劉 杰，劉國生，周建波，陳 寧，馬賢杰，李增光

（中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

傳統(tǒng)紅外誘餌作為干擾紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最簡單有效的方式，可有效對抗早期紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。隨著制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)紅外誘餌在對抗先進(jìn)紅外精確制導(dǎo)武器方面已顯得力不從心[1]。

紅外導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)抗干擾是基于對比干擾與目標(biāo)在各種信息上的不同，從而識別出目標(biāo)，達(dá)到抗干擾的目的[2]。目標(biāo)與干擾在信息上的不同主要表現(xiàn)在運(yùn)動、光譜、空間位置、能量、形狀等特性[3-5]。隨著第三代（十字叉型導(dǎo)引頭、玫瑰花掃描導(dǎo)引頭）、第四代（成像導(dǎo)引頭）紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的裝備，導(dǎo)引頭的抗干擾能力大大增強(qiáng)。對于十字叉型導(dǎo)引頭，截獲目標(biāo)后，通過縮減波門，濾除干擾和背景，緊緊套住目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)抗干擾；對于玫瑰花掃描和紅外成像型導(dǎo)引頭，采用準(zhǔn)成像和成像方式獲取目標(biāo)圖像，通過圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和圖像識別提取目標(biāo)圖像特征，采用相關(guān)跟蹤、運(yùn)動軌跡預(yù)測跟蹤、航跡外推等跟蹤算法對目標(biāo)運(yùn)動軌跡進(jìn)行預(yù)測，實(shí)現(xiàn)抗干擾。

傳統(tǒng)紅外誘餌與飛機(jī)平臺運(yùn)動軌跡區(qū)別明顯，導(dǎo)引頭采用波門選通或軌跡識別方法可以很容易剔除干擾；自推進(jìn)紅外誘餌由于自帶動力，拋射后伴隨載機(jī)飛行，可逼真模擬載機(jī)的運(yùn)動特征，能有效干擾先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。本文介紹了先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭工作原理和抗干擾措施，分析了自推進(jìn)紅外誘餌干擾先進(jìn)紅外導(dǎo)引頭的原理，為對抗先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭提供思考。

1 自推進(jìn)紅外誘餌工作原理

自推進(jìn)紅外誘餌通過特殊的噴喉以及彈體氣動外形設(shè)計(jì)，燃燒產(chǎn)物從尾噴口噴出，為誘餌提供動力，使誘餌拋射出筒后保持與載機(jī)相似的運(yùn)動特征，模擬載機(jī)的運(yùn)動軌跡；同時，噴射出的燃燒產(chǎn)物形成紅外輻射源，且輻射強(qiáng)度大于載機(jī)尾噴管和尾焰，輻射光譜與載機(jī)相近，逼真模擬載機(jī)的紅外輻射特征。因此，自推進(jìn)紅外誘餌可以逼真模擬載機(jī)的運(yùn)動軌跡特征和紅外輻射特征，從而能夠有效對抗具有軌跡識別能力的紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。其工作原理示意圖如圖1所示。

圖1 自推進(jìn)紅外誘餌彈工作原理示意圖

2 國外自推進(jìn)紅外誘餌發(fā)展現(xiàn)狀

國外裝備的典型自推進(jìn)紅外誘餌主要有Esterline公司MJU-71/B、MJU-57/B、Kilgore公司MJU-47/B、MJU-39/40B、洛勒爾公司Loralei伴飛誘餌、切姆林公司K 7等，均已經(jīng)裝備到F-16、F-18、F-22等多種機(jī)型上，到2012年動力式誘餌研制經(jīng)費(fèi)投入將近100億美元，裝備訂貨量將占誘餌市場份額的20%左右，研究新型誘餌技術(shù)對抗具有運(yùn)動軌跡識別技術(shù)的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈已成為國外電子戰(zhàn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢之一。

MJU-71B是Esterline公司開發(fā)的一種自推進(jìn)紅外誘餌[6]，采用改進(jìn)的MTV藥劑作為煙火材料。這種煙火材料既產(chǎn)生誘使敵方導(dǎo)彈遠(yuǎn)離飛機(jī)的紅外能量，同時也起推進(jìn)劑的作用，能產(chǎn)生足夠的推力，使誘餌彈跟隨飛機(jī)飛行而不會迅速下落。MJU-71/B的尺寸為25 mm×25 mm×206 mm，可從美國空軍的標(biāo)準(zhǔn)投放系統(tǒng)上投放，外形如圖2所示。

圖2 MJU-71/B自推進(jìn)式紅外誘餌

MJU-57/B，如圖3所示，其尺寸為φ36×150 mm，主要包括火箭發(fā)動機(jī)、點(diǎn)火組件、尾翼，火箭發(fā)動機(jī)包括固體推進(jìn)劑、不銹鋼管、塑料噴嘴裝置等。

MJU-47/B紅外誘餌如圖4所示，它采用改進(jìn)的MTV藥劑作為煙火材料。MJU-47/B的尺寸為52 mm×65 mm×200 mm，質(zhì)量為123 9 g，可從美國空軍的標(biāo)準(zhǔn)投放系統(tǒng)如AN/ALE-45/47上投放，用于F-15、F-16等戰(zhàn)斗機(jī)上。

圖3 MJU-57/B自推進(jìn)誘餌

圖4 MJU-47/B自推進(jìn)紅外誘餌

MJU-39/40B由推進(jìn)/紅外復(fù)合裝藥和SMD 2種載荷組成，尺寸為52 mm×65 mm×260 mm，該彈專為F-22飛機(jī)研制，由AN/ALE-52投放器投放。光譜和強(qiáng)度上能夠形成與飛機(jī)紅外特征相似的紅外輻射，并且在飛行速度和運(yùn)動軌跡方面與載機(jī)相當(dāng)，可以誘騙具有目標(biāo)光譜鑒別和運(yùn)動識別能力的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。

洛勒爾公司研制Loralei空氣動力式誘餌主要用在下一代戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)。它用火箭作動力，由標(biāo)準(zhǔn)的干擾投放器彈射，誘餌運(yùn)動軌跡和紅外輻射特征與載機(jī)相似。切姆林公司研制的K7自推進(jìn)型紅外誘餌如圖5所示，其性能參數(shù)為：彈體尺寸：51.82 mm×24.64 mm×206 mm；質(zhì)量為540 g；發(fā)射后質(zhì)量為460 g；紅外輸出＞2.0 kW/sr(4～5μm)；上升時間＜0.1 s；最小燃燒時間為1.5 s；發(fā)射速度為26～54 m/s。自帶推進(jìn)載荷，可用于對抗具有抗軌跡識別能力的熱尋的和紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，匹配投放器包括AN/ALE40、45和47系列以及M 130/M 147等。

圖5 K7自推進(jìn)誘餌的實(shí)物圖及戰(zhàn)術(shù)使用效果圖

3 先進(jìn)導(dǎo)引頭工作原理及抗干擾措施分析

自第一代紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈問世至今，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已經(jīng)發(fā)展到第四代，攻擊范圍從尾后攻擊發(fā)展到全向攻擊，工作波段從近紅外向遠(yuǎn)紅外發(fā)展，制導(dǎo)體制從點(diǎn)源制導(dǎo)向成像制導(dǎo)轉(zhuǎn)變，制導(dǎo)精度進(jìn)一步提高、抗干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。其中，具有運(yùn)動軌跡識別能力的導(dǎo)引頭為采用十字交叉/玫瑰花掃描體制的第三代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭，以及具有成像能力的第四代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。

3.1 十字叉型導(dǎo)引頭

3.1.1 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大部分組成[7]。工作方式為圓錐掃描式，在像平面上產(chǎn)生像點(diǎn)掃描圓。像平面上放置十字叉型探測器陣列，目標(biāo)像點(diǎn)以圓的軌跡掃過十字叉型探測器列陣。圖6為反射式光點(diǎn)掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖。

圖6 反射式光點(diǎn)掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖

十字叉型導(dǎo)引頭信息處理電路原理方塊圖如圖7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(jìn)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(jìn)入采樣、保持緩沖電路，對來自基準(zhǔn)信號發(fā)生器的正弦基準(zhǔn)信號和余弦基準(zhǔn)信號電壓進(jìn)行采樣、保持，以產(chǎn)生瞬時的直流誤差電壓VAZ和VEL，此瞬時直流誤差電壓大小由脈沖信號相對于正弦基準(zhǔn)和余弦基準(zhǔn)瞬時值的位置來決定，也就是由目標(biāo)偏離光軸的失調(diào)角大小來決定，直流電壓的極性由目標(biāo)偏離光軸的方向來確定，因此，直流誤差電壓即可反映目標(biāo)的方位信息?？刂茖?dǎo)引頭向減小直流誤差的方向運(yùn)動，即可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤。

圖7 十字叉型導(dǎo)引頭信息處理電路原理方框圖

3.1.2 抗干擾措施分析

從圖7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，只有開關(guān)電路的門打開的時間內(nèi)，目標(biāo)脈沖進(jìn)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(zhǔn)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(zhǔn)信號進(jìn)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(dá)到剔除背景和干擾的目的。波門脈沖出現(xiàn)的時間與目標(biāo)脈位調(diào)制信號出現(xiàn)的時間完全同步，而目標(biāo)脈位調(diào)制信號與目標(biāo)的空間方位有關(guān)，從緩沖器輸出的直流誤差電壓反映目標(biāo)的方位，當(dāng)目標(biāo)和干擾在空間差異明顯時，采用波門選通可以很容易將干擾剔除。

3.2 玫瑰線掃描導(dǎo)引頭

3.2.1 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F1和F2的轉(zhuǎn)速繞光軸反方向旋轉(zhuǎn)，便實(shí)現(xiàn)玫瑰線掃描，如圖8所示。

圖8 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，ρ為掃描花瓣長度，即視場半徑，與偏斜角度有關(guān)，也與目標(biāo)距離有關(guān)。F1、F2為主、次鏡的轉(zhuǎn)速（旋轉(zhuǎn)頻率）。

當(dāng)沿玫瑰線軌跡掃過視場中的目標(biāo)時，位于系統(tǒng)焦點(diǎn)上的紅外探測器接受目標(biāo)輻射產(chǎn)生的一個目標(biāo)脈沖，對應(yīng)的視場為玫瑰線掃描的瞬時視場；當(dāng)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（如圖8所示）。玫瑰線掃描獲得的目標(biāo)信息是以目標(biāo)脈沖的形式出現(xiàn)的，而每一個目標(biāo)脈沖都隱含了一個目標(biāo)時間ti，ti與目標(biāo)的方位息息相關(guān)，只要把視場中一個目標(biāo)的方位信息X（t）和Y（t）的信號電壓分別疊加到位標(biāo)器的偏航和俯仰進(jìn)動線圈上，使之轉(zhuǎn)向X（t）、Y（t）減小的方向，直至X（t）=Y（t）=0時，位標(biāo)器光軸（視線）對準(zhǔn)目標(biāo)為止。一旦目標(biāo)偏離光軸（視線），就有X（t）、Y（t）值出現(xiàn)，又“自動”地使之向視線方向轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤目標(biāo)的目的。

3.2.2 抗干擾措施分析

由于玫瑰線掃描目標(biāo)脈沖的非周期性和多脈沖特性，使得采用一般的相關(guān)跟蹤和波門選通技術(shù)難以解決多目標(biāo)問題；用一般的模擬電路就更難實(shí)現(xiàn)了。一次完整的玫瑰線掃描，可得到目標(biāo)不同部位處的熱輻射信號特征，經(jīng)過信號處理，即可得到目標(biāo)的熱圖像信息，因此，玫瑰線掃描本質(zhì)上是一種亞成像工作體制。作為一種亞成像機(jī)制，玫瑰掃描系統(tǒng)采用瞬時視場掃描總視場，可以實(shí)現(xiàn)總視場的空間分解，得到目標(biāo)的亞圖像。結(jié)合信號處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)對圖像進(jìn)行預(yù)處理與圖像識別，捕獲跟蹤目標(biāo)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(biāo)，經(jīng)過運(yùn)動補(bǔ)償、估計(jì)，控制玫瑰線掃描，可以實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)區(qū)域的鎖定跟蹤，將大部分背景和干擾濾除。

3.3 紅外成像導(dǎo)引頭

3.3.1 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9所示。

圖9 紅外目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)

紅外成像導(dǎo)引頭通過探測目標(biāo)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)探測象元。這些探測象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，所有象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(biāo)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(jī)動飛行的目標(biāo)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度的目標(biāo)。對來自陣列的熱數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)字處理，結(jié)果可以得到目標(biāo)信息和威脅程度的順序排列。

3.3.2 抗干擾措施分析

紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)、背景、干擾成像后，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(biāo)的各種特征（包括目標(biāo)大小、長度、寬度、灰度分布、平均灰度、最大灰度、灰度變化率、運(yùn)動方向、運(yùn)動軌跡、運(yùn)動速度和運(yùn)動加速度等），采用特定的跟蹤算法對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤，采用不同的跟蹤算法，就形成了不同的抗干擾措施。典型的抗干擾措施有特征相關(guān)匹配跟蹤和運(yùn)動軌跡預(yù)測跟蹤。

1）特征相關(guān)匹配跟蹤

特征相關(guān)匹配跟蹤適用于小目標(biāo)跟蹤和復(fù)雜背景或低信噪比條件下的目標(biāo)跟蹤。對于小目標(biāo)，當(dāng)存在復(fù)雜干擾時，由于沒有質(zhì)心跟蹤和模板匹配跟蹤所需的目標(biāo)灰度分布信息，只有運(yùn)動速度、運(yùn)動方向和軌跡信息，只能采用特征相關(guān)匹配跟蹤。特征相關(guān)匹配跟蹤時，先根據(jù)前幀目標(biāo)運(yùn)動速度和方向，估計(jì)當(dāng)前幀波門的大小和位置，然后根據(jù)前一幀歷史數(shù)據(jù)以及目標(biāo)特征的連續(xù)性和規(guī)律性，預(yù)測當(dāng)前幀特征參數(shù)，然后在波門內(nèi)，用以上特征作為匹配參數(shù)，尋找匹配誤差最小的點(diǎn)作為目標(biāo)在當(dāng)前幀的位置。

2）運(yùn)動軌跡預(yù)測跟蹤

預(yù)測跟蹤是根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動特性，預(yù)測目標(biāo)最可能的運(yùn)動軌跡，通過軌跡預(yù)測實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤，該方法特別適合于目標(biāo)丟失、目標(biāo)原有特征消失或目標(biāo)由于干擾無法識別時使用。常用的預(yù)測器有線性預(yù)測器，線性預(yù)測器的工作原理如下：

設(shè)目標(biāo)位置函數(shù)f(t)在N個順序時刻的測量值為f(ti)（i=1，2，…，N），且f(t)可以用Y=a0+ta1作為最佳線性逼近。

測量值與逼近值之間的誤差為：

對N點(diǎn)估計(jì)的均方誤差為：

最佳逼近即式（3）取最小值。經(jīng)最小二乘法運(yùn)算后，得：

式（4）就是f(t)在最小均方誤差意義下的N點(diǎn)最佳線性逼近的通解，通過記錄目標(biāo)前面的運(yùn)動軌跡數(shù)據(jù)，采用線性預(yù)測器可預(yù)測目標(biāo)未來最可能出現(xiàn)的位置，導(dǎo)引頭跟蹤距預(yù)測位置最近的目標(biāo)，而將其它干擾剔除，從而實(shí)現(xiàn)抗干擾。

4 自推進(jìn)誘餌干擾先進(jìn)導(dǎo)引頭機(jī)理分析

4.1 干擾十字叉導(dǎo)引頭

從十字叉導(dǎo)引頭工作原理可知，十字叉導(dǎo)引頭采用波門選通的方式實(shí)現(xiàn)抗干擾，傳統(tǒng)紅外干擾彈運(yùn)動軌跡與載機(jī)差異很大，采用波門選通電路可以很容易剔除干擾；自推進(jìn)紅外誘餌，拋射出去后會伴隨載機(jī)飛行一段時間，運(yùn)動軌跡與載機(jī)相似，使誘餌與載機(jī)同處于波門視場內(nèi)，從而無法剔除干擾，達(dá)到干擾導(dǎo)引頭的目的。作用原理示意圖如圖10-11所示。

圖10 波門選通電路剔除傳統(tǒng)誘餌原理示意圖

圖11 自推進(jìn)誘餌干擾十字叉導(dǎo)引頭原理示意圖

4.2 干擾玫瑰花掃描和成像導(dǎo)引頭

玫瑰花掃描和成像導(dǎo)引頭分別屬于亞成像和成像制導(dǎo)體制。對于傳統(tǒng)紅外干擾彈，拋射出去后快速向載機(jī)后下方運(yùn)動，運(yùn)動軌跡與載機(jī)差異很大，采用特征相關(guān)匹配跟蹤和軌跡預(yù)測跟蹤算法很容易將干擾剔除；對于自推進(jìn)紅外誘餌，采用特殊的氣動外形設(shè)計(jì)，且具有自推力，可在一定程度上克服重力和風(fēng)阻，使誘餌可伴隨載機(jī)飛行一段時間，保證運(yùn)動軌跡與載機(jī)相似，紅外輻射特征也與載機(jī)相似，因此，可有效干擾具有相關(guān)匹配跟蹤算法和運(yùn)動軌跡預(yù)測跟蹤算法的導(dǎo)引頭。軌跡預(yù)測作用原理示意圖如圖12所示。

圖12 軌跡預(yù)測作用原理示意圖

5 結(jié)束語

隨著十字叉型、玫瑰花掃描、凝視成像等第三代、第四代先進(jìn)紅外制導(dǎo)體制導(dǎo)彈的大量裝備，傳統(tǒng)紅外誘餌已不能滿足載機(jī)末端防護(hù)需求。自推進(jìn)紅外誘餌可逼真模擬載機(jī)運(yùn)動特征和紅外輻射特征，能有效干擾先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，為奪取制空權(quán)，提升未來戰(zhàn)場戰(zhàn)機(jī)的末端自衛(wèi)防護(hù)能力，亟需加大自推進(jìn)紅外誘餌的研制和裝備步伐。