红外成像制导抗干扰分析

贾秋锐, 周立柱, 孙媛媛

(空军航空大学航空军械工程系,吉林长春130022)

0 引言

图像制导技术是当今世界各国竞相发展的精确制导技术之一,尤其是红外成像制导技术,更是一种使导弹威力倍增的高效费比技术,大力发展并装备此技术完全可以满足2010年前后战术导弹对红外制导技术的需求。然而,面对红外成像制导导弹的强大威力,国外干扰技术专家们近年来也不惜人力、物力积极开展研究,从侦察告警、干扰和摧毁等各个领域进行突破。从资料报道来看,红外成像制导的干扰措施虽然还不完善,但已有许多行之有效的技术运用到战机的干扰系统,并取得了良好的效果,已严重威胁到红外导弹的性能发挥。因此,若要使红外成像制导导弹在复杂情况下精确打击目标,它必须要有较强的抗干扰能力。

1 红外特性干扰机理

目前用于红外热成像制导系统的武器绝大多数是被动式的,它通过探测目标的热辐射来迅速地发现、识别和跟踪目标。但是,它也能像其它武器系统一样,在一定的条件下受到干扰,以致失去作用。被动式红外热成像制导系统正常工作必须具备三个条件:

a)适合成像探测器接收的足够强的红外辐射,即入射的辐射波长应与探测器的工作波长相匹配,入射的辐射能量要足够强;

b)目标和背景之间应有一定的辐射对比度,若用辐射强度表示,则为

式中:C为目标和背景之间的对比度;I T、I B分别为目标和背景的辐射强度;

c)待观察的目标应有足够的线度。

由此可见,如果能够改变目标和背景的辐射特性,减少两者之间的对比度,或者大幅度地衰减进入导引头红外成像传感器系统的辐射强度,都可以使被动式红外成像导引头系统受到干扰。如果干扰的强度相当大,红外成像导引头分辨不出目标的热图像,便可达到干扰的目的。

红外干扰具有许多特性,主要表现是大多数诱饵都是化学热辐射源,以黑体或灰体特性辐射。一般的干扰弹都是利用火药燃烧形成的火焰来产生较强的辐射,经测定,火焰温度在(2 000～2 200)K;光谱辐射的最大值波长在(1.4～2.0)μm;干扰辐射能量一般在(1～3)μm 、(3～5)μm和(8～14)μm三个大气窗口波段内,分配的比例趋势是由短波到长波依次减小。干扰弹动态光谱分布与静态基本一致。目前,西方各国使用的红外诱饵弹辐射波段大都在(1～3)μm和(3～5)μm波段以内[1]。

但当飞机在一定飞行高度抛射干扰弹时,红外辐射强度变化的特征与静态时有明显差别,且随着载机的飞行高度和飞行速度的增大,干扰弹的红外辐射降低,上升时间和燃烧时间延长,如图1所示。

图1 干扰弹辐射强度随高度和速度变化曲线

通过以上对目标、干扰弹的辐射特性比较分析,可以看出红外干扰弹与典型目标的辐射波段分布特性有明显不同。干扰弹辐射能量在大气窗口波段内,分配的比例趋势是由短波到长波依次减小,近红外区比中红外区的能量大两倍以上。目标的辐射特性基本集中在中红外波段及远红外波段,而在近红外波段的辐射能量衰减较快。依据以上这些特性就诞生了许多现代战机运用比较成熟和常用的红外干扰技术,如红外烟雾干扰技术、红外欺骗技术、主动红外干扰技术等。这些技术得到了较大的发展和尝试,在现代空战中将越来越影响导弹的命中精度和打击力。

2 红外抗干扰技术

防御愈强,进攻也愈坚,在如此复杂多变的电磁干扰环境下,如何提高导弹的精确打击能力和抗干扰能力,提高打击的有效性是现在航空武器发展的重大课题,下面简介几种红外抗干扰技术。

2.1 双色抗干扰技术

采用近/中红外的探测器组合能够区分目标和干扰,这是双色抗干扰技术的理论基础。2.1.1 红外导引头双色探测原理

为简单起见,把目标、干扰弹、背景都看成绝对黑体,普朗克公式给出了绝对黑体辐射的光谱分布:

式中:Mbλ为绝对黑体的光谱辐射能量;λ为波长;T为绝对温度;C1、C2为辐射常数。

普朗克公式计算的结果是单位面积黑体光谱辐射通量。在实际情况下,目标和干扰弹不仅具有不同的温度,而且具有不同的辐射表面积,表面积越大,同温度辐射体辐射的能量就越多。但一个辐射体在某一波长λ1上辐射能量的大小不能全面地表现其辐射温度的大小,这也就是单波段导引头很难辨别目标温度特性的原因。对于不同温度的黑体,具有不同的辐射曲线,黑体在两个波段上的辐射通量之比只与辐射通量密度有关,与黑体的辐射面积无关。将两波长对应的普朗克公式相除,得出 λ1、λ2波长处的辐射比k值,k值能够表现辐射体的温度特性。在导弹攻击过程中,诱饵为达到足够大的辐射强度,其温度必须远高于目标的温度,使得目标和诱饵在不同波段上的辐射强度呈现明显差异。因此,根据目标和诱饵在两个波段上积分能量比值的大小,即双色比可将它们区分出来[2]。

2.1.2 双色比波门抗干扰技术

双色比波门抗干扰技术的原理:根据典型目标和干扰的双色比范围以及四个臂上的目标成像关系,对检测出的相对两臂上的所有对应的脉冲信号进行双色比计算,根据脉冲对的双色比对所有脉冲进行标识。在滤除背景脉冲后,按照设定的双色比波门,根据当前的跟踪策略挑选所需的脉冲对。在目标搜索和鉴别过程中,采用双色比波门可以有效地选定目标,并且与时间波门配合,实现对所选目标的跟踪。

2.1.3 干扰弹光谱检测技术

军用飞机与干扰弹的光谱分布图,如图2所示。

图2 飞机和诱饵弹的光谱分布图

在正常跟踪目标过程中,干扰弹和军用飞机具有不同的光谱,波段B(中波)与波段A(短波)的能量比值满足双色比波门的要求。当波段A的能量相对于波段B的能量突然增大时,表明在导引头视场中出现了高温物体,即存在诱饵弹。导引头中用两个相对的探测器分别监测两个波段的能量电平,一旦诱饵弹进入导引头视场,通过二者的能量变化及双色比值即可探测到干扰,可以立即启动抗干扰模式进行对抗。

2.2 “十”字叉导引头抗干扰技术

“十”字叉导引头抗干扰是比较成熟的导引头抗干扰技术,“十”字叉探测系统在信号检测、目标和干扰的检测与识别,以及目标跟踪等环节上都可以采取抗干扰措施,提高对干扰的抑制能力。2.2.1 干扰弹能量检测

采用信号幅度上升时间检测技术来检测干扰弹是否进入导引头视场。监视正在跟踪目标的中波信号的能量电平,在某一时间范围内接收能量急剧上升,表明在导引头视场中出现了诱饵弹,这时即可启动抗干扰措施对抗诱饵弹的干扰;但当接收到的能量下降到预先设定的阈值时,诱饵弹已经离开导引头视场角,这时将退出抗干扰,进入正常跟踪。

2.2.2 抗干扰过程中的跟踪策略

抗干扰过程中,导引头视场出现多个信号,在所有的信号脉冲中,有干扰,也有目标,应采用有效的跟踪策略使干扰尽快脱离视场。跟踪策略主要有三种:状态记忆、导引头前置、弱目标驱动。

(1)状态记忆

目标出现暂时遮挡或复杂红外脉冲干扰使导引头视场紊乱时,会导致导引头瞬时“致盲”。在规定的时间间隔内,通过采用状态记忆方法输出上一帧信息,以保证制导过程的连续性。若超过规定的时间间隔,才认定丢失目标,重新进行目标搜索。

(2)导引头前置

也称为弹道选择抗干扰技术,是根据前几帧的数据,对目标原来的运动特性进行分析,并对未来运动特性进行预测,使导引头朝目标运动方向的前部运动。使诱饵弹离开导引头视场的时间比状态记忆时更快,从而使导弹不跟踪目标的时间变短。

(3)弱目标驱动

诱饵弹比目标具有更强的红外辐射,这时导引头将抑制强信号的控制,而按弱信号产生的驱动信号运动。其结果是导引头将离开诱饵弹并朝向视场中较冷的红外目标。

在实验室内对“十”字叉导引头进行抗干扰试验,实验结果表明其抗干扰概率可以达到70以上,大大提高了导弹的生存和打击能力。

3 复合制导技术

复合制导是采用两种或两种以上不同物理特性的探测器组成的制导系统。在制导时,若探测器串行使用,为复合制导;若并行使用,为多模制导或并联复合制导。任何一种制导方式都有其优缺点,如能取长补短则能趋利避害。远程精确制导武器都采用两种以上的制导方式构成复合制导系统,这样不仅能提高制导精度而且也能增强抗干扰能力。

4 结论

运用双色抗干扰技术、“十”字叉导引头抗干扰和复合制导技术,可显著提高红外成像制导武器的抗干扰能力。随着红外成像制导导弹技术的发展以及武器系统智能化程度的提高,对抗装备应同时具有射频和光频侦察与干扰能力,并应实现自适应控制和智能化。

[1] 刘永昌,朱虹.红外成像制导对抗技术分析[J].红外技术,2000,22(1):13-16.

[2] 贾明勇,董德新,陈勇.多元双色红外导引头抗干扰分析技术研究[J].航空兵器,2006,(3):19-22.

[3] 施德恒.红外成像导引头及其成像制导武器[J].现代军用仪器及技术,2002,(8):34-38.