紅外搜索跟蹤系統的研究現狀與發展趨勢*

劉忠領，于振紅，李立仁，朱振福

(1. 北京理工大學 光電學院，北京 100081； 2. 光學輻射重點實驗室，北京 100854；3.遼寧省邊防局，遼寧 沈陽 110034)

0 引言

紅外搜索跟蹤系統(infrared search and track system,IRST)[1-4]，是一種采用被動方式工作的成像探測設備，具有隱蔽性好，不怕電子干擾，精度高，低空探測性能好等多種優點，主要用于搜索跟蹤空中、地面、海面目標，為近程防御武器系統提供目標信息，具有以下顯著特點：① 角分辨率比雷達高，體積、重量比雷達??；② 提供符合人類視覺習慣的目標及背景圖像，可完成識別目標及選擇攻擊目標；③ 可晝夜工作，提高了飛機夜戰時對目標的探測能力；④ 可在多視場角和各種背景條件下自動搜索跟蹤多個目標。

1 紅外搜索跟蹤系統組成

紅外搜索跟蹤系統一般由3部分組成：紅外熱成像系統(TIS)、穩定與瞄準系統(PSS)、信號處理系統(SPU)，如圖1所示。

圖1 紅外搜索跟蹤系統組成Fig.1 Composition of IRST

(1) 紅外熱成像系統

主要包括紅外成像光學系統、探測器和電子信號處理組件。紅外成像光學系統是紅外探測的光學窗口；探測器一般選擇線列或焦平面陣列器件，要求其量子效率及工作波段的大氣透射率比較高；電子信號處理組件主要完成探測器電信號的前放和處理。

(2) 穩定與瞄準系統

包括瞄準與穩定機構和電子組件。主要完成對光學裝置瞄準線的穩定，并實現對光學視軸、搜索視場等的控制。

(3) 信號處理系統

主要由濾波器、接口電路及微處理計算機(圖像處理器)組成。主要完成目標捕獲與跟蹤等數據處理功能。

2 國內外紅外搜索跟蹤系統現狀及發展

紅外搜索跟蹤系統從裝備應用上分，可以分為機載系統、艦載系統和地基系統等。目前較典型的幾種紅外搜索跟蹤系統有美國的AAS-42系統、瑞典的IR-OTIS系統、俄羅斯的OEPS-29系統、以色列的SPIRTAS、法國的VAMPIR-MB，SPIRAL，VAMPIRML 11，以及意大利的SIR-3系統等。

2.1 機載IRST系統

作為偵察應用的機載IRST系統[5-7]，最常見的有歐洲機載IRST系統，早在20世紀90年代由EUROFIRST聯合組織領導開發出PIRATE(被動紅外機載跟蹤裝備)IRST，裝備在4個國家的“歐洲戰斗機2000”飛機上[8]，采用高性能無熱光學部件、3～11 μm液體致冷探測器，功耗小于550 W，可在74 km范圍內探測到高速噴氣式飛機。

美國的F-14D戰斗機上裝備了AAS-42 IRST。AAS-42工作在長波紅外波段，晴朗時能在185 km距離上探測機身摩擦產生的紅外信號；系統可以從各種方向探測目標，而不必處在能看到加力燃燒室尾煙的位置。AAS-42的窄束和固有抗干擾能力證明其在入侵評估方面十分寶貴，甚至可對付正在機動入侵和實施干擾的密集目標。

瑞典的薩伯動力公司研制的IR-OTIS系統，安裝在“薩伯”JA-37飛機上，采用大視場和窄視場2種工作方式。工作在8～12 μm波段，系統能夠提供晝夜被動態勢感知，并向飛機的火控系統傳送目標數據。薩伯公司稱系統還可用于對地攻擊和偵察。

俄羅斯蘇-27SK裝備的OEPS-29系統[9]，如圖2所示。采用了64元線列銻化銦器件，其對高空目標的迎頭探測距離約為50 km，低空約為15 km，目標圖像可以在座艙內的ILS-31平顯或者SEI-31垂直情況顯示器中顯示；OEPS-29將紅外方位儀、激光測距儀、頭盔瞄準器綜合在一起形成一個完成的系統，其中紅外和激光共用一個光學通道，這樣保證了激光測距儀可以精確的照射目標，同時又降低了系統的體積和重量。雷達和IRST同時搜索目標；通過IRST/激光器通道實現靜默目標指示和交戰；機動作戰中擴展搜索、跟蹤和目標指示，包括指示AAM導彈對付選中的目標。OEPS-29的掃描范圍為:方位60°～-60°，高低60°～-15°，具備3種搜索模式：60°×10°，20°×5°，3°×3°，跟蹤速度為25°/s，系統質量為175 kg，如圖2所示。

圖2 蘇-27SK裝備的OEPS-29紅外搜索系統Fig.2 OEPS-27 IRSS of 27SK

2.2 艦載IRST系統

艦載IRST系統[10-12]，其研究比較多。由早期的VAMPIR經過一系列改進，朝著多波段探測、模塊化結構設計、輕型化方向發展，適于安裝在艦船桅桿等較高位置，從而增大搜索、跟蹤距離，減少障礙物的影響，現已形成了多個型號。法國SAGEM研制的SPIRAL紅外全景監視系統采用雙波段，2個波段共用一個窗口，可探測各種目標：如掠海導彈、固體燃燒火箭、渦輪噴氣發動機推進武器等；可以在-20°～80°范圍內進行俯仰掃描；可工作在多種地區，既適用于很冷的北大西洋地區，也適用于又熱又潮濕的熱帶地區，總體性能優于VAMPIR和VAMPIR ML11，性能見表1。該系統主要用于探測掠海導彈和低空飛機，并可完成高空搜索，探測水面目標和導航，SPIRAL 系統紅外光學系統參數如表2所示。

表1 VAMPIR ML11 和 VAMPIR的性能比較Table 1 Capability corporation of VAMPIR ML11 and VAMPIR

注：①探測距離的探測條件：能見度為10 km，溫度為20℃，相對濕度為80%；②導彈直徑為400～500 mm。

表2 SPIRAL系統紅外光學系統參數如下Table 2 Parameter of SPIRAL infrared optical system

從VAMPIR ML11， SPIRAL等系統可以看出現代艦用紅外搜索跟蹤系統正朝著擴大功能、提高性能、減少體積和質量的方向發展。

美國海軍對TISS系統進行招標，1997年投入使用。1999年3月裝艦試驗的預警紅外搜索跟蹤系統(SIRST)系統性能指標見表3。

表3 TISS和SIRST系統的性能指標

另外還有以色列光電工業有限公司(ELOP)研制的SPIRTAS(DS-35)IRST系統，主要裝備以色列海軍的巡邏艇和導彈艇，系統采用3～5 μm的InSb紅外探測器，總重380 kg。

2.3 地基IRST系統

已開發的地基IRST傳感器[13-14]，如皮爾金頓公司的ADAD，SAGEM公司的Vigy 105/150/200系列和薩伯公司的IRS-700，用來向防空火炮/導彈提供發射指示。皮爾金頓公司目前的步兵便攜型ADAD從1992年開始服役。它采用環形燈陣列來指示目標方位。一個處理器可以控制4個遠距離顯示裝置。在便攜式V-SHORADS發射器中，導彈系統和ADAD之間的電子連接裝置提供聲音指示，在水平方向上引導操縱人員。一旦系統裝上皮爾金頓公司的熱瞄具，ADAD將可以產生可視指示。

國內經過近十年努力，在紅外搜索跟蹤系統研制方面取得了突破性進展。選用的紅外探測器包括中波或長波、致冷或非致冷、線陣掃描或凝視焦平面等多種形式，可方位360°、俯仰-5°～95°連續旋轉搜索目標，行進中建立航跡并穩定跟蹤目標(在頻率0.5 Hz、幅度-5°～5°條件下)，其光學系統設計技術、探測器應用技術和圖像處理技術均居于國內領先水平。

3 紅外搜索跟蹤系統的關鍵技術研究現狀

紅外搜索跟蹤系統具有視場大、數據率高、處理速度快、作用距離遠、目標指示精度高、反應時間短、探測概率高、虛警率低等特點。其中紅外傳感器是紅外搜索跟蹤系統的重要組成部分，它需要有高性能的焦平面多元探測器作基礎，光學系統要具有溫度自動補償等功能。

3.1 前視紅外系統的發展

機載光電導航系統中前視紅外系統[15-16]最早用于1980年9月洛克希德·馬丁公司開始研制的“藍天”機載夜間導航(AN/AAQ-13)和瞄準系統吊艙(AN/AAQ-14)上，后來為滿足空對空跟蹤、戰區導彈防御和作戰損傷評估的需要，對相關設備進行改進增強，稱為“藍天”2000+系統。為阿聯酋生產的“先進”F-16戰斗機上，將安裝AN/AAQ-32前視紅外和目標探測系統(IFTS)。其他產品如雷神公司研制的ASQ-228型ATFLIR采用中波段紅外系統、洛克希德·馬丁公司研制的Sniper XR高級瞄準吊艙、諾斯羅普·格魯門公司研制的改進型Litening系統(稱為Litening2 II系統(編號AN/ AAQ228吊艙))、英國BAE系統航空電子公司和法國的泰利斯光電技術公司正在研制的JOANNA系統、法國泰利斯光電技術公司生產的Damocles瞄準吊艙、BAE公司正在改進400系列TIALD系統吊艙等都對前視紅外系統做著不斷的改進，具體改進如表4所示。

表4 前視紅外系統的發展改進

特別是由英國BAE系統航空電子公司和法國的泰利斯光電技術公司研制的JOANNA系統注重采用新技術，這些技術包括：

(1) 具有對如運動車輛大小的目標實現全自動多目標跟蹤的能力；

(2) 具有主動激光照射目標能力，以獲得高分辨率圖像；

(3) 具有自動指揮和控制系統，按照JOANNA系統跟蹤多目標運動特征和類型，可以自動測算戰術態勢,從而實現自動控制和指揮；

(4) 機載目標分辨、識別與指示系統，具有自動識別、分辨目標的能力，并且具有比現役此類系統吊艙更遠的“安全火力圈外”實施空空、空地和空海精確攻擊能力；

(5) 采用綜合的態勢感知組件，組件中將包括一部合成孔徑雷達(AMSAR ，采用主動電掃描陣列)、一臺紅外搜索和跟蹤系統、電子支持儀器等其他傳感器(如超光譜傳感器)、數據鏈和導航系統。

3.2 紅外成像技術發展趨勢

紅外成像技術的最核心部分當屬紅外探測器技術[17-18]，包括紅外材料、器件等重大制造工藝技術，涉及紅外探測器基礎理論、總體設計、薄膜材料生長技術、材料性能表征與評價技術。新型紅外探測器技術，包括多色、量子阱、量子點、超晶格、超導、非晶態、有機等新型探測器；紅外探測器表面處理與鈍化、互連等技術；紅外探測器制造工藝過程控制、測試與評價等技術。而從紅外成像系統的信息鏈路上看，其傳輸環節包括目標與環境的紅外輻射，大氣傳輸，紅外光學系統聚焦成像，探測器敏感接收與光電轉換，圖像信號的耦合讀出，圖像信號的處理/增強/信息提取/顯示與判讀或信息利用(例如目標自動提取、鎖定與制導等)等一系列環節，因此同樣應高度重視所有信息傳輸鏈路上各個關鍵技術的研究。

從第1代紅外探測器至今已有40余年歷史，按照其特點可分為4代：第1代(1970s—1980s)主要是以單元、多元器件進行光機串/并掃描成像；第2代(1990s—2000s)是以4×288為代表的掃描型焦平面；第3代是凝視型焦平面；目前正在發展的可稱為第4代，以大面陣、高分辨率、多波段、智能靈巧型系統級芯片為主要特點，具有高性能數字信號處理功能，甚至具備單片多波段融合探測與識別能力。

3.3 紅外圖像處理技術的發展

圖像處理技術[19-20]作為IRST系統的一項關鍵技術，包括目標、背景及干擾源的紅外輻射特性建模、紅外信息的預處理、目標截獲和目標跟蹤技術等。

國外對目標、背景及干擾源的紅外輻射特性已進行過許多研究，也進行了許多實際測試。國內也針對一些特定因數、運算進行實際測試，數據尚不全面，因此在工程上，技術人員多采用理論分析和實際測試相結合的方法。

紅外信息的預處理在近十幾年取得了巨大的進展。由于IRST系統是一種大視場被動探測系統。通常，系統信息處理的主要任務是將雜波背景下的點目標檢測出來，要求高數據率的實時處理能力，以及低的虛警率下高探測能力。一般采用空間濾波和時間濾波，如移動均值濾波器，方差濾波器，最小均方差濾波器，空間匹配濾波器等。目標截獲技術是在目標、背景及干擾源建模、紅外信息預處理基礎上，選擇出適用的目標判別方法，確定出判據準則、判別流程以及相關參數。當目標截獲后，IRST系統轉入目標跟蹤狀態，多目標跟蹤通過測量數據建立目標航跡，刪除虛假信息。一旦目標航跡被建立和確認，則目標本身的信息被量化，如目標速度(角速度)，加速度(角加速度)和位置等，可被實時精確預測出來。常用的技術有數據關聯算法PDA，多假設算法MHT,神經網絡算法，多分辨率跟蹤算法，最大似然估計MLS與期望值最大化算法EM相結合的遞歸算法等。

從最近機載IRST系統的發展方向看，多機動目標跟蹤系統將成為集探測、處理和通信等功能為一體的整個大規模跟蹤系統的一個組成部分。這時將多機動目標跟蹤系統(包含多探測器數據融合技術和群跟蹤技術)與人工智能技術相結合，就產生了人工智能型的多目標跟蹤系統。另外，近來在國內外興起并迅速發展起來的人工神經網絡技術，由于其獨特的大規模并行處理、分布式信息存儲、良好的自適應性和自組織性以及很強的學習、聯想和容錯功能等特征。特別是與傳統的隨機自適應系統相比，它不僅有更強的學習能力，而且還具有記憶、選擇、抽象和識別能力，通過對其系統的訓練，有可能自動找到解決問題的方法。它對數據或環境條件不確定性的容忍能力很強，尤其適用于噪聲與雜波干擾背景下的信號檢測、參數估計、目標特征提取與識別、系統建模等問題。因此，應用人工神經網絡理論有可能找到解決機動多目標跟蹤問題的有效手段，并發展成為新一代機動多目標神經網絡跟蹤理論。它對改進現代智能電子系統，特別是軍用探測和電子戰設備的戰術技術性能發揮重大作用，甚至帶來突破性的進展。此外，把模糊理論融入目標判別和跟蹤算法中，將有助于多目標跟蹤的工程實現。

隨著搜索空間探測范圍增大，作戰環境越來越復雜，要求圖像處理技術不斷升級，硬件要具有高速信號處理能力，軟件要能夠實時處理大量數據，具有多目標探測、處理、跟蹤、邊搜索邊跟蹤能力，研究紅外目標檢測跟蹤的隊伍也不斷壯大，國內部分科技大學、重點理工大學都有研究所、研究室在專門對此類課題進行研究，更有效的算法也在不斷出現。

4 結論

綜合上述，紅外搜索跟蹤系統正朝著以下方向發展：

(1) 小型化和組件化

紅外搜索跟蹤系統在小型化方面已取得了很大進展，十多年前大而笨重(重達幾噸)的IRST系統已逐步為小型、輕便的設備所取代。尤其是掃描指向器部分質量已做到小于100 kg,能直接安裝在艦船或載車的桅桿上。其主要組成部分，包括掃描光學系統、熱成像器和搜索跟蹤信號處理器等均逐步做到標準化和組件化，降低了成本，提高了質量和可靠性，這些均為IRST系統的廣泛應用打下了基礎。

(2) 兼有目標指示和測距功能

使IRST系統具有被動測距能力，兼有目標指示和對目標的測距功能，是IRST獨立應用、構成隱蔽性優良、全被動式工作武器系統的重要前提。目前國外已有公司在這方面開展深入研究，在性能上取得了新的突破。

(3) 縮短目標搜索周期、提高武器系統的反應能力

IRST系統的特點之一是目標搜索范圍大，能發現和搜索大空域與遠距離的來襲目標。但擴大目標搜索范圍與縮短目標搜索周期、提高武器系統反應時間有矛盾。目前國外正在發展的一種采用多面體光學掃描、而熱成像器保持不動的紅外搜索跟蹤系統，為解決這一矛盾提供了新途徑。

進入20世紀90年代以后，隨著紅外焦平面陣列探測器件、高速數字信號處理器、圖像處理算法等方面技術的提高，極快地促進了IRST系統的開發。目前世界上已經研制成功或正在研制當中的新型IRST系統，均已采用或準備采用雙波段工作，同時利用各種先進技術，使之具有輕小型化和高效能的特點，這也正是新一代IRST系統的發展趨勢。

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