面源诱饵对抗红外凝视成像制导机理研究

宁功韬，栗 苹，苏 斌，李石川，汤润泽，董宁宇，郭广浩，周遵宁



面源诱饵对抗红外凝视成像制导机理研究

宁功韬1，栗 苹1，苏 斌2，李石川3，汤润泽3，董宁宇4，郭广浩3，周遵宁3

（1.北京理工大学 机电工程与控制国防重点实验室，北京 100081；2.昆明北方红外技术股份有限公司，云南 昆明 650217；3.北京理工大学 爆炸科学与技术国家重点实验室，北京 100081；4.总参管理保障部，北京 100082）

最新一代制导导弹采用凝视红外成像及反对抗技术，对机动作战目标构成了极大的威胁。在综合分析当前诱饵技术的特点及发展现状，以及对凝视成像制导系统的组成、工作原理、跟踪模式等分析的基础上，探讨了面源红外诱饵对抗第四代红外成像制导武器的措施，提出了长时间、大面积、高辐射效能的红外面源诱饵是有效对抗最新一代制导武器的有效手段。

光电对抗；烟火；面源诱饵；红外成像导引头；对抗有效性

0 前言

红外诱饵是飞机、坦克、舰船等机动作战目标防御红外制导导弹攻击的主要对抗手段。针对日益发展的无源光电对抗技术，红外导引头已发展了四代，分别应用于便携、机载和车载红外制导导弹。前两代红外导引头采用十字线等原理产生误差控制信号，主要用于探测和攻击点目标。第三代采用扫描模式，可产生目标和背景的准图像。第四代以及最新一代红外跟踪器采用焦平面阵列成像探测器，可产生完整的场景图像，在探测能力上比前几代均有质的飞跃。而且自第二代导引头开始，都设计有红外反对抗（IRCCMs）功能，其可依据目标和诱饵间的相对运动、光谱信号以及辐射强度上升时间来识别真假目标，增强了导引头识别传统诱饵的能力。采用选通视频跟踪器的成像导引头会忽视点源诱饵的存在，因为该诱饵最有可能落在选通周边的外围。相关跟踪器通过识别诱饵的形状、尺寸及纵横比，也可区分出点源诱饵[1-4]。

红外导引头对诱饵识别能力的提高，促进了面源诱饵对抗技术及其战术应用的发展。世界各国竞相在红外诱饵材料的选择、光谱覆盖范围、红外辐射强度和时间以及部署策略上开展了大量的研究[5-6]。本文在对红外焦平面成像制导系统工作机理及诱饵发展概况分析的基础上，研究了面源红外诱饵对抗成像制导的机理，提出了对抗有效性的措施和方法。

1 红外成像制导系统

1.1 红外焦平面成像制导过程分析

红外凝视成像导引头主要由4大部分组成（图1），分别为IRFPA（包括制冷机）、图像跟踪器、稳定位标器以及控制系统。寻的器连续跟踪目标并输出目标视线角速度，该信号按导引规律与弹的其它信号综合后形成弹的控制指令，控制导弹命中目标，成像原理如图2所示[7-8]。

图1 红外凝视成像导引头组成框图

图2 红外凝视型探测器成像原理图

红外成像制导系统的主要功能是搜索、捕获和跟踪目标。搜索装置以固定的模式对目标区搜索并捕获目标，捕获目标的时间取决于捕获视场的大小、识别算法的难易程度以及计算指令周期。捕获目标的过程为：先输入一幅图像，再经滤波、灰度门限检测及分割等处理，然后从背景中分离出目标图像；接着提取出目标图像的特征参量并进行分类判别，从而确定视场内目标的种类及类别[9]。在此过程中，耗时最长的是目标图像识别，为提高图像识别的准确率，一般采取2种方法：一是简化目标识别算法和缩短计算指令周期，加快捕获速度；二是进行再次捕获，在第一次捕获的基础上对目标位置进行校正，重新形成捕获区，并在此区域进行再次捕获。校正量的大小与目标运动速度、距离、尺寸及热像仪焦距，以及捕获视场大小和捕获时间的快慢等有关。一般来说，捕获时间越快，距离目标越远，目标运动速度越慢，则校正时间越快，再次捕获区域就越小。相反，则再次捕获区域也就越大。Johnston试验结果表明，捕获目标的行数和列数越多，捕获目标的概率就越大。当捕获概率为90％时，捕获的目标图像的行数应为5～7行[10]。

红外成像导引头捕获目标后，就会立即转入跟踪状态。跟踪模式分为形心或矩心跟踪、边缘跟踪以及相关跟踪3种模式。形心或矩心跟踪是测出目标图像区域的形心或矩心坐标位置，适用于简单背景中目标的跟踪。相关跟踪是用实时摄取的目标图像与已存储的图像比较，求相关度的方法来计算目标图像的位置变化[11]。

1.2 红外成像制探测过程分析

目前，直升机、攻击机、低轨卫星以及地面坦克、装甲等基本都装备有红外成像探测系统，其探测场景如图3所示[12]。

图3 不同武器平台对地面装甲的探测场景

红外成像的探测过程与目标和背景的对比度（辐射对比度或温差对比度）、大气或遮蔽物衰减、探测器性能3个因素有关。目标与背景对比度在探测器中产生的探测信号必须远大于探测器系统产生的噪声信号，即/＞1时，在理论上探测器才能探测到目标[13-14]。

IR成像系统探测目标时，探测器接收的是目标与所在背景间的表观辐射对比度Dap。如果从同一角度和距离观测目标和背景，则可假定在某一时刻的大气路径辐照度是相等的，则目标和背景的表观辐照度可分别按式(1)和式(2)计算：

式中：apt和apb分别为目标和背景的表观辐照度；()为与距离有关的几何因子；a(,)为大气的光谱透过率；a为环境大气温度；为目标至系统孔径的距离；t和b分别为目标和背景的辐射率；ae为环境表观温度；t和b分别为目标和背景温度；1t和1b分别为目标和背景的反射系数。

式(1)与式(2)相减，可得目标与背景的表观辐射对比度Dap：

式(3)包括了目标可探测性的所有基本因素，也表明影响目标辐射对比度的两个参数分别为目标的辐射系数及表面温度。因此，要探测到目标，至少要有一个目标特征与背景不一致。既然红外系统探测的是目标与背景的红外辐射，那么，探测器要探测到目标，必须满足如下2个判据：

第一，目标与背景间的辐射对比度经探测器输出的信号电压必须高于系统的噪声电压，这是系统设计的最基本要求，与系统中光电组件的性能有关；第二，辐射对比度在总的观察场景中必须是可识别的。换句话讲，如果在观察的场景中存在多个相似的辐射水平，如存在相似的背景杂波，那么就探测不到唯一目标。在较高的背景杂波中，如果考虑较多的目标或背景的特征，也有可能识别出目标。

如果探测器输出电压值超过预设的电压阈值，那么将会探测到目标，探测的可信度由探测概率决定，满足探测要求所需的阈值条件为：

Dap≥×NEI

式中：为探测等级NEI为噪声等效辐照度，W×m－2，是信噪比/＝1时的最小探测辐射对比度，其还与最低可探测等级有关。

2 红外诱饵发展概况

根据当前红外导引头技术的发展状态，可将红外诱饵分为4类：

1）MTV点源红外诱饵

MTV红外诱饵剂是当前国内外点源诱饵广泛采用的红外诱饵剂，由镁粉、聚四氟乙烯和氟橡胶（Viton）组成，其具有较高的燃烧温度，在燃烧时能够在红外波段产生强烈的红外辐射，可快速达到峰值强度，用于装填各类红外诱饵弹及红外干扰器材[15]。自20世纪60年代开始使用以来，已经成为对抗第一代红外制导导弹的重要手段。20世纪80年代中期开始，为提高MTV的红外干扰性能，国内外学者在MTV诱饵剂基础上开展了大量的配方优化设计研究，基本上是添加功能助剂，如碳纤维、氧化剂（硝酸铯、碳酸钾等）、高热剂等[16-19]，以期改善其红外光谱辐射性能，使之与被保护目标的光谱保持一致，增强其对抗的有效性。

但MTV诱饵存在2个主要缺点：一是释放后，其快速减速，并离开被保护目标的运动轨道；二是采用传统配方，与典型目标的光谱分布不匹配。因而，只适用于对抗第一代红外导引头。

2）气动和推进诱饵

为解决MTV诱饵起始状态的不足，研发的气动诱饵采用弹簧鳍结构使之稳定飞行，并采用气动外形弹结构设计以降低飞行阻力。气动诱饵降低了与被保护目标的分离速度，提高了对抗效率。然而，先进的导引头仍能依据弹道轨迹识别出气动诱饵。为解决此问题，又提出并开始研发推进的或逆冲诱饵。在同样的化学过程中，推进诱饵产生的逆冲效应也具有辐射强度。与标准的MTV诱饵不同，其是在燃烧室中通过化学反应产生能量，借助于弹上的喷嘴进行释放。类似于火箭弹，发射后，推进诱饵加速，运行轨迹与飞机的非常相似。如美国的MJU-47B运动型红外诱饵弹[20]，其改进了诱饵剂的制备工艺，采用颗粒状MTV药剂。这样其燃烧时既可产生红外辐射，同时又产生足够的推力，可使诱饵弹跟随目标一起运动，而降低下落速度。

3）光谱匹配诱饵

诱饵技术的另一个显著进步是可调控其光谱分布，使其与目标的光谱分布相匹配。这可通过调整MTV诱饵的化学组成来实现，但其缺点是降低了总的辐射强度。产生光谱匹配诱饵的另一个途径是采用自燃材料。自燃诱饵可采用液体或固体基材料，与空气接触就可瞬间自燃，产生的辐射强度通常比烟火诱饵的低，与部署高度有关[21-22]。其对高度的依赖性已通过在化学组成中填加氧化剂而得以解决。与MTV诱饵相比，液体自燃诱饵有利于产生较大的辐射面积。

Valcartier国防防御研究机构采用自燃液体研制的新型红外诱饵弹[23]，产生的红外辐射与燃烧航空煤油排出的CO2和H2O产生的红外辐射相似，与喷气式飞机羽烟的实际尺寸更接近，因而可有效干扰具有反对抗技术的红外制导导弹。

固体基自燃材料采用自燃金属粉与氧气接触，立即发生放热反应，形成大面积红外热源，其属冷燃烧[24]。具有无可见光输出，燃烧温度在500～800℃，能很好地对抗第二和第三代红外导引头。

4）空间分布诱饵

液体自燃诱饵以火焰或羽烟的方式形成固有的空间分布或较大面积辐射云。固体自燃材料的先进性表现在可在飞机的涡流场中产生薄片或药片。随着药剂的释放，在空气流中形成大面积的辐射云。由于较大的面积/体积比，这些诱饵辐射比MTV诱饵降低的快，因此接近于静态辐射源。SAAB集团、Raytheon和德国Rheinmetall金属防御公司具有空间分布IR诱饵分散器[25-29]。

德国BUCK公司制造的DM19“巨人”空间分布红外诱饵（如图4）[30]全长1208mm，重21kg。采用子母弹结构，内装5发诱饵子弹，每个子弹重3kg。诱饵子弹之间的间隔距离已预先设定，每一发弹爆炸后可产生干扰8～12μm波段辐射的热烟、干扰3～5μm波段辐射的灼热颗粒以及干扰4.1～4.5μm波段气体辐射的混合物，可与舰船的光谱特征匹配，且辐射强度高、辐射面积大、持续时间长。

图4 DM19空间分布诱饵

3 面源诱饵对抗的有效性分析

第四代凝视成像导引头再次捕获目标之前是面源诱饵形成的最佳时间，要有效干扰凝视成像导引头，形成的面源诱饵必须满足：①诱饵的光谱辐射特性应尽量与目标一致；②辐射面积应大于目标的辐射面积；③诱饵的辐射持续时间须大于导引头的制导时间。

只有同时满足以上条件，面源诱饵才能形成有效干扰。但是对于烟火型面源诱饵来讲，同时满足以上条件是非常困难的。原因如下：一是面源诱饵的形成时间与告警和指挥控制系统的反应性密切相关，而且诱饵弹还需要一段飞行时间，因而在时间上很难实现；二是烟火型面源诱饵的光谱辐射性能高于目标辐射性能容易实现，要与目标辐射性能相匹配，在技术上实现起来比较困难。

因而，根据红外凝视成像导引头的工作机理，结合烟火型面源诱饵的特点，得出形成有效干扰红外成像导引头的面源诱饵措施为：①诱饵的辐射面积要远大于目标的面积（至少大于2倍）；②诱饵的辐射强度要高于目标辐射强度，同时尽量延长诱饵的有效红外辐射时间；③诱饵的部署位置必须保证在导引头与目标之间，且在导引头视场中能完全覆盖目标；④尽力保证在导引头再次捕获目标前形成诱饵。如果未能保证在导引头再次捕获目标前形成诱饵（即在导引头跟踪阶段形成诱饵），而由于诱饵的辐射面积完全覆盖目标，因而导引头跟踪的是诱饵云，此时被保护目标必须做出机动，但决不能再次出现在导引头视场中。图5为Rheinmetall金属防御公司研制的烟火分布诱饵的红外干扰图像[29]。

4 结论

通过对红外成像制导系统的组成、工作过程、搜索跟踪原理的分析，以及对烟火面源红外诱饵干扰有效性的探讨，提出了大面积、长时间、高效能的烟火面源红外诱饵弹是一种对抗红外凝视成像制导武器的有效手段。

图5 烟火分布诱饵红外图像

[1] Viau C R. Expendable countermeasure effectiveness against imaging infrared guided threats[R]. Canada: Tactical Technologies Inc., 2012.

[2] 李石川, 张同来, 李黎华, 等. 地面机动目标的红外诱饵欺骗技术研究[J]. 红外技术, 2013, 35(11): 727-731.

[3] Dudzik M C.:4,,,[M]. USA: ERIM-SPIE Press, 1993.

[4] 王卫兵, 王挺峰, 郭劲. 星载光电捕获跟踪瞄准控制技术研究[J]. 中国光学, 2014, 7(6): 879-888.

[5] Labonté W C. Infrared target-flare discrimination using a ZISC hardware[J]., 2010, 5: 11-32.

[6] Koch E C. Review on Pyrotechnic Aerial Infrared Flares[J].,,, 2001, 26: 3-11.

[7] 吕俊伟, 何友金, 韩艳丽. 光电跟踪测量原理[M]. 北京: 国防工业出版社, 2010.

[8] DERENIAK E L, SAMPSON R E. Infrared detectors and focal plane arrays Ⅱ[C]//, Orlando, FL, 1992.

[9] Olson T L P, Sanford C W. Real-Time Multistage IR Image-Based Tracker[C]//,,,, 1999, 3692: 226-233.

[10] 许海龙, 王隽, 吴雪峰. 面源型红外干扰诱饵干扰红外成像制导反舰导弹研究[J]. 舰船电子对抗, 2013, 36(1): 43-46.

[11] G Labonté, W C Deck. Infrared target-flare discrimination using a ZISC Hardware Neural Network[R]. Dept. of Mathematics and Computer Science, Royal Military College of Canada, 2010.

[12] Baqar S. Low-cost PC-based high-fidelity infrared signature modelling and simulation[R]. Dept. of Aerospace, Power and Sensors, Defence College of Management and Technology Cranfield Universtiy, 2007.

[13] JACOBS P A.[M].2nd. SPIE. 2006.

[14] SIEGEL R.[M].4th. UK: Taylor & Francis Group, 2001.

[15] 张敬慧. MTV红外诱饵剂改进及应用[J]. 舰船电子工程, 2014, 34(4): 19-23.

[16] 陈明华, 马桂海. 碳纤维对镁/聚四氟乙烯燃烧速度和红外辐射强度的影响[J]. 激光与红外, 2008, 38(10): 1008-1010.

[17] 李晓霞. 复合诱饵用CsNO3添加剂的热分解动力学研究[J]. 火工品, 2008, 1(1): 29-31.

[18] 李晓霞, 郭宇翔. 复合诱饵用K2CO3热分解和高温电离特性[J]. 火工品, 2008, 1(3): 19-22.

[19] 吕惠平, 潘功配, 陈昕, 等. 高热剂的红外辐射特性研究[J]. 红外技术, 2011, 33(11): 670-673.

[20] 李宝宁, 谢吉鹏, 李朝荣. 美国面源型红外诱饵弹的发展分析[J]. 舰船电子工程, 2009, 29(7): 33-35, 39.

[21] WITHEY M D. Infrared countermeasure flares[J]., 2010, 58(1): 295-299.

[22] VIAU C R. Pyrophoric IR Flare Flares[R]. DRDC Valcartier, 2011.

[23] Demestihas M. Simulations to predict the countermeasure effectiveness of using pyrophoric type packets deployed from TALD aircraft[D]. Monterey : Naval Postgraduate School, 1999.

[24] 陈苹苹. 先进的红外干扰技术—特种材料诱饵[J]. 航天电子对抗, 2001(6): 32-33.

[25] AYTAC T, BEKMEN O. Development of a target tracking algorithm for imaging infrared seekers[C]//Proceedings of the IEEE 16th Signal Processing, Communication and Applications Conference, 2008.

[26] GROUP S. BOL advanced countermeasures dispenser for f/A-18[EB/ OL]. www.saabgroup.com /Global/Documents%20 and %20 Images/Air/ Electronic%20Warfare%20Solutions/BOL/BOL%20F-18%20product%20sheet.pdf, 2011.

[27] RAYTHEON. Comet Infrared Countermeasure Pod[EB/OL]. www. raytheon. com/capabilities/products/comet/, 2011.

[28] DEFENCE R. Irradon[EB/OL]. www.rheinmetall-defence.com /index php?fid=1621&lang=3, 2011.

[29] DEFENCE R. Cirrus 118[EB/OL]. www.rheinmetall-defence.com /index php?fid=1621&lang=3, 2011.

[30] Walsh E. J. Protecting future navies[J]., 1999, 22(3): 45-47.

Mechanism of Surface-decoy Effectiveness against IR FPA Imaging Guidance

NING Gong-tao1，LI Ping1，SU Bin2，LI Shi-chuan3，TANG Run-ze3，DONG Ning-yu4，GUO Guang-hao3，ZHOU Zun-ning3

（1.，，100081，；2..，，650217，；3.，，100081，；4.，100082，）

The latest generation of IR trackers with focal plane array detectors has significant lethality for the maneuver warfare equipment. In a comprehensive analysis of the characteristics and development status of decoys, as well as an analysis of the component, working mechanism and tracking mode of focal plane array（FPA） imaging guidance system, the countermeasure method is explored against the latest generation of infrared imaging guided weapons using the surface-decoy. The surface-decoy, with a long time, large area and high IR radiation efficiency, is an effective method against the latest generation guided weapons.

electro-optical countermeasure，pyrotechnics，surface-flare，imaging infrared seeker，countermeasure effectiveness

TN216

A

1001-8891(2015)06-0514-05

2015-02-10；

2015-03-24.

宁功韬（1974-），辽宁辽阳人，博士研究生，研究方向为光电对抗无源干扰技术。

周遵宁（1969-），山东莱阳人，副研究员，研究方向为光电对抗无源干扰技术。E-mail: zzn@bit.edu.cn。

爆炸科学与技术国家重点实验室科研专项基金项目。