紅外制導技術在空空導彈中的應用分析

呂 潔，羅 勇，卿 松，葉建斌，周新宇，周雪琴

(重慶紅宇精密工業有限責任公司， 重慶 402760)

【彈藥工程】

紅外制導技術在空空導彈中的應用分析

呂 潔，羅 勇，卿 松，葉建斌，周新宇，周雪琴

(重慶紅宇精密工業有限責任公司， 重慶 402760)

闡述了紅外制導空空導彈的發展情況，重點分析了在每個發展階段中紅外制導空空導彈的特點以及新一代紅外制導空空導彈發展的技術特點。在此基礎上，分析了紅外制導空空導彈發展中面臨的關鍵技術，包括紅外焦平面陣列、自動目標識別技術、非制冷紅外探測技術。最后，對紅外制導空空導彈未來發展趨勢進行了展望。

紅外制導；空空導彈；多模復合制導；自動目標識別

隨著現代戰爭高技術信息化程度不斷提高，對抗程度日益激烈，要求戰場武器既能命中選定的目標甚至目標的要害部位，又能盡可能地減少附帶毀傷破壞。傳統的導彈命中精度低，難以實現精確打擊，為更好地適應未來戰爭，對空空導彈性能提出了越來越高的要求。

自20世紀50年代初美國成功研制出第一代空空導彈“響尾蛇”后，隨著無源探測技術、計算機技術和光電技術的發展，紅外制導技術迅速發展并日趨成熟，成為精確制導技術的一個重要發展方向，有效地推動了其在空空導彈上的應用和發展。隨著紅外制導空空導彈的裝備和使用，大大提升了空空導彈的智能化水平，實現了對目標的精確探測、識別和跟蹤，提高了空空導彈的精確打擊能力、作戰效能和突防能力。

1 紅外制導空空導彈的發展及其特點

飛機具有紅外輻射高，其尾部噴口的溫度可高達上千度，而背景的紅外輻射低，由于空中目標探測具有了對比度高的特點，使得空空導彈成為紅外技術進入的第一個軍事領域。

隨著紅外制導技術的發展，紅外制導空空導彈的發展經歷了兩大階段：第一階段從20世紀40年代中期至70年代中期，主要為紅外點源制導空空導彈。第二階段始于20世紀70年代中期，主要為紅外成像制導空空導彈。

1.1 紅外點源制導空空導彈

紅外點源制導空空導彈的探測器是點源處理系統，把探測目標作為點光源處理，根據目標和背景紅外輻射能量不同，把目標和背景區別開來，被攻擊目標的高溫部分的紅外輻射作為制導信息源，攻擊的目標相對于背景是一個張角很小的物體，如飛機相對于天空，利用空間濾波等背景鑒別技術，把目標從背景中識別出來，得到目標的位置信息，達到跟蹤目標的效果。

美國研制的“響尾蛇”AIM-9B是第一代紅外點源制導空空導彈的典型代表。AIM-9B的外形如圖1所示。1948年，美國海軍武器中心開始研制；1956年7月，開始裝備部隊。AIM-9B最大射程為11 km，主要用于從尾部攻擊速度比較慢的老式轟炸機。

圖1 AIM-9B

第一代紅外點源制導空空導彈采用了單元非制冷硫化鉛探測器，工作在1～3 μm近紅外波段；導引頭的離軸角和跟蹤能力都非常有限。導彈作用距離近，而且導引頭只能探測飛機的噴氣式發動機尾噴管的紅外輻射。因此，這類導彈的攻擊范圍只限制在目標后方狹窄的扇形區域內，飛行員在戰術使用上只能進行尾追攻擊，且受背景和氣象條件對紅外輻射吸收影響較大，不能全天候作戰，抗干擾能力弱。同時，導彈射程有限，機動能力差，目標稍作空中機動，就很容易將導彈擺脫[1-2]。

第二代紅外點源制導空空導彈于20世紀60年代中期開始服役，典型的代表有美國的“響尾蛇”AIM-9D、中國的PL-5乙等。相對于第一代，第二代紅外點源制導空空導彈的技術有了明顯進步，探測器采用了制冷技術，敏感波段延伸到3 μm，提高了探測靈敏度，典型的目標尾后作用距離提高到8～10 km，跟蹤能力顯著提高，飛行員可以從目標尾后較大范圍內進行攻擊，增加了戰術使用靈活性。

第三代紅外點源制導空空導彈采用高靈敏度的單元或多元制冷銻化銦探測器，工作在3～5 μm中波紅外波段，具備一定程度的全向攻擊能力及抗干擾能力。典型的代表有美國的“響尾蛇”AIM-9L(如圖2所示)、以色列的“怪蛇”3、中國的PL-8B等。第三代紅外點源制導空空導彈作戰運用靈活性大幅提高，在1982年英阿馬島戰爭中英軍“鷂式”系列戰機共發射“響尾蛇”AIM-9L 導彈26 枚，擊落阿根廷各式戰機16 架，命中率達61%，表現相當不錯，成為英軍取得空戰勝利的致勝法寶。同年，“響尾蛇”AIM-9L和以色列的“怪蛇”3空空導彈在中東貝卡谷地作戰中再次大放異彩[2]。

圖2 AIM-9L

1.2 紅外成像制導空空導彈

在抗干擾、多目標分辨方面，紅外點源制導空空導彈存在較大的困難，因此逐步向紅外成像制導方向發展。紅外成像制導技術始于20世紀70年代，美國處于該技術發展的領先地位，紅外成像制導技術利用紅外探測器探測目標和背景的輻射溫差形成的圖像，實現自動導引。

目前，紅外成像制導空空導彈已發展了兩代，第一代是采用光機掃描成像系統，典型的代表有德國的IRIS-T、法國的MICA-IR、南非的A-Darter等。德國的IRIS-T導彈采用機械線列掃描的128×4的銻化銦紅外成像導引頭，工作波段為3～5 μm，抗人為和自然干擾性能好。空空導彈采用光機掃描成像系統其技術簡單、成本低，具有較好的探測器響應均勻性，可減少導引頭的虛警率，在一定程度上提高了對啟動加熱環境的適應能力。第二代是采用凝視紅外焦平面陣列成像制導，電子自掃描，無需光機掃描成像，導引系統結構簡單、緊湊、可靠性高，為發展小型制導彈藥的紅外成像導引頭提供了條件。這類制導導彈具有分辨率高、靈敏度高、信息更新率高等優點，能夠攻擊高速機動小目標、復雜地物背景中運動的目標或隱蔽目標。目前，已實用化的有美國的“響尾蛇”AIM-9X空空導彈，它采用的128×128元銻化銦凝視焦平面導引頭，探測器工作在3～5 μm波段，導引頭具有180°的跟蹤視場，導引頭的目標截獲距離在藍天背景下為13～16 km，具有攻擊距離遠，多目標選擇瞄準和全向跟蹤能力。

與紅外點源制導空空導彈相比，紅外成像制導空空導彈還具有以下顯著特點：

1) 導引頭能夠獲取豐富的目標信息，可實現導引智能化

未來的空域作戰環境越來越復雜，要求精確制導彈藥能夠在短時間內摧毀目標，不依靠人工導引，這必然使制導系統向智能化方向發展，同時需要彈上制導系統不僅能區分不同類型目標，而且還能識別是真目標還是干擾物，并能自動判斷和首先攻擊對己方威脅最大的目標。紅外成像探測器能夠直觀獲取豐富的目標外形或基本結構等目標信息，抑制背景干擾，彈上計算機利用圖像信息處理技術和目標識別技術對探測器獲取的目標圖像進行自動判斷、決策和跟蹤，使導彈對目標實現有選擇的攻擊。

2) 抗光電、紅外干擾能力強，提高了戰場生存能力

紅外成像制導是一種無源制導技術，具有較好的隱蔽性，紅外成像制導系統是擴展源處理系統，它探測的是目標和背景之間微小溫差或來自輻射率差所引起的熱輻射分布圖像，圖像信息量比非成像系統更豐富，制導信息源是熱圖像，能很好地不受光電以及其它雜波的干擾，在復雜干擾背景下探測、識別目標。因此，紅外成像制導系統能有效地抵抗光電干擾以及多種形式的紅外干擾，適應對抗激烈的戰場環境。

3) 發射后不用管

紅外成像制導空空導彈具有在各種復雜戰術環境下自主搜索、捕獲、識別和跟蹤目標的能力，并能自主選擇目標和目標薄弱部位進行命中和攻擊，能夠實現發射后不用管。

1.3 新一代紅外制導空空導彈

縱觀20世紀后20年的幾次局部戰爭，空中力量對戰爭勝負起著至關重要的作用。以美國為首的軍事技術先進國家，為了能夠繼續取得未來空中優勢，不斷研制新型空空導彈和進行空空導彈改進計劃，使得空空導彈領域出現了許多新的發展特點。

為適應空戰全面進入信息化對抗的新要求，新一代紅外制導空空導彈采用了紅外成像制導、小型捷聯慣導、氣動力/推力矢量復合控制等關鍵技術，能有效攻擊載機前方±90°范圍內的大機動目標，具有較強的抗干擾能力，能夠實現“看見即發射”，降低了載機格斗時的占位要求[2]。典型代表有美國的“響尾蛇”AIM-9X(如圖3所示)、英國的ASRAAM(如圖3所示)、德國的IRIS-T(如圖4所示)、以色列的“怪蛇”5 (如圖3所示)等。

英國的ASRAAM空空導彈是MBDA 公司生產的具有全向攻擊能力的近距紅外成像空空導彈，具有先敵發射、先敵攔截、先敵殺傷能力[3]。與大多數新一代近距空空導彈不同，ASRAAM 導彈沒有采用氣動面+推力矢量控制的組合控制方法，即便如此，其機動性仍較強。該導彈配備的紅外成像導引頭在強干擾環境中也能區分目標，特別是連接了頭盔瞄準具后，離軸發射能力可達到±90°。英國空軍已經在“臺風”戰機裝備了ASRAAM導彈，與“海盜”前視紅外搜索和跟蹤系統配合，能夠在“可觀的距離上”探測到F-22 戰機。2014 年11 月24 日，英國國防部宣布已在F-35B 上完成一系列ASRAAM 導彈的掛飛試驗[3-5]。

圖3 AIM-9X、ASRAAM、“怪蛇”5

圖4 IRIS-T

紅外制導空空導彈走過了從單元、多元到紅外成像的導引體制發展歷程，新一代紅外制導空空導彈正在向多波段紅外成像發展。俄羅斯的RVV-MD 導彈是俄羅斯最新型的空空導彈之一，如圖5 所示，其前身是R-73 導彈(世界上第一種可離軸發射的空空導彈)，可以實現搭配頭盔瞄準，即達到了“可視即可射”的效果。RVV-MD導彈采用了多波段紅外導引頭，通過接收不同波長的輻射從而生成“彩色”圖像，這一特殊性能使得RVV-MD 導彈對于各種干擾具有很強的“先發”優勢。2012 年12 月下旬，RVV-MD近距空空導彈進行了列裝前的一次試驗射擊，此次試驗射擊是在一個航空靶場中進行的，試驗非常成功。RVV-MD 導彈主要列裝于俄羅斯的第五代戰機T-50[6]。

同時，新一代紅外制導空空導彈開始廣泛采用發射后截獲技術。如德國的IRIS-T、英國的ASRAAM、南非的A-Darter、以色列的“怪蛇”5等均具有發射后截獲能力。美國的AIM-9X 雖然不具有這種能力，但目前美軍正在對AIM-9X實施P3I計劃，改進研制的AIM-9X BlockⅡ加裝了數據鏈接收裝置，增強了導彈發射后鎖定和截獲目標的能力[7]。

圖5 RVV-MD 近距空空導彈

2 關鍵技術分析

2.1 紅外焦平面陣列(IRFPA)

目前，凝視紅外焦平面陣列成像在紅外成像的導引體制中占主流地位，紅外凝視成像導引頭運用紅外焦平面陣列探測器對其前端光學系統投射的目標輻射能量進行采集，通過光電轉換和電信號處理，將電信號轉化為圖像信號。與掃面成像方式相比，凝視成像得到的圖像幀頻更高，因而具有更高的分辨率、靈敏度和信息更新率，在現役導彈制導系統中占據主導地位。其關鍵技術主要包括：紅外信息探測器器件、基于紅外分辨率的材料研究、目標偏振信息獲取利用技術等。

2.2 自動目標識別技術

自動目標識別(ATR)是紅外成像制導的關鍵技術之一，導彈發射后要在自然和人為干擾的復雜背景中自主地完成對目標的搜索、捕獲、識別和跟蹤，實現發射后不用管。

基于目標模板匹配的自動目標識別方法是一種較為成熟的識別方法，它是彈上傳感器獲取特定目標的實時捕獲圖像，由彈上計算機將實時圖像與內部裝訂的要打擊目標的基準圖進行匹配以識別目標。其中，構建基準圖(即模板)是關鍵。采用目標的結構圖或紋理圖制作目標基準圖，可以由偵察飛機、偵察衛星等拍攝模板并存儲在彈上計算機中。盡管紅外成像傳感器的自動目標識別技術已實用化，但仍存在一些技術難點：1)目標模板庫的建立，很難獲得各種氣象條件下各種軍事目標的最真實、最直接的紅外圖像；2)導引頭實時獲取的圖像與預制的目標模板由于不同氣象條件、拍攝角度等差異而存在幾何畸變；3)對復雜背景中復雜目標的識別算法研究。如何有效地將傳感器技術、模式識別技術、人工智能技術以及專家系統技術結合起來，是實現紅外制導系統的自動目標識別技術的關鍵。

2.3 非制冷紅外探測技術

傳統的紅外探測器必須在低溫下工作，因此需要配備相應的制冷器，由此帶來了整套設備的體積大、工作過程復雜、成本高等突出問題，為了減小空空導彈的體積，節約空間、降低成本，提高制導系統的環境適應性，非制冷紅外成像技術得到了越來越多的重視，已成為紅外制導技術發展的主流之一。但是非制冷紅外探測器的噪聲控制、小型化、高可靠性、高靈敏度等技術仍是非制冷紅外探測技術需要解決的關鍵技術。

3 發展趨勢

隨著紅外探測技術、復合材料技術、傳感器技術、計算機技術、結構化技術等技術的不斷發展進步，紅外制導技術也日漸成熟。同時未來戰場環境和戰爭形態對空空導彈也提出了更高的要求。未來紅外制導空空導彈的發展趨勢主要是以下幾個方面：

1) 智能化制導

智能化制導不僅是紅外制導空空導彈的發展方向，同時也是其他制導武器系統的重要發展方向。智能導引頭是實現智能化尋的制導的核心。紅外成像導引頭能提供更多的目標形狀、能量信息，使制導系統具有一定“智能”和軟件可編程靈活性，可根據圖像特性，選擇目標要害部位進行攻擊，因此在復雜背景或強干擾情況下仍能準確地擊中目標，從根本上能改善制導武器的性能。目前智能化紅外焦平面陣列的快速發展為紅外成像系統的后續強勁發展注入了新活力。未來空空導彈紅外成像導引頭還將發展多光譜制導及多模復合制導等關鍵技術，以提高導引頭綜合性能。美國正大力發展自適應多光譜/超光譜成像，已開發出基于MEMS 的可調諧紅外探測器，具有提供可調諧電壓的多波段紅外焦平面的潛力；美國DARPA正在大力推動自適應焦平面陣列(AFPA) 的發展，已驗證了多光譜可調諧紅外探測器結構[8]。

2) 多模復合制導

隨著光電干擾技術、隱身技術的迅速發展，未來戰場環境將變得十分復雜。雖然紅外制導具有制導精度高、抗干擾能力強等優點，但紅外制導不具備全天候作戰能力、作用距離較近、適用于小范圍跟蹤和精確定位，空空導彈采用單一的尋的制導方式將難于適應未來戰爭的要求，因此，多模復合制導已成為未來空空導彈發展的重要方向。

多模復合制導是指同一制導段，同時采用兩種或兩種以上不同的工作頻段或不同的制導方式進行工作以實現精確制導。空空導彈采用多模制導，使不同的探測器可以相互取長補短，充分發揮各頻段或各制導體制的自身優勢，有效改善導彈的制導性能，極大地提高導彈作戰效能和生存能力。比如毫米波雷達導引頭能夠解決導彈的制導距離，紅外導引頭能夠解決導彈的制導精度，將二者結合能夠充分發揮各自的優勢，互補各自的不足，構成了高性能的制導系統。通過多模復合制導方式使空空導彈具有更高制導精度、識別性能和抗干擾能力，增強作戰效能和突防能力，適應未來戰場環境和目標特性的不斷變化。

3) 網絡中心制導

未來空戰中空空導彈逐漸從平臺中心戰向網絡中心戰轉變，實現遠程精確打擊。網絡中心制導是一種新型精確制導技術，美國稱其為“網絡瞄準”技術[9]，在空空導彈上加裝數據鏈，使之與作戰飛機、預警指揮飛機、電子偵查飛機以及地面、艇載、星載平臺的傳感器聯網，形成一個以不同層次網絡為中心的網絡瞄準體系，共享戰場信息，通過多傳感器數據融合，將不斷修正的目標位置實時傳送給導彈，減少了空空導彈對單一載機平臺在目標探測和制導方面的依賴，極大地提高了空空導彈的制導精度和作戰效能，同時載機發射空空導彈后就可迅速撤離導彈攻擊區域，提高了載機的生存能力。

4) 多傳感器信息融合技術應用

多模復合制導利用多模導引頭獲取了目標和周圍環境信息，如何將各制導模式傳感器對同一目標同時輸出的多個量測信息融合，得到一個最接近真實目標的信息，多傳感器信息融合技術的應用能夠很好的解決這一問題，成為精確制導技術領域的一個重要研究方向。

多傳感器信息融合技術依賴于硬件和軟件兩個方面，多傳感器系統是其硬件基礎，克服了單一傳感器系統自身固有的缺陷和局限性，利用多傳感器數據的互補性和冗余性，為識別跟蹤目標提供更多特征信息。信息融合方法是信息融合的核心，信息融合從信息層次上可分為數據層融合、特征層融合和決策層融合三類。在復雜的背景環境下，充分利用不同時間不同空間的多傳感器信息資源，采用最佳的信息融合方法在相應的信息融合層次上融合出最優結果，更準確的判定目標的屬性，能夠提高制導系統的識別精度和跟蹤能力，極大地改善導彈在復雜背景下的目標捕獲能力、抗干擾能力及自動尋的能力。

4 結束語

紅外制導空空導彈在軍事需求的直接推動下，在半個多世紀的發展歷程中，得到了突飛猛進的發展。新一代紅外制導空空導彈必將是未來空戰中的主要格斗武器，為適應未來復雜的戰爭環境，隨著各種新技術、新材料的應用，新一代紅外制導空空導彈在攻擊范圍、隱身性能、制導精度、機動能力、抗干擾能力和目標截獲能力等方面將會進一步提高。

[1] 劉珂,陳寶國,李麗娟.空空導彈紅外導引頭技術發展趨勢及關鍵技術[J].激光與紅外,2011,41(10):1117-1121.

[2] 樊會濤,崔顥,天光.空空導彈70年發展綜述[J].航空兵器,2016(1):3-12.

[3] 任淼,王秀萍.國外空空導彈最新發展動態研究[J].航空兵器,2015(5),3-10.

[4] 任淼,劉晶晶,趙鴻燕,等.2015年國外空空導彈最新發展動態研究[J].航空兵器,2016(2):9-15.

[5] 宮朝霞,王蕾.國外空空導彈發展綜述[J].飛航導彈,2011(4):60-67.

[6] 張肇容,高賀,張曦,等.國外紅外制導空空導彈的研究現狀及其關鍵技術[J].飛航導彈,2016(3),23-27.

[7] 明寶印,畢建國,邢曉嵐,等.國外空空導彈發展的新特點[J].飛航導彈,2011(4):55-59.

[8] 王真,高敏,高鳳岐.紅外成像制導技術在反坦克導彈中的應用[J].飛航導彈,2015(2):64-67.

[9] 賈秋銳,鐘永兵,孫媛媛.空空導彈制導技術發展趨勢[J].制導與引信,2011,32(2):1-3.

ApplicationAnalysisofInfraredGuidanceTechnologyinAir-to-AirMissile

LV Jie, LUO Yong, QING Song, YE Jianbin, ZHOU Xinyu, ZHOU Xueqin

(Chongqing Hongyu Precision Industrial Co.,Ltd., Chongqing 402760, China)

The development of infrared guided air-to-air missiles was described. The characteristics of infrared guided air-to-air missiles in each stage of development and the technical characteristics of the new generation infrared guided air-to-air missiles were analyzed emphatically. On the basis of this, the key technologies in the development of infrared guided air-to-air missiles were analyzed, including infrared focal plane array, automatic target recognition technology and uncooled infrared detection technology. Finally, the future development trend of infrared guided air-to-air missile was forecasted.

infrared guidance; air-to-air missile; multi-mode compound guidance; automatic target recognition

2017-07-30；

2017-08-12

呂潔(1983—)，女，碩士，工程師，主要從事信號處理技術研究。

10.11809/scbgxb2017.12.017

本文引用格式：呂潔，羅勇，卿松，等.紅外制導技術在空空導彈中的應用分析[J].兵器裝備工程學報，2017(12):70-74.

formatLV Jie, LUO Yong, QING Song, et al.Application Analysis of Infrared Guidance Technology in Air-to-Air Missile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):70-74.

TJ765.3

A

2096-2304(2017)12-0070-05

(責任編輯周江川)