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

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。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院和空基信息感知與融合全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)在《航空兵器》期刊上發(fā)表了以“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”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為李麗娟研究員。

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。

隱身飛機(jī)的紅外輻射特性

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見(jiàn)如圖1所示。

圖1 飛機(jī)紅外輻射源的光譜分布

從紅外輻射的光譜分布來(lái)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，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，用它的溫度和噴管面積來(lái)計(jì)算其輻射。尾噴管的溫度越高、面積越大，則其紅外輻射強(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，它是飛機(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(kāi)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)。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)，得到其與飛行速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 蒙皮氣動(dòng)加熱系數(shù)與飛行速度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系

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(guò)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)在軍用狀態(tài)與加力狀態(tài)下的中波紅外輻射方向性分布如圖3所示，其中，0°為正尾后，180°為正迎頭。

圖3 某飛機(jī)在軍用狀態(tài)與加力狀態(tài)下的中波紅外輻射方向性分布圖

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(guò)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；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。

（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%。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。

（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。

（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。例如：美國(guó)F-35戰(zhàn)斗機(jī)的尾噴管通過(guò)采用特殊涂層來(lái)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(kāi)展了研究與仿真建模。文獻(xiàn)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)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(méi)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。

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。

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(guò)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(wèn)題，通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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。

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)。

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(guò)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。

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(guò)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(wú)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(wú)限增大。

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)。

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(guò)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)。

可見(jiàn)，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。r S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(lái)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)。

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?chē)膸讉€(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，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(guò)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(guò)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(guò)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?chē)?～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(guò)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。

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

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。

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?chē)姆敲ぴc(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(wú)法正常探測(cè)跟蹤目標(biāo)的問(wèn)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(guò)一些算法的設(shè)計(jì)和導(dǎo)引頭位標(biāo)器的動(dòng)作等來(lái)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。

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(wèn)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，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。

提高光學(xué)系統(tǒng)的無(wú)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，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(wú)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(wú)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)。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(wú)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(guò)程中，若導(dǎo)引頭視場(chǎng)外的太陽(yáng)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(yáng)極化等消光處理措施，通過(guò)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。

圖4 雜散光圖像

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。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）?？傊瑲鈩?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(wèn)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。

圖5 氣動(dòng)加熱紅外圖像

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)，有利于系統(tǒng)探測(cè)性能的提高。通過(guò)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)。

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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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。

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(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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。