高速飛行條件下紅外探測關鍵技術研究

陳 棟 孟 奇 連細南

（陸軍炮兵防空兵學院高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室 合肥 230031）

1 引言

隨著現代科學技術的快速發展，人工智能、云計算等技術被不斷應用于軍事領域，高速飛行條件下高效快速的信息交互成為了該領域研究的重點。通常情況下，物體飛行速度大于1Ma可認為是高速飛行；飛行速度超過5Ma則為高超聲速飛行［1］。處于高速飛行狀態下的物體，通常具有體積小、速度快的特點，在與大氣層內空氣劇烈摩擦后，表面會積累熱量，輻射紅外信號。對于該類目標的常用探測手段通常包括雷達探測和紅外探測，由于地球曲率的存在不利于雷達實現遠距離實時探測，這種情況下可利用紅外系統探測、捕獲高速飛行目標信息；但當紅外探測系統自身處于高速飛行狀態時，往往會受到光學窗口自身輻射、周圍空氣場擾動等因素制約，探測效果會受到很大的影響。因此，開展高速飛行下紅外探測關鍵技術研究有著非常重要的現實意義。

2 高速飛行條件下紅外探測系統平臺技術研究

目前，搭載紅外探測系統的平臺主要包括天基、地基、空基、彈載系統等。天基平臺以衛星為載體，通過搭載紅外探測設備可對不同飛行階段的高速目標進行預警探測和監視；地基平臺依托地面或艦船上大口徑紅外望遠鏡系統，對高速飛行目標進行觀測；空基平臺紅外系統常部署在戰斗機、平流層飛艇上，目前應用較少，但前景廣闊；彈載平臺紅外系統能夠適應高速飛行條件，滿足現代戰爭中遠程精確打擊要求，目前廣泛應用于各類精確制導導彈探測系統中。

2.1 天基平臺

當前，國外只有極少數國家擁有在軌服役的天基紅外探測系統，以美俄為例，“SBIRS”和“EKS”系統具有對導彈多個飛行階段預警跟蹤的能力，法國、德國、日本也在積極開展相關技術儲備［2～3］。國內對天基紅外探測系統也進行了深入研究，我國已成功發射天基紅外戰略導彈預警衛星，具備相關技術研究能力。

國外天基紅外系統衛星平臺經歷了從單一的地球同步軌道或大橢圓軌道，到雙軌道結合使用，再到與高低軌道組網配合使用的發展過程［4］，高軌預警衛星，主要針對彈道導彈早期助推階段進行偵測預警，低軌衛星則補充了上述衛星平臺在導彈助推段結束、尾焰不明顯無法持續跟蹤的局限性，實現了對導彈長時間跟蹤。此外，衛星上搭載的紅外探測器件逐步發展為多波段探測、多像元線陣掃描和大面積凝視陣列結合探測，且探測器可在短波、中波、中長波等多波段協同工作，其中紅外短波大視場負責掃描發現飛行目標信息，中長波段完成小視場跟蹤任務。

但是，由于探測距離遠會導致探測分辨率低，天基平臺只能對中高空飛行目標進行探測，無法準確探測低空飛行目標，故通常用于早期預警。為提高預警探測能力，可采用多維度軌道布置和更高靈敏度探測器件。也可同其他平臺探測器配合使用，進而提升探測能力。

2.2 地基平臺

地基紅外探測系統主要用于地面或海上對高空飛行目標的探測，比如高速導彈、衛星、火箭等。地基紅外探測系統通常部署在地基大口徑光學望遠鏡系統上，探測系統能夠探測空間目標的溫度及紅外輻射特性密度區域，進而獲得其運行狀態［5］。在實現觀測過程中，需要采用濾光片抑制輻射影響；為進一步減小輻射對探測器的影響，研究多采用冷光學技術降低終端光學元件紅外特征，減小內外熱量的傳遞。

國外地基平臺技術的使用比較成熟，比較先進的有美國新墨西哥州柯特蘭空軍基地星火光學靶場探測系統等，國內也開展了對相關領域的研究。由于地基平臺系統同樣會受到光學望遠鏡自身因素的限制，使得該類紅外探測系統作用覆蓋范圍有限，與此同時地基平臺較其他平臺相比機動性差，探測高速飛行的目標存在很大的局限性，光學成像鏡的工藝問題仍是亟待解決的技術難點。

2.3 空基平臺

空基紅外探測系統比較常見的是機載方式，世界各國具備探測能力的作戰飛機基本都搭載了紅外探測系統，可對空間飛行目標進行實時監測［6］。除此之外，平流層飛艇搭載紅外系統逐漸進入人們視野，該平臺與空基、地基探測相比，具有工作環境優良、性能穩定、可大區域載荷放置平臺等優點。飛艇平臺一般停留在20km以上的平流層高空［7］，長度在百米量級。飛艇具備靈活機動的特點，為增大其探測范圍，可采用艇腹懸掛方式安裝探測系統，設置多個紅外載荷并形成三角布局，再輔以艇身的整體轉動，以實現寬視場觀測；也可采取多邊形覆蓋方式組網布局［8］，可有效提高探測效率。

圖1 飛艇平臺組網示意圖

戰斗機部署紅外探測系統的技術已相對成熟，但由于其飛行距離短等因素，無法遠距離長時間工作。隨著飛艇探測系統的光學載荷技術和電路承載能力的不斷發展，相信未來幾年，飛艇紅外探測系統將憑借其長時間工作和低成本化的優勢得到廣泛應用。

2.4 彈載平臺

現代軍事中，彈載平臺的加入在很大程度上會改變信息感知方式，進而影響敵我戰場態勢。彈載探測系統，能夠滿足現代武器系統的遠程精打要求，能夠突破大部分傳統武器的攻防局限。目前，部分高速導彈上裝備了紅外探測系統，具有代表性的是空空導彈，第四代空空導彈上就應用了紅外探測技術，使得導彈的目標探測和打擊能力得到大幅度提高，如美國的AIM-9X、英國的ASRAAM、德國的IRIS-T、法國的MICA-IR和南非的A-Darter等［9］。對于飛行速度大于5Ma的高超聲速飛行器的紅外探測系統部署，相關裝備應用較少，國內研究重點主要在紅外導引頭的定性分析、仿真模擬等，相關技術尚處于論證當中。

由于彈載平臺的高速飛行環境和小空間體積的限制，探測設備的光電系統常采用集成化、模塊化等方式；對于惡劣的飛行氣動環境給紅外導引頭的正常工作帶來嚴峻的挑戰，常采取相關氣動光學效應防護技術和各類圖像處理算法。如何使紅外導引頭能夠適應彈載平臺的復雜工作環境，仍是目前國內外研究的熱點內容。

3 高速飛行條件下氣動光學效應防護關鍵技術研究

部署在彈載平臺上的紅外探測系統，當其在大氣層內飛行時，導引頭光學頭罩和周圍的擾流場作用，會產生嚴重的氣動光學效應［10］，氣動光學效應包括氣動熱效應、熱輻射效應和光學傳輸效應等。國內外對于氣動光學效應研究仍處于發展階段，可供參考的實驗數據很少。

3.1 氣動熱效應

氣動熱效應對紅外探測系統的影響主要表現為高溫會使探測系統材料、結構等失去正常工作能力。由于彈載平臺在大氣層中高速飛行或高超聲速飛行時，系統表面與周圍流動空氣粘性作用，產生劇烈的高溫效應，高溫沿著結構由壁面傳向內部，容易造成結構變形和熱應力失效等。

為減小氣動熱效應帶來的探測系統失效的風險，必須做熱防護處理，比較常用的方法有熱沉防熱、燒蝕防熱、發汗和薄膜冷卻等［11］。此外，隨著我國一體化熱防護技術的高速發展［12］，綜合防熱與承載功能為一體的波紋夾層結構被廣泛應用于表面材料設計，該結構可節約材料，提高效率。基于上述熱防護機理，如果將表面熱防護結構與燃油、蒸發冷卻液機構綜合設計，可以有效提升探測系統的熱防護能力。

3.2 熱輻射效應

熱輻射效應對紅外探測系統的影響主要表現為信號噪聲，噪聲會干擾或淹沒目標信號。高速飛行條件下紅外輻射源主要有發動機熱部件、高溫燃氣噴流和飛行器蒙皮。通常采用減少表面熱傳導和調控熱輻射光譜的方式［13］，實現熱輻射效應防護。

一些吸熱或隔熱溫控材料［14～15］，如 Al-還原氧化石墨烯（Al@RGO）復合材料、Al-摻銻氧化錫（ATO）、玻璃基底摻鋁氧化鋅（AZO）薄膜可以涂覆在飛行器表面，降低表面溫度和熱傳導，減弱熱輻射對探測系統的影響。此外，選擇性波段吸收材料能夠抑制輻射發生在紅外大氣窗口（3μm～5μm和8μm～14μm兩個波段）附近，通過調控熱輻射光譜，達到熱輻射防護目的。

3.3 光學傳輸效應

光學傳輸效應對紅外探測系統的影響主要表現為光學窗口周圍流場密度、壓力、空氣組分等物理參數劇烈變化，使探測系統成像發生偏折、抖動等。

圖2 紅外成像導引頭瞄視誤差示意圖［16］

研究發現，光束經過高速運動空氣擾流場后，會產生一定角度偏移，高速湍流流場引起的傳輸效應會使光束產生畸變。而通過對球形、半球形、圓錐形、八棱錐形等導引頭整流罩研究［17］，人們發現整流罩構型也會影響光線傳輸質量和傳輸效果，合理改變整流罩面型，可以降低光學傳輸效應對窗口的影響。此外，導引頭整流罩前端溫度最高，溫度由駐點向底端逐漸降低，利用這一點可以將光學窗口安裝在導引頭側面，避免其直接暴露在惡劣環境中，但該安裝方式存在探測系統結構設計復雜、空間尺寸小、間接成像難等問題，仍待后續進一步研究。

4 高速飛行條件下紅外圖像處理關鍵技術研究

高速飛行條件下圖像處理的對象往往是遠距離弱小目標，目標信號常淹沒于背景中，因此，抑制圖像背景噪聲，增強目標信號，將目標同背景環境區分開來是成像制導中實現目標特征提取、識別和跟蹤的前提。因此需要對紅外圖像進行預處理，常用方法包括探測器非均勻性校正、圖像增強、降噪、分割等。

4.1 探測器非均勻性校正技術

由于探測器紅外焦平面陣列材料、工藝等的差異，導致探測單元的響應率和偏置量不一致，進而在采集的圖像中出現固定紋理的噪聲。國內外現有許多非均勻性校正（NUC）算法，如兩點校正法能夠在比較窄的動態范圍內修正系統噪聲；多點校正法在兩點校正法的基礎上提高了校正準確率。為解決非均勻噪聲隨時間和工作環境變化而漂移的問題，可以采用基于場景的非均勻校正算法［18］，但這類方法對低頻占優的噪聲校正效果不理想。為實現更好的非均勻性校正效果，研究人員提出了基于神經網絡和時域高通濾波器等方法［19～20］。目前，各類校正算法能夠在FPGA上實現，但校正計算方法復雜度較高，在定標過程、響應漂移、應用實際等方面的問題有待進一步研究。

4.2 背景抑制技術

背景抑制技術，通過抑制圖像噪聲，增強目標信息，提高目標和背景信號差異性，從而提高目標檢測的準確度。目前，國內外提出了多種紅外圖像的去噪方法，結合實際圖像信號與背景的差異及預期的去噪效果，可選擇適合的空間域或變換域方法。

傳統的空間降噪方法有均值濾波、中值濾波和高斯濾波，這類方法通常使用具有某種特性的模板在灰度域對圖像像素點進行操作，降噪處理后往往會使圖像變得平滑，丟失一些細節而使圖像變得模糊，視覺效果欠佳。為進一步提升圖像降噪后的視覺效果，Tomasi率先提出雙邊濾波算法［21］，目前廣泛應用于簡單圖像處理，但該算法處理復雜噪聲的能力較差。

基于傳統空間域濾波算法，三維塊匹配法、小波降噪算法、Contourlet變換等變換域去噪算法相繼被提出，這在一定程度上解決了簡單空間域降噪效果不佳的問題。三維塊匹配法（BM3D）較早由Dabov［22］提出，通過與當前像素點進行匹配，該算法利用像素點加權取均值，從而去除噪聲。小波降噪算法［23～24］能夠通過空域和頻域之間的變換過程實現信號和噪聲的區分，在頻率較低時具有更高的分辨率，但對于圖像邊緣紋理信息處理效果較差，可提供的方向信息較少。Contourlet變換［25］在一定程度上彌補了小波變換的不足，能夠體現圖像特征的方向性和各向異性，在降噪處理過程中能夠更好的區分目標與噪聲信息。此外，深度學習算法被應用到圖像去噪中［26］，達到了更好的降噪效果。

4.3 紅外圖像分割技術

圖像分割通常是將圖像空間劃分成若干個具有某些一致性屬性的不重疊區域，圍繞目標的邊緣或區域來實現的，而結合邊緣和區域的分割方法，可綜合分析局部灰度突變和區域灰度的一致性，進行圖像分割優化處理［27］。

區域分割方法中的閾值分割，因其簡約高效的特點，長期作為圖像分割的研究熱點［28］。直方圖閾值分割從多種角度分析圖像灰度直方圖的形狀特征，但在噪聲干擾的情況下，離散的直方圖外觀非常不規則，圖像分割效果一般。基于“熵”的閾值分割，最早由Kapur［29］提出，該方法可以減少直方圖分割造成的信息損失，通過尋找最佳閾值，使分割后的目標和背景的熵總值最大，圖像分割效果較好。此外，Komarek［30］在1979年基于最小二乘法原理提出了最大類間方差（Otsu）分割算法，這種典型的聚類閾值分割方法在不斷改進中被廣泛應用于社會工程實踐中。

通常情況下，直接采用灰度閾值分割的方法效果都不理想，往往需要結合合理的預處理方法和圖像分割技術。對于該領域的研究多依賴于圖像的底層特征、集中于灰度圖像的閾值分割。彩色圖像和帶有時間序列的連續圖像有著更加豐富的圖像信息，未來結合圖像的高層信息和先驗知識的算法研究還有待進一步發掘。

5 結語

本文歸納分析了高速飛行條件下紅外探測的一些關鍵技術研究及其進展，多平臺探測系統、氣動光學效應防護、圖像處理等技術在紅外探測研究中日益發揮重要作用；綜合運用多平臺探測系統、探索典型圖像處理方法是未來相關研究領域技術積累的重要方向。