红外制导的发展趋势及其关键技术

红外制导的发展趋势及其关键技术赵超1，(1．中国航天科工集团第35研究所，北京100013；杨号22．海军驻阎良地区航空军事代表室，西安710089)摘要：在各种精确制导体制中，红外制导因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高等优点，在现代武器装备发展中占据着重要地位，综述了红外制导系统的发展历程、现状特点、未来趋势，为红外制导技术的研究开发提供有益参考。首先介绍了红外制导系统的工作原理和发展历程，然后从现代作战需求出发分析了当前红外制导系统的7个发展方向，最后从探测器件、信息处理、结构设计、干扰对抗等方面分析了未来红外制导系统发展中所面临的5种关键技术等。关键词：精确制导；红外制导；非制冷红外；红外成像；复合制导中图分类号：V448．13文献标识码：AAsurveyondevelopmenttrendsandkeytechnologiesofinfraredguidancesystemsZHAOCha01，YANGHad(1．No．35InstituteofCaSlC，蜥100013，Ol／na；2．NavyA蒯M／／／tary啪筋∞／nYan／／angArea，Xi’帆710089，Odna)Abstract：Amongmanykindofpreciseguidancesystems．IRguidancesystemisplayingan10reandmoreimportantruleinmodemweaponsystemsinceithasthecharacteristicsofhi曲precision，stronganti—interfer—encecapabilityandgoodbenefit-costratio．ThepapergivesabriefsurveyonIRguidancesystemandtech—niques，involvingitsevolutionhistory，developingtrends，andcriticaltechniques．Firstofall，workingprinciplesanddevelopingprocessofIRguidancesystemareexplained．Then，thedevelopingtrendsofmodemIRguid—ancesystemareanalyzedbasedonoperationalrequirements．Finally。fivecriticaltechnologiesinIRguidancefieldarediscussedindetailfromtheaspectsofIRdetector，informationprocessing，mechanicaldesign，andan—fi-jammingschemes．Keywords：preciseguidance；IRguidance；non—refrigeratedIR；IRimaging；compoundguidance0引言1红外制导技术概述根据未来战争的特点，精确制导技术的发展重点是不断提高制导系统的灵敏度、精度、抗干扰能力，不断增强系统在复杂背景下截获、跟踪目标的能力和对付多目标的能力。在各种精确制导体制中，红外制导技术因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高、结构紧凑、机动灵活等优点，正在受到愈来愈多的重视，其研究和发展方兴未艾。红外制导系统包括红外点源(非成像)制导和红外成像制导两大类。红外点源制导系统通常由光学系统、调制器、红外探测器、制冷器、伺服机构以及电子线路等组成。其工作过程为：光学系统接收目标红外辐射，经调制器处理成包括目标信息的光信号，由红外探测器将光信号转换成易处理的电信号，再经电子线路进行信号的滤波、放大、处理，检测出目标角位置信息，并将此信息送给伺服机构，使光轴向着目标方向运动，实现制导系统对目标的持续跟踪。红外制导的发展趋势及其关键技术这类系统的优点是结构简单、成本低、动态范围宽、响应快，缺点是无法排除张角较小的点源红外干扰和复杂背景干扰，从目标获取的信息量太少而制导精度不高，也没有区分多目标的能力，主要用于近距空空格斗弹、反坦克导弹，及其他低成本、小型化导弹。红外成像制导系统一般由红外摄像头、图像处理电路、图像识别电路、跟踪处理器和稳定系统等组成。红外摄像头接收前方视场范围内目标和背景红外辐射，利用各部分辐射强度的差别，获得能够反映目标和周围景物分布特征的二维图像信息，然后由图像处理电路进行预处理和图像增强，得到可见光图像以视频显示输出，同时将数字化后的图像送给图像识别电路，通过特征识别算法从背景信息和干扰中提取出目标图像，由跟踪处理器按照预定的匹配跟踪算法计算出光轴相对于目标的角偏差，最后通过稳定系统驱动红外镜头运动，消除相对误差实现目标跟踪。这类系统在抗干扰能力、探测灵敏度、空间分辨率等方面有很大提高，能够探测远程小目标和鉴别多目标，甚至可以实现对目标的自动识别和命中点的选择，但其结构复杂、成本高，主要用于巡航导弹、反舰导弹、空地导弹等。1．2红外制导技术的发展历程1．2．1红外点源制导技术自从1948年第1枚红外制导导弹——美国的响尾蛇导弹(Sidewinder)问世以来，红外制导技术获得了大量应用和快速发展，主要分为以下几个阶段：第l阶段：20世纪60年代中期以前，这时的红外制导武器主要用于攻击空中速度较慢的飞机，其探测器采用不制冷的硫化铅，信息处理系统为单元调制盘式调幅系统，工作波段为1—3pan，灵敏度低、抗干扰能力差、跟踪角速度低。这一阶段的典型产品有美国的响尾蛇AIM一9B、红眼睛Redeye，以及前苏联的K-13、SAM-7等。第2阶段：20世纪60年代中期到70年代中期，探测器采用了制冷的硫化铅或锑化铟从而极大地提高了灵敏度，工作波段也延伸到3—5tan的中红外波段，改进了调制盘和信号处理电路，提高了跟踪速度。这一阶段制导武器的作战性能得到了较大的提高，虽然还只能进行尾追攻击，但攻击区和对付高速目标的能力有很大提高，代表型号有美国的AIM．9D、法国的马特拉R530等。第3阶段：20世纪70年代后期以后，红外探测器均采用了高灵敏度的制冷锑化铟，并且改变了以往的光信号的调制方式，多采用了圆锥扫描和玫瑰线扫描，亦有非调制盘式的多元脉冲调制系统，具有探测距离远，探测范围大、跟踪角速度高等特点，有的还具有自动搜索和自动截获目标的能力。因此，这一阶段的红外制导武器可进行全向攻击和对付机动目标，代表型号有美国的AIM9L、前苏联的R-73E、以色列的怪蛇3、美国的毒刺(Stinger)及法国的西北风(Mistral)等。2．2．2红外成像制导技术受高技术作战需求的强力推动，近20年来红外成像制导技术发展十分迅猛，其发展历程大致如下：第1代红外成像制导系统出现于20世纪70年代，采用线列阵红外探测器加旋转光机扫描机构，由4×4元光导碲镉汞探测器的串并扫描成像，工作波长为8，14脚。代表型号有发射前锁定目标的AGM-65D幼畜反坦克导弹、AGM一65F反舰导弹以及发射后锁定目标的AGM一84E斯拉姆导弹。第2代红外成像制导系统出现于20世纪80年代，采用小规模红外焦平面阵列探测器，以串并扫描方式工作。这类制导系统可以连续积累目标辐射能量，具有分辨率高、灵敏度高、信息更新率高的优点，能够对付高速机动小目标、复杂地物背景中的运动目标或隐蔽目标。红外焦平面阵列探测器灵敏度比线列器件高1个数量级，成本又比凝视型焦平面器件低，同时结构紧凑、体积小、可靠性高，易于小型化，从而促进了红外成像制导小型战术导弹的发展。代表型号有德、英、法三国联合研制的远程反坦克导弹崔格特(T69at)，美国的高空防御拦截弹(皿DI)。第3代红外成像制导系统采用了更大规模的焦平面阵列探测器和凝视工作方式，采用电子自扫描取代复杂的光机扫描机构，简化了信号处理和读出电路，可以充分发挥探测器的快速处理能力，其作用距离更远，热灵敏度、空间分辨率更高。20世纪80年代后期以来，凝视红外焦平面阵列器件发展很快，其中3．5／an中波段器件已发展到512×512元，锑化铟光伏器件已达256×256元，长波8一12胛光伏碲镉汞／硅CCD混合焦平面探测器已达128×128元。目前焦平面探测器正在向着高密集度、多光谱、多响应度、高探测率、高工作温度、低成本的方向发展。因此，国际上新投入研制的红外成像制导系统几乎全部采用了凝视型焦平面阵列技术，典型代表有美国的海尔法(Hell．fire)、AIM．9X空空导弹、AAWS-M反坦克导弹等。2红外制导系统的发展趋势精确制导技术的发展趋势是灵敏度、精度、环境适应性不断提高，系统在复杂背景下截获、跟踪目标的能力和对付多目标的能力不断增强，相应的红外制导系统也必须不断发展创新以适应未来的作战需要。2．1非致冷红外制导系统传统的红外探测器必须在低温下工作，因此需要配备相应的制冷器，于是带来了整套设备的体积大、工作过程复杂等突出问题。为了提高制导系统的环境适应性，发展小型化高性能红外制导武器，非制冷红外成像技术将成为未来红外制导技术的主流。非制冷红外成像系统的关键技术是：非制冷红外探测器的噪声控制、饱和抑制、均匀性校正，以及红外焦平面阵列的工程化、可靠性等问题。近年来，国外在非致冷凝视红外焦平面阵列技术方面已经取得了突破性的进展，并正在逐步走向工程化应用，245×328元规模的热释电型红外焦平面，其噪声等效温差(NⅡD)已达到O．05K，240×320元V02辐射热计(Bolometer)型红外焦平面的噪声等效温差也已达到0．05K。2．2光学双色制导系统战斗机和巡航导弹是红外制导武器的主要打击目标，为了提高生存能力，现代战机开始采用包括红外隐身涂层、尾气化学降温、喷管上弯等技术来降低红外制导导弹的探测概率，于是各种光学双色制导系统应运而生。它可以提高制导系统探测灵敏度和制导作用距离，改善武器对抗红外诱饵干扰和反隐身能力，代表型号有美国的毒刺(StingerPost)和法国的西北风(Mistral)地空导弹。光学双色制导系统主要是指红外双色、红外／紫外双色，和红外／可见光双色复合制导。红外双色制导系统采用先进焦平面阵列结构的双色探测器，结构与红外单色系统类似。红外／紫外双色制导系统一般采用共口径玫瑰线扫描准成像技术，红外和紫外两种探测器用夹层叠置方式粘合在一起，获得的信号分别送到各自对应的微处理机，经过信号处理后可分析判别真假目标。红外／可见光多模制导系统采用共口径光学系统，可见光通道采用CCD光学摄像头，红外通道多采用凝视焦平面阵列红外探测器。由目标反射的可见光和红外辐射通过共口径的前光学系统聚焦，光路中的光束分离器将可见光反射90。后进入CCD摄像目镜组，经光电转换成可见图像信号，而光束分离器可透过红、外光，使其聚焦于探测器光敏面，经光电转换成热图像信号。光学双色制导系统的关键技术有：高灵敏度的红外双色、红外／紫外、红外／可见光复合探测器生产加工工艺，双色成像光学系统和扫描结构的设计与装调，高透光率的头罩材料及其设计与加工，双色信道的信号处理技术。2．3微波／红外复合制导系统红外制导系统具有较高的精度和抗干扰能力，但作用范围较小，在不利气候条件下，探测器信躁比大幅降低，容易导致目标丢失，而微波雷达制导系统作用距离远、具有全天候作战能力，但其角度分辨率较低，易受电磁干扰的影响，将微波雷达和红外系统进行复合将极大地提高武器系统的目标截获跟踪能力和抗干扰能力。微波／红外复合制导系统有主动雷达／红外和被动雷达／红外两种，其微波寻的器采用微波相位干涉仪，与红外制导系统按共孔径方式工作，探测目标的雷达辐射和红外热辐射、测量目标速率以及截获与跟踪目标。一般微波被动雷达用于中段制导，红外寻的器用于末段精确制导，也可全程由微波被动雷达制导或全程由红外制导。代表型号有德、法共同研制的ARAMIS增程反辐射导弹和德国的ARAMIGER导弹。微波／红外复合制导系统的关键技术有：宽频带天线和头罩结构设计与装调，宽频带、高灵敏度和大动态范围接收机的设