刘珂 王炜强 李丽娟

摘 要：      现代隐身飞机对雷达型空空导弹构成巨大挑战，而红外成像制导技术在体制上具有良好的反隐身能力。本文介绍了国内外空空导弹红外成像制导技术研究发展现状，分析了红外成像导引头技术在未来反隐身超视距空空导弹上的应用前景，提出了一种反隐身红外成像导引头的技术方案。该导引头采用了中/长波双色成像探测技术，能够满足发射后截获条件下探测隐身目标和抗红外诱饵干扰的要求。分析研究表明红外双色成像导引头技术对于提高国内超视距空空导弹的反隐身性能具有重大意义。

关键词：     红外成像制导; 中/长波双色成像; 反隐身; 超视距; 空空导弹; 红外导引头

中图分类号：     TJ765.3+33; V249.32+6

文献标识码：    A

文章编号：     1673-5048（2022）02-0060-06

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2021.0219

0 引  言

超视距空空导弹已经是当前空战的主力武器，其大多采用雷达导引头。因为传统的红外导引头存在发射后截获能力弱、气动阻力大、气动热影响严重等不利因素，所以很少用于超视距空空导弹。但随着新型红外成像探测技术、气动减阻和气动热抑制技术的日趋成熟，上述不利因素有望得以消除。再加上飞速发展的雷达隐身技术和电磁干扰技术对雷达导引头构成了严峻挑战，从体制上具有良好反隐身和抗电磁干扰能力的红外成像制导技术再次得到各军事强国的青睐[1]，拟将其推廣应用到超视距空空导弹上。例如，美国海军曾经筹划研制AIM-9X Block III型空空导弹，提高了60%的射程，使其具备了超视距攻击能力[2]。

本文对可能适用于超视距空空导弹的国内外红外成像导引头技术进行分析，并提出一种反隐身空空导弹用红外成像导引头的技术方案。

1 反隐身需求对空空导弹导引系统的挑战

现代飞机侧重雷达隐身能力。国外装备和在研的隐身飞机主要有美国的F-22和F-35，俄罗斯的Su-57，日本的“心神”等，具有很小的前向RCS。

据估计，F-22前向RCS约为0.01 m2。如果雷达导引头对前向RCS为3 m2的MiG-29截获距离为40 km，则在同样条件下对F-22的截获距离将小于5 km，很难满足空空导弹的实际作战需求。

当前空空导弹雷达导引系统针对反隐身需求的主要解决措施是采用大功率的相控阵雷达进一步提高发射功率[3]。但该措施主要受空空导弹有限弹内空间和能源的制约，在热耗、能耗上都有很大的瓶颈。据估计，下一代隐身飞机的RCS会较目前下降一到两个数量级以上，单靠挖掘相控阵雷达导引头的潜力已很难有效对抗这类隐身目标。

飞机红外隐身的手段主要有屏蔽热源、低发射率涂料、热抑制等 [4]，这些措施在战斗机上的使用有很大的局限性。战斗机依靠具有强大推力的喷气式发动机提供高能量机动性能，也伴随产生了巨大的红外辐射能量。隐身飞机只能依靠宽大的机身、机翼和尾翼在前向有限角度内局部遮挡后机身高温发动机段产生的红外辐射能量，一旦进入躲闪来袭导弹状态或机动占位状态，就不可避免地将侧向暴露于导弹观测方向，高温后机身一览无余。另外，超音速巡航是隐身战斗机获取能量优势的保证，但在该状态下飞机蒙皮受气动加热的影响而升温，产生的红外辐射能量会严重破坏其前向红外隐身性能。

综合来看，红外隐身技术在第四代隐身战机上应用所产生的效果不如雷达隐身技术那么成效斐然。如图1所示， 四代机的红外辐射分布与三代机相似， 也是前向辐射小，侧向、后向辐射明显。据估计，亚音速状态下四

代机的前向有限角度内的红外辐射强度大约是三代机的30%左右。红外导引系统的作用距离下降接近50%。通过进一步挖掘红外成像导引头潜力，可以有效对抗这类隐身目标。

但红外成像制导技术在超视距空空导弹上的应用还面临以下三项技术问题：

（1） “射后截获”状态下检测阶段抗干扰问题。由于红外导引头采用的被动工作方式不具备“距离门”搜索能力，因此，复杂的强背景信号与目标自身的信号混叠在一起被导引头接收，对自动目标识别能力要求很高。此外，在高对抗环境下，敌机通过自身的告警装置在己方导弹发射后就大量施放红外诱饵，因此，红外导引头还必须解决在检测阶段抗红外诱饵干扰的问题。

（2） 气动阻力大影响射程的问题。空空导弹红外成像制导系统通常采用球冠形整流罩，安放在弹头最前端。球冠形整流罩能够保证导引系统具有较大的跟踪场范围，而且在制导跟踪过程中整个光学系统的像质不发生改变。但这种整流罩的气动阻力较大，影响导弹的飞行速度和射程。

（3） 气动加热影响探测的问题。导弹在大气层内超音速飞行时产生的激波加热了位于导引头前端的光学整流罩。激波和整流罩的红外辐射能通过光路进入红外探测器，造成背景噪声及干扰增加，影响红外导引头探测、截获和跟踪性能。

国内外针对红外成像制导技术在超视距空空导弹上的应用开展了大量的研究工作，已取得较好的研究成果。

2 国内外相关技术现状

2.1 采用高灵敏度多色红外成像技术

多色红外成像技术可以同时在多个光谱波段上对同一对象（背景与目标）进行观测并获得相应波段的响应图像。其反映了观测对象在各个窄光谱波段上的响应特性，包含了观测对象的更多光谱能量和特征信息，可大大提高导弹的探测目标能力和抗干扰能力。

法国的MICA-IR空空导弹和以色列的Python 5空空导弹（见图2）都采用了双波段红外成像导引头，具有较远的作用距离和较好的抗干扰能力[5]。其中MICA-IR采用机电扫描的双波段红外成像焦平面阵列探测器，Python 5采用了更先进的双波段叠层凝视焦平面MCT探测器。

超视距空空导弹具有大弹径（178～203 mm）的特点，可以为红外成像导引系统提供比近距格斗导弹（弹径127～160 mm）更大的空间，便于采用大通光孔径的光学系统，可有效提高红外成像导引系统的探测灵敏度，增加对飞机目标的作用距离。

目前主流的红外型空空导弹采用的是中波红外成像导引头。中波红外成像系统主要敏感来自飞机目标高温后机身发动机段的红外辐射能量，具有较高的温度灵敏度，图像对比度和空间分辨力都较长波系统更好，能够敏感更多的目标细节特征。如前所述，四代机主要通过宽大的机身、机翼和尾翼在前向有限角度内遮蔽后机身发动机段的办法，大幅度削弱了自身的前向红外辐射能量（主要集中在中波段），相应降低了中波红外成像导引头对四代机的迎头探测距离。

考虑到目标迎头方向的红外辐射主要是蒙皮辐射，峰值波长在长波段，因此，采用长波红外系统可以有效提高对目标的迎头作用距离。此外，传统红外诱饵弹在长波的红外辐射较低，对目标的遮挡与照亮作用与中波红外系统相比不明显，可能有利于通过形状特征识别目标。

因此，中/长波双色成像导引系统是超视距空空导弹的优选方案。该系统不仅对隐身目标具有“全向探测”能力，还可以获取目标、背景和干扰的中/长波红外特征，通过双色信息融合技术极大地提高空空导弹在“射后截获”状态下检测阶段抗干扰能力[6]。

目前制约该系统在空空导弹上应用的一个主要技术瓶颈是整流罩材料的选取，最佳解决办法是采用金刚石整流罩 [7]。

2.2 采用气动减阻和气动热抑制技术

研究方向主要集中在保形光学技术、平板侧窗整流罩技术、导引头整流罩前加装激波杆技术和抛罩技术等。

2.2.1 保形光学技术

保形光学采用与最佳弹体气动外形相一致的整流罩，可以大大降低导弹飞行时的阻力，改善导弹的空气动力特性。2000年，美国雷神公司将长径比为1.5的保形整流罩应用于“毒刺”导弹（见图3）。实验结果表明，导弹所受的空气阻力减小了25%，射程增加了1倍[8-9]。

国内研制出了相关保形光学技术的样品和测试设备，有望在不远的将来获取实用化突破[10]。

保形光学技术存在的问题除了大范围校正像差的光学系统设计难度大和结构复杂外，对于气动热抑制的效果不佳。主要是由于采用保形光学技术的导弹气动阻力低，其最高速度相较传统钝头体的导弹更高。因此，整流罩前端驻点处的激波温度更高，使得整流罩更易被依附其表面的高温激波层加热，整流罩产生的热辐射无法得到有效抑制。

2.2.2 平板侧窗整流罩技术

相比于同直径的球冠形整流罩，大倾角的平板侧窗整流罩气动阻力更小，气动加热温度最高的驻点区域不在整流罩表面上。平板窗口易于采用物理制冷的方式降低其表面温度，抑制气动热。

美国雷神公司于20世纪90年代提出的AIM-9X竞标方案，就采取了可旋转的平板侧窗式整流罩导引头方案（见图4）[11]，具有更小的氣动阻力和更好的抗气动加热效果。

美国研制的THAAD导弹也采用了平板侧窗结构（见图5），使得整流罩窗口避开了气动加热温度最高的导弹最前端区域[12]。另外，还可能采用了物理制冷的方式来降低整流罩温度。常用的物理制冷方式有光学侧窗外部冷却和内部冷却[13]。

平板侧窗整流罩技术在国内的航天部门也有相关应用[13-14]。存在的问题是平板侧窗形式限制了导引头红外探测系统的角度搜索和跟踪范围，要满足对高机动目标的打击需求，则对于弹体姿态控制系统要求比较高; 此外，弹体外形的非对称布局会给弹体飞控系统带来更大的气动力控制难度。

2.2.3 导引头整流罩前加装激波杆技术

在钝头体的飞行器头部安装针状结构（激波杆），通过改变激波形状来降低气动阻力。美国、德国和当时的苏联等从20世纪60年代就对激波杆的减阻机理和效果开展了大量的数值仿真和实验研究。该项技术已应用到美国的“三叉戟”潜射弹道导弹上，减阻效果达到35%～50% [15]。

该项技术在光学导引头上也得到应用。美国雷神公司研制的“网络中心机载防御单元”（NCADE）在AIM-9X导引头上加装了激波杆（见图6），将激波层推离球形整流罩表面，一来降低激波阻力[16]，二来减少高温激波对整流罩的气动加热效果[17]。

国内对该技术的研究主要集中在减阻机理和数值仿真分析方面。从研究成果来看，该项技术在寻的制导导弹上应用的瓶颈主要是减阻效果与弹体攻角关系很大，只有在小攻角时才能有较好的气动减阻和气动热抑制效果 [18]。由于打击高机动目标的空空导弹经常需要做大攻角飞行，因此限制了该项技术在空空导弹上的应用。

2.2.4 抛罩技术

德国研制的地空型IRIS-T导弹为了降低导弹的飞行阻力，提高导弹的射程，在红外导引头上加装了一个流线型的保护罩。在进入末制导段时抛掉保护罩，红外导引头开始探测并截获目标[19]。国内的SD-30地空导弹系统也采用了同样的抛罩技术（见图7）。

抛罩技术已经非常成熟，很适合于“发射后截获”功能的远射程导弹。缺点是头罩通过爆炸分离，出于安全性考虑，导弹不具备“发射前截获”能力。

3 应用展望

通过对上述技术进行分析，提出一种适用于未来反隐身空空导弹的红外成像导引头探测系统方案设想，如图8所示。

3.1 总体构成

导引头采用中/长波双色成像技术，两种不同波段的探测系统可以同时成像， 信息处理系统对两路图像数据并行处理。考虑到国内中/长波叠层双色凝视成像探测器技术尚不够成熟，以及分立式多探测器所具有的冗余度有利于抗激光定向干扰的优点，拟利用超视距空空导弹大弹径（≥200 mm）的特点，将两个分立的中波和长波大面阵凝视焦平面探测器安放于导引头内，中波和长波探测器的面阵规格相同，共用一个光学孔径，视场大小相同。出于提高后勤维护性和满足中远距空空导弹对导引头长工作时间的需要，选择斯特林制冷的大面阵焦平面探测器。

考虑到斯特林制冷探测器体积重量比较大，为了满足位标器稳定平台小型化的需要，可采用共口径分光路中长波红外光学系统和半角机构形式的位标器，将两个探测器固定安放在位标器的固定端，将共口径光学系统置于位标器的稳定平台上，在固定端的反射镜后加装一个分光镜，将入射的中波和长波能量分为两个独立光路，传递到对应的探测器焦平面上。

拟在光学整流罩前加装可抛卡门曲线外形的保护罩，既隔离气动热，又减少弹道初、中段飞行状态下的导弹气动阻力。整流罩采用导热能力强的金刚石材料，另外在导引头舱内加装环控系统，通过高压介质膨胀吸热的J-T制冷方式对导引头光学系统和整流罩进行冷却，解决导弹末制导段高速飞行气动加热对光学系统的影响。

3.2 关键技术及解决途径

反隐身空空导弹红外成像导引头关键技术之一是发射后截获条件下的低信噪比目标探测识别与抗干扰技术。

发射后截获技术能够极大地扩展红外导弹的使用模式和作战包线。对于红外导引头而言，必须解决中末制导交接班成功概率问题、目标探测识别问题和检测阶段抗红外诱饵干扰问题。

计算导弹中末制导交接班截获目标概率时主要考虑角度截获。对于红外导引头而言，就是其在末制导截获阶段的搜索视场必须覆盖目标角度指示误差。由于发射后截获状态下导弹与目标都处于高速运动中，因此，导引头必须在较短的截获时间内遍历整个搜索视场。在满足探测能力前提下，应尽可能地选取大的导引头瞬时视场，提高搜索效率。

影响红外导引头探测距离的因素有目标与背景的辐射特性差异及其在大气传输中的效率、光学系统与探测器的特性以及系统的信号处理特性等。

对于如F-22这样的隐身目标，超音速巡航状态下目标的蒙皮辐射相对于高空背景是较为明显的辐射源。因此，采用中长波双色探测是比较理想的，既可以提高系统对隐身目标的探测距离，也可通过目标、背景与干扰的不同波段差异提高系统发射后截获下的抗背景和红外诱饵干扰能力。

红外系统对于远距离点目标的探测能力可以用灵敏阈He来估计，灵敏阈He越低，探测能力越好：

He=AdΔfA0D*τ0×m×SNR（1）

提高红外系统探测能力的主要途径如下：

（1） 减小探测器光敏元面积Ad（降低热噪声）和探测系统噪声等效带宽Δf;

（2） 增大光学系统接收面积A0;

（3） 提高探测器的星探测率D*;

（4） 降低系统截获信噪比SNR;

（5） 降低工程系数m（探测电路内部噪声串扰）。

探测系统噪声等效带宽与探测器的积分时间成反比。增加积分时间，能够很好地增加探测器对接收到的弱小目标能量的积累，有利于提高作用距离。但增加积分时间的同时会降低系统的动态范围，在气动热情况下容易使探测器输出饱和。故积分时间选取应根据导弹的实际工况参数决定。

在探测器面阵尺寸确定的情况下，光学系统的瞬时视场大小与焦距大小成反比。瞬时视场大会引入过多的背景干扰，小则会不利于截获目标。因此，需要结合中末制导交接班概率选择合适大小的瞬时视场。本文认为探测器面阵尺寸应不小于256×256元，瞬时视场在5°～6°左右为宜。

大通光孔径光学系统体积较大，在回转框架角和整流罩曲率半径方面受弹体限制较多，但探测距离更远，光学分辨力也更高。

降低系统截获信噪比的技术途径包括采用基于神经网络和高通滤波的自适应非均匀性校正技术降低图像空域噪声，以及采用基于双色图像并行处理的空-时融合处理算法，利用双色图像中目标的空-时一致性和白噪声的空-时非相关性，降低双色图像联合检测所需要的截获信噪比。

解决发射后截获阶段抗红外诱饵问题的技术途径是采用基于双色多维特征的融合抗诱饵干扰算法。由信息处理系统对双色序列图像进行并行处理，提取图像中潜在目标的运动、光谱、形状和能量等特征; 通过空域关联，建立潜在目标的特征链集合，并加入色比特征; 最后，通过特征融合处理实现目标与干扰的识别。

3.3 性能预测

本文设想的中长波双色成像导引头的主要参数选取和灵敏阈估算如表1所示。

理想净空背景条件下，红外探测系统对点目标的最大探测距离为

R=τaηJTHe（2）

式中： R为红外系统最大探测距离; τa为响应波段内大气有效透过率; η为红外系统光谱效率，JT为响应波段内目标红外辐射强度。

目前尚没有可靠的隐身飞机红外辐射强度数据，但通常认为四代隐身机在亚音速状态下的前向有限角度内的中波红外辐射强度大约是三代机的30%左右。由于四代机通常采取内埋武器舱的方式来满足雷达隐身的需要，因此，其机体容积较大，导致蒙皮的表面积也相应较大，可以认为四代机的长波红外辐射强度不会低于三代机水平。

根据上述分析，假定国外四代隐身机的前向中波辐射强度为10 W/sr ，长波辐射强度为40 W/sr。所設想的中长波双色成像导引头的探测能力估算如表2所示。

由表2可以看出，中波探测系统对隐身飞机的迎头探测距离下降至14 km，而长波探测系统的探测距离大于21 km。探测性能可以满足超视距空空导弹反隐身飞机的作战需要。

4 结  论

受制于空空导弹有限的弹内空间和电能资源，主动雷达导引头很难通过增大天线孔径和提高发射功率的简单办法来对抗隐身能力大幅提升的下一代飞机。考虑到下一代飞机依然会使用热动力，很难大幅降低红外辐射能量，因此，从高效对抗角度出发，在体制上具有反隐身优势的红外成像制导技术很值得关注。目前，国内外在红外成像制导技术领域已有较好的技术基础，中/长波双色红外成像导引头在反隐身空空导弹上具有广阔的应用前景。

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Application and Prospect of Infrared Imaging Guidance

Technology in Anti-Stealth Air-to-Air Missiles

Liu Ke1， 2*， Wang Weiqiang1， 2， Li Lijuan1， 2

（1. China Airborne Missile Academy，Luoyang 471009，China;

2. Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Airborne Guided Weapons， Luoyang 471009，China）

Abstract： Radar guided air-to-air missiles are threaten by modern stealth aircraft， and infrared imaging guidance technology has the inborn anti-stealth ability. The research and development status of infrared imaging guidance technology for air-to-air missiles at home and abroad are introduced in this paper， the application prospect of infrared imaging seeker technology in future anti-stealth beyond-visual-range（BVR）air-to-air missiles is analyzed， and a technical scheme of anti-stealth infrared imaging seeker is proposed. The seeker adopts medium / long wave two-color imaging detection technology， which can meet the requirements of detecting stealth targets and resisting infrared decoy interference under the condition of interception after launch. The analysis and research show that the infrared two-color imaging seeker technology is of great significance to improve the anti-stealth performance of domestic BVR air-to-air missiles.

Key words：  infrared imaging guidance; medium / long wave two-color imaging; anti-stealth; BVR，air-to-air missiles; infrared seeker