飛機對抗紅外成像導彈的方法＊

付曉紅

（東北電子技術(shù)研究所 錦州 121000）

1 引言

紅外成像技術(shù)是根據(jù)目標和背景紅外輻射能量的不同，把目標和背景區(qū)別開來，以達到探測目的。紅外成像制導技術(shù)成為當今世界各國競相發(fā)展的精確制導技術(shù)之一，它是一種使導彈威力成倍增長的高效費比技術(shù)，大力發(fā)展此技術(shù)并裝備部隊完全可以滿足戰(zhàn)術(shù)導彈對紅外制導技術(shù)的需求，目前紅外成像制導技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的發(fā)展，尤其是在空空導彈和防空導彈領(lǐng)域得到了充分的應用。與此同時，研究飛機對紅外成像制導導彈的干擾方法也迫在眉睫。

2 紅外成像導彈原理

2.1 紅外成像導彈的工作過程

紅外成像導彈的成像功能主要依賴紅外成像尋的器，紅外成像尋的器一般由紅外攝像頭、圖像預處理電路、圖像識別電路、跟蹤處理器和攝像頭跟蹤系統(tǒng)等部分組成。發(fā)射導彈前，首先由發(fā)射控制站（如在飛機上）搜索、捕獲要攻擊的目標，一旦目標的位置被確定，立即引導導彈上的尋的器跟蹤并鎖定此目標。導彈被發(fā)射后，彈上攝像頭攝取目標的紅外圖像并進行預處理，得到數(shù)字化目標圖像。經(jīng)圖像處理和圖像識別，區(qū)分出目標、背景信息，識別出要攻擊的目標并抑制噪聲信號。跟蹤處理器形成的跟蹤窗口的中心按預定的跟蹤方式跟蹤目標圖像，并把誤差信號送到攝像頭跟蹤系統(tǒng)，控制紅外攝像頭繼續(xù)瞄準目標，同時向?qū)椀目刂葡到y(tǒng)發(fā)出導引指令信息，控制導彈的飛行姿態(tài)，使導彈飛向選定的目標。因此是一種“發(fā)射后不用管”的制導方式［1］。

隨著導彈與目標之間距離的縮小，目標在圖像平面上的投影將擴大，且變得越來越清晰，此時，尋的器根據(jù)目標的形狀識別出它的要害部位，并選目標要害部位的中心作為攻擊點。

2.2 紅外成像導彈的優(yōu)點

1）集高靈敏度、高空間分辨率及大動態(tài)范圍于一身，尤其適用于探測微弱目標信號和鑒別多標。

2）能在各種復雜的人為干擾和背景干擾下，實現(xiàn)對目標的自動識別和命中點的選擇，具有較強的抗干擾能力。

3）成像工作方式使得導引頭可同時采用可見光、激光、紫外光及毫米波等一種或多種實現(xiàn)對同一目標的多傳感器探測，從而大大增強制導系統(tǒng)抗干擾能力。

4）具有自主俘獲目標、復雜情況下自動決策的能力，是一種“發(fā)射后不管”型系統(tǒng)。

5）由于采用紅外成像導引頭技術(shù)和推力矢量技術(shù)，導彈的探測能力和機動性都大為提高。其離軸發(fā)射能力達到了±90°。即在前半球180°的范圍內(nèi)，導彈都具有對目標的攻擊能力。

6）利用高度發(fā)達的計算機技術(shù)處理目標圖像信息，模擬人對物體的識別功能，實現(xiàn)了制導系統(tǒng)的智能化。

7）以被動方式工作，有較好的隱蔽性。

8）可晝夜工作，煙霧穿透能力強，是一種準全天候工作的制導系統(tǒng)。

9）只需改變制導系統(tǒng)的識別、跟蹤軟件，就可在不同型號的導彈上使用，具有很強的型號適應能力。比較典型的產(chǎn)品有美國的“幼畜”導彈的導引頭，它可用于空／地、空／艦、空／空三型導彈上。

10）主要工作波段為3μm～5μm中紅外波段和8μm～14μm遠紅外波段，在遠紅外波段內(nèi)的探測距離為可見光的3～6倍。

2.3 紅外成像導彈的缺點

1）其熱圖像只是二維平面圖而無立體感，加之熱圖像與可見光圖像存在一定的差異，給目標識別帶來一定的困難。

2）顯示的熱圖像不論是什么顏色，實質(zhì)上只是一幅單色輻射強度的分布圖，給目標識別增加一定的難度。

3）容易受天氣情況的影響。

2.4 紅外成像導彈的成像必備條件

目前用于紅外成像制導技術(shù)的導彈絕大多數(shù)是被動式的，它通過探測目標的熱輻射來迅速地發(fā)現(xiàn)、識別和跟蹤目標。但是，紅外成像導彈像其它武器系統(tǒng)一樣，在一定的條件下受到干擾，就會失去作用。

要使被動式紅外成像制導系統(tǒng)正常工作必須具備以下條件：

1）適合成像探測器接收的足夠強的紅外輻射。即入射的輻射波長應與探測器的工作波長相匹配，入射的輻射能量要足夠多。

2）目標表面與所處背景之間存在輻射亮度差別，這一差別的起因包括：

（1）目標表面與所處背景之間的溫度差別；

（2）目標表面與所處背景之間的輻射強度差別；

（3）目標表面與所處背景反射熱輻射的差別［2］。

用輻射強度表示，則為

式中，C為目標和背景之間的對比度；IT，IB分別為目標和背景的輻射強度。

用目標和背景的輻射功率表示輻射對比度，則為

式中，CR為輻射對比度；WT，WB分別為目標和背景單位面積上的輻射功率。

如果能夠改變目標和背景的輻射特性，減少兩者之間的對比度，或者大幅度地衰減進入導引頭紅外成像傳感器系統(tǒng)的輻射強度，都可以使被動式紅外成像導引頭系統(tǒng)受到干擾。如果干擾的強度相當大，紅外成像導引頭分辨不出目標的熱圖像，便可達到干擾的目的。

3 紅外成像導彈抗干擾方法分析

紅外成像導彈抗干擾方法一般是多種抗干擾思想的綜合體，同時會受到導彈導引、制導與控制系統(tǒng)的制約，不同型號的導彈其抗干擾方法可能存在較大差異。通常有以下幾種方法：基于干擾物與飛機的輻射能量差異的抗干擾方法，基于干擾物與飛機的運動特性差異的抗干擾方法，基于干擾物與飛機的光譜差異的抗干擾方法。

3.1 基于輻射能量的抗干擾方法

基于輻射能量的抗干擾方法主要是利用目標飛機和紅外干擾彈輻射能量大小差異和變化趨勢差異對二者進行區(qū)分。當紅外干擾彈投射出去以后，紅外干擾彈需要經(jīng)歷一個起燃、穩(wěn)定燃燒、息燃的過程。通過對圖1所示的典型的點源紅外干擾彈燃燒過程的仿真結(jié)果分析得出，紅外干擾彈在起燃過程中，其輻射強度迅速增大，隨后進入穩(wěn)定燃燒過程，在這一過程中其輻射強度會逐漸降低，當時其輻射強度水平仍然遠高于飛機的輻射強度，最后干擾彈進入息燃過程，其輻射強度迅速衰減。

紅外干擾彈起燃時，其輻射強度迅速變大。飛機的輻射強度也會逐漸變大，其主要原因是導彈與目標距離變短引起的，而因距離變短引起的飛機輻射強度變化不會像紅外干擾彈起燃那么劇烈，利用紅外輻射能量的上升速率的差異可以識別出紅外干擾彈。

3.2 基于運動特性的抗干擾方法

紅外干擾彈所受的阻力與干擾彈的運動方向相反，重力方向垂直向下，在這種受力情況下，紅外干擾彈的運動特性表現(xiàn)為一種負加速度特征的運動，運動速度迅速減小。而飛機在投射干擾彈后采取機動動作，所改變的主要是飛機的運動方向，而運動速度不會急劇下降，干擾彈和飛機的運動軌跡存在明顯的區(qū)別，如圖2所示。導彈主要是利用干擾彈與飛機的運動軌跡特性差異對干擾彈進行識別的。

圖1 點源紅外干擾彈的燃燒過程仿真示意圖

圖2 紅外干擾彈和飛機的運動特性示意圖

3.3 基于光譜特性的抗干擾方法

紅外干擾具有許多特性，主要表現(xiàn)是大多數(shù)誘餌都是化學熱輻射源，以黑體或灰體特性輻射。一般的干擾彈都是利用火藥燃燒形成的火焰來產(chǎn)生較強的輻射，經(jīng)測定，火焰溫度在2000K～2200K，這決定了誘餌彈在近紅外、可見光甚至紫外波段都具有比較強的能量，而飛機發(fā)動機尾焰輻射的溫度通常700K～800K，而飛機目標在近紅外波段，特別是在可見光和紫外波段的能量就比較弱，因為飛機本身基本上不輻射紫外能量，只是晴天時反射太陽光中的紫外能量［3］，如圖3所示。

目前，西方各國使用的紅外誘餌彈輻射波段大都在1μm～3μm和3μm～5μm波段以內(nèi)［4］。干擾彈光譜輻射的最大值波長在1.4μm～2.0μm；干擾輻射能量一般在1μm～3μm、3μm～5μm波段內(nèi)，分配的比例趨勢是由短波到長波依次減小，而且干擾彈動態(tài)光譜分布與靜態(tài)基本一致。

圖3 飛機與紅外干擾彈的輻射溫度區(qū)別示意圖

圖4 飛機與紅外干擾彈的輻射光譜分布區(qū)別示意圖

而飛機的光譜輻射與干擾彈的光譜輻射是完全不同的，如圖4所示，飛機的輻射的光譜分布規(guī)律與干擾彈是相反的，由短波到長波依次增大，在某一波段達到峰值。

紅外成像制導導彈根據(jù)飛機與干擾彈的輻射溫度和輻射光譜分布規(guī)律的差異可以識別出紅外干擾彈。

對紅外成像制導導彈而言，導引頭所要探測、跟蹤的是飛機目標，在迎頭探測、跟蹤飛機目標時，目標的輻射能主要在8μm～12μm長波紅外波段，在側(cè)向、尾向探測、跟蹤目標時，目標的輻射能量主要集中在3μm～5μm中波紅外波段，同時考慮到3μm～5μm中波紅外波段的光學系統(tǒng)、頭罩的性能及導彈氣動加熱對整流罩性能的影響，3μm～5μm中波紅外波段的紅外焦平面陣列探測器的規(guī)模、均勻性等性能以及不同天氣條件下的大氣傳輸性能，大都選擇3μm～5μm中波紅外波段。但近年來，為了提高防空導彈對抗復雜光電對抗措施的能力，國外也開始發(fā)展雙波段紅外成像導引頭，針對紅外干擾的輻射特性，大都選取中波紅外和短波紅外波段［5］。

4 紅外成像導彈的干擾方法

目前對紅外成像導彈的干擾方法分為硬殺傷、有源干擾和無源干擾。飛機對抗紅外成像導彈的主要手段有以下幾種：

4.1 紅外定向干擾

紅外定向干擾是一種調(diào)制和壓制結(jié)合式干擾，它能夠?qū)⒂邢薜哪芰考性谳^窄的方向，在導彈告警設(shè)備的引導下，發(fā)射較高能量窄波束紅外脈沖，照射來襲導彈的導引頭，使導彈導引頭光電探測器工作混亂、飽和甚至損壞，從而使來襲導彈不能繼續(xù)跟蹤目標而脫靶。紅外定向干擾的攻擊目標是導彈的光電探測器，會產(chǎn)生三種干擾效果，角度欺騙、軟殺傷和硬損傷。干擾效果與激光功率、距離和大氣條件等因素有關(guān)。由于紅外成像導彈探測器工作在3μm～5μm的大氣波段，因此，要求激光輻射波長必須與導彈探測波長相同。

國外定向紅外對抗系統(tǒng)主要包括：BAE系統(tǒng)公司研制的先進威脅定向紅外對抗系統(tǒng)；諾格公司研制的定向紅外對抗系統(tǒng)（DIRCM）；諾格公司研制的大型飛機紅外對抗系統(tǒng)（LAIRCM）；美國海軍研制的戰(zhàn)術(shù)飛機定向紅外對抗系統(tǒng)（TADIRCM）。

紅外定向干擾對紅外成像導彈的干擾主要分為以下幾點：

1）直接摧毀導彈

紅外定向干擾采用的激光能夠?qū)t外成像導彈產(chǎn)生硬殺傷。由于激光具有反應快、精度高的特點，可以準確地擊中目標，達到摧毀目標的目的。但是這項技術(shù)還處于實驗階段，與實際應用還有一定的差距，主要是因為如何準確地擊中目標，如何得到足夠高能量的激光等。

2）干擾光感器件

光感材料對光有很強的吸附能力，并且都具有自己的感應門限，當其接受的能量超過其感應門限的上限時，可能對光感器件產(chǎn)生永久破壞或瞬間致盲，使導彈無法鎖定目標或脫靶。

4.2 煙幕對紅外成像導彈的干擾

煙幕是無源光電對抗的一種有效手段，已經(jīng)在軍事上得到了廣泛的應用。吸收型煙幕主要通過對紅外輻射散射和吸收達到干擾的目的，即當紅外輻射的能量無法使導彈探測器探測目標或跟蹤目標時，就可以起到保護載機和干擾導彈的目的。

紅外干擾煙幕可利用煙幕產(chǎn)生與目標相近的紅外輻射，將目標隱蔽起來。還可施放發(fā)射式紅外煙幕，利用煙幕發(fā)射比目標更強烈的紅外輻射，抑制目標的紅外輻射，將飛機及飛機附近的背景輻射加以掩蓋，從而遮蔽住飛機的熱輻射輪廓圖像；另一方面，煙幕亦可對飛機的紅外輻射及對背景輻射的反射起散射和吸收作用，從而改變飛機本身的紅外輻射及其對背景輻射的反射特性，起到隱身作用。即使煙幕無法完全將紅外輻射全部干擾掉，也會影響導彈對載機圖像的分割和特征的提取，使其無法準確地成像，已達到干擾的目的。

4.3 紅外干擾彈對紅外成像導彈的干擾

紅外干擾彈（紅外誘餌彈）是用于造成一個假的紅外目標的有源紅外干擾器材，可從地面、飛機或艦艇上發(fā)射，誘騙地空、空空、空地和反艦導彈，使其脫離對目標的追蹤。紅外誘餌彈結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，并且可在短時間內(nèi)大量投放，造成強勁的干擾，是目前對付紅外導彈的主要干擾手段［6］。目前，為了適應紅外導彈的發(fā)展，國外已經(jīng)出現(xiàn)了許多新型紅外干擾彈，如美國的MJU－50／B面源型紅外干擾彈，MJU－39／40伴飛型紅外干擾彈等。

根據(jù)導彈與載機距離的不同，載機在導彈上的成像特點也不同，分為以下幾個干擾階段：

1）點源階段

當導彈距載機的距離較遠時，載機在導彈上的成像很小，一般目標成像小于3×3像素時，認為其處于點源階段，此時導彈只能使用基于點目標的抗干擾方法。由于紅外成像導彈在點源跟蹤過程中以跟蹤能量中心的形式進行目標跟蹤，所以伴飛式紅外干擾彈是最佳的干擾方式，因為伴飛式干擾彈與目標飛機的運動特性接近。

對于伴飛式紅外干擾彈，要求飛行速度與飛機接近，以達到伴飛的目的。同時，要求紅外干擾彈的輻射強度與目標飛機接近，增加了導彈利用輻射能量特征識別干擾彈的難度。此外，要求干擾彈的燃燒時間要足夠長，伴飛式紅外干擾彈與目標飛機分離的距離要足夠使目標飛機可以飛出導彈視場。

2）亞成像階段

當導彈距載機距離由遠距變?yōu)橹芯?，目標像素位?×3像素和8×8像素之間時，認為其處于亞成像階段。在這一階段，目標飛機不在局限于一個點，而是在導彈視場中已經(jīng)有一定的像素分布。當導彈正常跟蹤目標時，跟蹤方法跟蹤的是目標能量中心，但是當有干擾出現(xiàn)時，其抗干擾方法中可能已經(jīng)開始利用目標飛機的像素分布特征對干擾彈進行識別，因此希望干擾彈也能夠有一定的像素分布。

此時建議的干擾彈投射模式是，按一定規(guī)律投射面源紅外干擾彈后，再按新的規(guī)律投射伴飛型紅外干擾彈。面源紅外干擾彈有一定的面積覆蓋，會對抗干擾方法產(chǎn)生一定的影響；伴飛型紅外干擾彈，具有與飛機類似的運動特性，同時在飛行過程中有一定的尾焰分布，這樣能夠達到更有效干擾導彈的目的。

3）成像階段

當導彈距載機距離由中距變?yōu)榻?，目標像素大?×8像素，認為其處于成像階段。在這一階段，目標飛機的輪廓比較清晰，為了達到更好的攻擊效果，導彈的跟蹤識別方法會進行切換，從跟蹤整個飛機的能量中心到跟蹤飛機某個特征點。

此時，載機在焦平面上成像，導彈采用圖像處理方法從背景中分割出載機目標，提取目標特征，進行目標跟蹤。此時主要采用面源紅外干擾彈進行干擾，面源紅外干擾彈必須滿足輻射波長范圍與載機相同，輻射面積不小于載機的輻射面積，同時有效干擾彈的干擾時間滿足載機逃離導彈跟蹤視場的時間要求。

4）末制導階段

當導彈距載機距離非常近時，目標像素大于90×90像素，認為其處于末制導階段。此時，飛機在整個導彈視場中占有較大比例，即使是機身的紅外輻射也已經(jīng)飽和。此時基于輻射能量的抗干擾方法、基于運動特性的抗干擾方法已經(jīng)難以區(qū)分干擾彈與目標，主要是依靠圖像處理方法對目標的局部特征進行識別。此時最佳的干擾彈投射方式應該是大量投射面源和點源紅外干擾彈，使其充滿整個導彈視場，已達到一種致盲的效果，此時對干擾彈的輻射強度要求不高，但是希望能夠覆蓋更大的面積，既有面源部分的大面積覆蓋，又有點源部分的高亮度，會給導彈抗干擾方法帶來很大的困難。

4.4 紅外隱身技術(shù)對紅外成像導彈干擾

無論紅外成像導彈采取何種識別和跟蹤方式，它都要求目標和背景具有較大的紅外輻射差異，可以通過改變此輻射差異達到隱身載機，干擾導彈成像的目的。要實現(xiàn)飛機的紅外隱身，就必須控制飛機在這些波段內(nèi)的紅外輻射，降低飛機與環(huán)境的對比度，從而縮短各種光電探測器對飛機的探測距離，或使其根本不能發(fā)現(xiàn)飛機。同時，又由于空空導彈、地空導彈的光電導引頭及紅外告警器等光電探測器大都只能從下方或側(cè)面探測飛機，因此需要控制飛機的主要紅外輻射的方向［7］。據(jù)此，可將實現(xiàn)飛機紅外隱身措施分為兩類。

紅外隱身的方法主要如下：

1）降低載機的表面紅外輻射強度

這是紅外隱身的主要手段，主要是通過降低飛機的輻射體溫度和采用有效的紅外隱身涂料來降低飛機表面的輻射功率，其原理主要包括減熱、隔熱、吸熱、散熱、降熱等，盡量減少散熱源，采用散熱量小的設(shè)計和部件，在發(fā)動機系統(tǒng)周圍設(shè)置閉環(huán)冷卻系統(tǒng)，改善氣動特性，減少氣動力摩擦。

采用熱屏蔽措施阻隔飛機內(nèi)部發(fā)出的熱量使之難于外傳：一是在整機布局上考慮熱屏蔽手段以降低飛機的紅外輻射強度；二是對尾噴管或者尾焰等重要部位進行紅外線遮擋。通常采用大寬高比二元非軸對稱噴管，可促使尾焰同自由流動的外部空氣很快地混合，使尾焰噴出噴口后尾焰核心區(qū)長度變短，尾焰輻射強度也相應降低。其另一個優(yōu)點是對內(nèi)部發(fā)動機尾焰及熱的零部件有更多的遮擋，因而也更難看到有大方位比噴口的內(nèi)部情況。通過上述手段，降低載機與背景之間的溫差，減少紅外導引頭接收的能量，達到保護載機的目的。

2）改變紅外輻射特征

（1）改變紅外輻射波段

由于目前紅外成像導彈主要通過3～5μm和8～14μm兩個大氣波段捕獲目標，通過改變載機輻射波長達到隱身的目的。

改變紅外輻射波段，使飛機的紅外輻射波段處于紅外探測的響應波段范圍之外，或者使目標的紅外輻射避開大氣窗口而在大氣層中被吸收或者散射掉，也可使對方紅外探測器失去作用，具體的技術(shù)措施：采用可變紅外輻射波長的異型噴管和在燃料中加入特殊的添加劑改變紅外輻射波長。

（2）調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過程

調(diào)節(jié)紅外輻射的傳輸過程，通常采用在結(jié)構(gòu)上改變飛機主要紅外輻射的方向，即外部遮擋可以遮擋尾焰輻射，通過遮擋尾焰的核心區(qū)可以大大減弱尾焰的紅外輻射，增大光電探測器、紅外熱像儀及紅外告警器的探測難度，從而實現(xiàn)紅外隱身。如F－15和F－22戰(zhàn)斗機是用尾翼遮擋噴管；F－117A和B－2隱形轟炸機用機身遮擋尾噴管；YF－23則同時用機身和尾焰遮擋尾噴管，通過遮擋可以有效地降低尾焰的紅外輻射。

目前紅外隱身技術(shù)已經(jīng)得到了世界各國的廣泛關(guān)注，并進行了大量的研究。

根據(jù)分析得知以上技術(shù)都能達到一定的干擾效果，有時單純的采取一種方法不能得到較好的干擾效果?？梢圆捎酶鞣N干擾方法進行復合干擾，如采用煙幕與面源紅外干擾彈配合使用等。

5 結(jié)語

近年來紅外成像導彈在世界各國得到了廣泛的應用，制導模式、制導精度和抗干擾性也得到了長足的發(fā)展，隨著多模復合制導、智能化末制導技術(shù)的研制開發(fā)，對紅外成像制導導彈的干擾技術(shù)需要進一步完善和發(fā)展，才能適應未來現(xiàn)代化戰(zhàn)爭光電對抗的需要。

［1］呂相銀，黃超超，凌永順.面源型紅外誘餌對紅外成像制導干擾的評析［J］.電子對抗技術(shù)，2004（9）.

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