紅外導(dǎo)引頭工作原理及抗干擾措施分析

劉 杰，王 博，萬 純，李石川，劉國生

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

紅外制導(dǎo)空空與地空導(dǎo)彈對戰(zhàn)術(shù)飛機構(gòu)成致命威脅，近期局部戰(zhàn)爭的統(tǒng)計數(shù)字表明，戰(zhàn)爭中損失的飛機有90%以上是被紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈擊落的。按紅外制導(dǎo)技術(shù)特征，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈可分為4 個發(fā)展階段，以“紅眼睛”導(dǎo)彈為代表的第一代調(diào)幅調(diào)相式制導(dǎo)技術(shù)；以“毒刺”導(dǎo)彈為代表的第二代調(diào)頻體制的制導(dǎo)技術(shù)；以“西北風(fēng)”導(dǎo)彈、“毒刺-POST”導(dǎo)彈為代表的小視域探測器連續(xù)掃描制導(dǎo)技術(shù)（亦稱第三代光機掃描技術(shù)）；以“幼畜”導(dǎo)彈、“響尾蛇-9X”為代表的紅外成像制導(dǎo)技術(shù)。紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展使紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的制導(dǎo)精度不斷提高，抗干擾能力不斷增強。2022 年2—3 月，俄烏開戰(zhàn)前 10 天內(nèi)，俄羅斯就有“米-8/24/35”、“卡-52”等運輸/武裝直升機以及“蘇-25/27/34”戰(zhàn)斗（攻擊）機等被烏軍用“毒刺”導(dǎo)彈擊落的報道。本文主要介紹了第一代、第二代、第三代、第四代紅外導(dǎo)引頭的工作原理，抗干擾措施，以及第五代紅外導(dǎo)引頭的發(fā)展趨勢，為未來干擾彈的發(fā)展方向提供參考。

1 第一代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭

第一代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭采用旋轉(zhuǎn)掃描體制，如圖1 所示。導(dǎo)引頭由一個同心掃描光學(xué)系統(tǒng)和置于光學(xué)系統(tǒng)焦平面上的調(diào)制盤組成。經(jīng)典的旋轉(zhuǎn)掃描調(diào)制盤（旭日升型調(diào)制盤）如圖1（a）所示，這種調(diào)制盤的白色區(qū)域為投射狀態(tài)、花紋區(qū)域不投射、黑色區(qū)域半投射。

當調(diào)制盤旋轉(zhuǎn)時，目標像點在探測器上相間通過白色區(qū)域、花紋區(qū)域和黑色區(qū)域，形成圖 1（b）所示的脈沖信號，目標像點越靠近調(diào)制盤邊緣，信號幅值越大；同時，脈沖信號出現(xiàn)的時間與目標像點在調(diào)制盤上的角度有關(guān)。因此，通過脈沖調(diào)制信號可確定目標像點在調(diào)制盤上的位置，而目標像點在調(diào)制盤的位置反映了目標在空間的位置，對調(diào)制盤信號進行處理，形成制導(dǎo)指令，控制導(dǎo)彈飛行，使目標像點向幅值減小的方向運動，從而實現(xiàn)對目標的穩(wěn)定跟蹤。

圖1 旋轉(zhuǎn)掃描調(diào)制示意圖

采用旭日升型調(diào)制盤可實現(xiàn)空間濾波，剔除背景干擾。其基本原理為：當點目標與云團（背景）均成像于調(diào)制盤上時，目標像點很小，云團尺寸則較大。當調(diào)制盤上半?yún)^(qū)域掃過目標時，像點被明暗相間的扇形格子透過或遮擋，探測器輸出一列脈沖信號，下半?yún)^(qū)域掃過目標時，像點只有一半能量通過，形成一直流信號；當調(diào)制盤上半?yún)^(qū)域掃過云團（背景）時，云團面積很大，使得斬割作用小，探測器輸出帶有波紋的直流信號，當下半?yún)^(qū)域掃過云團時，只有一半能量通過，形成一直流信號（見圖1（b））。信號經(jīng)過后面的電子濾波電路以后，背景干擾的直流信號被濾除，代表目標信號的交流信號可以通過，從而達到剔除背景干擾的目的。

旋轉(zhuǎn)掃描導(dǎo)引頭本質(zhì)上是一種調(diào)幅體制導(dǎo)引頭，具有響應(yīng)靈敏度差、存在調(diào)制盤盲區(qū)以及無法對干擾源進行鑒別的缺點，不具備抗干擾能力。

2 第二代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭

第二代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭采用圓錐掃描體制，如圖2 所示。在圓錐掃描系統(tǒng)中，調(diào)制盤是靜止的，通過隨著陀螺儀掃描的鍥子或傾斜的反射鏡使目標像點在調(diào)制盤上章動。典型的調(diào)制盤做成一個輻條輪或類似的變體，如圖 2（a）所示。當目標像點落在視場中心時，產(chǎn)生一個頻率不變的載頻信號，如圖2（b）所示；當目標偏離光軸時，如果目標偏離光軸的方向大小不同，那么目標信號脈沖的間隔和時序都不相同，如圖2（c）所示，根據(jù)此變化可將目標的偏差大小和相位解調(diào)出來，實現(xiàn)紅外目標信號的脈沖位置調(diào)制。

圖2 圓錐掃描調(diào)制示意圖

與旋轉(zhuǎn)掃描的幅度調(diào)制相比，圓錐掃描采用脈沖相位調(diào)制，具有靈敏度高、抗干擾能力強的特點。當干擾和目標同處于導(dǎo)引頭視場中時，由于干擾和目標輻射強度以及運動軌跡的差異，形成信號的輻射強度、脈寬、頻率等差異很大，采用特殊的識別算法可以將干擾剔除，因此，第二代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭具備一定的抗干擾能力。

3 第三代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭

第三代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭不再采用調(diào)制盤，通過改進探測器、掃描方式、信號處理電路，使導(dǎo)引頭抗干擾能力大大增強，典型代表為十字叉型導(dǎo)引頭和玫瑰花掃描導(dǎo)引頭。

3.1 十字叉型導(dǎo)引頭

1）工作原理

十字叉型導(dǎo)引頭系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、探測器及信號處理電路3 部分組成。工作方式為圓錐掃描式，在像平面上產(chǎn)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3 為反射式光點掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖3 反射式光點掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖

其信息處理電路原理方塊圖如圖4 所示。方位和俯仰十字叉探測器臂產(chǎn)生的脈位調(diào)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(shù)放大器，再將對數(shù)脈沖信號分別經(jīng)過各自的開關(guān)電路后，進入采樣、保持緩沖電路，對來自基準信號發(fā)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(chǎn)生瞬時的直流誤差電壓V和V，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(diào)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(dǎo)引頭向減小直流誤差的方向運動，即可實現(xiàn)對目標的準確跟蹤。

圖4 十字叉型導(dǎo)引頭信息處理電路原理方框圖

2）抗干擾措施分析

十字叉導(dǎo)引頭抗干擾措施包括波門選通技術(shù)、“開關(guān)”技術(shù)和“響應(yīng)”技術(shù)。

從圖4 可看出，十字叉型導(dǎo)引頭采用波門脈沖發(fā)生器控制開關(guān)電路，只有在開關(guān)電路的門打開的時間內(nèi)，目標脈沖進入波門，開關(guān)電路才輸出一脈沖信號，這個脈沖信號對相應(yīng)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(fā)生器中與相應(yīng)的基準信號進行比較，產(chǎn)生新的波門脈沖去套住下一個周期探測器產(chǎn)生的電脈沖。在波門脈沖未加到開關(guān)電路的其他時間內(nèi)，開關(guān)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。

“開關(guān)”技術(shù)是通過導(dǎo)引頭監(jiān)視目標輻射的能量變化、記錄、進行比較，如果在一個預(yù)定的時間界限內(nèi)接收到的能量急劇增加并超過一個預(yù)定的門限值，則表示在導(dǎo)引頭視場內(nèi)有紅外誘餌存在，系統(tǒng)切換到響應(yīng)狀態(tài)，處于響應(yīng)狀態(tài)的導(dǎo)彈將采取相應(yīng)的響應(yīng)處理措施，使之排除干擾的影響而跟蹤真目標。除此之外，十字叉型導(dǎo)引頭還可采用時間相位控制方法，實現(xiàn)抗干擾，該方法是基于目標與誘餌運動軌跡的差異，使紅外干擾彈像點產(chǎn)生的脈沖處于預(yù)計目標脈沖的時間以外，系統(tǒng)僅接收預(yù)計時間內(nèi)的脈沖，屏蔽或排除其它時間出現(xiàn)的脈沖，從而消除目標以外的其它輻射的干擾。

因此，十字叉導(dǎo)引頭所具備的抗干擾措施主要有時間相關(guān)與視場收縮技術(shù)、幅值鑒別法、脈沖寬度鑒別法、脈沖時間鑒別法等。

3.2 玫瑰線掃描導(dǎo)引頭

1）工作原理

玫瑰線掃描導(dǎo)引頭使用2 個反向旋轉(zhuǎn)的偏斜光學(xué)元件，偏斜光學(xué)元件可以是光楔、傾斜鏡或者偏心透鏡。把紅外光學(xué)系統(tǒng)中常用的卡賽格倫系統(tǒng)的主反射鏡和次反射鏡各對光軸偏斜同一角度γ，并各自以和的轉(zhuǎn)速繞光軸反方向旋轉(zhuǎn)，以實現(xiàn)玫瑰線掃描。玫瑰線掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖如圖5 所示。

圖5 玫瑰線掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖

玫瑰線掃描軌跡方程為：

式中，為掃描花瓣長度，即視場半徑，與偏斜角度有關(guān)，也與目標距離有關(guān)；、為主、次鏡的轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)頻率）。

當沿玫瑰線軌跡掃過視場中的目標時，位于系統(tǒng)焦點上的紅外探測器接收目標輻射產(chǎn)生的一個目標脈沖，對應(yīng)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(yīng)的視場為玫瑰線掃描的總視場。玫瑰線掃描獲得的目標信息是以目標脈沖的形式出現(xiàn)的，而每一個目標脈沖都隱含了一個目標時間t，t與目標的方位息息相關(guān)，只要把視場中一個目標的方位信息（）和（）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(zhuǎn)向（）、（）減小的方向，直至（）=（）=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（）、（）值出現(xiàn)，又“自動”地使之向視線方向轉(zhuǎn)，實現(xiàn)自動跟蹤目標的目的。

2）抗干擾措施分析

玫瑰線掃描導(dǎo)引頭的主要抗干擾措施包括電子選通，以及基于亞成像體制的信號處理技術(shù)與計算機技術(shù)。

電子選通是基于干擾與誘餌運動軌跡的差異實現(xiàn)抗干擾。干擾彈在拋出一定時間內(nèi)，由于運動軌跡差異，目標和干擾彈將不在同一掃描旁瓣內(nèi)，通過計算目標的相對運動就可確定目標將出現(xiàn)在哪一個旁瓣，忽略其它旁瓣的信息，導(dǎo)彈可繼續(xù)跟蹤目標，電子選通技術(shù)本質(zhì)上是基于脈沖時間差異實現(xiàn)抗干擾。同時，導(dǎo)引頭還可根據(jù)目標與誘餌的輻射強度差異以及脈沖寬度鑒別誘餌和干擾。

作為一種亞成像機制，玫瑰掃描系統(tǒng)采用瞬時視場掃描總視場，可以實現(xiàn)總視場的空間分解，得到目標的亞圖像。結(jié)合信號處理技術(shù)與計算機技術(shù)對圖像進行預(yù)處理與圖像識別，捕獲跟蹤目標區(qū)域，并采用預(yù)測跟蹤的方式，在預(yù)測區(qū)域內(nèi)識別要跟蹤的目標，將大部分背景和干擾濾除。

因此，玫瑰線掃描具備的抗干擾措施包括：幅值鑒別法、脈沖寬度鑒別法、脈沖時間鑒別法、軌跡預(yù)測跟蹤等。若導(dǎo)引頭采用雙色探測器，還可根據(jù)目標與干擾紅外輻射光譜差異實現(xiàn)抗干擾。下面以“毒刺-POST”為例，具體分析該型導(dǎo)彈玫瑰線掃描導(dǎo)引頭的抗干擾能力。

“毒刺-POST”的紅外制導(dǎo)系統(tǒng)主要運用了玫瑰花瓣形準成像掃描技術(shù)，取消了“毒刺”導(dǎo)引頭內(nèi)的調(diào)制盤和分立元件，而代之以準成像掃描光學(xué)處理系統(tǒng)。這種玫瑰花瓣形準成像掃描系統(tǒng)的優(yōu)點是，在總視場范圍內(nèi)掃描的探測器元件瞬時視場很小，探測器尺寸可以適當做小，元件噪聲和背景噪聲可大大下降，目標的信噪比提高，從而提高了抗自然與人為干擾的能力。采用邏輯電路以區(qū)分真目標與“噪聲”（背景輻射、曳光彈等等）。邏輯的建立依據(jù)是背景一般要大于目標，因而可根據(jù)脈沖寬度鑒別出尺寸較大和尺寸較小的輻射源，從而只接收窄脈沖，拒收寬脈沖。還可以在觀察若干順序脈沖以后再決定是“接收”還是“拒收”。此外，通過使用微處理機，可將所接收的脈沖以脈沖幅度、脈沖寬度和其在目標空間所處的位置等形式按時鐘脈沖頻率加以存貯，再用“圖形識別算法”確定其中哪些脈沖應(yīng)當用于對目標的跟蹤。這樣，導(dǎo)引頭就可以撇開非選定的紅外源，而只跟蹤選定的目標。

為進一步提高抗干擾能力，“毒刺-POST”還首次采用了紅外/紫外雙色跟蹤技術(shù)，導(dǎo)引頭內(nèi)使用2 種探測器，一種是銻化銦，在紅外波段（3～5 μm）工作，另一種是硫化鎘，在紫外波段（0.3 μm 附近）工作。2 種探測器采用夾層疊置方式粘合為一，所獲得的信息由2 臺微處理機快速處理。對上述2 個通道內(nèi)同時接收到的脈沖相對量值（能量比值）加以比較后，就能正確鑒別出哪些脈沖來自目標飛機，哪些脈沖來自背景或紅外誘餌等干擾源。因此，采用準成像掃描、紅外/紫外雙色跟蹤制導(dǎo)方式的“毒刺-POST”在制導(dǎo)精度和抗自然與人為干擾能力方面有了重大突破。

4 第四代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭

第四代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭主要采用成像體制。成像體制導(dǎo)引頭可得到目標的豐富信息，具有很強的抗干擾能力，是現(xiàn)今紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的主要發(fā)展方向。

4.1 工作原理

紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件是紅外成像導(dǎo)引頭，一般由紅外攝像頭、圖像處理系統(tǒng)、圖像識別系統(tǒng)、跟蹤處理系統(tǒng)和攝像頭跟蹤系統(tǒng)等部分組成，其中圖像處理和圖像識別子系統(tǒng)是紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的核心。典型的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)如圖6所示。

圖6 紅外目標跟蹤系統(tǒng)

紅外成像導(dǎo)引頭通過探測目標與背景的溫差形成紅外圖像，現(xiàn)今紅外成像制導(dǎo)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(dǎo)探測像元。這些探測像元都集成在一塊硅片上，硅片的另一面是同等數(shù)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，所有像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攝氏度的目標。對來自陣列的熱數(shù)據(jù)采用適當?shù)姆椒ㄟM行數(shù)字處理，結(jié)果可以得到目標信息和威脅程度的順序排列。

4.2 抗干擾措施分析

紅外成像系統(tǒng)對目標、背景、干擾成像后，可得到目標的豐富信息，經(jīng)過圖像預(yù)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，不同的跟蹤算法就形成了不同的抗干擾措施。紅外成像導(dǎo)引頭的跟蹤措施主要包括形心跟蹤、特征相關(guān)匹配跟蹤和運動軌跡預(yù)測跟蹤等，針對不同距離的目標以及不同的干擾，采用不同的跟蹤措施，使紅外成像導(dǎo)引頭抗干擾能力大大增強。“毒刺RMP BLOCK Ⅱ”防空導(dǎo)彈為第四代的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，導(dǎo)彈最大射程8 km（有效射高3.8 km），最小射程200 m，最大速度數(shù)為2.2，最大過載大于20，制導(dǎo)系統(tǒng)采用（128×128）元 3～5 μm 中波凝視紅外成像制導(dǎo)，視場角2°，發(fā)射前捕獲鎖定尾焰，發(fā)射后不管。采用焦平面陣列導(dǎo)引頭對目標、背景、干擾成像，可根據(jù)目標的紅外輻射特征、面目標特征、灰度特征、運動軌跡特征等識別目標和干擾，增強了制導(dǎo)精度、抗干擾能力及對抗低可探測性目標的能力，可在雜波信號下探測直升機。該導(dǎo)彈成功地運用了可編程控制微處理器，既可通過外部操作對制導(dǎo)與對抗軟件重新編程以對付突然出現(xiàn)的空中威脅，又可使該導(dǎo)彈系統(tǒng)有能力對付漏網(wǎng)敵機和較近敵機，定位目標更加準確，抗各種紅外干擾能力更強，具有全向攻擊能力和較好的抗電子干擾能力，極大地提高了作戰(zhàn)性能。

5 紅外導(dǎo)引頭發(fā)展趨勢

紅外探測器作為紅外成像導(dǎo)引頭的關(guān)鍵組件，隨著現(xiàn)代材料技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，正朝著高密度、多光譜、高響應(yīng)度、高探測率、高工作溫度及更大面積、更小探測單元、更高靈敏度的器件方向發(fā)展。下一代紅外（成像）導(dǎo)引頭將采用多光譜陣列成像的小型探測器，工作波段在3～5 μm 或8～12 μm，通過多光譜成像制導(dǎo)技術(shù)探測目標和背景的溫差進行目標探測、識別和鎖定，可以全方位探測、攻擊目標。可通過輻射能量閾值、空間分布、雙色鑒別、溫度鑒別等手段剔除干擾。

6 結(jié)束語

本文主要介紹了紅外導(dǎo)引頭的工作原理及抗干擾措施。隨著制導(dǎo)技術(shù)的快速發(fā)展，紅外導(dǎo)引頭從最初調(diào)幅體制的旋轉(zhuǎn)掃描導(dǎo)引頭發(fā)展到現(xiàn)今成像體制的導(dǎo)引頭，抗干擾能力大大增強。現(xiàn)今廣泛裝備的第三代、第四代導(dǎo)引頭可根據(jù)輻射能量閾值、脈沖寬度、脈沖時間、運動軌跡、輻射光譜等特性鑒別目標和干擾，正在發(fā)展的第五代雙色成像體制導(dǎo)引頭，將具備更強的抗干擾能力。未來紅外干擾彈只有具備逼真模擬目標運動軌跡特征、輻射特征（輻射強度、輻射光譜）、面目標特征的能力，配合合理的戰(zhàn)術(shù)運用，才能有效干擾先進紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。