劉忠領(lǐng)，于振紅，李立仁，朱振福

(1. 北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081； 2. 光學(xué)輻射重點實驗室，北京 100854；3.遼寧省邊防局，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(infrared search and track system,IRST)[1-4]，是一種采用被動方式工作的成像探測設(shè)備，具有隱蔽性好，不怕電子干擾，精度高，低空探測性能好等多種優(yōu)點，主要用于搜索跟蹤空中、地面、海面目標(biāo)，為近程防御武器系統(tǒng)提供目標(biāo)信息，具有以下顯著特點：① 角分辨率比雷達(dá)高，體積、重量比雷達(dá)??；② 提供符合人類視覺習(xí)慣的目標(biāo)及背景圖像，可完成識別目標(biāo)及選擇攻擊目標(biāo)；③ 可晝夜工作，提高了飛機夜戰(zhàn)時對目標(biāo)的探測能力；④ 可在多視場角和各種背景條件下自動搜索跟蹤多個目標(biāo)。

1 紅外搜索跟蹤系統(tǒng)組成

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)一般由3部分組成：紅外熱成像系統(tǒng)(TIS)、穩(wěn)定與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(PSS)、信號處理系統(tǒng)(SPU)，如圖1所示。

圖1 紅外搜索跟蹤系統(tǒng)組成Fig.1 Composition of IRST

(1) 紅外熱成像系統(tǒng)

主要包括紅外成像光學(xué)系統(tǒng)、探測器和電子信號處理組件。紅外成像光學(xué)系統(tǒng)是紅外探測的光學(xué)窗口；探測器一般選擇線列或焦平面陣列器件，要求其量子效率及工作波段的大氣透射率比較高；電子信號處理組件主要完成探測器電信號的前放和處理。

(2) 穩(wěn)定與瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

包括瞄準(zhǔn)與穩(wěn)定機構(gòu)和電子組件。主要完成對光學(xué)裝置瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定，并實現(xiàn)對光學(xué)視軸、搜索視場等的控制。

(3) 信號處理系統(tǒng)

主要由濾波器、接口電路及微處理計算機(圖像處理器)組成。主要完成目標(biāo)捕獲與跟蹤等數(shù)據(jù)處理功能。

2 國內(nèi)外紅外搜索跟蹤系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)從裝備應(yīng)用上分，可以分為機載系統(tǒng)、艦載系統(tǒng)和地基系統(tǒng)等。目前較典型的幾種紅外搜索跟蹤系統(tǒng)有美國的AAS-42系統(tǒng)、瑞典的IR-OTIS系統(tǒng)、俄羅斯的OEPS-29系統(tǒng)、以色列的SPIRTAS、法國的VAMPIR-MB，SPIRAL，VAMPIRML 11，以及意大利的SIR-3系統(tǒng)等。

2.1 機載IRST系統(tǒng)

作為偵察應(yīng)用的機載IRST系統(tǒng)[5-7]，最常見的有歐洲機載IRST系統(tǒng)，早在20世紀(jì)90年代由EUROFIRST聯(lián)合組織領(lǐng)導(dǎo)開發(fā)出PIRATE(被動紅外機載跟蹤裝備)IRST，裝備在4個國家的“歐洲戰(zhàn)斗機2000”飛機上[8]，采用高性能無熱光學(xué)部件、3～11 μm液體致冷探測器，功耗小于550 W，可在74 km范圍內(nèi)探測到高速噴氣式飛機。

美國的F-14D戰(zhàn)斗機上裝備了AAS-42 IRST。AAS-42工作在長波紅外波段，晴朗時能在185 km距離上探測機身摩擦產(chǎn)生的紅外信號；系統(tǒng)可以從各種方向探測目標(biāo)，而不必處在能看到加力燃燒室尾煙的位置。AAS-42的窄束和固有抗干擾能力證明其在入侵評估方面十分寶貴，甚至可對付正在機動入侵和實施干擾的密集目標(biāo)。

瑞典的薩伯動力公司研制的IR-OTIS系統(tǒng)，安裝在“薩伯”JA-37飛機上，采用大視場和窄視場2種工作方式。工作在8～12 μm波段，系統(tǒng)能夠提供晝夜被動態(tài)勢感知，并向飛機的火控系統(tǒng)傳送目標(biāo)數(shù)據(jù)。薩伯公司稱系統(tǒng)還可用于對地攻擊和偵察。

俄羅斯蘇-27SK裝備的OEPS-29系統(tǒng)[9]，如圖2所示。采用了64元線列銻化銦器件，其對高空目標(biāo)的迎頭探測距離約為50 km，低空約為15 km，目標(biāo)圖像可以在座艙內(nèi)的ILS-31平顯或者SEI-31垂直情況顯示器中顯示；OEPS-29將紅外方位儀、激光測距儀、頭盔瞄準(zhǔn)器綜合在一起形成一個完成的系統(tǒng)，其中紅外和激光共用一個光學(xué)通道，這樣保證了激光測距儀可以精確的照射目標(biāo)，同時又降低了系統(tǒng)的體積和重量。雷達(dá)和IRST同時搜索目標(biāo)；通過IRST/激光器通道實現(xiàn)靜默目標(biāo)指示和交戰(zhàn)；機動作戰(zhàn)中擴展搜索、跟蹤和目標(biāo)指示，包括指示AAM導(dǎo)彈對付選中的目標(biāo)。OEPS-29的掃描范圍為:方位60°～-60°，高低60°～-15°，具備3種搜索模式：60°×10°，20°×5°，3°×3°，跟蹤速度為25°/s，系統(tǒng)質(zhì)量為175 kg，如圖2所示。

圖2 蘇-27SK裝備的OEPS-29紅外搜索系統(tǒng)Fig.2 OEPS-27 IRSS of 27SK

2.2 艦載IRST系統(tǒng)

艦載IRST系統(tǒng)[10-12]，其研究比較多。由早期的VAMPIR經(jīng)過一系列改進(jìn)，朝著多波段探測、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計、輕型化方向發(fā)展，適于安裝在艦船桅桿等較高位置，從而增大搜索、跟蹤距離，減少障礙物的影響，現(xiàn)已形成了多個型號。法國SAGEM研制的SPIRAL紅外全景監(jiān)視系統(tǒng)采用雙波段，2個波段共用一個窗口，可探測各種目標(biāo)：如掠海導(dǎo)彈、固體燃燒火箭、渦輪噴氣發(fā)動機推進(jìn)武器等；可以在-20°～80°范圍內(nèi)進(jìn)行俯仰掃描；可工作在多種地區(qū)，既適用于很冷的北大西洋地區(qū)，也適用于又熱又潮濕的熱帶地區(qū)，總體性能優(yōu)于VAMPIR和VAMPIR ML11，性能見表1。該系統(tǒng)主要用于探測掠海導(dǎo)彈和低空飛機，并可完成高空搜索，探測水面目標(biāo)和導(dǎo)航，SPIRAL 系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如表2所示。

表1 VAMPIR ML11 和 VAMPIR的性能比較Table 1 Capability corporation of VAMPIR ML11 and VAMPIR

注：①探測距離的探測條件：能見度為10 km，溫度為20℃，相對濕度為80%；②導(dǎo)彈直徑為400～500 mm。

表2 SPIRAL系統(tǒng)紅外光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)如下Table 2 Parameter of SPIRAL infrared optical system

從VAMPIR ML11， SPIRAL等系統(tǒng)可以看出現(xiàn)代艦用紅外搜索跟蹤系統(tǒng)正朝著擴大功能、提高性能、減少體積和質(zhì)量的方向發(fā)展。

美國海軍對TISS系統(tǒng)進(jìn)行招標(biāo)，1997年投入使用。1999年3月裝艦試驗的預(yù)警紅外搜索跟蹤系統(tǒng)(SIRST)系統(tǒng)性能指標(biāo)見表3。

表3 TISS和SIRST系統(tǒng)的性能指標(biāo)

另外還有以色列光電工業(yè)有限公司(ELOP)研制的SPIRTAS(DS-35)IRST系統(tǒng)，主要裝備以色列海軍的巡邏艇和導(dǎo)彈艇，系統(tǒng)采用3～5 μm的InSb紅外探測器，總重380 kg。

2.3 地基IRST系統(tǒng)

已開發(fā)的地基IRST傳感器[13-14]，如皮爾金頓公司的ADAD，SAGEM公司的Vigy 105/150/200系列和薩伯公司的IRS-700，用來向防空火炮/導(dǎo)彈提供發(fā)射指示。皮爾金頓公司目前的步兵便攜型ADAD從1992年開始服役。它采用環(huán)形燈陣列來指示目標(biāo)方位。一個處理器可以控制4個遠(yuǎn)距離顯示裝置。在便攜式V-SHORADS發(fā)射器中，導(dǎo)彈系統(tǒng)和ADAD之間的電子連接裝置提供聲音指示，在水平方向上引導(dǎo)操縱人員。一旦系統(tǒng)裝上皮爾金頓公司的熱瞄具，ADAD將可以產(chǎn)生可視指示。

國內(nèi)經(jīng)過近十年努力，在紅外搜索跟蹤系統(tǒng)研制方面取得了突破性進(jìn)展。選用的紅外探測器包括中波或長波、致冷或非致冷、線陣掃描或凝視焦平面等多種形式，可方位360°、俯仰-5°～95°連續(xù)旋轉(zhuǎn)搜索目標(biāo)，行進(jìn)中建立航跡并穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)(在頻率0.5 Hz、幅度-5°～5°條件下)，其光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)、探測器應(yīng)用技術(shù)和圖像處理技術(shù)均居于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3 紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究現(xiàn)狀

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)具有視場大、數(shù)據(jù)率高、處理速度快、作用距離遠(yuǎn)、目標(biāo)指示精度高、反應(yīng)時間短、探測概率高、虛警率低等特點。其中紅外傳感器是紅外搜索跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，它需要有高性能的焦平面多元探測器作基礎(chǔ)，光學(xué)系統(tǒng)要具有溫度自動補償?shù)裙δ堋?/p>

3.1 前視紅外系統(tǒng)的發(fā)展

機載光電導(dǎo)航系統(tǒng)中前視紅外系統(tǒng)[15-16]最早用于1980年9月洛克希德·馬丁公司開始研制的“藍(lán)天”機載夜間導(dǎo)航(AN/AAQ-13)和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)吊艙(AN/AAQ-14)上，后來為滿足空對空跟蹤、戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御和作戰(zhàn)損傷評估的需要，對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)增強，稱為“藍(lán)天”2000+系統(tǒng)。為阿聯(lián)酋生產(chǎn)的“先進(jìn)”F-16戰(zhàn)斗機上，將安裝AN/AAQ-32前視紅外和目標(biāo)探測系統(tǒng)(IFTS)。其他產(chǎn)品如雷神公司研制的ASQ-228型ATFLIR采用中波段紅外系統(tǒng)、洛克希德·馬丁公司研制的Sniper XR高級瞄準(zhǔn)吊艙、諾斯羅普·格魯門公司研制的改進(jìn)型Litening系統(tǒng)(稱為Litening2 II系統(tǒng)(編號AN/ AAQ228吊艙))、英國BAE系統(tǒng)航空電子公司和法國的泰利斯光電技術(shù)公司正在研制的JOANNA系統(tǒng)、法國泰利斯光電技術(shù)公司生產(chǎn)的Damocles瞄準(zhǔn)吊艙、BAE公司正在改進(jìn)400系列TIALD系統(tǒng)吊艙等都對前視紅外系統(tǒng)做著不斷的改進(jìn)，具體改進(jìn)如表4所示。

表4 前視紅外系統(tǒng)的發(fā)展改進(jìn)

特別是由英國BAE系統(tǒng)航空電子公司和法國的泰利斯光電技術(shù)公司研制的JOANNA系統(tǒng)注重采用新技術(shù)，這些技術(shù)包括：

(1) 具有對如運動車輛大小的目標(biāo)實現(xiàn)全自動多目標(biāo)跟蹤的能力；

(2) 具有主動激光照射目標(biāo)能力，以獲得高分辨率圖像；

(3) 具有自動指揮和控制系統(tǒng)，按照J(rèn)OANNA系統(tǒng)跟蹤多目標(biāo)運動特征和類型，可以自動測算戰(zhàn)術(shù)態(tài)勢,從而實現(xiàn)自動控制和指揮；

(4) 機載目標(biāo)分辨、識別與指示系統(tǒng)，具有自動識別、分辨目標(biāo)的能力，并且具有比現(xiàn)役此類系統(tǒng)吊艙更遠(yuǎn)的“安全火力圈外”實施空空、空地和空海精確攻擊能力；

(5) 采用綜合的態(tài)勢感知組件，組件中將包括一部合成孔徑雷達(dá)(AMSAR ，采用主動電掃描陣列)、一臺紅外搜索和跟蹤系統(tǒng)、電子支持儀器等其他傳感器(如超光譜傳感器)、數(shù)據(jù)鏈和導(dǎo)航系統(tǒng)。

3.2 紅外成像技術(shù)發(fā)展趨勢

紅外成像技術(shù)的最核心部分當(dāng)屬紅外探測器技術(shù)[17-18]，包括紅外材料、器件等重大制造工藝技術(shù)，涉及紅外探測器基礎(chǔ)理論、總體設(shè)計、薄膜材料生長技術(shù)、材料性能表征與評價技術(shù)。新型紅外探測器技術(shù)，包括多色、量子阱、量子點、超晶格、超導(dǎo)、非晶態(tài)、有機等新型探測器；紅外探測器表面處理與鈍化、互連等技術(shù)；紅外探測器制造工藝過程控制、測試與評價等技術(shù)。而從紅外成像系統(tǒng)的信息鏈路上看，其傳輸環(huán)節(jié)包括目標(biāo)與環(huán)境的紅外輻射，大氣傳輸，紅外光學(xué)系統(tǒng)聚焦成像，探測器敏感接收與光電轉(zhuǎn)換，圖像信號的耦合讀出，圖像信號的處理/增強/信息提取/顯示與判讀或信息利用(例如目標(biāo)自動提取、鎖定與制導(dǎo)等)等一系列環(huán)節(jié)，因此同樣應(yīng)高度重視所有信息傳輸鏈路上各個關(guān)鍵技術(shù)的研究。

從第1代紅外探測器至今已有40余年歷史，按照其特點可分為4代：第1代(1970s—1980s)主要是以單元、多元器件進(jìn)行光機串/并掃描成像；第2代(1990s—2000s)是以4×288為代表的掃描型焦平面；第3代是凝視型焦平面；目前正在發(fā)展的可稱為第4代，以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型系統(tǒng)級芯片為主要特點，具有高性能數(shù)字信號處理功能，甚至具備單片多波段融合探測與識別能力。

3.3 紅外圖像處理技術(shù)的發(fā)展

圖像處理技術(shù)[19-20]作為IRST系統(tǒng)的一項關(guān)鍵技術(shù)，包括目標(biāo)、背景及干擾源的紅外輻射特性建模、紅外信息的預(yù)處理、目標(biāo)截獲和目標(biāo)跟蹤技術(shù)等。

國外對目標(biāo)、背景及干擾源的紅外輻射特性已進(jìn)行過許多研究，也進(jìn)行了許多實際測試。國內(nèi)也針對一些特定因數(shù)、運算進(jìn)行實際測試，數(shù)據(jù)尚不全面，因此在工程上，技術(shù)人員多采用理論分析和實際測試相結(jié)合的方法。

紅外信息的預(yù)處理在近十幾年取得了巨大的進(jìn)展。由于IRST系統(tǒng)是一種大視場被動探測系統(tǒng)。通常，系統(tǒng)信息處理的主要任務(wù)是將雜波背景下的點目標(biāo)檢測出來，要求高數(shù)據(jù)率的實時處理能力，以及低的虛警率下高探測能力。一般采用空間濾波和時間濾波，如移動均值濾波器，方差濾波器，最小均方差濾波器，空間匹配濾波器等。目標(biāo)截獲技術(shù)是在目標(biāo)、背景及干擾源建模、紅外信息預(yù)處理基礎(chǔ)上，選擇出適用的目標(biāo)判別方法，確定出判據(jù)準(zhǔn)則、判別流程以及相關(guān)參數(shù)。當(dāng)目標(biāo)截獲后，IRST系統(tǒng)轉(zhuǎn)入目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，多目標(biāo)跟蹤通過測量數(shù)據(jù)建立目標(biāo)航跡，刪除虛假信息。一旦目標(biāo)航跡被建立和確認(rèn)，則目標(biāo)本身的信息被量化，如目標(biāo)速度(角速度)，加速度(角加速度)和位置等，可被實時精確預(yù)測出來。常用的技術(shù)有數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)算法PDA，多假設(shè)算法MHT,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，多分辨率跟蹤算法，最大似然估計MLS與期望值最大化算法EM相結(jié)合的遞歸算法等。

從最近機載IRST系統(tǒng)的發(fā)展方向看，多機動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)將成為集探測、處理和通信等功能為一體的整個大規(guī)模跟蹤系統(tǒng)的一個組成部分。這時將多機動目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)(包含多探測器數(shù)據(jù)融合技術(shù)和群跟蹤技術(shù))與人工智能技術(shù)相結(jié)合，就產(chǎn)生了人工智能型的多目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。另外，近來在國內(nèi)外興起并迅速發(fā)展起來的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，由于其獨特的大規(guī)模并行處理、分布式信息存儲、良好的自適應(yīng)性和自組織性以及很強的學(xué)習(xí)、聯(lián)想和容錯功能等特征。特別是與傳統(tǒng)的隨機自適應(yīng)系統(tǒng)相比，它不僅有更強的學(xué)習(xí)能力，而且還具有記憶、選擇、抽象和識別能力，通過對其系統(tǒng)的訓(xùn)練，有可能自動找到解決問題的方法。它對數(shù)據(jù)或環(huán)境條件不確定性的容忍能力很強，尤其適用于噪聲與雜波干擾背景下的信號檢測、參數(shù)估計、目標(biāo)特征提取與識別、系統(tǒng)建模等問題。因此，應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論有可能找到解決機動多目標(biāo)跟蹤問題的有效手段，并發(fā)展成為新一代機動多目標(biāo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)跟蹤理論。它對改進(jìn)現(xiàn)代智能電子系統(tǒng)，特別是軍用探測和電子戰(zhàn)設(shè)備的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能發(fā)揮重大作用，甚至帶來突破性的進(jìn)展。此外，把模糊理論融入目標(biāo)判別和跟蹤算法中，將有助于多目標(biāo)跟蹤的工程實現(xiàn)。

隨著搜索空間探測范圍增大，作戰(zhàn)環(huán)境越來越復(fù)雜，要求圖像處理技術(shù)不斷升級，硬件要具有高速信號處理能力，軟件要能夠?qū)崟r處理大量數(shù)據(jù)，具有多目標(biāo)探測、處理、跟蹤、邊搜索邊跟蹤能力，研究紅外目標(biāo)檢測跟蹤的隊伍也不斷壯大，國內(nèi)部分科技大學(xué)、重點理工大學(xué)都有研究所、研究室在專門對此類課題進(jìn)行研究，更有效的算法也在不斷出現(xiàn)。

4 結(jié)論

綜合上述，紅外搜索跟蹤系統(tǒng)正朝著以下方向發(fā)展：

(1) 小型化和組件化

紅外搜索跟蹤系統(tǒng)在小型化方面已取得了很大進(jìn)展，十多年前大而笨重(重達(dá)幾噸)的IRST系統(tǒng)已逐步為小型、輕便的設(shè)備所取代。尤其是掃描指向器部分質(zhì)量已做到小于100 kg,能直接安裝在艦船或載車的桅桿上。其主要組成部分，包括掃描光學(xué)系統(tǒng)、熱成像器和搜索跟蹤信號處理器等均逐步做到標(biāo)準(zhǔn)化和組件化，降低了成本，提高了質(zhì)量和可靠性，這些均為IRST系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

(2) 兼有目標(biāo)指示和測距功能

使IRST系統(tǒng)具有被動測距能力，兼有目標(biāo)指示和對目標(biāo)的測距功能，是IRST獨立應(yīng)用、構(gòu)成隱蔽性優(yōu)良、全被動式工作武器系統(tǒng)的重要前提。目前國外已有公司在這方面開展深入研究，在性能上取得了新的突破。

(3) 縮短目標(biāo)搜索周期、提高武器系統(tǒng)的反應(yīng)能力

IRST系統(tǒng)的特點之一是目標(biāo)搜索范圍大，能發(fā)現(xiàn)和搜索大空域與遠(yuǎn)距離的來襲目標(biāo)。但擴大目標(biāo)搜索范圍與縮短目標(biāo)搜索周期、提高武器系統(tǒng)反應(yīng)時間有矛盾。目前國外正在發(fā)展的一種采用多面體光學(xué)掃描、而熱成像器保持不動的紅外搜索跟蹤系統(tǒng)，為解決這一矛盾提供了新途徑。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代以后，隨著紅外焦平面陣列探測器件、高速數(shù)字信號處理器、圖像處理算法等方面技術(shù)的提高，極快地促進(jìn)了IRST系統(tǒng)的開發(fā)。目前世界上已經(jīng)研制成功或正在研制當(dāng)中的新型IRST系統(tǒng)，均已采用或準(zhǔn)備采用雙波段工作，同時利用各種先進(jìn)技術(shù)，使之具有輕小型化和高效能的特點，這也正是新一代IRST系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。

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