紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)隱身飛機(jī)探測(cè)性能提升途徑分析

李麗娟 劉珂 徐振亞 史曉剛

摘 要：隱身飛機(jī)的出現(xiàn)對(duì)現(xiàn)有雷達(dá)和紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈的目標(biāo)探測(cè)能力都提出了挑戰(zhàn)。 由于隱身飛機(jī)對(duì)雷達(dá)隱身的效果優(yōu)于紅外， 相對(duì)而言， 紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈具有反隱身的優(yōu)勢(shì)。 但紅外導(dǎo)引頭仍需采取一定的措施以提高其對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)識(shí)別能力。 本文針對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)隱身目標(biāo)能力提升需求， 首先梳理了隱身飛機(jī)的紅外輻射特征， 之后根據(jù)紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)性能的影響因素， 提出了采用雙色/多波段成像探測(cè)、 優(yōu)化系統(tǒng)工作參數(shù)設(shè)計(jì)、 提高成像質(zhì)量和場(chǎng)景自適應(yīng)性、 采用低信雜比目標(biāo)檢測(cè)截獲等技術(shù)以提高系統(tǒng)對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)識(shí)別能力。

關(guān)鍵詞：? 紅外成像導(dǎo)引頭； 隱身飛機(jī)； 紅外輻射； 目標(biāo)探測(cè)

中圖分類號(hào)：TJ765.3+33； V249.32+6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)：? 1673-5048（2024）02-0138-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0109

0 引? 言

隨著技術(shù)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代化裝備的使用， 在21世紀(jì)， 隱身飛機(jī)將大量出現(xiàn)于戰(zhàn)場(chǎng)上， 其最大特點(diǎn)是能降低飛機(jī)在航行過程中的目標(biāo)特性， 提高突防能力和攻擊能力， 從而對(duì)現(xiàn)有的防空和空空導(dǎo)彈形成較大挑戰(zhàn)。 目前， 國(guó)外裝備和在研的隱身飛機(jī)主要有美國(guó)的B-2， F-22， F-35， 以及俄國(guó)/印度聯(lián)合研制的T-50和日本的“心神”等。

以美國(guó)的F-22飛機(jī)為例， 該機(jī)具有雷達(dá)/紅外/可見光和聲學(xué)隱身性能、 高機(jī)動(dòng)性、 敏捷性等特點(diǎn)， 具備超音速巡航、 超視距作戰(zhàn)， 以及在作戰(zhàn)過程中先敵發(fā)現(xiàn)、 先敵開火、 先敵摧毀的能力［1］。

隱身飛機(jī)采用了雷達(dá)低可探測(cè)性布局和結(jié)構(gòu)， 使得RCS大幅減小， 從而大大降低了雷達(dá)制導(dǎo)空空導(dǎo)彈對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)截獲能力。 根據(jù)文獻(xiàn)［2］， 隱身飛機(jī)的RCS約為非隱身同類飛機(jī)的1/200～1/1 000， 探測(cè)距離理論上下降73%～82%。 按此估算， 假如雷達(dá)型空空導(dǎo)彈對(duì)非隱身飛機(jī)的探測(cè)距離為40 km， 則對(duì)同類隱身飛機(jī)的探測(cè)距離會(huì)降至7～10 km量級(jí)， 這對(duì)雷達(dá)型空空導(dǎo)彈對(duì)抗隱身飛機(jī)的作戰(zhàn)能力會(huì)產(chǎn)生較大的不利影響。 當(dāng)前空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭主要采用增大發(fā)射功率以提升對(duì)隱身飛機(jī)的作用距離， 但受限于有限的彈內(nèi)空間和能源制約， 在熱耗和能耗上都有很大的瓶頸［3］。

紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈作為空空導(dǎo)彈傳統(tǒng)上的另一大類， 以往主要應(yīng)用于近距格斗空戰(zhàn)中， 但近年來有向中遠(yuǎn)距攔截發(fā)展的趨勢(shì)， 這種趨勢(shì)因雷達(dá)型空空導(dǎo)彈的電磁對(duì)抗能力較弱而變得非常迫切［4］。 不論是中遠(yuǎn)距攔截還是傳統(tǒng)的近距格斗場(chǎng)景， 都要求紅外型空空導(dǎo)彈對(duì)隱身飛機(jī)有較好的探測(cè)能力。

飛行器實(shí)現(xiàn)紅外隱身的方法一般是利用屏蔽、 低輻射涂料、 熱抑制等措施， 降低目標(biāo)的紅外輻射特性。 相較于雷達(dá)隱身技術(shù)， 紅外隱身技術(shù)在隱身戰(zhàn)機(jī)上的應(yīng)用有較大局限性， 比如二元噴管在降低尾氣流紅外輻射的同時(shí)， 也會(huì)降低發(fā)動(dòng)機(jī)推力； 在戰(zhàn)斗機(jī)有限的內(nèi)部空間裝有許多大功率的電子系統(tǒng)和大推力發(fā)動(dòng)機(jī)， 低發(fā)射率材料熱傳導(dǎo)性差， 不利于飛機(jī)內(nèi)部散熱［3］。 總之， 由于隱身飛機(jī)對(duì)雷達(dá)的隱身性能遠(yuǎn)勝于紅外， 相對(duì)而言， 紅外制導(dǎo)空空導(dǎo)彈具有反隱身優(yōu)勢(shì)。 但要將這一優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化成切實(shí)的能力， 需要有高靈敏度探測(cè)、 低信雜比目標(biāo)檢測(cè)與截獲等技術(shù)的支持［4］。

1 隱身飛機(jī)的紅外輻射特性

1.1 飛機(jī)的主要紅外輻射

典型飛機(jī)目標(biāo)的紅外輻射源主要包括尾噴管、 尾氣流和蒙皮輻射等， 其中尾噴管和蒙皮的自身輻射近似為灰體， 尾氣流為典型的選擇性輻射體。 各輻射源的光譜分布如圖1所示［5］。

從紅外輻射的光譜分布來看， 飛機(jī)在3～5 μm波段的輻射主要由發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管和尾氣流的輻射組成， 在8～12 μm波段的輻射主要由蒙皮和尾噴管的輻射組成。

飛機(jī)各輻射源的特點(diǎn)如下：

（1） 尾噴管的紅外輻射航空兵器 2024年第31卷第2期

李麗娟， 等： 紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)隱身飛機(jī)探測(cè)性能提升途徑分析

尾噴管是被發(fā)動(dòng)機(jī)排出氣體加熱的金屬腔體， 可將其看成一發(fā)射率為0.9的灰體輻射源， 用溫度和噴管面積來計(jì)算其輻射。 尾噴管的溫度越高、 面積越大， 其紅外輻射強(qiáng)度也越大。

（2） 尾氣流的紅外輻射

尾氣流輻射的主要成分是4.4 μm處二氧化碳的分子輻射， 其輻射亮度與排出氣流中氣體分子的溫度和數(shù)目有關(guān)， 這些值取決于燃料的消耗， 是飛機(jī)飛行高度和節(jié)流閥位置的函數(shù)。

尾噴管和尾氣流中氣體分子的溫度都與發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)有較大關(guān)系。 當(dāng)飛機(jī)打開加力燃燒時(shí)， 噴管輻射和氣流輻射都大幅度增加， 氣柱長(zhǎng)度也增加了3～5倍。

（3） 蒙皮的紅外輻射

由氣動(dòng)加熱產(chǎn)生的蒙皮輻射在飛行速度（馬赫數(shù)）小于10時(shí)， 飛機(jī)蒙皮輻射溫度為

Ts=T01+rγ－12M2（1）

式中： Ts為飛機(jī)蒙皮溫度； T0為環(huán)境大氣的溫度； r為恢復(fù)系數(shù)， 其值依賴于附面層中氣流的流場(chǎng)。 r=1時(shí)， 為臨界駐點(diǎn)表面的空氣溫度； 計(jì)算蒙皮表面溫度時(shí)， 如果氣流為層流狀， 恢復(fù)系數(shù)選為0.82； 氣流為紊流狀， 恢復(fù)系數(shù)為0.87。 γ為空氣的定壓熱容量和定容熱容量之比， 取值1.4； M為飛機(jī)的馬赫數(shù)。

將蒙皮駐點(diǎn)溫度與環(huán)境溫度的關(guān)系定義為蒙皮氣動(dòng)加熱系數(shù)， 利用式（1）可以得到其與飛行速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線， 如圖2所示。

從圖2可知， 當(dāng)飛機(jī)飛行速度較低時(shí)， 飛機(jī)蒙皮輻射溫度較低， 蒙皮輻射并不明顯； 當(dāng)飛機(jī)飛行速度超過或遠(yuǎn)大于音速時(shí)， 蒙皮溫度急劇升高， 蒙皮輻射就很明顯了。

飛機(jī)的輻射特征與觀察的方位有很大關(guān)系。 從飛機(jī)側(cè)后方可以看到尾氣流和尾噴管的輻射之和， 輻射強(qiáng)度大； 隨著觀察方位向迎頭方向變化， 尾噴管和尾氣流逐漸被遮擋， 輻射強(qiáng)度大大減少。 某飛機(jī)在加力狀態(tài)下的中波紅外輻射方向性分布如圖3所示［5］， 其中， 0°為正尾后， 180°為正迎頭。

1.2 隱身飛機(jī)的主要紅外隱身措施

針對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴口、 尾氣流和蒙皮三大紅外輻射源， 隱身飛機(jī)常采用的紅外抑制措施包括： 通過發(fā)動(dòng)機(jī)隔熱、 異形噴管、 發(fā)動(dòng)機(jī)和噴管結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、 排氣口調(diào)整遮蔽、 噴射冷卻劑等， 以達(dá)到減小、 變向、 遮蔽尾噴管和尾焰紅外輻射的目的［6］； 采用隱身涂料， 降低蒙皮的表面發(fā)射率， 減小蒙皮的紅外輻射。 具體的紅外隱身措施如下：

（1） 采用局部冷卻或隔熱方法， 降低暴露表面的壁溫。 用金屬石棉夾層材料對(duì)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行隔熱， 防止發(fā)動(dòng)機(jī)熱量傳給機(jī)身［7］。

（2） 采用非軸對(duì)稱的噴口形狀， 促進(jìn)尾氣流同自由流動(dòng)的外部空氣快速混合， 降低尾氣流長(zhǎng)度， 減小紅外輻射強(qiáng)度。 試驗(yàn)表明， 長(zhǎng)寬比為7的二元矩形噴管與同樣出口面積的圓形噴管相比， 尾氣流的紅外輻射強(qiáng)度降低61%［7］。 F-22飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)采用二元矢量收斂-擴(kuò)張噴管， 可在俯仰方向作±20°的偏轉(zhuǎn)。 噴管出口平面向后半球的最大輻射強(qiáng)度位于噴管的偏轉(zhuǎn)方向上， 在遠(yuǎn)離高低角偏轉(zhuǎn)方向上的輻射強(qiáng)度下降明顯。 垂尾、 平尾、 尾撐向后延伸， 可遮蔽部分發(fā)動(dòng)機(jī)噴口的紅外輻射。 因此， 從飛機(jī)前半球方向探測(cè)， 產(chǎn)生的輻射易被機(jī)身遮擋； 由于矢量噴管的可偏轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)性， 即使不受遮擋， 隱身飛機(jī)尾部產(chǎn)生的輻射進(jìn)入紅外探測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)也具有一定的隨機(jī)性［6］。

（3） 在燃油中加入特殊的添加劑以抑制尾氣流的紅外輻射， 或者將尾氣流的紅外輻射光譜移到易于被大氣吸收的波段［7］。

（4） 采用隱身涂料， 降低飛機(jī)的紅外輻射。 隱身涂料可降低飛機(jī)表面在全光譜段或大氣傳輸窗口波段的發(fā)射率， 進(jìn)而降低飛機(jī)蒙皮在紅外探測(cè)系統(tǒng)波段內(nèi)的紅外輻射［6］。 例如美國(guó)F-35飛機(jī)的尾噴管通過采用特殊涂層來降低紅外特征。

國(guó)內(nèi)相關(guān)單位對(duì)國(guó)外主流隱身飛機(jī)的紅外輻射特性開展了研究與仿真建模［8］。 文獻(xiàn)［9］仿真驗(yàn)證了3～5 μm波段F-35尾后的輻射強(qiáng)度與F16相當(dāng)， 迎頭的輻射強(qiáng)度比F-16低10%， 并認(rèn)為這是由于隱身飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)功率大幅提高的結(jié)果。 文獻(xiàn)［10］中， 當(dāng)F-22飛行馬赫數(shù)為1.6， 蒙皮發(fā)射率為0.1等情況下， 采用隱身措施后其前半球8～12 μm波段紅外特征降低約90%。

雖然目前還沒有確切的國(guó)外主流隱身飛機(jī)的紅外輻射特性數(shù)據(jù)， 但從物理原理分析， 上述紅外隱身技術(shù)的采用肯定會(huì)降低飛機(jī)的紅外輻射特征， 對(duì)目標(biāo)探測(cè)產(chǎn)生不利的影響。 為提高紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)性能， 需要分析影響紅外成像導(dǎo)引頭目標(biāo)探測(cè)的因素， 并采取有利于提升探測(cè)距離的措施。

2 紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)隱身飛機(jī)探測(cè)能力提升途徑分析

紅外成像導(dǎo)引頭是一個(gè)復(fù)雜的光機(jī)電系統(tǒng)， 其對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力受多種因素的影響， 主要包括： 目標(biāo)和背景的紅外輻射特性， 大氣傳輸特性， 導(dǎo)引頭自身各組成部分的參數(shù)、 特性以及實(shí)際工作中的變化等。 下面對(duì)主要影響因素進(jìn)行分析， 并給出可能的探測(cè)能力提升途徑。

2.1 采用雙色/多波段紅外成像探測(cè)技術(shù)

利用目標(biāo)、 干擾和大氣透過特性在不同波段的差異， 采用雙色/多波段紅外成像探測(cè)技術(shù)可以有效提升復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)識(shí)別能力。

（1） 由于隱身飛機(jī)的紅外輻射特性隨探測(cè)方向、 探測(cè)波段的不同而不同， 因此， 可利用不同波段紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)隱身飛機(jī)的不同輻射源進(jìn)行探測(cè)。 對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行迎頭探測(cè)時(shí)， 因其主要的輻射源尾氣流被較好地抑制， 尾噴管被遮擋， 此時(shí)主要的輻射源為機(jī)身蒙皮。 蒙皮的峰值輻射在長(zhǎng)波段， 利用長(zhǎng)波探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)機(jī)身比較有利。 對(duì)隱身飛機(jī)進(jìn)行側(cè)向和尾后探測(cè)時(shí)， 未被完全遮擋的尾氣流和尾噴管的輻射是主要的輻射源， 其峰值輻射在中波段， 利用中波探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)比較有利。 因此， 利用中長(zhǎng)波復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)可以提高對(duì)隱身飛機(jī)的全向探測(cè)能力。 另一方面， 由于點(diǎn)目標(biāo)的特征相對(duì)較少， 對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的檢測(cè)存在虛警高等問題， 通過不同譜段特征的融合利用有可能提高正確檢測(cè)目標(biāo)的概率。

（2） 紅外空空導(dǎo)彈在作戰(zhàn)中不可避免地會(huì)面臨點(diǎn)源、 多點(diǎn)源和面源等紅外誘餌的干擾， 在復(fù)雜的人工干擾場(chǎng)景下正確探測(cè)識(shí)別目標(biāo)是一個(gè)難點(diǎn)， 需要利用目標(biāo)與干擾在多維度上的特征差異進(jìn)行鑒別。 目標(biāo)與干擾除了在能量分布、 形狀、 運(yùn)動(dòng)等方面有差異外， 二者在光譜分布上也存在顯著的差異， 比如目標(biāo)與干擾在中/長(zhǎng)兩個(gè)波段上的色比不同， 在兩個(gè)波段上的灰度分布、 形狀和大小不同等。 因此， 利用雙色/多波段紅外成像技術(shù)相較于單波段增加了譜段特征差異， 在抗紅外誘餌干擾方面具有優(yōu)勢(shì)。

（3） 不同地域和氣候等條件對(duì)紅外輻射的大氣透過率有影響， 對(duì)于干冷大氣環(huán)境， 長(zhǎng)波紅外比中波紅外譜段透過率高； 對(duì)于濕熱大氣環(huán)境， 中波紅外比長(zhǎng)波紅外譜段透過率高； 對(duì)于充滿霧氣、 煙塵的大氣環(huán)境， 長(zhǎng)波紅外比中波紅外譜段穿透力強(qiáng)。 大氣透過率高則紅外導(dǎo)引頭接收的目標(biāo)紅外輻射多， 有利于提高目標(biāo)探測(cè)距離。 因此， 利用中長(zhǎng)波復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)可以提高在不同地域和氣候條件下探測(cè)隱身飛機(jī)的能力。

2.2 優(yōu)化紅外探測(cè)系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)

紅外探測(cè)系統(tǒng)的工作波段、 光學(xué)口徑、 信號(hào)傳輸和處理特性等工作參數(shù)是決定其探測(cè)能力的基礎(chǔ)， 因此， 需要根據(jù)各工作參數(shù)對(duì)探測(cè)能力的影響， 結(jié)合空空導(dǎo)彈系統(tǒng)的總體要求和設(shè)計(jì)約束， 進(jìn)行探測(cè)系統(tǒng)工作參數(shù)的選擇和優(yōu)化。

空空導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)時(shí)， 目標(biāo)在導(dǎo)引頭上所成的像一般為未充滿探測(cè)器單元的點(diǎn)目標(biāo)。 紅外導(dǎo)引頭對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)距離估算公式如下：

R=［（Jt－LbAt）τa］12π4FD0τ012（D*λp）12·

1（ωf）1/2Sr12η（2）

式中： Jt為目標(biāo)的輻射強(qiáng)度； Lb為背景的輻射亮度； At為目標(biāo)的面積； τa為大氣透過率； F為光學(xué)系統(tǒng)的F數(shù)； D0為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳； τ0為光學(xué)系統(tǒng)的透過率；? D*λp為探測(cè)器的峰值星探測(cè)度； ω為探測(cè)單元的立體角； f為電路等效噪聲帶寬； Sr為信噪比； η為校正因子。

式（2）中的第一項(xiàng)為目標(biāo)與背景的相對(duì)輻射差及其在大氣傳輸中的效率。 目標(biāo)與背景的相對(duì)輻射差異越大， 大氣透過率越高， 則探測(cè)距離越遠(yuǎn)。 然而對(duì)特定的目標(biāo)、 背景與環(huán)境， 該項(xiàng)是確定的。 系統(tǒng)設(shè)計(jì)者可根據(jù)目標(biāo)背景及大氣傳輸特性選擇合適的工作波段， 使第一項(xiàng)的值盡可能大。

式（2）中的第二項(xiàng)為光學(xué)系統(tǒng)的特性。 光學(xué)系統(tǒng)的入瞳越大、 透過率越高、 F數(shù)越小， 則探測(cè)距離越遠(yuǎn)。 但實(shí)際上F數(shù)不能無限小， 其理論極限為0.5。 光學(xué)系統(tǒng)的入瞳與系統(tǒng)的視場(chǎng)、 探測(cè)器的尺寸構(gòu)成一定的約束關(guān)系， 不能無限增大。

式（2）中的第三項(xiàng)與探測(cè)器的性能有關(guān)。 探測(cè)器的星探測(cè)度越大， 探測(cè)距離越遠(yuǎn)。

式（2）中的第四項(xiàng)與系統(tǒng)特性和信號(hào)處理有關(guān)。 探測(cè)單元的立體角越小、 電路等效噪聲帶寬越窄、 探測(cè)目標(biāo)要求的信噪比越低， 則探測(cè)距離越遠(yuǎn)。 小的立體角會(huì)提高探測(cè)距離， 但還需與光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)和彌散斑相匹配， 若過小也會(huì)使得目標(biāo)落在單個(gè)像元上的響應(yīng)降低， 影響探測(cè)距離。 因此， 需要根據(jù)系統(tǒng)總體要求綜合多方面因素后確定。 其中， 電路等效噪聲帶寬f與積分時(shí)間ti有關(guān)， 其相互關(guān)系如下：

f=12ti（3）

可見， 當(dāng)積分時(shí)間長(zhǎng)時(shí)， 電路等效噪聲帶寬小， 探測(cè)距離遠(yuǎn)。 積分時(shí)間一方面受系統(tǒng)幀頻的限制， 另一方面與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)大小有關(guān)， 積分時(shí)間長(zhǎng)可能會(huì)引起快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的成像模糊。 Sr要求應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)的探測(cè)概率和虛警概率指標(biāo)來確定， 另外， 采用一定的信號(hào)處理算法， 可以在低信噪比條件下實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的可靠探測(cè)。

式（2）中的第五項(xiàng)是一個(gè)校正因子， 當(dāng)目標(biāo)所成的像未對(duì)準(zhǔn)探測(cè)器像元的中心時(shí)， 會(huì)落在周圍的幾個(gè)像素上而造成能量的擴(kuò)散， 引起探測(cè)距離下降。

實(shí)際上， 按照式（2）估算的探測(cè)距離比較理想化， 其主要作用是幫助認(rèn)識(shí)影響系統(tǒng)探測(cè)性能的主要因素。 根據(jù)上面的分析， 可知要提高紅外導(dǎo)引頭對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)性能可以重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

（1） 根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景和導(dǎo)彈總體要求， 進(jìn)行紅外探測(cè)系統(tǒng)工作波段的優(yōu)選設(shè)計(jì)， 選擇目標(biāo)/背景信噪比高、 氣動(dòng)熱影響低的工作波段， 選擇靈敏度高的紅外探測(cè)器。

（2） 增大光學(xué)系統(tǒng)的入瞳、 提高光學(xué)系統(tǒng)的透過率對(duì)提高系統(tǒng)探測(cè)距離有較好的效果。 因此， 在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸等條件的約束下， 盡可能設(shè)計(jì)大口徑、 高透過率的光學(xué)系統(tǒng)。

（3） 在遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)階段， 盡可能采用長(zhǎng)積分時(shí)間。 彈目距離較遠(yuǎn)時(shí)， 一方面目標(biāo)視線的相對(duì)運(yùn)動(dòng)不大， 另一方面系統(tǒng)成像和處理幀頻的適當(dāng)降低對(duì)導(dǎo)彈總體性能的影響有限， 因此， 可允許通過延長(zhǎng)積分時(shí)間提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度。

（4） 由于彈目的相對(duì)運(yùn)動(dòng)， 遠(yuǎn)距離點(diǎn)目標(biāo)成像的彌散斑中心不一定落在探測(cè)器像元的中心， 此時(shí)點(diǎn)目標(biāo)的能量會(huì)落在周圍的2～4個(gè)像元上， 使得單個(gè)像元接收到的目標(biāo)輻射大大下降且不穩(wěn)定， 對(duì)目標(biāo)探測(cè)造成不利的影響。 通過微掃描機(jī)構(gòu)使點(diǎn)目標(biāo)的彌散斑中心與探測(cè)器像元中心對(duì)準(zhǔn)， 可以提高對(duì)目標(biāo)輻射能量的利用率， 從而提高系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力。

2.3 提高紅外探測(cè)系統(tǒng)成像質(zhì)量和場(chǎng)景自適應(yīng)性

紅外成像導(dǎo)引頭在實(shí)際工作場(chǎng)景中可能面臨新增盲元、 圖像時(shí)/空域噪聲增加、 雜散光干擾等影響成像質(zhì)量并進(jìn)而影響目標(biāo)探測(cè)能力的因素， 需要采取措施提升紅外成像導(dǎo)引頭對(duì)上述不利因素的抑制和自適應(yīng)處理能力。

2.3.1 提高對(duì)探測(cè)器盲元的自適應(yīng)處理能力

空空導(dǎo)彈遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)時(shí)， 目標(biāo)所成的像為斑點(diǎn)狀， 而紅外探測(cè)器的盲元通常也表現(xiàn)為單個(gè)亮點(diǎn)或亮點(diǎn)簇， 這些亮的盲元點(diǎn)（簇）很容易被誤判為目標(biāo)而導(dǎo)致虛假的目標(biāo)截獲。 另一方面， 探測(cè)器的固有盲元在預(yù)處理時(shí)通常用周圍的非盲元點(diǎn)替代， 此時(shí)雖然該盲元點(diǎn)不會(huì)被虛假截獲， 但當(dāng)真實(shí)目標(biāo)落在該點(diǎn)上時(shí)， 系統(tǒng)并不能探測(cè)到目標(biāo)的響應(yīng)。 因此， 紅外探測(cè)器的盲元對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)目標(biāo)的影響很大。 降低探測(cè)器的盲元數(shù)， 特別是中心區(qū)域的盲元， 有利于提高系統(tǒng)的探測(cè)與跟蹤性能。 但隨著儲(chǔ)存和工作時(shí)間的累加， 以及環(huán)境條件變化等因素的影響， 探測(cè)器會(huì)出現(xiàn)新增盲元。 紅外成像導(dǎo)引頭應(yīng)具有盲元自適應(yīng)處理能力， 否則可能會(huì)引起導(dǎo)引頭反復(fù)截獲盲元而無法正常探測(cè)跟蹤目標(biāo)的問題。 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)利用盲元位置不變的特性， 可以通過一些算法的設(shè)計(jì)和導(dǎo)引頭位標(biāo)器的動(dòng)作等來識(shí)別新增的盲元， 避免或降低盲元對(duì)導(dǎo)引頭目標(biāo)截獲與跟蹤的影響。

2.3.2 提高探測(cè)系統(tǒng)的非均勻性校正水平

面陣探測(cè)器的非均勻性表現(xiàn)為固定的圖案噪聲， 此種空間噪聲的增大會(huì)嚴(yán)重降低目標(biāo)的信噪比， 使用同樣的目標(biāo)檢測(cè)算法和截獲信噪比要求時(shí)， 系統(tǒng)的探測(cè)距離會(huì)大幅下降。 因此， 非均勻性校正是紅外成像導(dǎo)引頭使用中必須解決的關(guān)鍵問題之一。 由于空空導(dǎo)彈工作時(shí)面臨飛行高度和環(huán)境溫度的較大變化， 以及不同場(chǎng)景紅外輻射分布的多樣性， 使得基于定標(biāo)的非均勻性校正方法在導(dǎo)引頭實(shí)際動(dòng)態(tài)飛行環(huán)境下存在較大的誤差， 嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的成像質(zhì)量和目標(biāo)信噪比， 因此， 需要采用其他方法實(shí)時(shí)修正校正系數(shù)以提高紅外成像導(dǎo)引頭工作環(huán)境下圖像的非均勻性校正效果。

一種方法是采用基于場(chǎng)景的校正算法［11］， 如時(shí)域高通濾波法、 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法、 常統(tǒng)計(jì)量約束算法等。 這些算法可以實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)的偏移， 消除1/f噪聲和其他低頻噪聲。 但這些算法應(yīng)用的前提是要求場(chǎng)景是隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的， 因此， 若在空空導(dǎo)彈上使用上述算法， 對(duì)算法的啟動(dòng)和停止時(shí)機(jī)要有約束。 比如在導(dǎo)引頭對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行搜索及未截獲目標(biāo)時(shí)可啟動(dòng)算法， 一旦導(dǎo)引頭截獲并跟蹤目標(biāo)， 由于此時(shí)目標(biāo)總是在視場(chǎng)中心附近的小區(qū)域內(nèi)， 可能引起目標(biāo)信號(hào)的衰減， 需要及時(shí)停止算法的運(yùn)行。 另一種方法是在系統(tǒng)中增加硬件機(jī)構(gòu)， 在校正時(shí)能為系統(tǒng)提供一個(gè)或兩個(gè)均勻溫度的場(chǎng)景， 從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的一點(diǎn)或兩點(diǎn)校正。 該方法以硬件的復(fù)雜換取算法的簡(jiǎn)化， 且校正的精度高， 適用范圍廣。 在結(jié)構(gòu)空間允許的情況下， 這是一種較好的選擇［12］。

2.3.3 提高光學(xué)系統(tǒng)的無熱化和雜散光抑制能力

理想情況下， 設(shè)計(jì)良好的光學(xué)系統(tǒng)對(duì)點(diǎn)目標(biāo)所成的像落在探測(cè)器的單個(gè)像元上， 此時(shí)目標(biāo)的響應(yīng)高， 信噪比強(qiáng)， 系統(tǒng)的探測(cè)距離遠(yuǎn)。 但是空空導(dǎo)彈工作的環(huán)境溫度變化很大， 至少?gòu)?0°C到-40°C， 光學(xué)零件及其支撐結(jié)構(gòu)的特性也會(huì)隨溫度變化， 使得常溫下成像良好的光學(xué)系統(tǒng)在高溫或低溫環(huán)境下出現(xiàn)離焦， 導(dǎo)致目標(biāo)響應(yīng)降低、 信噪比下降［13］， 系統(tǒng)的探測(cè)距離減小。 因此， 需要采取各種措施補(bǔ)償這種溫度變化的影響， 保證光學(xué)系統(tǒng)在工作的整個(gè)溫度區(qū)間內(nèi)性能良好穩(wěn)定。 無熱化設(shè)計(jì)技術(shù)包括電子主動(dòng)式、 機(jī)械被動(dòng)式和光學(xué)被動(dòng)式三種， 在進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)無熱化設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、 重量、 成本及可靠性等方面的要求選擇其中的一種或幾種技術(shù)［14］。 對(duì)于中長(zhǎng)波復(fù)合探測(cè)系統(tǒng)而言， 由于可用的光學(xué)材料受限， 光學(xué)系統(tǒng)的無熱化設(shè)計(jì)相比單波段探測(cè)系統(tǒng)具有較大的難度。

空空導(dǎo)彈工作過程中， 若導(dǎo)引頭視場(chǎng)外的太陽光或其他強(qiáng)輻射源以較大的比例進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器， 就會(huì)形成較大的背景干擾， 造成信噪比下降、 探測(cè)距離減小， 嚴(yán)重影響空空導(dǎo)彈的作戰(zhàn)使用范圍。 圖4為雜散光干擾的一個(gè)例子， 圖像下部出現(xiàn)雜散光引起的亮斑、 亮環(huán)和亮線。 因此， 要求光學(xué)系統(tǒng)要有較強(qiáng)的雜散光抑制能力。 在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行詳細(xì)的雜光分析， 并采取加遮光筒、 對(duì)光學(xué)零件及其支撐件的非工作面進(jìn)行黑色陽極化等消光處理措施， 通過反復(fù)的迭代設(shè)計(jì)與分析， 提高光學(xué)系統(tǒng)的雜散光抑制能力。

2.3.4 抑制氣動(dòng)加熱的影響

空空導(dǎo)彈發(fā)射后的高速運(yùn)動(dòng)引起的氣動(dòng)加熱對(duì)紅外導(dǎo)引頭的目標(biāo)探測(cè)影響很大。 氣動(dòng)加熱效應(yīng)主要包括激波輻射和頭罩溫升引起的輻射， 這些附加輻射會(huì)使導(dǎo)引頭的圖像灰度急劇增加， 同時(shí)空間噪聲增大［15］。 氣動(dòng)加熱效應(yīng)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的影響分為兩個(gè)方面： 一是整體輻射的增加會(huì)使目標(biāo)信號(hào)落入探測(cè)器響應(yīng)的非線性區(qū)甚至使目標(biāo)信號(hào)飽和， 此時(shí)為了保證目標(biāo)不失真， 往往需要減小系統(tǒng)的增益， 因此目標(biāo)的響應(yīng)也相應(yīng)減?。?二是氣動(dòng)加熱引起的背景輻射增加了圖像的空間噪聲， 這可能是激波輻射和頭罩加熱不均勻引起的， 也可能是原有的非均勻性校正對(duì)高背景輻射的適應(yīng)性降低使得殘余的非均勻性增大， 如圖5所示（圖像中出現(xiàn)灰度不均勻的條帶和塊狀區(qū)域）。 總之， 氣動(dòng)加熱使目標(biāo)的信噪比大大降低。 抑制氣動(dòng)加熱效應(yīng)是高速紅外導(dǎo)彈面臨的一個(gè)特殊問題。 從系統(tǒng)角度考慮， 可能采取的措施包括： 適當(dāng)降低導(dǎo)彈的速度、 頭部加氣動(dòng)減阻器、 導(dǎo)引頭內(nèi)部環(huán)控/制冷、 光譜選擇、 使用大動(dòng)態(tài)范圍探測(cè)器、 改進(jìn)非均勻性校正方法等。

2.3.5 提高低噪聲信號(hào)處理與抗電磁干擾能力

在系統(tǒng)的光學(xué)及探測(cè)器確定的前提下， 探測(cè)器驅(qū)動(dòng)及信號(hào)處理技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響系統(tǒng)的探測(cè)性能。 采用低噪聲信號(hào)處理技術(shù)可以使探測(cè)器處于最佳工作狀態(tài)， 減小信號(hào)傳輸與處理環(huán)節(jié)引入的噪聲， 提高系統(tǒng)的信噪比， 最大限度地發(fā)揮探測(cè)器的性能。

導(dǎo)引頭內(nèi)部的伺服機(jī)構(gòu)、 高頻工作的DSP等信息處理電路以及外部復(fù)雜的電磁環(huán)境會(huì)對(duì)探測(cè)器和信號(hào)處理電路造成干擾， 因此， 需要加強(qiáng)系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)， 提高系統(tǒng)的抗電磁干擾能力。

在探測(cè)器驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)中， 應(yīng)為探測(cè)器提供高精度低噪聲的電源和偏壓， 驅(qū)動(dòng)脈沖應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)能力， 具有良好的電磁兼容性和信號(hào)完整性。 選用低噪聲運(yùn)放和合理的電路結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理， 并采用光電隔離和信號(hào)屏蔽等措施降低噪聲和其他分系統(tǒng)引入的干擾。 對(duì)系統(tǒng)中的輸入電源、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)及高頻數(shù)字信號(hào)等應(yīng)采取必要的濾波、 屏蔽等處理， 降低對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響。 采用新型數(shù)字化焦平面技術(shù)的紅外探測(cè)器具有低噪聲、 高抗干擾、 高通道隔離、 高傳輸帶寬、 高線性度和高穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)［16］， 有利于系統(tǒng)探測(cè)性能的提高。 通過上述措施可以使系統(tǒng)的信噪比保持盡可能高的水平， 為后續(xù)目標(biāo)的探測(cè)與截獲打下良好的基礎(chǔ)。

2.4 采用低信雜比目標(biāo)檢測(cè)截獲技術(shù)

空空導(dǎo)彈所探測(cè)的目標(biāo)可能處于不同的背景之中， 除藍(lán)天背景外， 起伏的云層、 遠(yuǎn)地和遠(yuǎn)海背景均會(huì)增加目標(biāo)檢測(cè)的難度。 相對(duì)于目標(biāo)而言， 這些背景往往尺度較大， 分布不均勻， 存在輻射亮度與目標(biāo)相當(dāng)或更強(qiáng)的區(qū)域。 此時(shí)， 信雜比會(huì)大大降低， 檢測(cè)的潛在目標(biāo)區(qū)很多， 而點(diǎn)目標(biāo)的特征量較少， 這些因素使得復(fù)雜背景下點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)相對(duì)困難， 且探測(cè)距離比藍(lán)天背景時(shí)要近。

若通過一定的信息處理算法使系統(tǒng)能在較低的信雜比下探測(cè)到目標(biāo)， 同時(shí)又滿足虛警概率的要求， 則系統(tǒng)就可以獲得更遠(yuǎn)的探測(cè)距離。 因此， 低信雜比目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)對(duì)系統(tǒng)探測(cè)性能的提高也起著很重要的作用。

低信雜比探測(cè)技術(shù)主要是利用目標(biāo)與背景在時(shí)間、 空間和譜段等分布的特性差異， 通過采用噪聲濾波、 背景雜波抑制及目標(biāo)增強(qiáng)等算法， 使經(jīng)過處理后的目標(biāo)信雜比增強(qiáng)， 從而達(dá)到提高探測(cè)能力的目的。 針對(duì)不同背景的分布紋理， 可采用不同尺度的空間濾波， 如形態(tài)濾波、 多級(jí)濾波來抑制背景， 利用目標(biāo)與背景在時(shí)間序列上的相對(duì)運(yùn)動(dòng)特性， 也可提取與背景運(yùn)動(dòng)特性不同的目標(biāo)區(qū)域。 采用雙色探測(cè)可利用目標(biāo)與背景或其他干擾的波段特征差異， 實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的低信噪比截獲與跟蹤［17］。

3 結(jié)? 論

隱身飛機(jī)采取了多種紅外輻射抑制措施， 對(duì)紅外成像導(dǎo)引頭隱身飛機(jī)探測(cè)能力形成較大的挑戰(zhàn)。 本文根據(jù)隱身飛機(jī)紅外輻射的特點(diǎn)及紅外成像導(dǎo)引頭探測(cè)系統(tǒng)的工作特性， 提出了多種提升導(dǎo)引頭探測(cè)性能的技術(shù)途徑。

（1） 利用目標(biāo)、 干擾和背景的紅外輻射特性及大氣傳輸特性在不同波段的差異， 提出通過雙色/多波段成像探測(cè)技術(shù)提高目標(biāo)探測(cè)和抗干擾能力。

（2） 通過優(yōu)化探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 實(shí)現(xiàn)增加系統(tǒng)接收的目標(biāo)輻射能量、 降低系統(tǒng)工作中的時(shí)空域噪聲、 提高系統(tǒng)在復(fù)雜動(dòng)態(tài)場(chǎng)景下的自適應(yīng)性等目的， 從而為隱身目標(biāo)探測(cè)提供高質(zhì)量的圖像基礎(chǔ)。

（3） 利用目標(biāo)與背景在時(shí)間、 空間等特性的差異， 通過時(shí)空域?yàn)V波等低信雜比截獲技術(shù)， 提高紅外成像導(dǎo)引頭復(fù)雜場(chǎng)景下對(duì)弱小目標(biāo)的檢測(cè)性能， 進(jìn)而提升對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)能力。

未來空空導(dǎo)彈反隱身能力的提升， 還需依賴新器件、 新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用， 比如更高靈敏度的探測(cè)器、 多模復(fù)合探測(cè)、 多彈協(xié)同探測(cè)等。

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Detection Performance Improving Method Analysis of

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Aircraft

Li Lijuan1， 2*， Liu Ke1， 2， Xu Zhenya1， Shi Xiaogang1

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

2. National Key Laboratory of Air-based Information Perception and Fusion， Luoyang 471009， China）

Abstract： The emergence of stealth aircraft poses a challenge to the target detection capabilities of existing radar and infrared guided air-to-air missiles. Compared to the better radar stealth performance of stealth aircrafts， infrared guided air-to-air missiles have the advantage of anti stealth. However， some measures should be taken by the infrared seeker to improve its detection and recognition ability for stealth targets. In this paper， aiming to improve the ability of infrared imaging seeker to detect stealth targets， the infrared radiation characteristics of stealth aircraft are analyzed firstly. Then， based on the factors affecting the detection performance of infrared imaging seekers， various solution are proposed to improve the detection and recognition capabilities of infrared detection system for stealth aircraft， such as using dual color/multi band imaging detection， optimizing the working parameter design of infrared detection system， increasing imaging quality and scene adaptability in different environments， and adopting low signal-to-clutter ratio target detection and interception technology.

Key words： infrared imaging seeker; stealth aircraft; infrared radiation; target detection