許海龍，王 雋，吳雪峰

（1.海軍裝備研究院，北京 100161；2.海軍裝備部，北京 100161）

0 引 言

紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈使用的紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)的早期研究始于20世紀(jì)70年代初，至少已經(jīng)發(fā)展了3代，目前正向第4代超大規(guī)模凝視焦平面系統(tǒng)發(fā)展。當(dāng)前紅外成像制導(dǎo)技術(shù)已成為一種自主式、智能化的精確制導(dǎo)技術(shù)，在實戰(zhàn)中獲得了廣泛的應(yīng)用與發(fā)展。與紅外點源的尋的制導(dǎo)技術(shù)相比，紅外成像制導(dǎo)具有環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性強、靈敏度高、體積小、功耗低、工作可靠等優(yōu)點，其目標(biāo)識別能力、制導(dǎo)精度、全天候作戰(zhàn)能力和抗干擾能力也均有較大的改善。因此，紅外成像制導(dǎo)作為精確制導(dǎo)的重要發(fā)展方向，受到國外軍方的極大重視，目前已有大量紅外成像制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈裝備部隊［1］，給艦艇目標(biāo)造成了極大的威脅。目前廣泛使用的點源型紅外干擾彈對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈很難取得好的干擾效果，因此研究對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的面源干擾技術(shù)已經(jīng)成為面臨的迫切問題。

1 紅外成像制導(dǎo)特性分析

1.1 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的簡要工作過程

典型成像跟蹤器的組成方框圖如圖1所示［2］，它由攝像頭、圖像監(jiān)示器、圖像信號處理器、伺服機(jī)構(gòu)等部分組成。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的工作過程主要分為2個階段：搜索階段和跟蹤階段。搜索階段的主要任務(wù)是選擇目標(biāo)，跟蹤階段的任務(wù)是將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)進(jìn)行攻擊。由于目標(biāo)在較遠(yuǎn)的距離上呈點源出現(xiàn)在視場中，當(dāng)導(dǎo)彈逐漸接近目標(biāo)時，才能出現(xiàn)目標(biāo)的熱圖像，在一定距離上目標(biāo)圖像尺寸會逐漸充滿視場，甚至超過視場，因此就要求圖像處理系統(tǒng)具有兼顧點源和擴(kuò)展源的處理功能［3］。

在搜索階段，圖像的預(yù)處理單元對一幀圖像進(jìn)行邊緣提取和分割，經(jīng)過特征提取和目標(biāo)識別，剔除背景干擾及誘餌等假目標(biāo)干擾，結(jié)合多目標(biāo)選擇策略和規(guī)則，選定所要打擊的目標(biāo)。紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)識別性能與掃描線對數(shù)、像元數(shù)關(guān)系見表1。搜索選定目標(biāo)后，選擇確定目標(biāo)跟蹤區(qū)域或跟蹤點，設(shè)置跟蹤波門，制導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤階段。對于紅外成像系統(tǒng)而言，在捕獲到目標(biāo)后，跟蹤波門的跟蹤中心和范圍需要不斷調(diào)整，目的是用跟蹤波門緊緊地“套住”目標(biāo)以維持對目標(biāo)的跟蹤，持續(xù)輸出制導(dǎo)信息，及時調(diào)整導(dǎo)彈飛行狀態(tài)。

表1 識別性能與掃描線對數(shù)、像元數(shù)關(guān)系［3］

1.2 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)跟蹤方式選擇

對于紅外成像跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)而言，紅外成像系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)、成像器件、跟蹤處理性能對其作戰(zhàn)能力影響很大。在攻擊過程中，艦艇目標(biāo)的圖像尺寸的大小隨著距離的不同而變化，所采用的跟蹤處理方式也會發(fā)生較大變化。

圖像尺寸與目標(biāo)大小、成像系統(tǒng)焦距的關(guān)系為：

式中：w為圖像的長度或?qū)挾龋籪為鏡頭的焦距；L為目標(biāo)長度或?qū)挾?；R為目標(biāo)至鏡頭的距離。

圖2是根據(jù)國外某一紅外成像導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)（成像系統(tǒng)焦距175mm，工作波段為8～14μm）計算出的不同距離上、不同長度目標(biāo)的成像尺寸，觀察角度為艦艇正橫方向。

圖2 不同距離上目標(biāo)圖像尺寸

由圖2可知，對于長度為60～120m的水面艦艇，在距離導(dǎo)彈7～14km左右的距離上，艦艇目標(biāo)圖像大約占到64個像素以上，能夠滿足目標(biāo)識別的要求，可以采用的跟蹤算法包括質(zhì)心跟蹤、形心跟蹤等。由于圖像處理能力的不同，跟蹤波門差異也較大，目前的跟蹤波門可以是64×64、128×128或256×256等，甚至可以更大。在距離導(dǎo)彈2.6～5.2km左右的距離上，艦艇目標(biāo)圖像大約占到164個像素以上，目標(biāo)圖像基本上可以充滿跟蹤波門，此時可以采用相關(guān)跟蹤算法。對于長度大于300m的航母等超大型水面艦艇，能夠在超過20km的距離上可靠識別和分辨目標(biāo)。

1.3 成像制導(dǎo)弱點

雖然熱成像制導(dǎo)具有環(huán)境適應(yīng)性好、隱蔽性強、靈敏度高以及目標(biāo)識別能力和抗干擾能力強等突出優(yōu)點，但是紅外成像制導(dǎo)還是具有以下弱點：

（1）紅外熱圖像無立體感，給目標(biāo)識別帶來一定的困難。

（2）熱圖像實質(zhì)上是一幅目標(biāo)和背景單色輻射強度的分布圖，由于圖像處理能力的限制，其目標(biāo)識別能力和跟蹤能力是有限的。

（3）紅外成像制導(dǎo)對接收的目標(biāo)紅外輻射能量和目標(biāo)與背景之間的輻射對比度具有一定要求，通過適當(dāng)改變背景和目標(biāo)特性，就可以實現(xiàn)有效干擾。

（4）受器件技術(shù)水平和圖像處理水平的限制，目前反艦導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭的作用距離一般都在15～20km左右，易受環(huán)境條件影響。

2 面源型紅外干擾彈干擾機(jī)理分析

2.1 艦船紅外輻射特性

艦船紅外輻射按照產(chǎn)生來源的不同，可分為內(nèi)生紅外輻射和外生紅外輻射。根據(jù)文獻(xiàn)［4］的研究，艦船主要有三大紅外輻射源：煙囪管壁、排氣煙羽、艦船表面。由于實際艦船結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，紅外輻射能力受氣象環(huán)境影響很大，對其進(jìn)行精確的紅外輻射計算是個相當(dāng)復(fù)雜的課題，通常采用實船測量和計算機(jī)仿真的方法得出在不同工況下艦艇的紅外特性。因此可以通過對實際艦船的溫度分布、材料以及輻射情況進(jìn)行合理簡化，對各類輻射源進(jìn)行估算，計算結(jié)果列于表2［4］。

表2 艦船主要輻射源的紅外輻射估算結(jié)果

驅(qū)逐艦大小的艦船表面面積大約為1 700m2。

由計算結(jié)果可見：在3～5μm波段內(nèi)，排氣煙羽和煙囪管壁的投影面積只占主船體和上層建筑的2%，但是輻射能力卻占全船紅外輻射的96%，主要原因是這2個輻射源溫度高、輻射能力強；在8～14μm波段內(nèi)，遠(yuǎn)紅外輻射能量以艦船表面常溫紅外輻射為主，艦船表面積較大，大約占全船輻射的60%左右，煙囪管壁大約占全船輻射的40%左右。

2.2 面源紅外干擾形成機(jī)理

面源型紅外干擾彈通過將裝有許多燃燒單元或爆炸后能形成許多燃燒單元的干擾載荷在空中引爆散開的方法，將燃燒單元布放在距離艦艇目標(biāo)一定距離和高度的空間，燃燒單元在燃燒過程中形成具有一定強度和面積的紅外輻射場，以改變目標(biāo)特性或背景達(dá)到干擾目的。面源型紅外干擾彈在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭視場中出現(xiàn)后，艦艇目標(biāo)和紅外干擾煙云共同形成目標(biāo)信息，導(dǎo)致紅外導(dǎo)引頭鎖定其等效輻射中心。由于面源型紅外干擾彈形成的熱圖像比被保護(hù)目標(biāo)紅外輻射強度大若干倍，紅外導(dǎo)引頭的跟蹤波門將逐漸偏向紅外干擾煙云。隨著紅外誘餌煙云與艦艇目標(biāo)在空間逐漸分離而把導(dǎo)彈引向干擾煙云，最后使艦艇目標(biāo)脫離導(dǎo)引頭跟蹤視場而達(dá)到保護(hù)目標(biāo)的目的。

2.3 紅外面源干擾成功條件

通過對紅外成像制導(dǎo)典型跟蹤方式和紅外面源型干擾簡要過程的分析可知，若要使面源型紅外干擾有效，需要具備以下幾個基本條件［5］：

（1）面源型紅外干擾彈形成的大面積紅外干擾煙云要與被保護(hù)目標(biāo)的紅外光譜特征相似；

（2）與被保護(hù)目標(biāo)同處于來襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的搜索跟蹤視場內(nèi)，且能夠進(jìn)入成像跟蹤波門；

（3）面源型紅外干擾彈形成的熱圖像比被保護(hù)目標(biāo)的紅外輻射亮度大，且輻射面積大于艦艇目標(biāo)的紅外輻射面積；

（4）面源型紅外干擾煙云的持續(xù)作用時間要長于來襲導(dǎo)彈的制導(dǎo)時間，必要時可能需要多發(fā)干擾彈連續(xù)作用才能實現(xiàn)。

2.4 面源型紅外干擾彈主要指標(biāo)分析

通過對艦艇目標(biāo)特性和干擾成功條件的分析，計算得出面源型紅外干擾彈主要性能指標(biāo)如下：

（1）干擾波段：3～5μm，8～14μm；

（2）輻 射 亮 度：≥1 500W／m2SR （3～5μm），≥4W／m2SR（8～14μm）；

（3）輻射面積：≥2 000m2（可以根據(jù)保護(hù)目標(biāo)的大小通過發(fā)射多發(fā)干擾彈實現(xiàn)，可適當(dāng)降低對3～5μm波段的輻射面積要求）；

（4）工作時間：≥60s（假定導(dǎo)彈開機(jī)距離15km，導(dǎo)彈飛行速度280m／s，則導(dǎo)彈從開機(jī)搜索到命中目標(biāo)的時間大約為53s左右）。

3 面源型紅外干擾彈使用方式

在紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)搜索階段和跟蹤階段都可以使用紅外面源干擾，但取得的干擾效果則存在較大區(qū)別。

（1）在導(dǎo)引頭開機(jī)搜索階段（假定導(dǎo)彈距離目標(biāo)在15km以上），可將面源型紅外干擾彈布設(shè)到艦艇附近幾百米至1～2km的距離上作為紅外假目標(biāo)使用。此時導(dǎo)彈距離艦艇比較遠(yuǎn)，目標(biāo)形成的紅外目標(biāo)圖像也較小，處于搜索狀態(tài)的紅外成像導(dǎo)引頭可能會將紅外面源假目標(biāo)誤判為艦艇目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和攻擊。

（2）當(dāng)目標(biāo)處于亞成像制導(dǎo)階段時，目標(biāo)圖像大小占有幾個像元，目標(biāo)圖像還暫時無法分辨，此時導(dǎo)彈可能使用質(zhì)心跟蹤方式。若此時在靠近艦艇附近布設(shè)面源型紅外干擾彈，客觀上相當(dāng)于改變了目標(biāo)大小，增強了目標(biāo)的紅外輻射特性。因此這一階段不適合使用紅外面源干擾。

（4）隨著導(dǎo)彈與目標(biāo)距離進(jìn)一步縮短（導(dǎo)彈距離目標(biāo)在2.6～5.2km左右），艦艇目標(biāo)紅外圖像逐漸充滿了導(dǎo)彈跟蹤窗口，此時導(dǎo)彈可以使用相關(guān)跟蹤，跟蹤艦艇某一部分，例如煙囪等位置。若想此時對相關(guān)跟蹤進(jìn)行干擾，則首先破壞相關(guān)跟蹤。一種方法是將紅外面源干擾準(zhǔn)確布設(shè)在導(dǎo)彈和艦艇連線上，確保紅外面源干擾覆蓋導(dǎo)彈跟蹤窗口，或者采用其它方式破壞跟蹤后使用紅外面源干擾，否則是起不到干擾作用的。

圖3 “巨人”紅外面源干擾示意圖

4 結(jié)束語

大面積、高效能和寬光譜的面源型紅外干擾彈是一種正在發(fā)展的有效對抗紅外成像制導(dǎo)武器的重要對抗手段。通過對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的組成、工作過程、搜索跟蹤方式的分析，以及對面源型紅外干擾機(jī)理和干擾成功條件的探討，提出了面源型紅外干擾彈的干擾波段、輻射亮度、輻射面積、工作時間等4項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，得出了面源型紅外干擾彈的最佳使用時機(jī)是導(dǎo)彈距離目標(biāo)在7～14km左右的重要結(jié)論，能夠為今后面源型紅外干擾彈的研究工作提供有益參考。

［1］ 戎華，楊美健，吳秀琴.用于干擾紅外成像制導(dǎo)武器相關(guān)技術(shù)的探討［J］.紅外與激光工程，2007，36（S0）：454-457.

［2］ 方有培.對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾技術(shù)研究［J］.紅外與激光工程，2000，29（3）：7-14.

［3］ 鐘任華.飛航導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭［M］.北京：中國宇航出版社，2007.

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［5］ 張宏宇，林濤，常曉玲.面源紅外干擾彈對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)干擾研究［J］.光電技術(shù)應(yīng)用，2008，23（3）：25-28.