紅外導引頭抗誘餌干擾研究*

楊 棟，高德亮，曹耀心，王凱旋，吳驍斌

(1.上海航天控制技術研究所·上海·201109； 2.空軍裝備部駐上海軍事代表室·上海·201109； 3.中國航天科技集團公司紅外探測技術研發中心·上海·201109)

0 引 言

紅外制導技術在精確制導技術中占有重要的地位，它是利用探測目標和背景間微小的溫差或輻射頻率差引起的熱輻射分布情況來實現對目標的跟蹤，具備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，真正實現了對目標的全向攻擊。但是針對紅外制導技術的一些弱點，不斷發展的各種誘餌干擾技術對其構成了很大的威脅，例如新型紅外干擾彈、紅外煙幕等都能對紅外導彈形成有效的干擾，降低了紅外成像制導導彈的命中精度，甚至使其丟失目標。因此，加強抗誘餌干擾技術的研究顯得尤為重要。

目前紅外制導體制中得到廣泛應用的模式包括點源掃描體制和成像體制。相對點源掃描體制，紅外成像體制導引頭空間分辨率高，靈敏度和導引精度更高，尤其在末端抗干擾階段，可以輸出更為豐富的目標圖像信息，有利于誘餌區分和目標攻擊點選擇，是未來紅外制導的主流發展趨勢。而點源體制紅外導引頭由于技術成熟，成本較低，仍是紅外導引頭類別的重要組成部分。在未來紅外導引頭小型化、低成本、高性能等一系列要求的制約下，兩種體制紅外制導方式及干擾對抗技術的研究均具有十分重要的意義。

1 紅外誘餌干擾類型

紅外制導系統抗干擾能力的不斷提高也促使了紅外干擾技術的迅速發展。紅外誘餌彈作為一種簡單、易用、經濟、高效的紅外干擾手段，是目前應用最廣泛的干擾機制[1]。

(1)常規型紅外誘餌

點源型紅外誘餌就是傳統的閃光彈，主要組分是鎂粉、聚四氟乙烯樹脂和氟橡膠(Magnesium，Teflon，Viton，MTV)，燃燒火焰溫度高達2000℃～3000℃，紅外輻射強度遠大于飛機目標的輻射強度，理論和實踐均證明其是對抗第一、二代紅外導引頭的有效干擾技術。MTV紅外誘餌目前仍然被各國軍方廣泛采用。

(2)多光譜紅外誘餌

第三、四代紅外導引頭開始使用多光譜識別技術提高抗干擾能力。多光譜誘餌就是針對這種趨勢而發展起來的。不同的飛機平臺具有不同的紅外輻射特征，戰術飛機的尾向和側向紅外輻射主要來自于尾噴管和熱羽流，峰值波長集中在3 μm～4 μm；旋翼飛機的輻射特征峰值則接近長波。傳統MTV誘餌燃燒溫度過高，峰值波長集中在1 μm～3 μm，雙色或三色導引頭可以根據飛機目標和誘餌分別在不同波段的輻射強度之比來剔除誘餌信號。多光譜誘餌通過改變誘餌材料配方實現不同波段光譜的覆蓋[2]。代表產品有Chemring公司生產的MJU-59/B、Wallop公司研制生產的DSTL24紅外誘餌彈等[3]。

(3)運動型紅外誘餌

為了對抗先進紅外導引頭的軌跡識別技術，研究人員通過改善誘餌彈氣動布局、加裝推進系統或采用載機拖曳的方式，使誘餌在發射后在一定程度上克服空氣阻力和重力的作用，能夠在較長時間內與載機保持相似的運動狀態，誘餌與目標信號同時處于導引頭波門內，無明顯位置差異，導引頭無法依據軌跡或位置信息濾除誘餌信號。主要包括氣動改型誘餌、推進式誘餌和拖曳式誘餌等。代表產品有Chemring公司生產的DSTL-22紅外誘餌、Esterline防御技術公司生產的MJU-47/B[4]。

(4)面源型紅外誘餌

常規紅外誘餌極易被先進成像導引頭識別并濾除，面源紅外誘餌就是針對成像導引頭的這一特點提出的紅外誘餌。其工作時通過特殊金屬材料的自燃特性或者噴油延燃技術[5]在導引頭視場中產生大面積的紅外輻射云團，能夠在一定程度上掩蓋目標的輻射特征，而且其輻射光譜更貼近真實的目標紅外信號，對紅外導引頭迷惑性更強[6]。代表產品有合金表面公司生產的MJU-50/B和MJU-51/B、加拿大防御公司生產的MJU-5188和MJU-5130等紅外誘餌彈。

(5)復合紅外誘餌

復合紅外誘餌通常為兩種體制復合，典型復合模式有常規/面源復合誘餌、常規/運動復合誘餌等。各型紅外誘餌如下圖1所示。

(a)點源型紅外誘餌

(b)面源型紅外誘餌

(c)運動型紅外誘餌

(d)復合型紅外誘餌圖1 各型紅外誘餌 Fig.1 Kinds of infrared decoy

2 紅外導引頭抗誘餌干擾方法

紅外抗誘餌干擾方法本質是從干擾場景的各種復雜信息中提取符合目標特征的信息量，關鍵點在于尋找目標、干擾所呈現出的特征差異。針對紅外誘餌的特點，目前紅外導引頭的干擾對抗策略主要從輻射強度、波段輻射差異、目標/誘餌運動特征差異、末端成像技術等幾個方面開展。

2.1 輻射強度信息鑒別

輻射強度是識別誘餌投放和目標信息鑒別的重要特征之一。為有效壓制目標信息，典型誘餌輻射特征是起燃速率快，燃燒過程中輻射強度相對目標較高，但是目標飛機的輻射強度相對較為穩定。在判斷誘餌起燃時，需要關注誘餌能量上升速率，所設置的閾值應能有效將其同目標自身的能量波動、姿態變化以及處于緩慢加力過程而形成的能量上升趨勢區分開來。而在目標受到誘餌干擾期間，則應關注目標、誘餌的能量的相對大小以及變化趨勢，通過對視場中的客體建立灰度序列，并對灰度絕對值及變化趨勢進行分析，設置能量匹配波門，實現目標、誘餌的有效鑒別。在目標被長時間遮擋過程中，由于無法獲取目標能量信息，通常利用進入干擾態前所記錄的目標能量信息對能量波門進行預測，自適應地設置區別二者的閾值[7]。

2.2 波譜信息鑒別

一般而言，飛機的紅外輻射特性由機身蒙皮、尾噴口及熱部件、尾焰輻射所確定，它是這幾類輻射特性綜合而成。在空中運動狀態下燃燒的MTV型紅外誘餌，一部分是發光區，一部分是燃燒的煙霧，只有發光區形成的紅外輻射才真正構成對紅外制導導彈的干擾，通過實測數據分析紅外誘餌輻射特性，光譜輻射強度如下圖2所示。

圖2 誘餌與黑體的光譜輻射強度Fig.2 Spectral radiation intensity of decoy and blackbody

圖2為典型的MTV紅外誘餌與2700 K黑體的光譜輻射強度對比圖，可見誘餌的紅外輻射與標準黑體存在一定差異，在3 μm～4 μm波段有較大的下沉。利用目標、誘餌在不同波段探測器的響應差別可以有效對二者進行區分。實現雙色與多波段成像主要有以下兩種途徑[8-9]：一種是利用不同波段組合的雙色疊層探測器，另一種方式是采用機電結構的波段選擇器，通過電機驅動將多個不同譜段的濾光片序列插入光路中，對入射光進行調制，分時輸出不同譜段的圖像。采用波段選擇器方式的優點是一方面降低了對探測器的要求，另一方面系統能根據目標、背景、干擾選擇合適的譜段信息，波段帶寬和波段數可靈活選擇，具有較強的自適應性。

2.3 運動特征鑒別

對于無動力型紅外誘餌，投射出去以后，由于缺乏動力，其在前向的運動會呈現出負加速度特征，但是目標飛機一般不會[10]。首先分析誘餌和飛機的運動特征，誘餌投射出去以后，由于缺乏動力，在空氣阻力和重力的作用下，會逐漸與目標飛機拉開距離，其運動特征表現出較為明顯的負加速度特征。如圖3所示，給出了誘餌運動的仿真結果圖，從中可以看出在飛機運動方向和垂直方向，誘餌運動與飛機有較大差異。利用目標、誘餌運動軌跡在像平面的投影差異，可以取得較好的目標鑒別效果。

圖3 目標飛機機動中投射干擾彈示意圖Fig.3 Track of airborne infrared decoy

2.4 末端成像抗干擾方法

在目標/干擾亞成像和成像階段，可獲得除輻射強度、波譜信息以外的更多目標特征，包括尺寸、視線角運動、形狀、拓撲結構、姿態等，具備多維特征融合條件。同時，結合紅外成像導引頭先驗信息(如目標模板)等資源的種類和數量，增加信號處理的空間維數，從而在更高維的信號空間中擴大和鑒別目標和誘餌干擾的差異，實現目標信息的充分挖掘和利用，形成多維信號空間處理抗干擾技術體系，實現紅外成像導引頭系統性能提升。

2.5 基于特征量融合的抗干擾方法

紅外干擾對抗中，難以根據單幀信息判定目標，必須進行幀間關聯形成軌跡，通過信號特征的連續性區分干擾和目標。同時，在誘餌干擾對抗中，僅靠某一特定特征信息難以應對日益復雜的干擾場景，例如，通過波譜特征可以有效區分常規誘餌和目標信息，但難以有效識別新型多光譜誘餌；基于運動特征的干擾識別方法可有效應對無動力誘餌干擾，但對新型動力誘餌又有局限性。結合上述的目標/誘餌特征差異，必須將干擾場景中所關注信號的各項特征信息進行綜合決策，以提高目標識別的準確度。通常采用的方法包括特征量條件判別、特征量的綜合權值判別，前者依次設置特征量條件判據，只有滿足所有條件的信息才會成為候選目標，該方法的關鍵點在于判據設置要求非常準確；后者則通過設置特征量加權系數，計算出信息量的綜合權值，根據權值閾值進行目標狀態切換與識別。以基于特征量綜合權值判別方法為例，在信息融合過程中，隸屬函數的確定非常重要，直接影響評判效果的優劣及準確性，在具體的應用中，又包含特征量隸屬函數和綜合隸屬函數。例如，特征量隸屬函數可以通過與目標特征的似然程度給出[11-12]，將輻射強度權值、尺寸權值、運動特征權值分別記為wr，ws，wv，一種典型的綜合隸屬函數確定如下：

wA=c1wr+c2ws+c3wv

(1)

式中，wA為當前幀的綜合權值；c1、c2、c3分別為相應特征權值的加權系數，三者之和為1，其具體值可以通過試驗或典型的概率模型擬合得到[13-14]。根據當前幀的綜合特征權值計算累積權值wT，表征一段過程中滿足目標特征信息的穩定程度，如公式(2)所示。

(2)

3 點源和成像體制抗干擾能力比較

點源和成像是紅外制導技術發展中的兩種重要體制。隨著光電器件制造技術的提高，紅外成像體制導引頭由于具備更高的靈敏度和空間分辨率，有更好的目標識別能力和更高的制導精度，因而取得了快速發展。雖然兩種體制不同，但光電對抗技術，尤其是紅外誘餌對抗技術是相通的，同時，紅外導引系統抗干擾性能是由光學、機械、電子等分系統相互關聯、相互制約的眾多因素構成的復雜系統，兩種體制是否充分利用各自平臺特點，采取與自身體制最為匹配的抗干擾技術，將決定兩種紅外體制未來的發展前景。

3.1 探測器件

目前仍在廣泛使用的點源體制紅外導引頭探測系統主要包括脈沖調制式和準成像掃描式等類型。前者的典型代表是二元或四元正交式圓錐掃描探測器，后者則包括玫瑰掃描、線列圓錐掃描等準成像探測體制。點源體制探測器通常包含的探元數量少，因此瞬時視場較小。借助光學系統的各種掃描方式，實現對探測視場的覆蓋。而作為紅外成像體制的代表，紅外凝視成像探測器則是由位于前部的遠焦系統將探測器視場內的全景聚焦到一個焦平面陣列上，陣列上的每個探測元在一幀時間內聚焦固定的場元光能，因此，目標輻射能量積分時間增加，大大提高了信噪比，有效地提高了紅外導引頭的探測性能。與此同時，成像體制對于探測器設計技術、生產工藝要求相對較高，小型化和低成本化也是未來發展的基本要求。

3.2 位標器平臺

點源體制紅外導引頭位標器主要包括動力隨動陀螺式位標器和陀螺隨動框架式位標器，最常用結構形式為動力隨動陀螺式位標器。這種結構中，紅外探測器系統直接固定在三自由度陀螺上，與陀螺轉子融為一體，結構簡單、緊湊、零件少、空間利用率高、可靠性好。世界上很多國家的便攜式紅外導彈均曾采用此類結構。點源體制導引頭通過陀螺的穩定性隔離彈體運動對紅外測量系統的干擾，同時利用陀螺的進動性測量目標視線相對慣性空間的轉動角速度，供導引頭給自動駕駛儀輸出控制指令。

成像體制紅外導引頭主要包括光機掃描式和紅外凝視等類型。而最具代表性的紅外凝視成像導引頭位標器則主要包括捷聯式大視場焦面陣凝視紅外成像導引頭和框架式小視場焦面陣凝視成像紅外導引頭。框架式小視場焦面陣凝視成像紅外導引頭技術是當今成像制導方式廣泛使用的一種先進的導引頭方案，通過力矩電機建立框架式導引頭伺服平臺，利用雙速率陀螺進行平臺反饋穩定解耦，并由力矩電機驅動導引頭的光學系統對目標實現跟蹤。目前多種類型的導彈，如美國響尾蛇系列空空彈最新型AIM-9X、以色列Python V等導彈都采用了框架式焦平面探測平臺，作用距離大大提高，可實現超視距全向攻擊目標。

3.3 抗干擾能力

在探測體制和控制平臺類型確定后，平臺控制性能和抗干擾策略將共同決定導引頭抗干擾能力。

(1)平臺控制性能

在干擾的投放時刻，視場中目標瞬間會被干擾淹沒，此后目標在視場中不可見。導彈在導引頭控制、制導控制、目標特征控制(能量、尺寸等)三個控制回路面臨開環過程。對導引頭控制而言，在目標被遮擋直至誘餌開始分離前，通常采取的措施是保持進干擾之前的跟蹤狀態或對視線角方位進行預測。點源體制導引頭由于采用動力陀螺式位標器結構，陀螺的定軸性隔離了在開環控制期間彈體擾動對探測通道的影響，同時通過進動力矩實現方位的預測，控制算法簡單可靠且控制精度較高，為探測信息回路更好地實施抗干擾策略提供了良好的基礎。成像體制導引頭則需借助更多的測角、測速裝置實現平臺的解耦和穩定性，對傳感器的性能依賴高，同時控制算法相對更為復雜。

(2)干擾對抗策略

紅外干擾對抗的主要目的是從復雜的干擾信息中提取有效的目標信息，并輸出方位坐標。對于紅外導引頭而言，隨著彈目距離由遠及近的變化，導引頭視場內的目標/干擾經歷從點目標階段至成像階段的變化，因此對目標/干擾的識別應從遠距離點目標全局特性、亞成像階段目標局部特性和近距離成像目標綜合特征等方面考慮。在點源抗干擾階段，兩種體制導引頭均可獲取包括輻射強度、波譜、運動在內的特征信息，抗干擾能力基本相當。成像體制探測通道通過積分電路輸出圖像信息，在有效提高信噪比的同時，也會由于干擾的高壓制比造成圖像的飽和或者干擾、目標之間的過度粘連。這種情況下，紅外成像探測系統可通過變換探測器的積分電容及改變積分時間進行系統增益的控制，需要注意的是系統增益的調整會影響成像的非均勻性并造成目標特征的變化，因此在系統增益調整時要做好非均勻性的校正及目標特征在不同增益下的變換。點源體制探測器探元數較少，通常采用多路程控增益技術，其動態范圍大、響應速率快，可以快速適應百倍的干擾壓制比條件。而在亞成像和末端抗干擾領域，相對于點源體制，成像體制探測器分辨率更高，可以融合灰度、尺寸、視線角運動、形狀、紋理、姿態等形成多維特征，為攻擊點自主選擇、圖像抗干擾技術的運用提供了更好的條件。

借助MOS電阻陣半實物仿真系統[15]，選取兩種誘餌類型(MTV型、面源型)及典型誘餌釋放條件(齊投、連投)進行誘餌干擾對抗半實物仿真，仿真結果如表1所示。

表1 抗誘餌干擾能力對比

4 紅外導引頭抗干擾發展方向

4.1 紅外誘餌發展趨勢

為了有效地對抗愈發先進的紅外制導導彈，未來要求紅外誘餌彈能更加逼真地模擬目標特性。因此紅外誘餌技術的發展及戰術使用趨勢是從單一體制到多種體制復合的發展及使用模式。同時未來紅外誘餌在組分和結構的設計方面將變得更加復雜：

(1)多光譜探測技術、多波段制導技術的廣泛應用極大提高了武器系統的作戰性能和抗干擾能力，因此紅外誘餌的多光譜信息融合勢必得到發展；

(2)常規型紅外誘餌將向常規/面源、常規/運動復合型方向發展，其輻射能量和面積更大，光譜覆蓋范圍更寬、干擾時間更長；

(3)為了降低成本，提高系統的可靠性、可維修性，實現一機多用和系統的多功能化，紅外誘餌彈及其投放系統向通用化、系列化、標準化和多功能化方向發展；

(4)隨著光電技術發展，全方位的偵測技術，特別是復合紅外制導模式取得了快速發展，因此紅外誘餌與其它光電對抗手段相結合，構成一體化復合光電對抗系統。

4.2 抗干擾技術發展趨勢

隨著新型紅外誘餌彈、定向紅外干擾系統的應用，紅外導引頭的作戰效果受到嚴重威脅。為保證導彈的作戰效能，須發展多種抗干擾技術應對各類干擾威脅。

(1)多光譜抗干擾技術[16]

為提升導彈抗紅外干擾性能，多光譜探測技術得到了快速發展，中紅外/紫外、中紅外/可見光等雙波段，以及長波/中波/短波紅外多波段融合導引頭均在快速發展中。

(2)慣導預測技術

基于運動軌跡差異識別目標和干擾是基本的抗干擾措施，紅外導引頭抗干擾期間，通過慣性導航技術可獲得慣性空間基準，提高對軌跡預測精度，從而為抗干擾過程中目標位置預推等算法提供有效支撐。慣導信息可通過增加獨立慣測組件或通過框架結構位標器獲得。慣導預測關鍵技術包括慣組器件小型化、制導控制一體化算法設計等。

(3)基于超分辨率的智能化抗干擾技術

紅外成像焦平面陣列探測器成熟工藝及超分辨率圖像技術的應用，為智能化多目標識別、干擾對抗提供了良好的條件。將人工智能及相關技術產業應用于各類飛行平臺，進一步提升目標識別、干擾對抗和精確制導能力。

(4)復合制導

多模復合制導技術使紅外導彈不受制于單一制導體制的局限，可進一步提升導彈在復雜光電干擾環境和背景環境中的作戰效能。目前多光譜技術已在新型導彈中得到較多應用，隨著信息處理技術、數字芯片的快速發展，多模復合新材料及光機平臺一體化的日趨完善，雷達/紅外、激光/紅外等復合制導技術勢必取得新的突破和應用，增加了目標/干擾信息鑒別維度，可大幅提升抗干擾能力。

5 結 論

作為紅外對抗的兩個方面，誘餌干擾及其對抗技術處在相互制衡和共同發展升級的動態過程。從誘餌對抗角度看，充分利用誘餌、目標在多維度的特征差別進行目標/干擾信息鑒別仍是抗干擾基本準則；同時，傳統單一體制抗干擾技術將向復合制導、智能化方向發展[17]。從未來紅外彈系統設計角度而言，需要在飛行特性、作戰目標、制導體制、制造成本等多方面進行權衡，無論點源還是成像紅外體制，都需要對干擾對抗技術持續進行深入研究，為未來復雜作戰環境提供更高的技術支持和更多的模式選擇。