對空紅外制導關鍵技術發展分析

李同順，奚 勇，印劍飛

（1.上海航天控制技術研究所，上海 201109；2.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

紅外制導技術是通過利用紅外探測器捕獲和跟蹤目標自身輻射的紅外能量實現尋的制導的技術，具有隱蔽性好、制導精度高、可全天時作戰的特點。自1956 年美國研制成功第一代紅外制導導彈——“響尾蛇”空空導彈問世以來，該技術取得了迅猛的發展，在地空、艦空、空空等對空導彈武器中得到了廣泛的應用，從便攜式防空導彈、車載/艦載防空到紅外空空導彈，在領域持續拓寬的同時性能不斷得到提升，成為精確制導武器的一個重要分支［1］。

1 國外發展現狀

半個多世紀以來，紅外制導導彈已經發展到了第四代。作為其換代標志的紅外導引頭也從最初的單元調制盤探測體制發展到了如今的成像探測體制。隨著紅外成像探測體制的日漸成熟，紅外成像制導技術逐漸發展成為紅外制導技術的主流。

1.1 單波段紅外成像制導技術

德國的IRIS-T 空空導彈采用128×4 元線列掃描中波紅外成像制導技術，導引頭具有較好的響應均勻性，抗人工和自然干擾性能好；德國的LFK NG車載防空導彈采用了紅外凝視成像制導技術，防御目標除了固定翼和旋翼飛機外，還包括無人機等目標；英國的ASRAAM 導彈采用128×128 元的中波凝視焦平面紅外成像制導技術，導引頭具有多目標跟蹤和全向跟蹤能力，具備抗紅外誘餌干擾的能力；美國的AIM-9X 空空導彈采用128×128 元的中波凝視焦平面紅外成像制導技術，導引頭的目標截獲距離在背景條件良好情況下為13～16 km，具有大范圍紅外尋的與發射后截獲能力。相關導彈的導引頭如圖1 所示［2-5］。

圖1 典型單波段紅外導引頭Fig.1 Typical single band infrared seekers

1.2 雙波段紅外成像制導技術

以色列的“怪蛇-5”空空導彈采用中/短雙波段紅外成像制導技術，利用目標、背景、干擾的雙波段成像特性差異實現目標識別，具備下視、復雜云層背景下攔截目標能力，大幅提升了抗干擾性能；土耳其的游隼（Gokdogan）空空導彈同樣采用高分辨率雙波段紅外成像制導技術，提升系統的抗干擾能力；美國的SM-3 導彈擔負海基中段反導攔截任務，Block 1B 和Block 2 為提高抗誘餌干擾能力，采用大面陣512×512 元長波雙波段紅外成像制導技術，在攔截末段，利用紅外雙波段信息進行目標鑒別、捕獲，實現對來襲彈道導彈的精確制導和碰撞殺傷。相關導彈的導引頭如圖2 所示。

圖2 典型雙波段紅外導引頭Fig.2 Typical dual-band infrared seekers

1.3 多模復合制導技術引領技術發展

以色列研制的“箭-2”導彈在“箭-1”的基礎上改進了其純紅外制導的方式，采用主動雷達/紅外雙模復合制導技術，大大提升了其命中率；以色列和美國聯合研制的“大衛投石索”攔截彈采用紅外成像和毫米波主動雷達復合制導技術，具有先進反電子和抗紅外干擾能力；美國的RAM 艦載末端防御導彈采用被動雷達/紅外掃描成像制導技術，主要攔截掠海飛行的反艦導彈；美國正在研制的新一代遠距空空導彈AIM-260，將替代現役的AIM-120 空空導彈，據報道采用了紅外和雷達雙模復合制導體制，使其在復雜的空中作戰環境中更具優勢；美國在下一代導彈防御計劃中，正在開展512×512 元紅外成像與256×256 元主動激光成像雙模復合導引頭研發，以大幅提高導彈的攔截精度。相關導彈的導引頭如圖3 所示［6-13］。

圖3 典型多模復合導引頭Fig.3 Typical multi-mode compound seekers

2 對空作戰軍事需求

隨著新技術的不斷涌現以及對空作戰理念的不斷更新，新型空襲模式應運而生，形成了以“空中為主體、網絡為中心、空間為支援和臨近空間為重要補充”的格局。這使得對空作戰軍事需求發生了深刻的變化，這種變化具體體現在以下兩個方面。

2.1 攔截目標日趨多樣，隱身能力大幅提升

在傳統的對空作戰中，防空導彈的主要任務是打擊天空背景下的高速飛行器（如戰斗機、轟炸機等）。未來空戰則對作戰任務提出了更高的要求，呈現出大規模跨域作戰、作戰目標多樣、作戰樣式多變的特征。當前，以F-22、F-35 等為代表的隱身戰斗機作為主戰裝備投入實戰，無人飛機也在迅速加入空中戰場，無人機自主作戰以及無人機與有人機協同作戰能力不斷提升；同時，隨著X-51A、X-37B、SR-72 等高超聲速目標的出現，對空作戰的攔截目標不再局限于有人作戰飛機、直升機等傳統飛行器，逐步向以巡航導彈、無人機、臨近空間飛行器、彈道導彈為目標的防空反導反臨多任務拓展，來襲目標呈現隱身、跨域、高速及高機動等特點，對空紅外制導技術面臨革命性的要求［14-15］。相關新型飛機目標如圖4 所示。

圖4 典型新型飛機目標Fig.4 Typical new aircraft targets

2.2 新型對抗技術廣泛使用，戰場環境更加復雜

現代空戰的對抗日趨激烈：一方面，戰機對來襲導彈告警能力不斷提升，F-35 戰機已實現全向告警及自動干擾對抗投放，戰機的自衛能力得到大幅提高；另一方面，紅外人工干擾技術也在不斷發展，紅外點源誘餌彈通過改變干擾釋放策略，以不同壓制比的多誘餌彈多方向投放來提高干擾效果，新型伴飛誘餌或拖曳式誘餌可模擬飛機的運動軌跡，新型面源型紅外誘餌，可形成干擾云團。上述新型誘餌在光譜特性、能量特性、形狀特性和運動特性上更加逼近目標，對目標形成大面積、長時間的遮蔽，紅外制導技術識別目標能力受到極大的挑戰。此外，激光定向能干擾技術也日趨成熟，當探測到來襲導彈時可向導彈發射高能量激光，使紅外導引頭致盲或致眩，從而破壞導彈對目標的穩定跟蹤而造成脫靶。相關新型對抗技術如圖5 所示。

圖5 新型對抗技術Fig.5 New countermeasure technologies

隨著作戰樣式的革新和精確制導武器全天時全天候使用的迫切需求，對空紅外制導技術面臨的環境也由較為傳統的簡單天空背景轉變為更為復雜的云霧氣象條件、地物和海面背景，對復雜環境適應性提出了更高的要求，迫使紅外制導技術必須從能力挖潛和體制革新上加大研究力度［16］。

3 對空紅外制導關鍵技術

3.1 弱小目標探測技術

隨著F-22、F-35 等隱身戰機的大量裝備和“掃描鷹”“小精靈”等小型無人機群的不斷涌現，新型作戰目標紅外輻射能量較傳統目標下降一個數量級以上，探測難度大幅增加，對紅外制導系統提出了極大挑戰。弱小目標探測技術成為對空紅外制導技術的首要關鍵技術，對提高精確制導武器的作戰距離及反應速度具有重要意義。

對空紅外制導系統獲取的目標信號在像面上只是一個很小的斑點，沒有明顯的邊緣輪廓和結構特征，且信噪比較低，特別是在云層、地物、海面等雜波干擾影響下，目標甚至被大量噪聲淹沒，遠距離弱小目標的檢測非常困難，可以從提高紅外器件性能、新型光學系統設計和應用、微弱目標信號提取方法等方面開展研究。

1）高性能紅外探測器技術。紅外探測器是紅外制導系統的核心部件，其技術的不斷發展是制導系統探測能力提升的前提條件。一方面，隨著大面陣、小間距成像探測器的發展，系統更容易實現高成像分辨率、低等效背景噪聲輻射，目前探測器面陣規模已由256×256 向1 K×1 K 及以上發展，像元間距由50 μm×50 μm、30 μm×30 μm 向15 μm×15 μm 及以下發展；另一方面，隨著高幀頻數字化探測器、自適應紅外探測器的發展，在紅外焦平面陣列上可實現像元級全數字化處理，并進行片上非均勻性校正、目標特征提取等，有利于提高系統探測靈敏度并降低系統復雜度。目前歐美等國正在大力發展大規模單片式數字化陣列、自適應紅外焦平面陣列、靈巧紅外焦平面陣列等技術，為新一代紅外成像制導系統實現復雜環境下超強的探測能力提供必要的技術條件。

2）近衍射限光學成像技術。高透過率、大口徑和小像差的光學成像系統也是提高探測能力的一條有效途徑。隨著自由曲面、微納光學等技術的發展和多軸超精密加工技術的不斷成熟，一方面可考慮同軸兩反/四反、離軸三反等全反射式光學成像技術在對空彈載平臺上進行應用研究；另一方面可開展平面超構光學技術研究，替代傳統光學透鏡組件，提高光學透過率。據報道，2017 年美國雷神公司聯合亞利桑那州立大學光學中心研制了面向AIM-9X 空空導彈應用的基于平面超構光學的紅外成像光學系統樣機，鏡片數量減少8 片，有效提高了系統探測性能。同時，可研究捷聯穩定成像、雙滾轉伺服成像等技術，在有限體積空間內，提高系統的入瞳口徑；研究主動一體式光機制冷技術，降低光學系統自輻射噪聲影響，提高系統檢測信噪比。

3）弱小目標信號提取技術。針對復雜背景下紅外圖像弱小目標檢測困難、信噪比低等問題，越來越多的新方法不斷被提出。實時、魯棒和通用成為了紅外弱小目標信號處理技術的核心需求。一方面，可通過大增益低噪聲電路、數字時頻域濾波等技術，降低探測系統背景噪聲，并結合圖像時空聯合濾波、多分辨、多尺度分析等方法，提取目標與背景的多維度特性差異，達到抑制背景和提升圖像信噪比的目的；另一方面可利用彈載組合導航和目標裝訂信息，構建相對慣性空間的目標軌跡鏈，有效剔除背景干擾，提高復雜環境下對目標的探測能力。

八院803 所通過相關技術研究，紅外制導系統探測靈敏度由10?12W/cm2量級提升到10?13W/cm2量級，下視雜波背景條件下探測距離提升1 倍，雜波背景下弱小目標識別結果如圖6 所示。

圖6 弱小目標識別結果Fig.6 Recognition results of dim-small targets

3.2 自主智能目標識別技術

隨著目標隱身性能、機動性能和干擾場景復雜度不斷提高，對弱小目標檢測與識別的魯棒性和實時性提出了更高要求。傳統目標檢測方法一般針對特定的目標和環境，采用人工設計特征以增強目標信號，抑制雜波背景。但是，傳統人工設計特征的信息維度和信息處理能力不足，應用場景單一，泛化性能不足。以深度學習為代表的自主智能目標識別技術具有高維特征學習和知識推理識別能力，使自主智能目標識別技術在精確制導領域的應用成為可能。

自主智能目標識別技術基于人工智能技術，結合彈載平臺感知的環境和目標信息，自主實現目標特征提取與分析，完成復雜戰場環境下的目標識別和抗干擾任務。歐美各國已逐步將自主智能目標識別技術作為復雜戰場環境下目標探測、識別與抗干擾等軍事研究的重要技術途徑，典型產品如美國海軍的遠程反艦導彈（Long Range Anti-Ship Missile，LRASM）、第2 代小直徑炸彈（Small Diameter Bomb-II，SDB-Ⅱ）等［17-21］。因此，彈載信息處理系統的自主智能目標識別技術將是未來復雜戰場中紅外制導武器實現目標精準打擊的關鍵因素之一。

采用自主智能目標識別技術有助于解決傳統跟蹤算法的不足，提升對于復雜目標場景下的目標探測與跟蹤能力。但在彈載應用中，典型目標紅外樣本庫構建難度大，現有彈載信息處理平臺難以支持復雜的目標識別網絡模型。

為了實現紅外彈載自主智能目標識別技術，可采用如下的技術方法：

1）紅外樣本庫的構建與增廣技術。研究基于復雜戰場環境的目標特性、三維場景建模和紅外場景目標仿真的數據增廣技術，以及基于圖像仿射變換、裁剪與拼接、生成對抗網絡等方法的樣本擴容技術，構建場景豐富、多視角、多尺度的紅外目標樣本數據庫，為基于深度學習算法模型的目標識別能力訓練和增量學習提供充足的數據支撐。

2）基于智能識別網絡模型設計及輕量化技術。紅外制導領域的自主智能目標識別算法需綜合利用精確制導體系的多維度和多模式的探測能力，開展高維特征提取、拼接、融合等智能網絡架構設計，設計面向低特征目標識別和多維/多源異構信息的智能融合的算法模型，實現適配彈載平臺低功耗和高幀率要求的輕量化網絡設計。研究傳統與智能兩條技術路線的算法融合方法，克服單一算法途徑的局限性，支撐強魯棒和高實時性的自主目標識別性能提升。

3）彈載智能信息處理平臺架構技術。構建面向彈載應用的智能信息處理平臺架構，基于低功耗AI 芯片，突破DSP/FPGA+AI 芯片的異構處理器系統技術。研究智能算法模型低復雜度、低比特量化、張量壓縮等技術，突破智能識別算法模型的硬件平臺嵌入式移植等關鍵技術，實現智能目標識別算法在彈載平臺上的實時運行。

八院803 所通過相關技術攻關，已初步完成紅外圖像數據集的構建，完成智能目標識別系統樣機研制，初步具備復雜干擾場景下自主智能目標識別分類能力，識別結果如圖7 所示。

圖7 自主智能目標識別結果Fig.7 Autonomous intelligent target recognition results

3.3 雙多波段紅外制導技術

隨著紅外干擾技術的發展，紅外誘餌干擾從傳統的點源誘餌干擾發展到面源、點面復合、伴飛式等多種新型紅外干擾形式。隨著打擊目標（巡航彈、無人機等）和作戰模式變化，下視下射等復雜背景下的作戰模式日益增多，傳統的單波段紅外制導技術難以滿足復雜環境及新型干擾對抗條件下作戰需求。

紅外誘餌干擾與戰機類目標因工作介質不同，其紅外輻射與目標在部分波段上存在明顯差異，典型背景多為中低溫自輻射和陽光反射，與戰機類目標在部分波段上亦存在顯著差異。基于多色探測的多波段紅外制導技術可以得到同一時刻、不同波段的目標輻射特性，利用紅外輻射的波段差異可有效提高目標鑒別能力。因此，雙/多波段紅外制導技術是提高紅外制導復雜環境適應性、抗干擾能力的一個重要技術途徑和發展趨勢。

雙/多波段紅外制導技術主要包括轉輪式多波段和共焦面疊層雙波段兩種技術體制。轉輪式多波段體制技術相對成熟，但光機系統較為復雜，濾光輪機構設計和控制、光機小型化是技術難題；疊層雙波段體制的光機結構形式與單波段基本一致，但對數據吞吐和高速信號處理提出更高要求，疊層探測器的工程化水平也急待提高；共性的雙多波段信息處理是雙/多波段紅外制導技術的核心關鍵［22-28］。

為實現雙/多波段紅外制導系統的探測和抗干擾能力提升，可開展如下技術研究：

1）典型目標多波段光學特性檢定及建模。開展典型目標、背景和誘餌干擾的細分多波段紅外輻射數據采集及特征分析，完成紅外多波段動態場景數學建模，支撐自適應波段選擇、多波段目標識別、抗干擾算法設計及仿真測試。

2）寬波段高光效多波段集能器技術。開展寬波段高透過率高品質光學成像技術研究，針對轉輪式多波段體制，需重點研究波段選擇、濾光輪分區、小型化旋轉濾光機構和高速旋轉濾光輪動平衡工藝等技術。針對疊層雙波段體制，需重點推動中長、長長等多波段疊層探測器的基礎研發。

3）基于多波段融合的信息處理技術。多波段信息融合處理技術是本項技術的核心重點，需重點研究支撐多波段大數據吞吐和高速處理的彈載信息處理平臺技術，基于目標與背景、干擾在不同波段上的灰度比、輪廓等特征級融合算法。采用基于引導濾波等方法的像素級融合算法，基于多波段信息融合的目標探測及抗干擾算法，實現雙多波段紅外制導技術相對傳統單波段紅外制導技術在探測和抗干擾方面的性能提升。

八院803 所已開展雙/多波段紅外制導系統研制和關鍵技術攻關，與傳統單波段紅外制導系統相比，復雜背景條件下探測信噪比提高2 倍以上，綜合抗干擾性能提升30%以上。

雙多波段樣機復雜背景和抗干擾成像圖如圖8所示。

圖8 雙多波段紅外成像圖Fig.8 Dual/multi-band infrared imaging

3.4 多模復合制導技術

隨著作戰目標和干擾環境的復雜化，針對全天時、全天候和多任務的作戰要求，單模制導逐漸暴露不足，復合制導模式是精確制導技術發展的必然趨勢。與單模導引相比，多模導引可以獲取更多的目標信息，通過對這些信息的綜合處理可以提高導引頭對隱身目標、弱小目標及復雜背景的作戰適應性，此外，多模制導還可充分利用多維信息，提高導彈抗干擾能力，這在未來的強電磁干擾環境下尤其重要。

一直以來，對空多模復合制導多以紅外/雷達復合制導形式為主，近年來隨著激光探測器件的發展，紅外/激光復合制導技術也漸成光電復合的一個重要發展趨勢。

雷達紅外雙模復合制導從體制上有機掃雷達/紅外成像復合及相控陣/紅外成像復合兩種形式，從實現形式上有分口徑及共口徑兩種形式。紅外被動探測的特點與雷達全天時、高功率及信息維度多的優點結合，使紅外雷達復合制導具有強對抗和強環境適應性的優勢。激光/紅外復合成像制導技術是近年來發展出的新興制導方向，紅外成像探測是一種被動二維圖像強度的信息表達，紅外誘餌產生輻射能量會對目標形成遮擋，使導引頭無法跟蹤目標。激光的三維成像探測技術，利用距離信息和激光高分辨率探測，可以很好解決輻射遮擋問題，克服原有單一紅外制導體制的局限性［29］。

面對現實作戰需求、技術現狀及發展趨勢，對空復合制導技術應著重加強如下兩個方面研究：

1）體制復合多約束系統高性能總體設計技術。體制復合的實現形式有分口徑和共口徑兩種，在導彈苛刻的結構約束下，要實現各單模探測性能不降低的高性能指標約束，一體化、高性能共口徑綜合總體設計技術將尤為重要。對雷達/紅外復合制導需重點開展高性能復合頭罩研制、保形雷達陣面布局、小型化紅外光機設計、結構綜合優化綜合等技術研究。紅外/激光成像雙模復合系統總體設計核心在高效復合光路設計、高精度光機裝調等方面。

2）多模信息融合處理技術。多模信息融合處理主要圍繞如何高效地利用多維體制探測信息，通過體制優選和信息互補，實現對目標、干擾等對象的感知分類及不同環境下的強探測能力。針對多模信息融合處理技術，需重點開展多體制探測信息的時空配準、時域信息的航跡關聯、數據/特征/決策層融合方法、多維全譜目標特性統計建模等技術研究。

4 結束語

軍事裝備和作戰思想正在高速革新，其中，對空作戰仍然是未來戰爭的主戰場。針對未來空中作戰的隱身化、智能化、強對抗、全天候等發展趨勢，紅外制導技術面臨重大挑戰，須加強相關基礎理論研究以及新技術、新材料的創新應用，以快速推進紅外制導技術的發展。