紅外成像制導技術在反隱身空空導彈上的應用展望

劉珂 王煒強 李麗娟

摘 要：????? 現代隱身飛機對雷達型空空導彈構成巨大挑戰，而紅外成像制導技術在體制上具有良好的反隱身能力。本文介紹了國內外空空導彈紅外成像制導技術研究發展現狀，分析了紅外成像導引頭技術在未來反隱身超視距空空導彈上的應用前景，提出了一種反隱身紅外成像導引頭的技術方案。該導引頭采用了中/長波雙色成像探測技術，能夠滿足發射后截獲條件下探測隱身目標和抗紅外誘餌干擾的要求。分析研究表明紅外雙色成像導引頭技術對于提高國內超視距空空導彈的反隱身性能具有重大意義。

關鍵詞：???? 紅外成像制導; 中/長波雙色成像; 反隱身; 超視距; 空空導彈; 紅外導引頭

中圖分類號：???? TJ765.3+33; V249.32+6

文獻標識碼：??? A

文章編號： ????1673-5048（2022）02-0060-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0219

0 引? 言

超視距空空導彈已經是當前空戰的主力武器，其大多采用雷達導引頭。因為傳統的紅外導引頭存在發射后截獲能力弱、氣動阻力大、氣動熱影響嚴重等不利因素，所以很少用于超視距空空導彈。但隨著新型紅外成像探測技術、氣動減阻和氣動熱抑制技術的日趨成熟，上述不利因素有望得以消除。再加上飛速發展的雷達隱身技術和電磁干擾技術對雷達導引頭構成了嚴峻挑戰，從體制上具有良好反隱身和抗電磁干擾能力的紅外成像制導技術再次得到各軍事強國的青睞[1]，擬將其推廣應用到超視距空空導彈上。例如，美國海軍曾經籌劃研制AIM-9X Block III型空空導彈，提高了60%的射程，使其具備了超視距攻擊能力[2]。

本文對可能適用于超視距空空導彈的國內外紅外成像導引頭技術進行分析，并提出一種反隱身空空導彈用紅外成像導引頭的技術方案。

1 反隱身需求對空空導彈導引系統的挑戰

現代飛機側重雷達隱身能力。國外裝備和在研的隱身飛機主要有美國的F-22和F-35，俄羅斯的Su-57，日本的“心神”等，具有很小的前向RCS。

據估計，F-22前向RCS約為0.01 m2。如果雷達導引頭對前向RCS為3 m2的MiG-29截獲距離為40 km，則在同樣條件下對F-22的截獲距離將小于5 km，很難滿足空空導彈的實際作戰需求。

當前空空導彈雷達導引系統針對反隱身需求的主要解決措施是采用大功率的相控陣雷達進一步提高發射功率[3]。但該措施主要受空空導彈有限彈內空間和能源的制約，在熱耗、能耗上都有很大的瓶頸。據估計，下一代隱身飛機的RCS會較目前下降一到兩個數量級以上，單靠挖掘相控陣雷達導引頭的潛力已很難有效對抗這類隱身目標。

飛機紅外隱身的手段主要有屏蔽熱源、低發射率涂料、熱抑制等 [4]，這些措施在戰斗機上的使用有很大的局限性。戰斗機依靠具有強大推力的噴氣式發動機提供高能量機動性能，也伴隨產生了巨大的紅外輻射能量。隱身飛機只能依靠寬大的機身、機翼和尾翼在前向有限角度內局部遮擋后機身高溫發動機段產生的紅外輻射能量，一旦進入躲閃來襲導彈狀態或機動占位狀態，就不可避免地將側向暴露于導彈觀測方向，高溫后機身一覽無余。另外，超音速巡航是隱身戰斗機獲取能量優勢的保證，但在該狀態下飛機蒙皮受氣動加熱的影響而升溫，產生的紅外輻射能量會嚴重破壞其前向紅外隱身性能。

綜合來看，紅外隱身技術在第四代隱身戰機上應用所產生的效果不如雷達隱身技術那么成效斐然。如圖1所示， 四代機的紅外輻射分布與三代機相似， 也是前向輻射小，側向、后向輻射明顯。據估計，亞音速狀態下四

代機的前向有限角度內的紅外輻射強度大約是三代機的30%左右。紅外導引系統的作用距離下降接近50%。通過進一步挖掘紅外成像導引頭潛力，可以有效對抗這類隱身目標。

但紅外成像制導技術在超視距空空導彈上的應用還面臨以下三項技術問題：

（1） “射后截獲”狀態下檢測階段抗干擾問題。由于紅外導引頭采用的被動工作方式不具備“距離門”搜索能力，因此，復雜的強背景信號與目標自身的信號混疊在一起被導引頭接收，對自動目標識別能力要求很高。此外，在高對抗環境下，敵機通過自身的告警裝置在己方導彈發射后就大量施放紅外誘餌，因此，紅外導引頭還必須解決在檢測階段抗紅外誘餌干擾的問題。

（2） 氣動阻力大影響射程的問題?？湛諏椉t外成像制導系統通常采用球冠形整流罩，安放在彈頭最前端。球冠形整流罩能夠保證導引系統具有較大的跟蹤場范圍，而且在制導跟蹤過程中整個光學系統的像質不發生改變。但這種整流罩的氣動阻力較大，影響導彈的飛行速度和射程。

（3） 氣動加熱影響探測的問題。導彈在大氣層內超音速飛行時產生的激波加熱了位于導引頭前端的光學整流罩。激波和整流罩的紅外輻射能通過光路進入紅外探測器，造成背景噪聲及干擾增加，影響紅外導引頭探測、截獲和跟蹤性能。

國內外針對紅外成像制導技術在超視距空空導彈上的應用開展了大量的研究工作，已取得較好的研究成果。

2 國內外相關技術現狀

2.1 采用高靈敏度多色紅外成像技術

多色紅外成像技術可以同時在多個光譜波段上對同一對象（背景與目標）進行觀測并獲得相應波段的響應圖像。其反映了觀測對象在各個窄光譜波段上的響應特性，包含了觀測對象的更多光譜能量和特征信息，可大大提高導彈的探測目標能力和抗干擾能力。

法國的MICA-IR空空導彈和以色列的Python 5空空導彈（見圖2）都采用了雙波段紅外成像導引頭，具有較遠的作用距離和較好的抗干擾能力[5]。其中MICA-IR采用機電掃描的雙波段紅外成像焦平面陣列探測器，Python 5采用了更先進的雙波段疊層凝視焦平面MCT探測器。

超視距空空導彈具有大彈徑（178～203 mm）的特點，可以為紅外成像導引系統提供比近距格斗導彈（彈徑127～160 mm）更大的空間，便于采用大通光孔徑的光學系統，可有效提高紅外成像導引系統的探測靈敏度，增加對飛機目標的作用距離。

目前主流的紅外型空空導彈采用的是中波紅外成像導引頭。中波紅外成像系統主要敏感來自飛機目標高溫后機身發動機段的紅外輻射能量，具有較高的溫度靈敏度，圖像對比度和空間分辨力都較長波系統更好，能夠敏感更多的目標細節特征。如前所述，四代機主要通過寬大的機身、機翼和尾翼在前向有限角度內遮蔽后機身發動機段的辦法，大幅度削弱了自身的前向紅外輻射能量（主要集中在中波段），相應降低了中波紅外成像導引頭對四代機的迎頭探測距離。

考慮到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，采用長波紅外系統可以有效提高對目標的迎頭作用距離。此外，傳統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與中波紅外系統相比不明顯，可能有利于通過形狀特征識別目標。

因此，中/長波雙色成像導引系統是超視距空空導彈的優選方案。該系統不僅對隱身目標具有“全向探測”能力，還可以獲取目標、背景和干擾的中/長波紅外特征，通過雙色信息融合技術極大地提高空空導彈在“射后截獲”狀態下檢測階段抗干擾能力[6]。

目前制約該系統在空空導彈上應用的一個主要技術瓶頸是整流罩材料的選取，最佳解決辦法是采用金剛石整流罩 [7]。

2.2 采用氣動減阻和氣動熱抑制技術

研究方向主要集中在保形光學技術、平板側窗整流罩技術、導引頭整流罩前加裝激波桿技術和拋罩技術等。

2.2.1 保形光學技術

保形光學采用與最佳彈體氣動外形相一致的整流罩，可以大大降低導彈飛行時的阻力，改善導彈的空氣動力特性。2000年，美國雷神公司將長徑比為1.5的保形整流罩應用于“毒刺”導彈（見圖3）。實驗結果表明，導彈所受的空氣阻力減小了25%，射程增加了1倍[8-9]。

國內研制出了相關保形光學技術的樣品和測試設備，有望在不遠的將來獲取實用化突破[10]。

保形光學技術存在的問題除了大范圍校正像差的光學系統設計難度大和結構復雜外，對于氣動熱抑制的效果不佳。主要是由于采用保形光學技術的導彈氣動阻力低，其最高速度相較傳統鈍頭體的導彈更高。因此，整流罩前端駐點處的激波溫度更高，使得整流罩更易被依附其表面的高溫激波層加熱，整流罩產生的熱輻射無法得到有效抑制。

2.2.2 平板側窗整流罩技術

相比于同直徑的球冠形整流罩，大傾角的平板側窗整流罩氣動阻力更小，氣動加熱溫度最高的駐點區域不在整流罩表面上。平板窗口易于采用物理制冷的方式降低其表面溫度，抑制氣動熱。

美國雷神公司于20世紀90年代提出的AIM-9X競標方案，就采取了可旋轉的平板側窗式整流罩導引頭方案（見圖4）[11]，具有更小的氣動阻力和更好的抗氣動加熱效果。

美國研制的THAAD導彈也采用了平板側窗結構（見圖5），使得整流罩窗口避開了氣動加熱溫度最高的導彈最前端區域[12]。另外，還可能采用了物理制冷的方式來降低整流罩溫度。常用的物理制冷方式有光學側窗外部冷卻和內部冷卻[13]。

平板側窗整流罩技術在國內的航天部門也有相關應用[13-14]。存在的問題是平板側窗形式限制了導引頭紅外探測系統的角度搜索和跟蹤范圍，要滿足對高機動目標的打擊需求，則對于彈體姿態控制系統要求比較高; 此外，彈體外形的非對稱布局會給彈體飛控系統帶來更大的氣動力控制難度。

2.2.3 導引頭整流罩前加裝激波桿技術

在鈍頭體的飛行器頭部安裝針狀結構（激波桿），通過改變激波形狀來降低氣動阻力。美國、德國和當時的蘇聯等從20世紀60年代就對激波桿的減阻機理和效果開展了大量的數值仿真和實驗研究。該項技術已應用到美國的“三叉戟”潛射彈道導彈上，減阻效果達到35%～50% [15]。

該項技術在光學導引頭上也得到應用。美國雷神公司研制的“網絡中心機載防御單元”（NCADE）在AIM-9X導引頭上加裝了激波桿（見圖6），將激波層推離球形整流罩表面，一來降低激波阻力[16]，二來減少高溫激波對整流罩的氣動加熱效果[17]。

國內對該技術的研究主要集中在減阻機理和數值仿真分析方面。從研究成果來看，該項技術在尋的制導導彈上應用的瓶頸主要是減阻效果與彈體攻角關系很大，只有在小攻角時才能有較好的氣動減阻和氣動熱抑制效果 [18]。由于打擊高機動目標的空空導彈經常需要做大攻角飛行，因此限制了該項技術在空空導彈上的應用。

2.2.4 拋罩技術

德國研制的地空型IRIS-T導彈為了降低導彈的飛行阻力，提高導彈的射程，在紅外導引頭上加裝了一個流線型的保護罩。在進入末制導段時拋掉保護罩，紅外導引頭開始探測并截獲目標[19]。國內的SD-30地空導彈系統也采用了同樣的拋罩技術（見圖7）。

拋罩技術已經非常成熟，很適合于“發射后截獲”功能的遠射程導彈。缺點是頭罩通過爆炸分離，出于安全性考慮，導彈不具備“發射前截獲”能力。

3 應用展望

通過對上述技術進行分析，提出一種適用于未來反隱身空空導彈的紅外成像導引頭探測系統方案設想，如圖8所示。

3.1 總體構成

導引頭采用中/長波雙色成像技術，兩種不同波段的探測系統可以同時成像， 信息處理系統對兩路圖像數據并行處理?？紤]到國內中/長波疊層雙色凝視成像探測器技術尚不夠成熟，以及分立式多探測器所具有的冗余度有利于抗激光定向干擾的優點，擬利用超視距空空導彈大彈徑（≥200 mm）的特點，將兩個分立的中波和長波大面陣凝視焦平面探測器安放于導引頭內，中波和長波探測器的面陣規格相同，共用一個光學孔徑，視場大小相同。出于提高后勤維護性和滿足中遠距空空導彈對導引頭長工作時間的需要，選擇斯特林制冷的大面陣焦平面探測器。

考慮到斯特林制冷探測器體積重量比較大，為了滿足位標器穩定平臺小型化的需要，可采用共口徑分光路中長波紅外光學系統和半角機構形式的位標器，將兩個探測器固定安放在位標器的固定端，將共口徑光學系統置于位標器的穩定平臺上，在固定端的反射鏡后加裝一個分光鏡，將入射的中波和長波能量分為兩個獨立光路，傳遞到對應的探測器焦平面上。

擬在光學整流罩前加裝可拋卡門曲線外形的保護罩，既隔離氣動熱，又減少彈道初、中段飛行狀態下的導彈氣動阻力。整流罩采用導熱能力強的金剛石材料，另外在導引頭艙內加裝環控系統，通過高壓介質膨脹吸熱的J-T制冷方式對導引頭光學系統和整流罩進行冷卻，解決導彈末制導段高速飛行氣動加熱對光學系統的影響。

3.2 關鍵技術及解決途徑

反隱身空空導彈紅外成像導引頭關鍵技術之一是發射后截獲條件下的低信噪比目標探測識別與抗干擾技術。

發射后截獲技術能夠極大地擴展紅外導彈的使用模式和作戰包線。對于紅外導引頭而言，必須解決中末制導交接班成功概率問題、目標探測識別問題和檢測階段抗紅外誘餌干擾問題。

計算導彈中末制導交接班截獲目標概率時主要考慮角度截獲。對于紅外導引頭而言，就是其在末制導截獲階段的搜索視場必須覆蓋目標角度指示誤差。由于發射后截獲狀態下導彈與目標都處于高速運動中，因此，導引頭必須在較短的截獲時間內遍歷整個搜索視場。在滿足探測能力前提下，應盡可能地選取大的導引頭瞬時視場，提高搜索效率。

影響紅外導引頭探測距離的因素有目標與背景的輻射特性差異及其在大氣傳輸中的效率、光學系統與探測器的特性以及系統的信號處理特性等。

對于如F-22這樣的隱身目標，超音速巡航狀態下目標的蒙皮輻射相對于高空背景是較為明顯的輻射源。因此，采用中長波雙色探測是比較理想的，既可以提高系統對隱身目標的探測距離，也可通過目標、背景與干擾的不同波段差異提高系統發射后截獲下的抗背景和紅外誘餌干擾能力。

紅外系統對于遠距離點目標的探測能力可以用靈敏閾He來估計，靈敏閾He越低，探測能力越好：

He=AdΔfA0D*τ0×m×SNR（1）

提高紅外系統探測能力的主要途徑如下：

（1） 減小探測器光敏元面積Ad（降低熱噪聲）和探測系統噪聲等效帶寬Δf;

（2） 增大光學系統接收面積A0;

（3） 提高探測器的星探測率D*;

（4） 降低系統截獲信噪比SNR;

（5） 降低工程系數m（探測電路內部噪聲串擾）。

探測系統噪聲等效帶寬與探測器的積分時間成反比。增加積分時間，能夠很好地增加探測器對接收到的弱小目標能量的積累，有利于提高作用距離。但增加積分時間的同時會降低系統的動態范圍，在氣動熱情況下容易使探測器輸出飽和。故積分時間選取應根據導彈的實際工況參數決定。

在探測器面陣尺寸確定的情況下，光學系統的瞬時視場大小與焦距大小成反比。瞬時視場大會引入過多的背景干擾，小則會不利于截獲目標。因此，需要結合中末制導交接班概率選擇合適大小的瞬時視場。本文認為探測器面陣尺寸應不小于256×256元，瞬時視場在5°～6°左右為宜。

大通光孔徑光學系統體積較大，在回轉框架角和整流罩曲率半徑方面受彈體限制較多，但探測距離更遠，光學分辨力也更高。

降低系統截獲信噪比的技術途徑包括采用基于神經網絡和高通濾波的自適應非均勻性校正技術降低圖像空域噪聲，以及采用基于雙色圖像并行處理的空-時融合處理算法，利用雙色圖像中目標的空-時一致性和白噪聲的空-時非相關性，降低雙色圖像聯合檢測所需要的截獲信噪比。

解決發射后截獲階段抗紅外誘餌問題的技術途徑是采用基于雙色多維特征的融合抗誘餌干擾算法。由信息處理系統對雙色序列圖像進行并行處理，提取圖像中潛在目標的運動、光譜、形狀和能量等特征; 通過空域關聯，建立潛在目標的特征鏈集合，并加入色比特征; 最后，通過特征融合處理實現目標與干擾的識別。

3.3 性能預測

本文設想的中長波雙色成像導引頭的主要參數選取和靈敏閾估算如表1所示。

理想凈空背景條件下，紅外探測系統對點目標的最大探測距離為

R=τaηJTHe（2）

式中： R為紅外系統最大探測距離; τa為響應波段內大氣有效透過率; η為紅外系統光譜效率，JT為響應波段內目標紅外輻射強度。

目前尚沒有可靠的隱身飛機紅外輻射強度數據，但通常認為四代隱身機在亞音速狀態下的前向有限角度內的中波紅外輻射強度大約是三代機的30%左右。由于四代機通常采取內埋武器艙的方式來滿足雷達隱身的需要，因此，其機體容積較大，導致蒙皮的表面積也相應較大，可以認為四代機的長波紅外輻射強度不會低于三代機水平。

根據上述分析，假定國外四代隱身機的前向中波輻射強度為10 W/sr ，長波輻射強度為40 W/sr。所設想的中長波雙色成像導引頭的探測能力估算如表2所示。

由表2可以看出，中波探測系統對隱身飛機的迎頭探測距離下降至14 km，而長波探測系統的探測距離大于21 km。探測性能可以滿足超視距空空導彈反隱身飛機的作戰需要。

4 結? 論

受制于空空導彈有限的彈內空間和電能資源，主動雷達導引頭很難通過增大天線孔徑和提高發射功率的簡單辦法來對抗隱身能力大幅提升的下一代飛機?？紤]到下一代飛機依然會使用熱動力，很難大幅降低紅外輻射能量，因此，從高效對抗角度出發，在體制上具有反隱身優勢的紅外成像制導技術很值得關注。目前，國內外在紅外成像制導技術領域已有較好的技術基礎，中/長波雙色紅外成像導引頭在反隱身空空導彈上具有廣闊的應用前景。

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Application and Prospect of Infrared Imaging Guidance

Technology in Anti-Stealth Air-to-Air Missiles

Liu Ke1， 2*， Wang Weiqiang1， 2， Li Lijuan1， 2

（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China;

2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons， Luoyang 471009，China）

Abstract： Radar guided air-to-air missiles are threaten by modern stealth aircraft， and infrared imaging guidance technology has the inborn anti-stealth ability. The research and development status of infrared imaging guidance technology for air-to-air missiles at home and abroad are introduced in this paper， the application prospect of infrared imaging seeker technology in future anti-stealth beyond-visual-range（BVR）air-to-air missiles is analyzed， and a technical scheme of anti-stealth infrared imaging seeker is proposed. The seeker adopts medium / long wave two-color imaging detection technology， which can meet the requirements of detecting stealth targets and resisting infrared decoy interference under the condition of interception after launch. The analysis and research show that the infrared two-color imaging seeker technology is of great significance to improve the anti-stealth performance of domestic BVR air-to-air missiles.

Key words：? infrared imaging guidance; medium / long wave two-color imaging; anti-stealth; BVR，air-to-air missiles; infrared seeker