荷耦合器件（CCD）。陣列上的每個探測元僅凝視景物的一小部分，所有象元組成陣列的總瞬時視場，陣列的總瞬時視場很大，抓住目標就不會再丟失。由于凝視焦平面陣列采用電掃描法掃描場景，對做大機動飛行的目標也能跟蹤。同時，焦平面陣列具有很高的靈敏度，可以探測背景的溫差為千分之幾度的目標。對來自陣列的熱數據采用適當的方法進行數字處理，結果可以得到目標信息和威脅程度的順序排列。

3.3.2 抗干擾措施分析

紅外成像系統對目標、背景、干擾成像后，經過圖像預處理、圖像分割、圖像特征提取、識別，提取該目標的各種特征（包括目標大小、長度、寬度、灰度分布、平均灰度、最大灰度、灰度變化率、運動方向、運動軌跡、運動速度和運動加速度等），采用特定的跟蹤算法對目標進行跟蹤，采用不同的跟蹤算法，就形成了不同的抗干擾措施。典型的抗干擾措施有特征相關匹配跟蹤和運動軌跡預測跟蹤。

1）特征相關匹配跟蹤

特征相關匹配跟蹤適用于小目標跟蹤和復雜背景或低信噪比條件下的目標跟蹤。對于小目標，當存在復雜干擾時，由于沒有質心跟蹤和模板匹配跟蹤所需的目標灰度分布信息，只有運動速度、運動方向和軌跡信息，只能采用特征相關匹配跟蹤。特征相關匹配跟蹤時，先根據前幀目標運動速度和方向，估計當前幀波門的大小和位置，然后根據前一幀歷史數據以及目標特征的連續性和規律性，預測當前幀特征參數，然后在波門內，用以上特征作為匹配參數，尋找匹配誤差最小的點作為目標在當前幀的位置。

2）運動軌跡預測跟蹤

預測跟蹤是根據目標的運動特性，預測目標最可能的運動軌跡，通過軌跡預測實現對目標的準確跟蹤，該方法特別適合于目標丟失、目標原有特征消失或目標由于干擾無法識別時使用。常用的預測器有線性預測器，線性預測器的工作原理如下：

設目標位置函數f(t)在N個順序時刻的測量值為f(ti)（i=1，2，…，N），且f(t)可以用Y=a0+ta1作為最佳線性逼近。

測量值與逼近值之間的誤差為：

對N點估計的均方誤差為：

最佳逼近即式（3）取最小值。經最小二乘法運算后，得：

式（4）就是f(t)在最小均方誤差意義下的N點最佳線性逼近的通解，通過記錄目標前面的運動軌跡數據，采用線性預測器可預測目標未來最可能出現的位置，導引頭跟蹤距預測位置最近的目標，而將其它干擾剔除，從而實現抗干擾。

4 自推進誘餌干擾先進導引頭機理分析

4.1 干擾十字叉導引頭

從十字叉導引頭工作原理可知，十字叉導引頭采用波門選通的方式實現抗干擾，傳統紅外干擾彈運動軌跡與載機差異很大，采用波門選通電路可以很容易剔除干擾；自推進紅外誘餌，拋射出去后會伴隨載機飛行一段時間，運動軌跡與載機相似，使誘餌與載機同處于波門視場內，從而無法剔除干擾，達到干擾導引頭的目的。作用原理示意圖如圖10-11所示。

圖10 波門選通電路剔除傳統誘餌原理示意圖

圖11 自推進誘餌干擾十字叉導引頭原理示意圖

4.2 干擾玫瑰花掃描和成像導引頭

玫瑰花掃描和成像導引頭分別屬于亞成像和成像制導體制。對于傳統紅外干擾彈，拋射出去后快速向載機后下方運動，運動軌跡與載機差異很大，采用特征相關匹配跟蹤和軌跡預測跟蹤算法很容易將干擾剔除；對于自推進紅外誘餌，采用特殊的氣動外形設計，且具有自推力，可在一定程度上克服重力和風阻，使誘餌可伴隨載機飛行一段時間，保證運動軌跡與載機相似，紅外輻射特征也與載機相似，因此，可有效干擾具有相關匹配跟蹤算法和運動軌跡預測跟蹤算法的導引頭。軌跡預測作用原理示意圖如圖12所示。

圖12 軌跡預測作用原理示意圖

5 結束語

隨著十字叉型、玫瑰花掃描、凝視成像等第三代、第四代先進紅外制導體制導彈的大量裝備，傳統紅外誘餌已不能滿足載機末端防護需求。自推進紅外誘餌可逼真模擬載機運動特征和紅外輻射特征，能有效干擾先進紅外制導導彈，為奪取制空權，提升未來戰場戰機的末端自衛防護能力，亟需加大自推進紅外誘餌的研制和裝備步伐。