面源誘餌對抗紅外凝視成像制導(dǎo)機理研究

寧功韜，栗 蘋，蘇 斌，李石川，湯潤澤，董寧宇，郭廣浩，周遵寧

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面源誘餌對抗紅外凝視成像制導(dǎo)機理研究

寧功韜1，栗 蘋1，蘇 斌2，李石川3，湯潤澤3，董寧宇4，郭廣浩3，周遵寧3

（1.北京理工大學(xué) 機電工程與控制國防重點實驗室，北京 100081；2.昆明北方紅外技術(shù)股份有限公司，云南 昆明 650217；3.北京理工大學(xué) 爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室，北京 100081；4.總參管理保障部，北京 100082）

最新一代制導(dǎo)導(dǎo)彈采用凝視紅外成像及反對抗技術(shù)，對機動作戰(zhàn)目標(biāo)構(gòu)成了極大的威脅。在綜合分析當(dāng)前誘餌技術(shù)的特點及發(fā)展現(xiàn)狀，以及對凝視成像制導(dǎo)系統(tǒng)的組成、工作原理、跟蹤模式等分析的基礎(chǔ)上，探討了面源紅外誘餌對抗第四代紅外成像制導(dǎo)武器的措施，提出了長時間、大面積、高輻射效能的紅外面源誘餌是有效對抗最新一代制導(dǎo)武器的有效手段。

光電對抗；煙火；面源誘餌；紅外成像導(dǎo)引頭；對抗有效性

0 前言

紅外誘餌是飛機、坦克、艦船等機動作戰(zhàn)目標(biāo)防御紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊的主要對抗手段。針對日益發(fā)展的無源光電對抗技術(shù)，紅外導(dǎo)引頭已發(fā)展了四代，分別應(yīng)用于便攜、機載和車載紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。前兩代紅外導(dǎo)引頭采用十字線等原理產(chǎn)生誤差控制信號，主要用于探測和攻擊點目標(biāo)。第三代采用掃描模式，可產(chǎn)生目標(biāo)和背景的準(zhǔn)圖像。第四代以及最新一代紅外跟蹤器采用焦平面陣列成像探測器，可產(chǎn)生完整的場景圖像，在探測能力上比前幾代均有質(zhì)的飛躍。而且自第二代導(dǎo)引頭開始，都設(shè)計有紅外反對抗（IRCCMs）功能，其可依據(jù)目標(biāo)和誘餌間的相對運動、光譜信號以及輻射強度上升時間來識別真假目標(biāo)，增強了導(dǎo)引頭識別傳統(tǒng)誘餌的能力。采用選通視頻跟蹤器的成像導(dǎo)引頭會忽視點源誘餌的存在，因為該誘餌最有可能落在選通周邊的外圍。相關(guān)跟蹤器通過識別誘餌的形狀、尺寸及縱橫比，也可區(qū)分出點源誘餌[1-4]。

紅外導(dǎo)引頭對誘餌識別能力的提高，促進了面源誘餌對抗技術(shù)及其戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的發(fā)展。世界各國競相在紅外誘餌材料的選擇、光譜覆蓋范圍、紅外輻射強度和時間以及部署策略上開展了大量的研究[5-6]。本文在對紅外焦平面成像制導(dǎo)系統(tǒng)工作機理及誘餌發(fā)展概況分析的基礎(chǔ)上，研究了面源紅外誘餌對抗成像制導(dǎo)的機理，提出了對抗有效性的措施和方法。

1 紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)

1.1 紅外焦平面成像制導(dǎo)過程分析

紅外凝視成像導(dǎo)引頭主要由4大部分組成（圖1），分別為IRFPA（包括制冷機）、圖像跟蹤器、穩(wěn)定位標(biāo)器以及控制系統(tǒng)。尋的器連續(xù)跟蹤目標(biāo)并輸出目標(biāo)視線角速度，該信號按導(dǎo)引規(guī)律與彈的其它信號綜合后形成彈的控制指令，控制導(dǎo)彈命中目標(biāo)，成像原理如圖2所示[7-8]。

圖1 紅外凝視成像導(dǎo)引頭組成框圖

圖2 紅外凝視型探測器成像原理圖

紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的主要功能是搜索、捕獲和跟蹤目標(biāo)。搜索裝置以固定的模式對目標(biāo)區(qū)搜索并捕獲目標(biāo)，捕獲目標(biāo)的時間取決于捕獲視場的大小、識別算法的難易程度以及計算指令周期。捕獲目標(biāo)的過程為：先輸入一幅圖像，再經(jīng)濾波、灰度門限檢測及分割等處理，然后從背景中分離出目標(biāo)圖像；接著提取出目標(biāo)圖像的特征參量并進行分類判別，從而確定視場內(nèi)目標(biāo)的種類及類別[9]。在此過程中，耗時最長的是目標(biāo)圖像識別，為提高圖像識別的準(zhǔn)確率，一般采取2種方法：一是簡化目標(biāo)識別算法和縮短計算指令周期，加快捕獲速度；二是進行再次捕獲，在第一次捕獲的基礎(chǔ)上對目標(biāo)位置進行校正，重新形成捕獲區(qū)，并在此區(qū)域進行再次捕獲。校正量的大小與目標(biāo)運動速度、距離、尺寸及熱像儀焦距，以及捕獲視場大小和捕獲時間的快慢等有關(guān)。一般來說，捕獲時間越快，距離目標(biāo)越遠，目標(biāo)運動速度越慢，則校正時間越快，再次捕獲區(qū)域就越小。相反，則再次捕獲區(qū)域也就越大。Johnston試驗結(jié)果表明，捕獲目標(biāo)的行數(shù)和列數(shù)越多，捕獲目標(biāo)的概率就越大。當(dāng)捕獲概率為90％時，捕獲的目標(biāo)圖像的行數(shù)應(yīng)為5～7行[10]。

紅外成像導(dǎo)引頭捕獲目標(biāo)后，就會立即轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)。跟蹤模式分為形心或矩心跟蹤、邊緣跟蹤以及相關(guān)跟蹤3種模式。形心或矩心跟蹤是測出目標(biāo)圖像區(qū)域的形心或矩心坐標(biāo)位置，適用于簡單背景中目標(biāo)的跟蹤。相關(guān)跟蹤是用實時攝取的目標(biāo)圖像與已存儲的圖像比較，求相關(guān)度的方法來計算目標(biāo)圖像的位置變化[11]。

1.2 紅外成像制探測過程分析

目前，直升機、攻擊機、低軌衛(wèi)星以及地面坦克、裝甲等基本都裝備有紅外成像探測系統(tǒng)，其探測場景如圖3所示[12]。

圖3 不同武器平臺對地面裝甲的探測場景

紅外成像的探測過程與目標(biāo)和背景的對比度（輻射對比度或溫差對比度）、大氣或遮蔽物衰減、探測器性能3個因素有關(guān)。目標(biāo)與背景對比度在探測器中產(chǎn)生的探測信號必須遠大于探測器系統(tǒng)產(chǎn)生的噪聲信號，即/＞1時，在理論上探測器才能探測到目標(biāo)[13-14]。

IR成像系統(tǒng)探測目標(biāo)時，探測器接收的是目標(biāo)與所在背景間的表觀輻射對比度Dap。如果從同一角度和距離觀測目標(biāo)和背景，則可假定在某一時刻的大氣路徑輻照度是相等的，則目標(biāo)和背景的表觀輻照度可分別按式(1)和式(2)計算：

式中：apt和apb分別為目標(biāo)和背景的表觀輻照度；()為與距離有關(guān)的幾何因子；a(,)為大氣的光譜透過率；a為環(huán)境大氣溫度；為目標(biāo)至系統(tǒng)孔徑的距離；t和b分別為目標(biāo)和背景的輻射率；ae為環(huán)境表觀溫度；t和b分別為目標(biāo)和背景溫度；1t和1b分別為目標(biāo)和背景的反射系數(shù)。

式(1)與式(2)相減，可得目標(biāo)與背景的表觀輻射對比度Dap：

式(3)包括了目標(biāo)可探測性的所有基本因素，也表明影響目標(biāo)輻射對比度的兩個參數(shù)分別為目標(biāo)的輻射系數(shù)及表面溫度。因此，要探測到目標(biāo)，至少要有一個目標(biāo)特征與背景不一致。既然紅外系統(tǒng)探測的是目標(biāo)與背景的紅外輻射，那么，探測器要探測到目標(biāo)，必須滿足如下2個判據(jù)：

第一，目標(biāo)與背景間的輻射對比度經(jīng)探測器輸出的信號電壓必須高于系統(tǒng)的噪聲電壓，這是系統(tǒng)設(shè)計的最基本要求，與系統(tǒng)中光電組件的性能有關(guān)；第二，輻射對比度在總的觀察場景中必須是可識別的。換句話講，如果在觀察的場景中存在多個相似的輻射水平，如存在相似的背景雜波，那么就探測不到唯一目標(biāo)。在較高的背景雜波中，如果考慮較多的目標(biāo)或背景的特征，也有可能識別出目標(biāo)。

如果探測器輸出電壓值超過預(yù)設(shè)的電壓閾值，那么將會探測到目標(biāo)，探測的可信度由探測概率決定，滿足探測要求所需的閾值條件為：

Dap≥×NEI

式中：為探測等級NEI為噪聲等效輻照度，W×m－2，是信噪比/＝1時的最小探測輻射對比度，其還與最低可探測等級有關(guān)。

2 紅外誘餌發(fā)展概況

根據(jù)當(dāng)前紅外導(dǎo)引頭技術(shù)的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，可將紅外誘餌分為4類：

1）MTV點源紅外誘餌

MTV紅外誘餌劑是當(dāng)前國內(nèi)外點源誘餌廣泛采用的紅外誘餌劑，由鎂粉、聚四氟乙烯和氟橡膠（Viton）組成，其具有較高的燃燒溫度，在燃燒時能夠在紅外波段產(chǎn)生強烈的紅外輻射，可快速達到峰值強度，用于裝填各類紅外誘餌彈及紅外干擾器材[15]。自20世紀(jì)60年代開始使用以來，已經(jīng)成為對抗第一代紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的重要手段。20世紀(jì)80年代中期開始，為提高MTV的紅外干擾性能，國內(nèi)外學(xué)者在MTV誘餌劑基礎(chǔ)上開展了大量的配方優(yōu)化設(shè)計研究，基本上是添加功能助劑，如碳纖維、氧化劑（硝酸銫、碳酸鉀等）、高熱劑等[16-19]，以期改善其紅外光譜輻射性能，使之與被保護目標(biāo)的光譜保持一致，增強其對抗的有效性。

但MTV誘餌存在2個主要缺點：一是釋放后，其快速減速，并離開被保護目標(biāo)的運動軌道；二是采用傳統(tǒng)配方，與典型目標(biāo)的光譜分布不匹配。因而，只適用于對抗第一代紅外導(dǎo)引頭。

2）氣動和推進誘餌

為解決MTV誘餌起始狀態(tài)的不足，研發(fā)的氣動誘餌采用彈簧鰭結(jié)構(gòu)使之穩(wěn)定飛行，并采用氣動外形彈結(jié)構(gòu)設(shè)計以降低飛行阻力。氣動誘餌降低了與被保護目標(biāo)的分離速度，提高了對抗效率。然而，先進的導(dǎo)引頭仍能依據(jù)彈道軌跡識別出氣動誘餌。為解決此問題，又提出并開始研發(fā)推進的或逆沖誘餌。在同樣的化學(xué)過程中，推進誘餌產(chǎn)生的逆沖效應(yīng)也具有輻射強度。與標(biāo)準(zhǔn)的MTV誘餌不同，其是在燃燒室中通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生能量，借助于彈上的噴嘴進行釋放。類似于火箭彈，發(fā)射后，推進誘餌加速，運行軌跡與飛機的非常相似。如美國的MJU-47B運動型紅外誘餌彈[20]，其改進了誘餌劑的制備工藝，采用顆粒狀MTV藥劑。這樣其燃燒時既可產(chǎn)生紅外輻射，同時又產(chǎn)生足夠的推力，可使誘餌彈跟隨目標(biāo)一起運動，而降低下落速度。

3）光譜匹配誘餌

誘餌技術(shù)的另一個顯著進步是可調(diào)控其光譜分布，使其與目標(biāo)的光譜分布相匹配。這可通過調(diào)整MTV誘餌的化學(xué)組成來實現(xiàn)，但其缺點是降低了總的輻射強度。產(chǎn)生光譜匹配誘餌的另一個途徑是采用自燃材料。自燃誘餌可采用液體或固體基材料，與空氣接觸就可瞬間自燃，產(chǎn)生的輻射強度通常比煙火誘餌的低，與部署高度有關(guān)[21-22]。其對高度的依賴性已通過在化學(xué)組成中填加氧化劑而得以解決。與MTV誘餌相比，液體自燃誘餌有利于產(chǎn)生較大的輻射面積。

Valcartier國防防御研究機構(gòu)采用自燃液體研制的新型紅外誘餌彈[23]，產(chǎn)生的紅外輻射與燃燒航空煤油排出的CO2和H2O產(chǎn)生的紅外輻射相似，與噴氣式飛機羽煙的實際尺寸更接近，因而可有效干擾具有反對抗技術(shù)的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。

固體基自燃材料采用自燃金屬粉與氧氣接觸，立即發(fā)生放熱反應(yīng)，形成大面積紅外熱源，其屬冷燃燒[24]。具有無可見光輸出，燃燒溫度在500～800℃，能很好地對抗第二和第三代紅外導(dǎo)引頭。

4）空間分布誘餌

液體自燃誘餌以火焰或羽煙的方式形成固有的空間分布或較大面積輻射云。固體自燃材料的先進性表現(xiàn)在可在飛機的渦流場中產(chǎn)生薄片或藥片。隨著藥劑的釋放，在空氣流中形成大面積的輻射云。由于較大的面積/體積比，這些誘餌輻射比MTV誘餌降低的快，因此接近于靜態(tài)輻射源。SAAB集團、Raytheon和德國Rheinmetall金屬防御公司具有空間分布IR誘餌分散器[25-29]。

德國BUCK公司制造的DM19“巨人”空間分布紅外誘餌（如圖4）[30]全長1208mm，重21kg。采用子母彈結(jié)構(gòu)，內(nèi)裝5發(fā)誘餌子彈，每個子彈重3kg。誘餌子彈之間的間隔距離已預(yù)先設(shè)定，每一發(fā)彈爆炸后可產(chǎn)生干擾8～12μm波段輻射的熱煙、干擾3～5μm波段輻射的灼熱顆粒以及干擾4.1～4.5μm波段氣體輻射的混合物，可與艦船的光譜特征匹配，且輻射強度高、輻射面積大、持續(xù)時間長。

圖4 DM19空間分布誘餌

3 面源誘餌對抗的有效性分析

第四代凝視成像導(dǎo)引頭再次捕獲目標(biāo)之前是面源誘餌形成的最佳時間，要有效干擾凝視成像導(dǎo)引頭，形成的面源誘餌必須滿足：①誘餌的光譜輻射特性應(yīng)盡量與目標(biāo)一致；②輻射面積應(yīng)大于目標(biāo)的輻射面積；③誘餌的輻射持續(xù)時間須大于導(dǎo)引頭的制導(dǎo)時間。

只有同時滿足以上條件，面源誘餌才能形成有效干擾。但是對于煙火型面源誘餌來講，同時滿足以上條件是非常困難的。原因如下：一是面源誘餌的形成時間與告警和指揮控制系統(tǒng)的反應(yīng)性密切相關(guān)，而且誘餌彈還需要一段飛行時間，因而在時間上很難實現(xiàn)；二是煙火型面源誘餌的光譜輻射性能高于目標(biāo)輻射性能容易實現(xiàn)，要與目標(biāo)輻射性能相匹配，在技術(shù)上實現(xiàn)起來比較困難。

因而，根據(jù)紅外凝視成像導(dǎo)引頭的工作機理，結(jié)合煙火型面源誘餌的特點，得出形成有效干擾紅外成像導(dǎo)引頭的面源誘餌措施為：①誘餌的輻射面積要遠大于目標(biāo)的面積（至少大于2倍）；②誘餌的輻射強度要高于目標(biāo)輻射強度，同時盡量延長誘餌的有效紅外輻射時間；③誘餌的部署位置必須保證在導(dǎo)引頭與目標(biāo)之間，且在導(dǎo)引頭視場中能完全覆蓋目標(biāo)；④盡力保證在導(dǎo)引頭再次捕獲目標(biāo)前形成誘餌。如果未能保證在導(dǎo)引頭再次捕獲目標(biāo)前形成誘餌（即在導(dǎo)引頭跟蹤階段形成誘餌），而由于誘餌的輻射面積完全覆蓋目標(biāo)，因而導(dǎo)引頭跟蹤的是誘餌云，此時被保護目標(biāo)必須做出機動，但決不能再次出現(xiàn)在導(dǎo)引頭視場中。圖5為Rheinmetall金屬防御公司研制的煙火分布誘餌的紅外干擾圖像[29]。

4 結(jié)論

通過對紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的組成、工作過程、搜索跟蹤原理的分析，以及對煙火面源紅外誘餌干擾有效性的探討，提出了大面積、長時間、高效能的煙火面源紅外誘餌彈是一種對抗紅外凝視成像制導(dǎo)武器的有效手段。

圖5 煙火分布誘餌紅外圖像

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Mechanism of Surface-decoy Effectiveness against IR FPA Imaging Guidance

NING Gong-tao1，LI Ping1，SU Bin2，LI Shi-chuan3，TANG Run-ze3，DONG Ning-yu4，GUO Guang-hao3，ZHOU Zun-ning3

（1.，，100081，；2..，，650217，；3.，，100081，；4.，100082，）

The latest generation of IR trackers with focal plane array detectors has significant lethality for the maneuver warfare equipment. In a comprehensive analysis of the characteristics and development status of decoys, as well as an analysis of the component, working mechanism and tracking mode of focal plane array（FPA） imaging guidance system, the countermeasure method is explored against the latest generation of infrared imaging guided weapons using the surface-decoy. The surface-decoy, with a long time, large area and high IR radiation efficiency, is an effective method against the latest generation guided weapons.

electro-optical countermeasure，pyrotechnics，surface-flare，imaging infrared seeker，countermeasure effectiveness

TN216

A

1001-8891(2015)06-0514-05

2015-02-10；

2015-03-24.

寧功韜（1974-），遼寧遼陽人，博士研究生，研究方向為光電對抗無源干擾技術(shù)。

周遵寧（1969-），山東萊陽人，副研究員，研究方向為光電對抗無源干擾技術(shù)。E-mail: zzn@bit.edu.cn。

爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點實驗室科研專項基金項目。