李麗娟，劉 珂

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空空導彈紅外成像探測技術(shù)發(fā)展分析

李麗娟1,2，劉 珂1,2

（1. 中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009；2. 航空制導武器航空科技重點實驗室，河南 洛陽 471009）

隱身飛機與新型紅外干擾技術(shù)的發(fā)展，對空空導彈的紅外探測與抗干擾能力都提出了更高的要求。紅外成像探測系統(tǒng)是實現(xiàn)紅外空空導彈遠距離探測目標的關(guān)鍵，其所提供的目標、背景和干擾信息是紅外空空導彈實現(xiàn)目標識別和抗人工與背景干擾的基礎，因此，紅外探測技術(shù)的發(fā)展是影響紅外空空導彈未來發(fā)展方向的關(guān)鍵之一。本文首先介紹了空空導彈紅外成像探測技術(shù)的現(xiàn)狀與特點，最后分析了空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。

空空導彈；紅外成像探測；雙色紅外；高靈敏探測

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭離不開制空權(quán)的支持，而性能先進的空空導彈是奪取制空權(quán)的重要保證，在現(xiàn)代空戰(zhàn)中發(fā)揮著越來越顯著的作用。二次世界大戰(zhàn)后，空空導彈得到迅速發(fā)展，逐漸形成了紅外和雷達兩種體制互補，遠、中、近距搭配的空空導彈家族[1]。其中紅外型空空導彈已發(fā)展了四代，作為其換代典型標志的紅外導引頭從最初的短波單元調(diào)制盤探測體制發(fā)展到最新的中波紅外成像探測體制，從而使得空空導彈對目標的探測能力從最初的僅能尾后攻擊發(fā)展到可全向攻擊，從最初的最大探測距離5km左右發(fā)展到20km以上，抗人工干擾與背景干擾的能力也得到了顯著提升。

未來戰(zhàn)場上的主力戰(zhàn)斗機如美國的F-22、F-35均有比較完善的隱身能力和綜合干擾能力，新型機載多點源、面源和伴飛誘餌干擾以及激光定向干擾都在持續(xù)發(fā)展中。這使得未來紅外型空空導彈所處的作戰(zhàn)環(huán)境更加復雜、更加惡劣，對紅外空空導彈的探測能力和抗干擾能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。紅外導引頭探測系統(tǒng)是實現(xiàn)紅外空空導彈遠距離探測目標的關(guān)鍵，其所提供的目標、背景和干擾的信息是紅外空空導彈實現(xiàn)目標識別和抗人工與背景干擾的基礎。因此，紅外探測技術(shù)的發(fā)展是影響紅外空空導彈未來發(fā)展方向的關(guān)鍵之一。

本文試對空空導彈紅外成像探測技術(shù)的現(xiàn)狀和后續(xù)發(fā)展做初步的探討。

1 空空導彈紅外成像探測技術(shù)現(xiàn)狀與特點

1.1 空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)簡介

目前世界各國已裝備的第四代紅外空空導彈都采用了紅外成像探測技術(shù)，大幅度提高了導彈對目標的探測能力，可以全向探測、攻擊目標，具備較強的抗傳統(tǒng)紅外誘餌干擾能力。典型的有美國的AIM-9X、英國的ASRAAM、德國的IRIS-T、法國的MICA-IR、以色列的Python V和南非的A-Darter等。國外典型第四代紅外成像空空導彈如圖1[2-3]所示。

上述空空導彈中IRIS-T、MICA-IR和A-Darter采用了線列掃描成像技術(shù)，而AIM-9X、ASRAAM和Python V則采用了凝視成像技術(shù)。線列掃描成像與凝視成像是實現(xiàn)紅外成像探測的2種方式，二者的主要區(qū)別是使用的紅外探測器分別是線列和面陣焦平面探測器，前者需要在光學系統(tǒng)中增加掃描鏡。從探測性能上比較，同樣參數(shù)下的紅外凝視成像探測系統(tǒng)具有更高的靈敏度，但由于面陣探測器的非均勻性比較嚴重，其高靈敏度的優(yōu)勢必須在良好的非均勻性校正基礎上才能發(fā)揮出來。

從探測波段上看，AIM-9X、ASRAAM和IRIS-T均采用了中波紅外探測，而MICA-IR、Python 5和A-Darter采用了雙色紅外成像探測，其主探測波段也是中波。紅外探測器、光學頭罩等技術(shù)的發(fā)展對空空導彈探測波段和體制的選擇具有較大的影響。當前中波紅外面陣探測器和可用于中波的頭罩制備技術(shù)相對比較成熟，因此選擇中波紅外凝視成像探測是空空導彈的主流。為了進一步提高紅外空空導彈抗典型紅外誘餌干擾的能力，利用目標與誘餌光譜差異的雙色紅外成像探測技術(shù)在空空導彈上得到應用。由于空空導彈體積小、重量輕，需要集成的雙色探測器實現(xiàn)雙色紅外成像探測，因而大多雙色成像空空導彈采用了相對易于研制的雙色線列掃描探測器。圖2[2]列出一些空空導彈的紅外圖像。

圖1 國外典型第四代紅外成像空空導彈

圖2 國外第四代空空導彈紅外導引頭圖像

1.2 空空導彈紅外探測系統(tǒng)的特點

紅外成像探測技術(shù)已廣泛應用于光電偵察、搜索跟蹤與制導武器等軍用領(lǐng)域和紅外測溫、安保監(jiān)視等民用領(lǐng)域，與其他領(lǐng)域的應用相比，空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)具有以下顯著的特點：

1）體積小、重量輕

第四代紅外型空空導彈的彈徑多為127mm或160mm左右，體積和重量相比其他導彈較小，且大都具有接近±90°的跟蹤場。受到空空導彈小彈徑、大跟蹤場的限制，紅外成像探測組件要求體積小、重量輕，因此其光學系統(tǒng)的孔徑不能做得太大，一些先進的雜散光抑制、無熱化設計、非均勻性校正等技術(shù)的應用也受到諸多限制。這些對空空導彈提升探測性能是不利的因素。

2）大動態(tài)范圍響應

紅外探測系統(tǒng)需要正確地響應目標的紅外輻射并通過后續(xù)處理提取目標的有效信息以與背景和干擾進行區(qū)分。對于空空導彈而言，典型飛機目標的紅外輻射隨彈目距離、迎頭尾后攻擊方位及巡航加力飛行狀態(tài)的不同而發(fā)生劇烈的變化，在一個彈道過程中目標本身的紅外輻射變化通常不少于120dB。此外，在空空導彈發(fā)射后因氣動加熱引起的激波和整流罩溫升使得背景輻射大幅度增加，而目標的輻射是疊加在此背景輻射之上的，因而進一步提高了對系統(tǒng)響應動態(tài)范圍的要求。在當前技術(shù)水平下，紅外成像探測系統(tǒng)的高靈敏度與大動態(tài)范圍存在一定的制約關(guān)系，因此紅外成像探測系統(tǒng)的動態(tài)范圍設計與管理是影響系統(tǒng)性能的重要因素。

3）響應的快速性

在空空導彈攻擊目標的過程中，目標與導彈均處于高速飛行狀態(tài)，且飛機目標還具有高機動的特性，因此相對空空導彈紅外探測系統(tǒng)，目標的狀態(tài)變化很快，因而要求紅外探測系統(tǒng)具有快速響應能力。這意味著探測系統(tǒng)的幀頻較高，對目標和場景變化的響應要快，同時積分時間不能太長，否則會出現(xiàn)目標成像模糊。較低的積分時間對系統(tǒng)的探測性能也會造成不利的影響。

4）場景的背景輻射變化大

空空導彈紅外探測系統(tǒng)看到的背景可能是低溫的晴空背景，也可能是常溫的地面背景，及氣動加熱引起的高溫背景。空空導彈掛載在飛機上，飛機從地面到起飛至不同高度的作戰(zhàn)空域，空空導彈工作的環(huán)境會有很大的變化，環(huán)境溫度可能從四五十攝氏度變到零下幾十攝氏度。環(huán)境溫度的變化可能通過光學或結(jié)構(gòu)件的反射和輻射被紅外探測器響應。這些都使得空空導彈紅外探測系統(tǒng)響應的背景輻射變化很大。較大的背景輻射變化一方面使紅外探測系統(tǒng)的非均勻性發(fā)生比較嚴重的漂移，使得在某種場景下校正好的系統(tǒng)在劇烈變化的其他場景下呈現(xiàn)出嚴重的非均勻性，繼而影響空空導彈對目標的截獲和跟蹤性能。另一方面，要求紅外探測系統(tǒng)調(diào)整其最佳的響應區(qū)間，以便正確地響應疊加在背景之上的目標輻射。

2 空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展方向

隨著隱身飛機、新型紅外干擾技術(shù)的日益發(fā)展，以及空空導彈向遠程化發(fā)展的趨勢，對空空導彈的紅外探測能力、抗干擾能力以及復雜氣動熱環(huán)境的適應能力都提出了更高的需求，為適應這些軍事需求，紅外成像探測系統(tǒng)一方面需要在各種作戰(zhàn)環(huán)境下具有更高的目標探測靈敏度，另一方面，需要提供更多維度的其他信息以提高目標與干擾的區(qū)分度。下面對空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向進行初步的分析。

2.1 高靈敏探測技術(shù)

系統(tǒng)工作波段、探測器、光學系統(tǒng)、處理電路及非均勻性校正等各部分的性能都會影響紅外成像探測系統(tǒng)的靈敏度，其中有些技術(shù)已相對成熟，從未來發(fā)展看，需關(guān)注的技術(shù)有：

1）系統(tǒng)工作波段向長波擴展

由于目標迎頭方向的紅外輻射主要是蒙皮輻射，峰值波長在長波段，因此目前中波紅外探測系統(tǒng)對目標的迎頭探測距離最近，成為制約空空導彈探測性能的瓶頸。采用長波紅外系統(tǒng)可以有效提高目標的迎頭作用距離，此外傳統(tǒng)紅外誘餌彈在長波的紅外輻射較低，對目標的遮擋與照亮作用不明顯，可能有利于通過形狀特征識別目標。目前制約該系統(tǒng)在空空導彈上應用的主要技術(shù)瓶頸集中在整流罩材料上，最有望解決這一技術(shù)瓶頸的是金剛石整流罩材料技術(shù)。

2）靈巧紅外探測器

在提高紅外探測器本身性能的基礎上，將以往在探測器外進行的AD轉(zhuǎn)換和非均勻性校正、邊緣提取、運動檢測等算法集成到探測器讀出電路中[4]，可提高系統(tǒng)信噪比，減小探測系統(tǒng)的體積、質(zhì)量，降低功耗和成本，增強系統(tǒng)的可靠性。美國雷神視覺系統(tǒng)公司已開發(fā)出了這種在焦平面陣列中實現(xiàn)基于像素處理功能的靈巧紅外探測器，圖3[5]所示為其研發(fā)的一種自適應紅外探測器，有多種可選擇的工作模式。國內(nèi)211所等單位也研制出集成了AD轉(zhuǎn)換功能的紅外探測器。

圖3 靈巧紅外焦平面探測器可實現(xiàn)的圖像處理功能

3）微透鏡陣列與探測器耦合

當點源目標落入面陣探測器相鄰像元之間的空檔時，紅外探測系統(tǒng)對目標輻射的響應大幅降低，從而嚴重影響了空空導彈對目標的遠距離探測能力。采用微透鏡陣列作為聚能元件與探測器耦合，將落在光敏元空隙間的光能盡可能匯聚到光敏元上，可以有效提高光能利用率（見圖4）。根據(jù)國內(nèi)的相關(guān)報道，集成后的探測器的響應率可提高約40%，收效可觀[5]。

圖4 一種微透鏡陣列探測器集成結(jié)構(gòu)示意圖

4）實時非均勻性校正

為了實現(xiàn)在空空導彈全彈道過程中均保持良好的成像質(zhì)量，必須在背景輻射快速大幅度變化時及時進行非均勻性校正。目前研究較多的為定標校正與基于場景的自適應校正相結(jié)合的聯(lián)合非均勻校正算法[6-8]，在基于場景的非均勻性校正算法中需要重點解決鬼影抑制問題，可能采取的措施主要有：對圖像進行預處理，將容易產(chǎn)生鬼影的場景和FPN分開[9-11]；進行運動檢測，只在場景運動的時候更新系數(shù)，而場景不動時則不更新校正系數(shù)[12-14]；采用先驗知識和統(tǒng)計方法，將不符合要求的校正參數(shù)去掉[15]。

2.2 大動態(tài)范圍管理技術(shù)

為了適應空空導彈工作過程中目標與背景輻射的大范圍變化，需要紅外成像探測系統(tǒng)具有更大的動態(tài)范圍，且能根據(jù)背景與目標輻射的高低自適應地調(diào)整其響應范圍。

1）探測器直流分量抑制

隨著空空導彈彈速的增加，氣動加熱引起的背景輻射量激增，占用了紅外成像探測系統(tǒng)的很大一部分動態(tài)范圍，嚴重時甚至使目標飽和，這成為限制紅外成像探測系統(tǒng)在高速導彈上應用的重要因素之一。如果在探測器中增加直流分量抑制功能，就能使探測器根據(jù)后端系統(tǒng)的反饋摒棄一部分直流分量，僅響應設定值以上的紅外輻射，保證目標輻射的正常響應，避免系統(tǒng)飽和。

2）探測系統(tǒng)增益自適應調(diào)整

當彈目距離由遠及近時目標自身的輻射由弱至強發(fā)生很大的變化，探測系統(tǒng)的增益需要隨之調(diào)整以使目標信號達到最佳幅值范圍。紅外成像探測系統(tǒng)可通過變換探測器的積分電容及改變積分時間進行系統(tǒng)增益的控制。需要注意的是系統(tǒng)增益的調(diào)整會影響成像的非均勻性并造成目標特征的變化，因此在系統(tǒng)增益調(diào)整時要做好非均勻性的校正及目標特征在不同增益下的變換。

在彈目距離較近時，通過調(diào)整探測系統(tǒng)的增益還可實現(xiàn)對目標不同部位的清晰成像。圖5表示了目標不同部位與背景和干擾的溫度分布特點，即通常情況下，天空背景溫度最低，飛機機身比天空背景高，最高的是飛機的尾噴、尾焰等高溫區(qū)及干擾彈。當系統(tǒng)增益較高時，可得到目標蒙皮的清晰圖像，但發(fā)動機尾噴和尾焰部位可能會飽和失真；當系統(tǒng)增益降低時，可得到發(fā)動機尾噴和尾焰部位的清晰圖像，但蒙皮可能不完整。紅外成像探測系統(tǒng)可配合圖像信息處理的要求進行增益的調(diào)整，為目標瞄準點的精確識別及目標與干擾的區(qū)分提供最佳的圖像信息。

圖5 飛機、背景與干擾的溫度分布

2.3 高空間分辨技術(shù)

提高紅外成像探測系統(tǒng)的空間分辨率有助于增強目標形狀特征的提取能力，并更容易從空間上將目標與密集分布的干擾區(qū)分開，從而提高空空導彈目標識別和抗干擾能力。另一方面，希望能兼顧高空間分辨與大視場探測的需求。未來實現(xiàn)高空間分辨的技術(shù)途徑主要有：

1）變焦距光學系統(tǒng)

變焦距光學系統(tǒng)可以實現(xiàn)大視場下低分辨率和小視場下高分辨率，滿足系統(tǒng)在不同情況下對空間分辨率的不同需求。

2）新型探測器

國外提出了采用視網(wǎng)膜中央凹視覺機制的非均勻采樣智能焦平面陣列同時實現(xiàn)大視場、高空間分辨率和高幀頻的設想。如美國戰(zhàn)略防御局資助的中央凹導引頭多目標跟蹤研究及美國空軍航空系統(tǒng)部資助的中央凹自動目標識別技術(shù)研究，已取得了一定的進展[2]。美國NOVA傳感器公司研制的1024×1024 VASI焦平面陣列探測器如圖6所示，其可在不同的區(qū)域分別定義高空間分辨率和低空間分辨率的區(qū)域。圖7示出了采用上述探測器的成像系統(tǒng)對飛行中的直升機分別以常規(guī)的均勻采樣方式成像(a)和在小的中央凹區(qū)域（64×64）以高分辨率成像，其他區(qū)域為低分辨率成像的結(jié)果(b)[16]。

圖6 美國NOVA傳感器公司研制的1024×1024 VASI焦平面陣列

3）超分辨技術(shù)

實現(xiàn)超分辨的途徑之一是采用微掃描振鏡技術(shù)，即在凝視紅外成像傳感器的物鏡和焦平面陣列之間加入一個微掃描平面鏡，使該鏡子按一定規(guī)律做微小擺動以獲得若干亞像元級的圖像序列，通過對這些圖像進行超分辨率處理就可以重建出一幅高分辨率的圖像。該技術(shù)在美、法等國的吊艙中已得到應用，有的采用平移式壓電陶瓷微動器實現(xiàn)圖像的微掃描。圖8為微掃描圖像采樣點的示意圖。國外還提出了“不受控微掃描”的概念，即各幀之間的亞像素位移不是預先設計的，而是通過景物與焦平面之間的隨機運動產(chǎn)生的[17]。這種方法圖像重建的關(guān)鍵是能精確估計出序列圖像中相鄰幀間的相互運動，常見的運動估計方法有塊匹配法和基于梯度的迭代法等。

圖7 采用1024×1024 VASI焦平面陣列對飛行中的直升機成像

圖8 微掃描圖像采樣點的示意圖

另一種途徑是采用編碼孔徑成像技術(shù)，利用多孔徑編碼替代常規(guī)的光學元件，通過相關(guān)或解卷積對探測的二維強度圖像進行解碼，恢復場景的圖像。目前國外還提出了自適應編碼孔徑成像技術(shù)[18]，在提高分辨率的同時還有利于實現(xiàn)輕、薄、小的成像系統(tǒng)，及具有柔性故障模式、圖像畸變小等特點[16]。圖9為自適應孔徑編碼成像的示意圖。

2.4 雙色與多波段成像技術(shù)

利用目標與干擾之間光譜分布的差異有利于進一步提高空空導彈抗人工與背景干擾的能力，因此雙色與多波段成像探測是空空導彈發(fā)展的方向之一。實現(xiàn)雙色與多波段成像主要有以下兩種途徑：

1）利用多譜段焦平面陣列探測器

美、法、德和以色列等國均已研制出較大規(guī)模、不同波段組合的雙色疊層探測器，可同時輸出不同波段的圖像[19]，我國上海技術(shù)物理研究所等單位也在開展相關(guān)的研究[20]，隨著該項技術(shù)的成熟，未來可較容易地利用雙色疊層探測器實現(xiàn)雙色與多波段成像。

圖9 自適應孔徑編碼成像示意圖

2）利用寬波段探測器＋波段選擇器

通過寬波段探測器和波段選擇器可實現(xiàn)不同波段的快速成像，滿足空空導彈高幀頻、高光譜分辨力的要求。電可調(diào)諧光譜濾波器可實現(xiàn)快速的波段切換，且系統(tǒng)構(gòu)成簡單，可靠性高；缺點是所能形成的光譜帶寬太窄，對目標的識別距離近。另一種方式是采用機電結(jié)構(gòu)的波段選擇器，通過電機驅(qū)動將多個不同譜段的濾光片序列插入光路中，對入射光進行調(diào)制，分時輸出不同譜段的圖像。其優(yōu)點是一方面降低了對探測器的要求，另一方面系統(tǒng)能根據(jù)目標、背景、干擾選擇合適的譜段信息，波段帶寬和波段數(shù)可靈活選擇，具有較強的自適應性。

2.5 氣動熱抑制技術(shù)

氣動熱抑制措施需要從導彈系統(tǒng)的角度綜合考慮和權(quán)衡。對紅外成像探測系統(tǒng)而言，可通過光譜濾波抑制激波的紅外輻射、選用在高溫狀態(tài)下具有更低紅外輻射系數(shù)的整流罩材料、采用保形整流罩、加裝流線型保護罩和激波錐及主動制冷技術(shù)等。圖10為保形整流罩和常規(guī)球形整流罩的對比，圖11為采用激波錐的導彈。

圖10 保形整流罩和常規(guī)球形整流罩的對比

Fig.10 Comparison of conformaldomeandtraditional spherical dome

圖11 采用激波錐的導彈

3 結(jié)束語

紅外成像探測技術(shù)是第四代及未來紅外空空導彈的關(guān)鍵技術(shù)之一，未來空空導彈紅外成像探測系統(tǒng)將向著高靈敏探測、大動態(tài)范圍管理、高空間分辨、雙色與多波段成像等方向發(fā)展，以滿足空空導彈反隱身、抗干擾能力不斷提升的需求。

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Analysis of Air-to-air Missile IR Image Detecting Technology Development

LI Lijuan1,2，LIU Ke1,2

（1. China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China;2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons, Luoyang 471009, China）

The development of stealth airplanes and new IR countermeasures will be great challenges to air-to-air missiles and better detection and counter-countermeasure abilities. IR imaging detection system is the key to acquire a target in long range, and the information of the target, background and countermeasures from the detection system is the base for missiles to recognize target and counter countermeasures. So advanced IR image detecting technology is one of the key technologies for IR air-to-air missiles to develop. The current status and features of air-to-air missile IR image detecting technologies are introduced first, then the key technologies and its development trends are analyzed.

air-to-air missiles，IR imaging detection，dual color infrared，high sensitive detection

TP391

A

1001-8891(2017)01-0001-07

2016-09-23；

2016-10-06.

李麗娟（1968-），女，研究員，主要從事紅外成像制導、紅外探測技術(shù)的研究工作。