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背景知识

随着现代战争智能化，信息化的发展，战场环境日趋复杂，为了实现远距离、高精度打击的作战任务，精确制导武器逐渐受到了人们的重视。

导引头作为精确制导武器系统的核心，兼具自主搜索、识别与跟踪目标的复杂功能，能够持续输入目标信息并给出制导控制指令，确保武器系统不断地跟踪目标，进而实现对目标的精确打击。而红外技术用于制导武器是由空空导弹开始的。1948年美国开始研制红外制导空空导弹，1956年“响尾蛇”空空导弹研制成功。

因为红外导引头在制导精度、抗干扰性、隐蔽性和效费比等方面具有很大优势，已经成为先进精确制导武器广泛采用的目标敏感装置之一。在未来战争中，红外导引头技术必然会在不同的任务需求中发挥至关重要的作用。所以重视并大力研发这一技术势在必行。本文重点介绍了红外导引头技术国内外的研究现状以及该技术未来的发展趋势。

国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外红外型空空导弹的发展先后经历了四代，而每次更新换代的标志恰恰就是红外导引头技术的更新。

第一代：采用非制冷的硫化铅探测器，工作在近红外波段，只能探测飞机发动机喷口的红外辐射，因此仅可以从尾后方向攻击目标。这一代导弹利用调制盘的调制信息从空间上、能量上区分目标和背景，因而也不具备抗红外诱饵干扰的能力。这一代的导弹的典型代表有美国的AIM-9B响尾蛇（图一）、苏联的K-13，以及中国的ＰＬ－２等。它们的探测距离为10千米以下，有效攻击范围仅为目标尾后2~3千米。

第二代：第二代采用制冷的硫化铅或锑化铟探测器，提高了探测能力，可以从后向攻击目标。但是令人感到遗憾的是这一代导弹仍然不具备抗红外诱饵干扰的能力。典型代表有美国的ＡＩＭ－９Ｄ，中国的ＰＬ－５乙，法国的马特拉R530（图二），以及俄罗斯的R-60T等。它们仍然采用鸭式气动布局，但所采用的致冷型硫化铅探测器却极大地提高了探测灵敏度，引信则采用红外近炸引信，比之前的红外导引技术更加先进。

第三代：采用制冷锑化铟探测器，工作在中波红外波段，改进了调制盘系统，部分型号采用了多元探测器，具备一定程度的全向攻击能力及抗干扰能力。这一代导弹通过改进的调制方式，可以从空间上、能量上比上两代细分目标和背景，同时采用集成电路使得导弹的逻辑判断能力有较大提高，而且还具备了一定的抗红外诱饵的能力，这使得作战性能和可靠性大幅提高。这一代导弹典型的代表有美国的ＡＩＭ－９Ｌ，中国的ＰＬ－８Ｂ，以及ＰＬ－５Ｃ等。

第四代：采用成像制导技术，大幅度提高了探测能力，可以全方位探测、攻击目标，具备很强的抗干扰能力。典型的有美国的AIM－9X、英国的ASRAAM、德国的IRIS－T、法国的MICA＿ＩＲ、以色列的Python５和南非的Ａ－Ｄarter等。其中MICA－IR、Python５和A－Darter采用了双色红外成像制导技术。由于这一代导弹的空间分辨力和光谱分辨力较之前有很大的提高，可以利用能量、形状、轨迹、光谱等特征来区分目标和干扰。

目前，国外的第四代红外制导空空导弹逐步装备部队，其技术特点如下:

2.1.1 美国AIM-9X导弹

AIM-9X采用128×128元凝视锑化铟FPA导引头。探测器工作在３～５μｍ波段，和机械斯特林制冷器、惯性组件一起安装在隔舱板的后面，固定在弹体上。光学系统则位于隔舱板前面的稳定平台上。导引头采用半捷联稳定平台技术，用安装在隔舱上的惯性组件来指示位标器框架系统，从而省去了速率陀螺。其极坐标式的两轴结构位标器能以800°/ｓ的速率俯仰和以1600°/s的速率滚转，实现 ±９０°跟踪场。导引头最大直径127ｍｍ，其半球形蓝宝石整流罩的直径为76ｍｍ。AIM-9X导引头布局的优点是位标器尺寸小，且省却了通往前端框架的气路。现阶段装备部队的AIM-9X尚不具备发射后截获能力。目前正在研制的AIM-9XBlockⅡ将具备这一能力。它重新设计了导引头的制导舱和引信，在保证导弹外形不变的情况下，利用导弹内部腾出的5.08cm空间，增加了与AIM-120导弹相同的单向数据链。

2.1.2 英国的ASRAAM导弹

ASRAAM采用休斯公司研制的128×128元凝视锑化铟FPA导引头。工作波段为３～５μｍ。导引头采用J－T制冷方式，探测器安装在两轴稳定平台上，实现 ±９０°跟踪场。惯性组件由DASA研制，安放在电子舱内。导引头信息处理软件由ADA语言编写，可以设定导弹攻击目标的部位。ASRAAM可以使用发射前锁定方式或发射后锁定方式发射。导引头最大直径166mm，其半球形蓝宝石整流罩的直径约为80mm。目前，英国及印度的空军已经装备该型导弹。

2.1.3 德国的IRIS－T导弹

IRIS-T采用4x128锑化铟探测器阵列红外成像导引头，该导引头由迪尔-BGT防务公司研制，最初采用的是多元64x1交错排列锑化铟探测器阵列。红外探测器工作波段在3-5微米间，导引头采用机械扫描红外阵列成像，具有正负90度视场。IRIS-T并没有像ASRAAM和AIM-9X那样采用凝视焦平面阵列，而是传统的机械扫描式阵列，前者的优点是导引头灵敏度高、导弹总瞬时视场很大、对于大机动性目标也不存在跟踪角速度问题，从而提髙了格斗性能；应该说这种技术更加先进，是未来发展方向，但凝视成像导引头在探测远距离目标时，目标像点落入探测元盲区时会造成目标图像不稳定，解决的方法是增大探测元密度，这势必造成导引头成本提高。而后者则可以减小激光干扰，降低对弧光灯的敏感度。另外，机械扫描阵列的成本低，覆盖面积大，热处理方便，具有相当好的动态探测范围，在导引头被蓝宝石制整流罩因受热产生热噪声干扰前，可以探测到红外信号更弱的目标。IRIS-T6的导引头具有全向能力和远距离捕获目标能力，捕获距离跟

导弹的动力射程相匹配。据报道，IRIST导引头比目前“响尾蛇”导弹的视场要大3-4倍。德国空军副部长评价IRIS- T的目标截获能力时说，配合“台风”战斗机的头盔显示系统，飞行员只需要往后肩看一眼，发射后的导弹就可攻击目标，甚至是载机后面的目标。由于采用了大量具有毫弧度分辨率的探测元件，以及大规模并行和压缩处理技术，因此其能清楚地区分出目标、背景红外线辐射源和目标可能发射的任何曳光弹，具有极髙的独立判断和抗干扰能力。再配合瑞典萨伯公司研制的新型弹上计算机，可达到惊人的跟踪率和智能图像处理效果。

2.1.4 南非的Ａ－Ｄarter导弹

Ａ－ＤＡＲＴＥＲ导弹探测器为２×100元，采用线列扫描方式。双色探测器的响应波段是中短波。离轴角可达 ±90°。导引头最大直径166ｍｍ，其半球形蓝宝石整流罩的直径约为１５０ｍｍ。由于其选择了ＢＡＥ系统公司的最新固体惯性测量单元（ＩＭＵ）作为中程制导组件，因此具备了获得发射后截获能力的潜力。

2.1.5 法国MICA－IR导弹

该种导弹采用可互换使用的主动雷达和被动红外导引头，因此进一步扩大了该导弹的战术使用范围。在近距格斗时，可以采用主动雷达型并在发射前锁定目标，也可以采用红外成像型在发射前或发射后锁定目标，从而获得发射后不管能力。在中距拦射时，采用主动雷达型，其制导体制为初段惯性制导、中段载机指令修正、末段主动雷达制导，与机载边跟踪/边扫描雷达配合，可以同时攻击6~8个目标。导引头采用蓝宝石整流罩，双色探测器，线列扫描方式。尚不知其响应波段和探测器元数。探测器采用斯特林制冷方式。导弹最大过载３５ｇ，弹尾端配有数据链，具备发射后截获能力。

2.1.6 以色列的Python５导弹

采用双波段凝视焦平面Ｉｎｓｂ探测器，制冷方式为Ｊ－Ｔ方式。探测器元数为320×240。头罩材料为蓝宝石。据称其离轴角为±100°，比目前的同类产品大。新型图像处理器可每隔25ms对两个波段图像进行一次比对。具备发射后截获能力。

2.2 国内研究现状

我国对于红外导引头研究高度重视，众多科研工作者经过艰辛的工作，在红外导引头技术的理论与应用取得了一系列可喜的成果。

王恩德等利用级数理论分析了位标器的跟踪收敛特性。高明等设计了双波段成像位标器。冯志伟等探讨了小型红外成像两轴位标器。王军平等研究了滚仰式两轴位标器光轴空间随动轨迹的优化问题。王军平等介绍了滚仰式平台标准口字形搜索的四元数法实现。王嘉鑫等分析了导引头隔离度对制导稳定性的影响。随着FPA规模的增加，积分时间也增加，同时瞬时视场减小，这些都使图像稳定越来越重要。如何对稳定后的图像进行评估，目前尚未有一个统一的评价标准。与此同时，整流罩等技术也在艰难地攻关克难，有了很大进展。

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我国的红外导引头的红外探测能力，自动目标识别技术，实时图像处理技术都得到了长足的发展。

2.2.1 红外探测技术

红外探测技术有红外成像探测技术和红外非成像探测技术两种，后者更受人们青睐。不同于扫描成像依赖探测元件和扫描镜头对目标地物进行基于线列的瞬时视场取样扫描，以凝视红外成像探测技术为典型代表的红外成像探测技术采用大规模探测单元和凝视工作方式，能够连续累积目标辐射能量，此外，受制于现代先进导弹武器小弹径、大跟踪场等条件，探测组件体积一般较小、重量一般较轻，在目标响应上又具有图像分辨率高、灵敏度高、信息更新率高等诸多优点，适于对高速机动小目标、无人机蜂群编队、复杂地物背景中的运动目标或隐蔽目标成像。由于省去了传统扫描成像方式中的复杂光学系统和扫描部件，集成化程度高，不仅易于满足弹载要求，而且能推动精确制导武器向轻小型化方向发展。

2.2.2 自动目标识别技术

自动目标识别技术(A1R)是采用计算机处理一个或多个传感器的输出信号，以识别和跟踪特定目标的技术。前视红外成像传感器、合成孔径雷达和激光雷达等典型传感器均可应用于ATR技术。自动目标识别技术可以提高导弹自寻的能力，实现发射后不管，促使导弹武器向智能化方向发展，缩短截获目标的时间。通过使用ATR技术，导弹也可以自动选择最佳攻击点，提高导弹的毁伤能力。支持向量机作为自动目标识别的一种关键技术，不仅广泛运用于军事上飞机舰船等目标的识别，也普遍在深空探测领域中外天体的地形地貌探测、无人驾驶车辆地面目标识别。

2.2.3 图像实时处理技术

图像实时处理技术的作用是对来自红外成像探测系统的视频信号进行分析与甄别，并排除混杂在目标信号中的背景噪声和红外诱饵干扰，提取真实的目标信号，进而计算目标位置和命中点。一般包括红外图像预处理、红外图像实时检测、目标图像实时跟踪三类关键技术。由于非线性理论的重大突破以及计算机计算能力的显著提升，现阶段实现目标跟踪的主要算法已经不仅仅局限于传统意义上的模板匹配、光流法和卡尔曼滤波方法，交互式多模型粒子滤波算法、无迹粒子滤波等。

未来发展趋势

尽管红外导引头多项关键技术均取得了长足的发展进步，但采取单一红外制导模式的制导武器系统已经难以满足复杂多变的战场环境和战术任务需求，多光谱/多波段光学成像制导、多模复合制导、多弹协同制导等技术将成为未来精确制导武器最为理想的选择。与此同时，红外诱饵技术的发展也使得抗诱饵干扰能力成为红外导引技术的发展方向之一。

感想和建议

通过学习这门课程，我在初步学习飞行器和导弹等的相关原理的同时了解了我国航天与兵器领域发展历程及最新成果，以及与美国等发达国家相比有何优势和差距，同时也知道了北京理工大学为国家军工行业做出的很多贡献和科研成果，增强对我国国防实力的自信，也认识到我国仍需努力追赶与发达国家的不小差距的现实。这也培养了我对航天方向的兴趣，对我未来的研究方向选择起了很大作用，我觉得这门课很有价值。建议之后介绍更多其他领域兵器如各类战车，战舰的知识以及更多关于各种类型武器及飞行器等的运行原理。

来源：北理工飞行器控制系统实验室

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