刘忠领，于振红，李立仁，朱振福

(1. 北京理工大学 光电学院，北京 100081； 2. 光学辐射重点实验室，北京 100854；3.辽宁省边防局，辽宁 沈阳 110034)

0 引言

红外搜索跟踪系统(infrared search and track system,IRST)[1-4]，是一种采用被动方式工作的成像探测设备，具有隐蔽性好，不怕电子干扰，精度高，低空探测性能好等多种优点，主要用于搜索跟踪空中、地面、海面目标，为近程防御武器系统提供目标信息，具有以下显著特点：① 角分辨率比雷达高，体积、重量比雷达小；② 提供符合人类视觉习惯的目标及背景图像，可完成识别目标及选择攻击目标；③ 可昼夜工作，提高了飞机夜战时对目标的探测能力；④ 可在多视场角和各种背景条件下自动搜索跟踪多个目标。

1 红外搜索跟踪系统组成

红外搜索跟踪系统一般由3部分组成：红外热成像系统(TIS)、稳定与瞄准系统(PSS)、信号处理系统(SPU)，如图1所示。

图1 红外搜索跟踪系统组成Fig.1 Composition of IRST

(1) 红外热成像系统

主要包括红外成像光学系统、探测器和电子信号处理组件。红外成像光学系统是红外探测的光学窗口；探测器一般选择线列或焦平面阵列器件，要求其量子效率及工作波段的大气透射率比较高；电子信号处理组件主要完成探测器电信号的前放和处理。

(2) 稳定与瞄准系统

包括瞄准与稳定机构和电子组件。主要完成对光学装置瞄准线的稳定，并实现对光学视轴、搜索视场等的控制。

(3) 信号处理系统

主要由滤波器、接口电路及微处理计算机(图像处理器)组成。主要完成目标捕获与跟踪等数据处理功能。

2 国内外红外搜索跟踪系统现状及发展

红外搜索跟踪系统从装备应用上分，可以分为机载系统、舰载系统和地基系统等。目前较典型的几种红外搜索跟踪系统有美国的AAS-42系统、瑞典的IR-OTIS系统、俄罗斯的OEPS-29系统、以色列的SPIRTAS、法国的VAMPIR-MB，SPIRAL，VAMPIRML 11，以及意大利的SIR-3系统等。

2.1 机载IRST系统

作为侦察应用的机载IRST系统[5-7]，最常见的有欧洲机载IRST系统，早在20世纪90年代由EUROFIRST联合组织领导开发出PIRATE(被动红外机载跟踪装备)IRST，装备在4个国家的“欧洲战斗机2000”飞机上[8]，采用高性能无热光学部件、3～11 μm液体致冷探测器，功耗小于550 W，可在74 km范围内探测到高速喷气式飞机。

美国的F-14D战斗机上装备了AAS-42 IRST。AAS-42工作在长波红外波段，晴朗时能在185 km距离上探测机身摩擦产生的红外信号；系统可以从各种方向探测目标，而不必处在能看到加力燃烧室尾烟的位置。AAS-42的窄束和固有抗干扰能力证明其在入侵评估方面十分宝贵，甚至可对付正在机动入侵和实施干扰的密集目标。

瑞典的萨伯动力公司研制的IR-OTIS系统，安装在“萨伯”JA-37飞机上，采用大视场和窄视场2种工作方式。工作在8～12 μm波段，系统能够提供昼夜被动态势感知，并向飞机的火控系统传送目标数据。萨伯公司称系统还可用于对地攻击和侦察。

俄罗斯苏-27SK装备的OEPS-29系统[9]，如图2所示。采用了64元线列锑化铟器件，其对高空目标的迎头探测距离约为50 km，低空约为15 km，目标图像可以在座舱内的ILS-31平显或者SEI-31垂直情况显示器中显示；OEPS-29将红外方位仪、激光测距仪、头盔瞄准器综合在一起形成一个完成的系统，其中红外和激光共用一个光学通道，这样保证了激光测距仪可以精确的照射目标，同时又降低了系统的体积和重量。雷达和IRST同时搜索目标；通过IRST/激光器通道实现静默目标指示和交战；机动作战中扩展搜索、跟踪和目标指示，包括指示AAM导弹对付选中的目标。OEPS-29的扫描范围为:方位60°～-60°，高低60°～-15°，具备3种搜索模式：60°×10°，20°×5°，3°×3°，跟踪速度为25°/s，系统质量为175 kg，如图2所示。

图2 苏-27SK装备的OEPS-29红外搜索系统Fig.2 OEPS-27 IRSS of 27SK

2.2 舰载IRST系统

舰载IRST系统[10-12]，其研究比较多。由早期的VAMPIR经过一系列改进，朝着多波段探测、模块化结构设计、轻型化方向发展，适于安装在舰船桅杆等较高位置，从而增大搜索、跟踪距离，减少障碍物的影响，现已形成了多个型号。法国SAGEM研制的SPIRAL红外全景监视系统采用双波段，2个波段共用一个窗口，可探测各种目标：如掠海导弹、固体燃烧火箭、涡轮喷气发动机推进武器等；可以在-20°～80°范围内进行俯仰扫描；可工作在多种地区，既适用于很冷的北大西洋地区，也适用于又热又潮湿的热带地区，总体性能优于VAMPIR和VAMPIR ML11，性能见表1。该系统主要用于探测掠海导弹和低空飞机，并可完成高空搜索，探测水面目标和导航，SPIRAL 系统红外光学系统参数如表2所示。

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

注：①探测距离的探测条件：能见度为10 km，温度为20℃，相对湿度为80%；②导弹直径为400～500 mm。

表2 SPIRAL系统红外光学系统参数如下Table 2 Parameter of SPIRAL infrared optical system

从VAMPIR ML11， SPIRAL等系统可以看出现代舰用红外搜索跟踪系统正朝着扩大功能、提高性能、减少体积和质量的方向发展。

美国海军对TISS系统进行招标，1997年投入使用。1999年3月装舰试验的预警红外搜索跟踪系统(SIRST)系统性能指标见表3。

表3 TISS和SIRST系统的性能指标

另外还有以色列光电工业有限公司(ELOP)研制的SPIRTAS(DS-35)IRST系统，主要装备以色列海军的巡逻艇和导弹艇，系统采用3～5 μm的InSb红外探测器，总重380 kg。

2.3 地基IRST系统

已开发的地基IRST传感器[13-14]，如皮尔金顿公司的ADAD，SAGEM公司的Vigy 105/150/200系列和萨伯公司的IRS-700，用来向防空火炮/导弹提供发射指示。皮尔金顿公司目前的步兵便携型ADAD从1992年开始服役。它采用环形灯阵列来指示目标方位。一个处理器可以控制4个远距离显示装置。在便携式V-SHORADS发射器中，导弹系统和ADAD之间的电子连接装置提供声音指示，在水平方向上引导操纵人员。一旦系统装上皮尔金顿公司的热瞄具，ADAD将可以产生可视指示。

国内经过近十年努力，在红外搜索跟踪系统研制方面取得了突破性进展。选用的红外探测器包括中波或长波、致冷或非致冷、线阵扫描或凝视焦平面等多种形式，可方位360°、俯仰-5°～95°连续旋转搜索目标，行进中建立航迹并稳定跟踪目标(在频率0.5 Hz、幅度-5°～5°条件下)，其光学系统设计技术、探测器应用技术和图像处理技术均居于国内领先水平。

3 红外搜索跟踪系统的关键技术研究现状

红外搜索跟踪系统具有视场大、数据率高、处理速度快、作用距离远、目标指示精度高、反应时间短、探测概率高、虚警率低等特点。其中红外传感器是红外搜索跟踪系统的重要组成部分，它需要有高性能的焦平面多元探测器作基础，光学系统要具有温度自动补偿等功能。

3.1 前视红外系统的发展

机载光电导航系统中前视红外系统[15-16]最早用于1980年9月洛克希德·马丁公司开始研制的“蓝天”机载夜间导航(AN/AAQ-13)和瞄准系统吊舱(AN/AAQ-14)上，后来为满足空对空跟踪、战区导弹防御和作战损伤评估的需要，对相关设备进行改进增强，称为“蓝天”2000+系统。为阿联酋生产的“先进”F-16战斗机上，将安装AN/AAQ-32前视红外和目标探测系统(IFTS)。其他产品如雷神公司研制的ASQ-228型ATFLIR采用中波段红外系统、洛克希德·马丁公司研制的Sniper XR高级瞄准吊舱、诺斯罗普·格鲁门公司研制的改进型Litening系统(称为Litening2 II系统(编号AN/ AAQ228吊舱))、英国BAE系统航空电子公司和法国的泰利斯光电技术公司正在研制的JOANNA系统、法国泰利斯光电技术公司生产的Damocles瞄准吊舱、BAE公司正在改进400系列TIALD系统吊舱等都对前视红外系统做着不断的改进，具体改进如表4所示。

表4 前视红外系统的发展改进

特别是由英国BAE系统航空电子公司和法国的泰利斯光电技术公司研制的JOANNA系统注重采用新技术，这些技术包括：

(1) 具有对如运动车辆大小的目标实现全自动多目标跟踪的能力；

(2) 具有主动激光照射目标能力，以获得高分辨率图像；

(3) 具有自动指挥和控制系统，按照JOANNA系统跟踪多目标运动特征和类型，可以自动测算战术态势,从而实现自动控制和指挥；

(4) 机载目标分辨、识别与指示系统，具有自动识别、分辨目标的能力，并且具有比现役此类系统吊舱更远的“安全火力圈外”实施空空、空地和空海精确攻击能力；

(5) 采用综合的态势感知组件，组件中将包括一部合成孔径雷达(AMSAR ，采用主动电扫描阵列)、一台红外搜索和跟踪系统、电子支持仪器等其他传感器(如超光谱传感器)、数据链和导航系统。

3.2 红外成像技术发展趋势

红外成像技术的最核心部分当属红外探测器技术[17-18]，包括红外材料、器件等重大制造工艺技术，涉及红外探测器基础理论、总体设计、薄膜材料生长技术、材料性能表征与评价技术。新型红外探测器技术，包括多色、量子阱、量子点、超晶格、超导、非晶态、有机等新型探测器；红外探测器表面处理与钝化、互连等技术；红外探测器制造工艺过程控制、测试与评价等技术。而从红外成像系统的信息链路上看，其传输环节包括目标与环境的红外辐射，大气传输，红外光学系统聚焦成像，探测器敏感接收与光电转换，图像信号的耦合读出，图像信号的处理/增强/信息提取/显示与判读或信息利用(例如目标自动提取、锁定与制导等)等一系列环节，因此同样应高度重视所有信息传输链路上各个关键技术的研究。

从第1代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为4代：第1代(1970s—1980s)主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第2代(1990s—2000s)是以4×288为代表的扫描型焦平面；第3代是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为第4代，以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。

3.3 红外图像处理技术的发展

图像处理技术[19-20]作为IRST系统的一项关键技术，包括目标、背景及干扰源的红外辐射特性建模、红外信息的预处理、目标截获和目标跟踪技术等。

国外对目标、背景及干扰源的红外辐射特性已进行过许多研究，也进行了许多实际测试。国内也针对一些特定因数、运算进行实际测试，数据尚不全面，因此在工程上，技术人员多采用理论分析和实际测试相结合的方法。

红外信息的预处理在近十几年取得了巨大的进展。由于IRST系统是一种大视场被动探测系统。通常，系统信息处理的主要任务是将杂波背景下的点目标检测出来，要求高数据率的实时处理能力，以及低的虚警率下高探测能力。一般采用空间滤波和时间滤波，如移动均值滤波器，方差滤波器，最小均方差滤波器，空间匹配滤波器等。目标截获技术是在目标、背景及干扰源建模、红外信息预处理基础上，选择出适用的目标判别方法，确定出判据准则、判别流程以及相关参数。当目标截获后，IRST系统转入目标跟踪状态，多目标跟踪通过测量数据建立目标航迹，删除虚假信息。一旦目标航迹被建立和确认，则目标本身的信息被量化，如目标速度(角速度)，加速度(角加速度)和位置等，可被实时精确预测出来。常用的技术有数据关联算法PDA，多假设算法MHT,神经网络算法，多分辨率跟踪算法，最大似然估计MLS与期望值最大化算法EM相结合的递归算法等。

从最近机载IRST系统的发展方向看，多机动目标跟踪系统将成为集探测、处理和通信等功能为一体的整个大规模跟踪系统的一个组成部分。这时将多机动目标跟踪系统(包含多探测器数据融合技术和群跟踪技术)与人工智能技术相结合，就产生了人工智能型的多目标跟踪系统。另外，近来在国内外兴起并迅速发展起来的人工神经网络技术，由于其独特的大规模并行处理、分布式信息存储、良好的自适应性和自组织性以及很强的学习、联想和容错功能等特征。特别是与传统的随机自适应系统相比，它不仅有更强的学习能力，而且还具有记忆、选择、抽象和识别能力，通过对其系统的训练，有可能自动找到解决问题的方法。它对数据或环境条件不确定性的容忍能力很强，尤其适用于噪声与杂波干扰背景下的信号检测、参数估计、目标特征提取与识别、系统建模等问题。因此，应用人工神经网络理论有可能找到解决机动多目标跟踪问题的有效手段，并发展成为新一代机动多目标神经网络跟踪理论。它对改进现代智能电子系统，特别是军用探测和电子战设备的战术技术性能发挥重大作用，甚至带来突破性的进展。此外，把模糊理论融入目标判别和跟踪算法中，将有助于多目标跟踪的工程实现。

随着搜索空间探测范围增大，作战环境越来越复杂，要求图像处理技术不断升级，硬件要具有高速信号处理能力，软件要能够实时处理大量数据，具有多目标探测、处理、跟踪、边搜索边跟踪能力，研究红外目标检测跟踪的队伍也不断壮大，国内部分科技大学、重点理工大学都有研究所、研究室在专门对此类课题进行研究，更有效的算法也在不断出现。

4 结论

综合上述，红外搜索跟踪系统正朝着以下方向发展：

(1) 小型化和组件化

红外搜索跟踪系统在小型化方面已取得了很大进展，十多年前大而笨重(重达几吨)的IRST系统已逐步为小型、轻便的设备所取代。尤其是扫描指向器部分质量已做到小于100 kg,能直接安装在舰船或载车的桅杆上。其主要组成部分，包括扫描光学系统、热成像器和搜索跟踪信号处理器等均逐步做到标准化和组件化，降低了成本，提高了质量和可靠性，这些均为IRST系统的广泛应用打下了基础。

(2) 兼有目标指示和测距功能

使IRST系统具有被动测距能力，兼有目标指示和对目标的测距功能，是IRST独立应用、构成隐蔽性优良、全被动式工作武器系统的重要前提。目前国外已有公司在这方面开展深入研究，在性能上取得了新的突破。

(3) 缩短目标搜索周期、提高武器系统的反应能力

IRST系统的特点之一是目标搜索范围大，能发现和搜索大空域与远距离的来袭目标。但扩大目标搜索范围与缩短目标搜索周期、提高武器系统反应时间有矛盾。目前国外正在发展的一种采用多面体光学扫描、而热成像器保持不动的红外搜索跟踪系统，为解决这一矛盾提供了新途径。

进入20世纪90年代以后，随着红外焦平面阵列探测器件、高速数字信号处理器、图像处理算法等方面技术的提高，极快地促进了IRST系统的开发。目前世界上已经研制成功或正在研制当中的新型IRST系统，均已采用或准备采用双波段工作，同时利用各种先进技术，使之具有轻小型化和高效能的特点，这也正是新一代IRST系统的发展趋势。

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