弹道导弹红外成像制导的关键技术

第25卷第4期2004年12月GUIDANCE&FUZEVol.25No.4Dec.2004:167120576(2004)04200112041,2,1,1(1.华中科技大学,湖北武汉430074;2.中国三江航天集团设计所,湖北武汉430034):,,、、、,。:;;:TJ765.333:AKeyTechnologyonBallisticMissileInfraredImagingGuidanceZHANGYi2guang1,2,DINGMing2yue1,ZHOUCheng2ping1(1.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,WuhanHuBei430074;2.InstituteofChinaSanjiangSpaceGroup,WuhanHuBei430034,China)Abstract:Introducesinbriefthattherequirementonballisticmissileinfraredimagingguid2ance.Presentsthekeytechnologyonballisticmissileinfraredimagingguidance,suchascollecti2vitytechnology,infraredwindowmaterial,objectcharacteristics,automaticobjectrecognition.Givessomeopinionsandadvicesofdevelopingballisticmissileinfraredimagingguidance.Keywords:ballisticmissile;infraredimagingguidance;keytechnology:2004-06-23:张义广(1973-),男,博士研究生,主要从事红外成像制导、模式识别与智能系统的设计研究。0引言现代战争已步入信息化时代,而信息化战争又具有如下特点[1]:¹信息优势是充分发挥高技术武器装备火力和机动性的首要条件;º精确制导武器成为决定战争成败的必要手段;»导弹对抗、体系对抗贯穿战争的全过程;¼高技术武器、新概念武器的使用层出不穷。在不具有空、天、电磁和信息优势的一方,只有采用不对称的战略思想发展防区外精确打击手段,削减对方的信息优势,才能在经济技术相对落后的情况下,打赢一场旨在捍卫国家主权的战争。弹道导弹速度快、射程远、突防能力强,可以在自己的防区内发射生存能力较强、破坏力大,并能携带子母弹头、核弹头或生物化学弹头的攻击性武器。弹道导弹吸收飞航导弹的特点,在末段装配寻的制导技术,既能发挥弹道导弹的固有优势,又能具备自动寻的能力,是弹道导弹发展的必然趋势,也是防区外精确打击技术的发展需要[2]。因此,弹道导弹对导引头的需求越来越迫切,根据不同作战目的对宽带被动雷达导引头、毫米波导引头、红外凝视成像导引头、电视导引头、主被动复合雷达导引头以及其它各种双模和多模复合导引头都有不同程度的需求。1弹道导弹红外成像制导的需求装配了寻的制导的弹道导弹,可以在防区外攻击航空母舰以削弱其作战效能,甚至消灭敌航空母舰;可以用来反卫星、反预警机以破坏敌信息链系统的侦察环节、预警环节,从而削弱对方的信息优势;可以攻击对方导弹防御系统的雷达,从而压制甚至硬杀伤敌防御系统的雷达,降低对方防御系统的能力;还可以用来反导,拦截敌导弹的进攻。总之,具备自动寻的能力的弹道导弹作战范围相当宽广。目前弹道导弹所装配的末制导系统多数是被动雷达导引头、主动雷达导引头或是两者的复合。虽然雷达导引头的全天候作战能力较强,但即使使用了现代数字信号处理技术,其自动目标识别能力也相当有限,难以识别复杂的地面目标,如机场、桥梁、军事指挥通信中心等,因而攻击目标范围有限。合成孔径雷达成像对目标识别能力较强,但需要在导弹上安装精确定位系统如GPS系统,并且对导弹的运动有一定的要求才能较好地工作,而GPS系统受美国限制,战时可能不太好用。上述局限迫使弹道导弹设计师们寻找新的能满足导弹作战性能要求的末制导系统。红外凝视成像末制导由于具有二维成像能力,灵敏度高、导引精度高、抗干扰能力强、智能化(可实现发射后不管)、可以准全天候作战、适应性强(可以安装在各种型号的导弹上使用,只是识别跟踪软件不同)、自动目标识别能力很强,可以大大地扩展弹道导弹的攻击目标范围,并且容易实现导弹结构化、模块化的设计思想,因此逐渐成为未来弹道导弹末制导选择的方向之一。弹道导弹要实现防区外精确打击卫星、各种地面军事目标的目的,有必要采用红外凝视成像末制导,以提高打击精度,扩大目标打击范围,使处于空、天、电磁和信息弱势的一方拥有对抗强敌的/杀手锏0武器系统。即使在未来空、天、电磁和信息方面势力得到增强的条件下,具有自动寻的的弹道导弹在反卫星和反航母两个方面还具有较高的性价比,是攻击该两种目标的一种有效手段。1997年,美国海军装备技术发展战略研究系列咨询报告52000~2035年美国海军技术6中,提出了/发展新一代价格低廉的精确制导反舰弹道导弹0的建议,且指出了航母至今仍缺乏对弹道导弹的有效防御措施。总之,红外成像制导可以大大扩展弹道导弹的攻击目标范围,使弹道导弹的作战性能和威慑力大大增强,并在相当长时间内使弹道导弹对红外成像制导有比较迫切的需求。2弹道导弹红外成像制导关键技术红外成像制导是利用目标的红外辐射形成制导指令导引导弹攻击目标的一种制导方法。其作用距离视大气的实际透过率、探测器的最小可分辨温差、观察要求(探测识别概率要求)以及目标实际情况的不同而不同[3]。弹道导弹一般利用红外成像进行末段制导,视场大小根据导弹中制导精度、导弹姿态控制情况和要求的作用距离来选择。为了降低研制难度,导弹中段制导精度应保证红外成像制导开机工作时,目标在其视场范围内,但即使有了这一条保障前提,弹道导弹使用红外成像制导仍存在许多需要解决的技术难题。只有在相关关键技术都得到完全解决时,才可以将红外成像制导技术应用到弹道导弹上。2.1弹道导弹要应用红外成像制导,首先要解决的就是总体技术。总体技术要确定成像制导体制、制导方法、气动光学效应校正方法、成像制导的测试与仿真等一系列问题,还要确定成像制导的技术指标。根据导弹总体性能的需要,确定较好的技术方案,会降低红外成像制导的研究难度。如采用外加保护罩并在导引头工作时抛开保护罩,将降低对光学头罩的压力,使现有的光学材料能够满足使用要求,当然也会增加控制和制导的1225复杂程度;采用末段减速技术,会降低气动热效应和气动光学效应对红外成像质量的影响,同时会降低自动目标识别算法的研制难度,还可能会对突防造成不良影响;提高中制导精度,保证成像制导工作时目标在导引头的视场范围内可以减少导引头稳像系统的设计难度等。另外,中末制导的交班、保护抛罩技术、减速技术等关系到弹道导弹能否真正应用红外成像制导技术。2.2目前使用较多的红外窗口材料一般有ZnS、石英晶体、蓝宝石(Al2O3)、金刚石、MgF4、尖晶石等。ZnS透波特性比较理想,长波限较长,经过镀膜处理透过率较高,耐高温能力较差,不经过处理很难应用到弹道导弹上,但它是唯一能够在长波范围内使用的材料;石英晶体、MgF4、尖晶石和蓝宝石的熔点较高,强度和抗振动能力也较好,经过镀膜处理透过率也可以满足使用要求,但两者都不能透长波红外,而地面目标辐射的峰值波长处于长波红外段,因此其应用也受到限制,且生长出的蓝宝石体积还较小,难以满足前视窗口的使用要求;金刚石是比较理想的红外窗口材料,但其价格昂贵,不适合大量使用。因此需要寻找和研究耐高温、高透过率、抗振动、高强度、长波限长的其它红外窗口材料,或利用先进材料工艺合成某种复合材料,来满足弹道导弹对红外窗口材料的需求。2.3目标特性技术是红外成像制导技术的先决条件,目前在高速弹道导弹条件下,目标特性还没有被系统的研究。目标特性研究有两条技术途径:a)对退化图象进行某种校正和恢复,使退化图象复原到正常图象,然后利用正常图象的目标特性研究成果对目标特性进行研究,提取出简单适用的目标特征,因此要研究图象退化的机理,研究气动光学效应和气动热效应的校正方法,研究自适应光学校正方法以及图象恢复校正方法;b)直接利用退化图象进行目标特性研究,充分利用目标特性的先验知识直接提取目标特征,这种方法节省了图象恢复所需要的硬件资源和时间资源,但目标特征提取的难度较大。实际研究中应对两种途径并重,并结合两种方法的优点寻找新的目标特征提取方法。2.4目标识别算法的研究和验证需要大量图象数据,而通过外场搭载试验获得真实图象的数量相当有限,远远满足不了目标识别算法的研究需要。将低速未退化的图象转换成高速退化图象是一条获得图象的有效途径,因此要在深入研究退化图象机理和退化模型的基础上,研究超高速动态红外图象数据的获取方法,并通过获得的有限图象样本进行修正。要研究有限样本条件下高速图象数据的模拟方法,应用外场试验获得的真实图象进行修正,使研究出的获取方法正确、有效。2.5弹道导弹飞行速度高,末制导飞行时间较短,给自动目标识别和跟踪系统的时间很少,对该算法和系统的实时性要求严格。目前,所取得的自动目标识别算法研究成果可以为弹道导弹自动目标识别算法提供技术支持,但还需利用形态学理论、模式识别理论、图象处理理论、光学理论、计算机理论、并行算法理论、现代数字信号处理理论中的多种知识进行适应弹道导弹需要的自动目标识别算法和系统研究。高速大容量信号处理机是自动目标识别算法实现的载体,弹道导弹对其实时性要求更强,面临的问题更多,需要研究并行算法实现,并研究可动态重构的数字信号处理机。2.6高速飞行的弹道导弹再入大气时,气动热效应和气动光学效应严重,对成像系统产生严重的影响,使所成的像产生偏移、抖动和模糊,甚至会因头罩的高温辐射遮盖了目标,使导引头根本看不到目标而造成制导失败,所以必须研究气动热效应和气动光学效应的校正和消除技术,研究气动热效应和气动光学效应的自适应光学消除技术、快速有效的图象恢复校正技术。13第4期,:当然,还有许多关键技术,如光学系统无热化设计问题、高精度稳像跟踪(位标器或者数字稳像技术)等,这些都是将弹道导弹应用到红外成像制导技术上的障碍,需要再进行研究。3看法与建议针对上述问题,积极探索其解决办法是一个长期而复杂的工程,需要联合各相关专业的力量,在总体型号牵引的条件下集中优势/兵力0进行攻坚战。目前急需解决的是有无问题,即在确认某一区域有某种攻击目标(实际作战时,可通过侦察获得这种信息)的先验信息的基础上,研究弹道导弹的红外成像制导和自动目标识别技术,并使该技术尽快应用到型号上,然后在此基础上完善、改进,寻求真正的ATR技术。在弹道导弹研制过程中,应加强弹道导弹红外成像制导技术的预先研究工作,并将预先研究工作纳入型号研制的管理过程中。就弹道导弹红外成像制导技术的研究,本文提出以下几点意见:a)尽早安排弹道导弹特有问题的预先研究工作,如整流罩成像特性、目标特性研究、超高速动态红外图象数据的获取方法、总体应用技术等方面的研究工作,为弹道导弹早日应用于红外成像制导奠定基础;b)加强共性技术研究、总体与分系统研究之间的沟通,且理论研究要结合型号工程实践来进行,要研究工程应用急需的理论实践问题,追求新技术与解决型号工程应用问题要并重;c)预研工作考核应纳入型号研制的管理过程中,特别要注意打破研究成果/束之高阁0的局面,推动研究成果的快速应用,解决研究成果与具体利益之间的矛盾,寻求国家利益最大化,避免/宁愿成果腐烂没有利益也不提供应用0的局面。4结束语在没有空天和信息优势的国家弹道导弹应用红外成像制导的需求越来越迫切,而相应的红外成像制导技术的发展水平又相对落后,滞后于导弹应用的需求,因此需要加大力度进行研究,弹道导弹设计师和红外成像制导技术研究人员的密切合作,将是推动弹道导弹应用红外成像制导进程的强力催化剂。[1]张义广,丁明跃,周成平.地地弹道导弹对抗高技术武器系统的策略分析[A].2003年全国光电技术交流会