红外成像导引头对隐身飞机探测性能提升途径分析

MEMS 2023-10-21 00:01

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隐身飞机的出现对现有雷达和红外制导空空导弹的目标探测能力都提出了挑战。由于隐身飞机对雷达隐身的效果优于红外，相对而言，红外制导空空导弹具有反隐身的优势。但红外导引头仍需采取一定的措施以提高其对隐身目标的探测识别能力。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国空空导弹研究院和空基信息感知与融合全国重点实验室的科研团队在《航空兵器》期刊上发表了以“红外成像导引头对隐身飞机探测性能提升途径分析”为主题的文章。该文章第一作者和通讯作者为李丽娟研究员。

本文针对红外成像导引头探测隐身目标能力提升需求，首先梳理了隐身飞机的红外辐射特征，之后根据红外成像导引头探测性能的影响因素，提出了采用双色/多波段成像探测、优化系统工作参数设计、提高成像质量和场景自适应性、采用低信杂比目标检测截获等技术以提高系统对隐身飞机的探测识别能力。

隐身飞机的红外辐射特性

飞机的主要红外辐射

典型飞机目标的红外辐射源主要包括尾喷管、尾气流和蒙皮辐射等，其中尾喷管和蒙皮的自身辐射近似为灰体，尾气流为典型的选择性辐射体。各辐射源的光谱分布见如图1所示。

图1 飞机红外辐射源的光谱分布

从红外辐射的光谱分布来看，飞机在3～5 μm波段的辐射主要由发动机尾喷管和尾气流的辐射组成，在8～12 μm波段的辐射主要由蒙皮和尾喷管的辐射组成。飞机各辐射源的特点如下：

（1）尾喷管的红外辐射，尾喷管是被发动机排出气体加热的金属腔体，可将其看成一发射率为0.9的灰体辐射源，用它的温度和喷管面积来计算其辐射。尾喷管的温度越高、面积越大，则其红外辐射强度也越大。

（2）尾气流的红外辐射，尾气流辐射的主要成分是4.4 μm处二氧化碳的分子辐射，其辐射亮度与排出气流中气体分子的温度和数目有关，这些值取决于燃料的消耗，它是飞机飞行高度和节流阀位置的函数。

尾喷管和尾气流中气体分子的温度都与发动机的工作状态有较大关系。当飞机打开加力燃烧时，喷管辐射和气流辐射都大幅度增加，气柱长度也增加了3～5倍。

（3）蒙皮的红外辐射，由气动加热产生的蒙皮辐射在飞行速度（马赫数）小于10时。将蒙皮驻点温度与环境温度的关系定义为蒙皮气动加热系数，得到其与飞行速度的对应关系曲线，如图2所示。

图2 蒙皮气动加热系数与飞行速度之间的对应关系

从图2可知，当飞机飞行速度较低时，飞机蒙皮辐射温度较低，蒙皮辐射并不明显；当飞机飞行速度超过或远大于音速时，蒙皮温度急剧升高，蒙皮辐射就很明显了。

飞机的辐射特征与观察的方位有很大关系。从飞机侧后方可以看到尾气流和尾喷管的辐射之和，辐射强度大；随着观察方位向迎头方向变化，尾喷管和尾气流逐渐被遮挡，辐射强度大大减少。某飞机在军用状态与加力状态下的中波红外辐射方向性分布如图3所示，其中，0°为正尾后，180°为正迎头。

图3 某飞机在军用状态与加力状态下的中波红外辐射方向性分布图

隐身飞机的主要红外隐身措施

针对飞机发动机尾喷口、尾气流和蒙皮三大红外辐射源，隐身飞机常采用的红外抑制措施包括：通过发动机隔热、异形喷管、发动机和喷管结构布局优化、排气口调整遮蔽、喷射冷却剂等，以达到减小、变向、遮蔽尾喷管和尾焰红外辐射的目的；采用隐身涂料，降低蒙皮的表面发射率，减小蒙皮的红外辐射。具体的红外隐身措施如下：

（1）采用局部冷却或隔热方法，降低暴露表面的壁温。用金属石棉夹层材料对飞机发动机进行隔热，防止发动机热量传给机身。

（2）采用非轴对称的喷口形状，促进尾气流同自由流动的外部空气快速混合，降低尾气流长度，减小红外辐射强度。试验表明，长宽比为7的二元矩形喷管与同样出口面积的圆形喷管相比，尾气流的红外辐射强度降低61%。F-22飞机发动机采用二元矢量收敛-扩张喷管，可在俯仰方向作±20°的偏转。喷管出口平面向后半球的最大辐射强度位于喷管的偏转方向上，在远离高低角偏转方向上的辐射强度下降明显。垂尾、平尾、尾撑向后延伸，可遮蔽部分发动机喷口的红外辐射。因此，从飞机前半球方向探测，产生的辐射易被机身遮挡；由于矢量喷管的可偏转机动性，即使不受遮挡，隐身飞机尾部产生的辐射进入红外探测系统视场也具有一定的随机性。

（3）在燃油中加入特殊的添加剂以抑制尾气流的红外辐射，或者将尾气流的红外辐射光谱移到易于被大气吸收的波段。

（4）采用隐身涂料，降低飞机的红外辐射。隐身涂料可降低飞机表面在全光谱段或大气传输窗口波段的发射率，进而降低飞机蒙皮在红外探测系统波段内的红外辐射。例如：美国F-35战斗机的尾喷管通过采用特殊涂层来降低红外特征。

国内相关单位对国外主流隐身飞机的红外辐射特性开展了研究与仿真建模。文献仿真验证了3～5 μm波段F-35尾后的辐射强度与F16相当，迎头的辐射强度比F-16 低10%，并认为这是由于隐身飞机的发动机功率大幅提高的结果。文献中，当F-22飞行马赫数为1.6，蒙皮发射率为0.1等情况下，采用隐身措施后其前半球8～12 μm波段红外特征降低约90%。

虽然目前还没有确切的国外主流隐身飞机的红外辐射特性数据，但从物理原理分析，上述红外隐身技术的采用肯定会降低飞机的红外辐射特征，对目标探测产生不利的影响。为提高红外成像导引头对隐身飞机的探测性能，需要分析影响红外成像导引头目标探测的因素，并采取有利于提升探测距离的措施。

红外成像导引头对隐身飞机探测能力提升途径分析

红外成像导引头是一个复杂的光机电系统，其对目标的探测能力受多种因素的影响，主要包括：目标和背景的红外辐射特性，大气传输特性，导引头自身各组成部分的参数、特性以及实际工作中的变化等。下面对主要影响因素进行分析，并给出可能的探测能力提升途径。

采用双色/多波段红外成像探测技术

利用目标、干扰和大气透过特性在不同波段的差异，采用双色/多波段红外成像探测技术可以有效提升复杂战场环境下对隐身飞机的探测识别能力。

（1）由于隐身飞机的红外辐射特性随探测方向、探测波段的不同而不同，因此，可利用不同波段红外探测系统对隐身飞机的不同辐射源进行探测。对隐身目标进行迎头探测时，因其主要的辐射源尾气流被较好地抑制，尾喷管被遮挡，此时主要的辐射源为机身蒙皮。蒙皮的峰值辐射在长波段，利用长波探测系统探测机身比较有利。对隐身飞机进行侧向和尾后探测时，未被完全遮挡的尾气流和尾喷管的辐射是主要的辐射源，其峰值辐射在中波段，利用中波探测系统探测比较有利。因此，利用中长波复合探测系统可以提高对隐身飞机的全向探测能力。另一方面，由于点目标的特征相对较少，对点目标的检测存在虚警高等问题，通过不同谱段特征的融合利用有可能提高正确检测目标的概率。

（2）红外空空导弹在作战中不可避免地会面临点源、多点源和面源等红外诱饵的干扰，在复杂的人工干扰场景下正确探测识别目标是一个难点，需要利用目标与干扰在多维度上的特征差异进行鉴别。目标与干扰除了在能量分布、形状、运动等方面有差异外，二者在光谱分布上也存在显著的差异，比如目标与干扰在中/长两个波段上的色比不同，在两个波段上的灰度分布、形状和大小不同等。因此，利用双色/多波段红外成像技术相较于单波段增加了谱段特征差异，在抗红外诱饵干扰方面具有优势。

（3）不同地域和气候等条件对红外辐射的大气透过率有影响，对于干冷大气环境，长波红外比中波红外谱段透过率高；对于湿热大气环境，中波红外比长波红外谱段透过率高；对于充满雾气、烟尘的大气环境，长波红外比中波红外谱段穿透力强。大气透过率高则红外导引头接收的目标红外辐射多，有利于提高目标探测距离。因此，利用中长波复合探测系统可以提高在不同地域和气候条件下探测隐身飞机的能力。

优化红外探测系统的参数设计

红外探测系统的工作波段、光学口径、信号传输和处理特性等工作参数是决定其探测能力的基础，因此，需要根据各工作参数对探测能力的影响，结合空空导弹系统的总体要求和设计约束，进行探测系统工作参数的选择和优化。

空空导弹对飞机目标进行远距离探测时，目标在导引头上所成的像一般为未充满探测器单元的点目标。

第一项为目标与背景的相对辐射差及其在大气传输中的效率。目标与背景的相对辐射差异越大，大气透过率越高，则探测距离越远。然而对特定的目标、背景与环境，该项是确定的。系统设计者可根据目标背景及大气传输特性选择合适的工作波段，使第一项的值尽可能大。

第二项为光学系统的特性。光学系统的入瞳越大、透过率越高、F 数越小，则探测距离越远。但实际上F数不能无限小，其理论极限为0.5。光学系统的入瞳与系统的视场、探测器的尺寸构成一定的约束关系，不能无限增大。

第三项与探测器的性能有关。探测器的星探测度越大，探测距离越远。

第四项与系统特性和信号处理有关。探测单元的立体角越小、电路等效噪声带宽越窄、探测目标要求的信噪比越低，则探测距离越远。小的立体角会提高探测距离，但还需与光学系统的像质和弥散斑相匹配，若过小也会使得目标落在单个像元上的响应降低，影响探测距离。因此，需要根据系统总体要求综合多方面因素后确定。其中，电路等效噪声带宽f与积分时间ti有关。

可见，当积分时间长时，电路等效噪声带宽小，探测距离远。积分时间一方面受系统帧频的限制，另一方面与目标的相对运动大小有关，积分时间长可能会引起快速运动目标的成像模糊。r S要求应根据系统的探测概率和虚警概率指标来确定，另外，采用一定的信号处理算法，可以在低信噪比条件下实现目标的可靠探测。

第五项是一个校正因子，当目标所成的像未对准探测器像元的中心时，会落在周围的几个像素上而造成能量的扩散，引起探测距离下降。

实际上，估算的探测距离比较理想化，其主要作用是帮助认识影响系统探测性能的主要因素。根据上面的分析，可知要提高红外导引头对隐身飞机的

探测性能可以重点从以下几个方面进行考虑。

（1）根据应用场景和导弹总体要求，进行红外探测系统工作波段的优选设计，选择目标/背景信噪比高、气动热影响低的工作波段，选择灵敏度高的红外探测器。

（2）增大光学系统的入瞳、提高光学系统的透过率对提高系统探测距离有较好的效果。因此，在系统结构尺寸等条件的约束下，尽可能设计大口径、高透过率的光学系统。

（3）在远距离探测目标阶段，尽可能采用长积分时间。弹目距离较远时，一方面目标视线的相对运动不大，另一方面系统成像和处理帧频的适当降低对导弹总体性能的影响有限，因此，可允许通过延长积分时间提高红外探测系统的灵敏度。

（4）由于弹目的相对运动，远距离点目标成像的弥散斑中心不一定落在探测器像元的中心，此时点目标的能量会落在周围的2～4个像元上，使得单个像元接收到的目标辐射大大下降且不稳定，对目标探测造成不利的影响。通过微扫描机构使点目标的弥散斑中心与探测器像元中心对准，可以提高对目标辐射能量的利用率，从而提高系统对目标的探测能力。

提高红外探测系统成像质量和场景自适应能力

红外成像导引头在实际工作场景中可能面临新增盲元、图像时/空域噪声增加、杂散光干扰等影响成像质量并进而影响目标探测能力的因素，需要采取措施提升红外成像导引头对上述不利因素的抑制和自适应处理能力。

提高对探测器盲元的自适应处理能力

空空导弹远距离探测目标时，目标所成的像为斑点状，而红外探测器的盲元通常也表现为单个亮点或亮点簇，这些亮的盲元点（簇）很容易被误判为目标而导致虚假的目标截获。另一方面，探测器的固有盲元在预处理时通常用周围的非盲元点替代，此时虽然该盲元点不会被虚假截获，但当真实目标落在该点上时，系统并不能探测到目标的响应。因此，红外探测器的盲元对红外成像导引头探测目标的影响很大。降低探测器的盲元数，特别是中心区域的盲元，有利于提高系统的探测与跟踪性能。但随着储存和工作时间的累加，以及环境条件变化等因素的影响，探测器会出现新增盲元。红外成像导引头应具有盲元自适应处理能力，否则可能会引起导引头反复截获盲元而无法正常探测跟踪目标的问题。在系统设计时利用盲元位置不变的特性，可以通过一些算法的设计和导引头位标器的动作等来识别新增的盲元，避免或降低盲元对导引头目标截获与跟踪的影响。

提高探测系统的非均匀性校正水平

面阵探测器的非均匀性表现为固定的图案噪声，此种空间噪声的增大会严重降低目标的信噪比，使用同样的目标检测算法和截获信噪比要求时，系统的探测距离会大幅下降。因此，非均匀性校正是红外成像导引头使用中必须解决的关键问题之一。由于空空导弹工作时面临飞行高度和环境温度的较大变化，以及不同场景红外辐射分布的多样性，使得基于定标的非均匀性校正方法在导引头实际动态飞行环境下存在较大的误差，严重降低了系统的成像质量和目标信噪比，因此，需要采用其他方法实时修正校正系数以提高红外成像导引头工作环境下图像的非均匀性校正效果。

一种方法是采用基于场景的校正算法，如时域高通滤波法、神经网络算法、常统计量约束算法等。这些算法可以实时校正系统的偏移，消除1/f噪声和其他低频噪声。但这些算法应用的前提是要求场景是随机运动的，因此，若在空空导弹上使用上述算法，对算法的启动和停止时机要有约束。比如在导引头对场景进行搜索及未截获目标时可启动算法，一旦导引头截获并跟踪目标，由于此时目标总是在视场中心附近的小区域内，可能引起目标信号的衰减，需要及时停止算法的运行。另一种方法是在系统中增加硬件机构，在校正时能为系统提供一个或两个均匀温度的场景，从而实现实时的一点或两点校正。该方法以硬件的复杂换取算法的简化，且校正的精度高，适用范围广。在结构空间允许的情况下，这是一种较好的选择。

提高光学系统的无热化和杂散光抑制能力

理想情况下，设计良好的光学系统对点目标所成的像落在探测器的单个像元上，此时目标的响应高，信噪比强，系统的探测距离远。但是空空导弹工作的环境温度变化很大，至少从60°C 到-40°C，光学零件及其支撑结构的特性也会随温度变化，使得常温下成像良好的光学系统在高温或低温环境下出现离焦，导致目标响应降低、信噪比下降，系统的探测距离减小。因此，需要采取各种措施补偿这种温度变化的影响，保证光学系统在工作的整个温度区间内性能良好稳定。无热化设计技术包括电子主动式、机械被动式和光学被动式三种，在进行光学系统无热化设计时需根据系统的结构、重量、成本及可靠性等方面的要求选择其中的一种或几种技术。对于中长波复合探测系统而言，由于可用的光学材料受限，光学系统的无热化设计相比单波段探测系统具有较大的难度。

空空导弹工作过程中，若导引头视场外的太阳光或其他强辐射源以较大的比例进入光学系统和探测器，就会形成较大的背景干扰，造成信噪比下降、探测距离减小，严重影响空空导弹的作战使用范围。图4为杂散光干扰的一个例子，图像下部出现杂散光引起的亮斑、亮环和亮线。因此，要求光学系统要有较强的杂散光抑制能力。在光学系统设计时需要进行详细的杂光分析，并采取加遮光筒、对光学零件及其支撑件的非工作面进行黑色阳极化等消光处理措施，通过反复的迭代设计与分析，提高光学系统的杂散光抑制能力。

图4 杂散光图像

抑制气动加热的影响

空空导弹发射后的高速运动引起的气动加热对红外导引头的目标探测影响很大。气动加热效应主要包括激波辐射和头罩温升引起的辐射，这些附加辐射会使导引头的图像灰度急剧增加，同时空间噪声增大。气动加热效应对目标探测的影响分为两个方面：一是整体辐射的增加会使目标信号落入探测器响应的非线性区甚至使目标信号饱和，此时为了保证目标不失真，往往需要减小系统的增益，因此目标的响应也相应减小；二是气动加热引起的背景辐射增加了图像的空间噪声，这可能是激波辐射和头罩加热不均匀引起的，也可能是原有的非均匀性校正对高背景辐射的适应性降低使得残余的非均匀性增大，如图5所示（图像中出现灰度不均匀的条带和块状区域）。总之，气动加热使目标的信噪比大大降低。抑制气动加热效应是高速红外导弹面临的一个特殊问题。从系统角度考虑，可能采取的措施包括：适当降低导弹的速度、头部加气动减阻器、导引头内部环控/制冷、光谱选择、使用大动态范围探测器、改进非均匀性校正方法等。

图5 气动加热红外图像

提高低噪声信号处理与抗电磁干扰能力

在系统的光学及探测器确定的前提下，探测器驱动及信号处理技术的优劣将直接影响系统的探测性能。采用低噪声信号处理技术可以使探测器处于最佳工作状态，减小信号传输与处理环节引入的噪声，提高系统的信噪比，最大限度地发挥探测器的性能。

导引头内部的伺服机构、高频工作的DSP 等信息处理电路以及外部复杂的电磁环境会对探测器和信号处理电路造成干扰，因此，需要加强系统的电磁兼容性设计，提高系统的抗电磁干扰能力。

在探测器驱动电路的设计中，应为探测器提供高精度低噪声的电源和偏压，驱动脉冲应有足够的驱动能力，具有良好的电磁兼容性和信号完整性。选用低噪声运放和合理的电路结构对信号进行处理，并采用光电隔离和信号屏蔽等措施降低噪声和其他分系统引入的干扰。对系统中的输入电源、电机驱动信号及高频数字信号等应采取必要的滤波、屏蔽等处理，降低对探测系统的影响。采用新型数字化焦平面技术的红外探测器具有低噪声、高抗干扰、高通道隔离、高传输带宽、高线性度和高稳定性等优势，有利于系统探测性能的提高。通过上述措施可以使系统的信噪比保持尽可能高的水平，为后续目标的探测与截获打下良好的基础。

采用低信杂比目标检测截获技术

空空导弹所探测的目标可能处于不同的背景之中，除蓝天背景外，起伏的云层、远地和远海背景均会增加目标检测的难度。相对于目标而言，这些背景往往尺度较大，分布不均匀，存在辐射亮度与目标相当或更强的区域。此时，信杂比会大大降低，检测的潜在目标区很多，而点目标的特征量较少，这些因素使得复杂背景下点目标的探测相对困难，且探测距离比蓝天背景时要近。若通过一定的信息处理算法使系统能在较低的信杂比下探测到目标，同时又满足虚警概率的要求，则系统就可以获得更远的探测距离。因此，低信杂比目标检测识别技术对系统探测性能的提高也起着很重要的作用。

低信杂比探测技术主要是利用目标与背景在时间、空间和谱段等分布的特性差异，通过采用噪声滤波、背景杂波抑制及目标增强等算法，使经过处理后的目标信杂比增强，从而达到提高探测能力的目的。针对不同背景的分布纹理，可采用不同尺度的空间滤波，如形态滤波、多级滤波来抑制背景，利用目标与背景在时间序列上的相对运动特性，也可提取与背景运动特性不同的目标区域。采用双色探测可利用目标与背景或其他干扰的波段特征差异，实现对目标的低信噪比截获与跟踪。