红外导引头抗诱饵干扰研究*

杨 栋，高德亮，曹耀心，王凯旋，吴骁斌

(1.上海航天控制技术研究所·上海·201109； 2.空军装备部驻上海军事代表室·上海·201109； 3.中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心·上海·201109)

0 引 言

红外制导技术在精确制导技术中占有重要的地位，它是利用探测目标和背景间微小的温差或辐射频率差引起的热辐射分布情况来实现对目标的跟踪，具备在各种复杂战术环境下自主搜索、捕获、识别和跟踪目标的能力，真正实现了对目标的全向攻击。但是针对红外制导技术的一些弱点，不断发展的各种诱饵干扰技术对其构成了很大的威胁，例如新型红外干扰弹、红外烟幕等都能对红外导弹形成有效的干扰，降低了红外成像制导导弹的命中精度，甚至使其丢失目标。因此，加强抗诱饵干扰技术的研究显得尤为重要。

目前红外制导体制中得到广泛应用的模式包括点源扫描体制和成像体制。相对点源扫描体制，红外成像体制导引头空间分辨率高，灵敏度和导引精度更高，尤其在末端抗干扰阶段，可以输出更为丰富的目标图像信息，有利于诱饵区分和目标攻击点选择，是未来红外制导的主流发展趋势。而点源体制红外导引头由于技术成熟，成本较低，仍是红外导引头类别的重要组成部分。在未来红外导引头小型化、低成本、高性能等一系列要求的制约下，两种体制红外制导方式及干扰对抗技术的研究均具有十分重要的意义。

1 红外诱饵干扰类型

红外制导系统抗干扰能力的不断提高也促使了红外干扰技术的迅速发展。红外诱饵弹作为一种简单、易用、经济、高效的红外干扰手段，是目前应用最广泛的干扰机制[1]。

(1)常规型红外诱饵

点源型红外诱饵就是传统的闪光弹，主要组分是镁粉、聚四氟乙烯树脂和氟橡胶(Magnesium，Teflon，Viton，MTV)，燃烧火焰温度高达2000℃～3000℃，红外辐射强度远大于飞机目标的辐射强度，理论和实践均证明其是对抗第一、二代红外导引头的有效干扰技术。MTV红外诱饵目前仍然被各国军方广泛采用。

(2)多光谱红外诱饵

第三、四代红外导引头开始使用多光谱识别技术提高抗干扰能力。多光谱诱饵就是针对这种趋势而发展起来的。不同的飞机平台具有不同的红外辐射特征，战术飞机的尾向和侧向红外辐射主要来自于尾喷管和热羽流，峰值波长集中在3 μm～4 μm；旋翼飞机的辐射特征峰值则接近长波。传统MTV诱饵燃烧温度过高，峰值波长集中在1 μm～3 μm，双色或三色导引头可以根据飞机目标和诱饵分别在不同波段的辐射强度之比来剔除诱饵信号。多光谱诱饵通过改变诱饵材料配方实现不同波段光谱的覆盖[2]。代表产品有Chemring公司生产的MJU-59/B、Wallop公司研制生产的DSTL24红外诱饵弹等[3]。

(3)运动型红外诱饵

为了对抗先进红外导引头的轨迹识别技术，研究人员通过改善诱饵弹气动布局、加装推进系统或采用载机拖曳的方式，使诱饵在发射后在一定程度上克服空气阻力和重力的作用，能够在较长时间内与载机保持相似的运动状态，诱饵与目标信号同时处于导引头波门内，无明显位置差异，导引头无法依据轨迹或位置信息滤除诱饵信号。主要包括气动改型诱饵、推进式诱饵和拖曳式诱饵等。代表产品有Chemring公司生产的DSTL-22红外诱饵、Esterline防御技术公司生产的MJU-47/B[4]。

(4)面源型红外诱饵

常规红外诱饵极易被先进成像导引头识别并滤除，面源红外诱饵就是针对成像导引头的这一特点提出的红外诱饵。其工作时通过特殊金属材料的自燃特性或者喷油延燃技术[5]在导引头视场中产生大面积的红外辐射云团，能够在一定程度上掩盖目标的辐射特征，而且其辐射光谱更贴近真实的目标红外信号，对红外导引头迷惑性更强[6]。代表产品有合金表面公司生产的MJU-50/B和MJU-51/B、加拿大防御公司生产的MJU-5188和MJU-5130等红外诱饵弹。

(5)复合红外诱饵

复合红外诱饵通常为两种体制复合，典型复合模式有常规/面源复合诱饵、常规/运动复合诱饵等。各型红外诱饵如下图1所示。

(a)点源型红外诱饵

(b)面源型红外诱饵

(c)运动型红外诱饵

(d)复合型红外诱饵图1 各型红外诱饵 Fig.1 Kinds of infrared decoy

2 红外导引头抗诱饵干扰方法

红外抗诱饵干扰方法本质是从干扰场景的各种复杂信息中提取符合目标特征的信息量，关键点在于寻找目标、干扰所呈现出的特征差异。针对红外诱饵的特点，目前红外导引头的干扰对抗策略主要从辐射强度、波段辐射差异、目标/诱饵运动特征差异、末端成像技术等几个方面开展。

2.1 辐射强度信息鉴别

辐射强度是识别诱饵投放和目标信息鉴别的重要特征之一。为有效压制目标信息，典型诱饵辐射特征是起燃速率快，燃烧过程中辐射强度相对目标较高，但是目标飞机的辐射强度相对较为稳定。在判断诱饵起燃时，需要关注诱饵能量上升速率，所设置的阈值应能有效将其同目标自身的能量波动、姿态变化以及处于缓慢加力过程而形成的能量上升趋势区分开来。而在目标受到诱饵干扰期间，则应关注目标、诱饵的能量的相对大小以及变化趋势，通过对视场中的客体建立灰度序列，并对灰度绝对值及变化趋势进行分析，设置能量匹配波门，实现目标、诱饵的有效鉴别。在目标被长时间遮挡过程中，由于无法获取目标能量信息，通常利用进入干扰态前所记录的目标能量信息对能量波门进行预测，自适应地设置区别二者的阈值[7]。

2.2 波谱信息鉴别

一般而言，飞机的红外辐射特性由机身蒙皮、尾喷口及热部件、尾焰辐射所确定，它是这几类辐射特性综合而成。在空中运动状态下燃烧的MTV型红外诱饵，一部分是发光区，一部分是燃烧的烟雾，只有发光区形成的红外辐射才真正构成对红外制导导弹的干扰，通过实测数据分析红外诱饵辐射特性，光谱辐射强度如下图2所示。

图2 诱饵与黑体的光谱辐射强度Fig.2 Spectral radiation intensity of decoy and blackbody

图2为典型的MTV红外诱饵与2700 K黑体的光谱辐射强度对比图，可见诱饵的红外辐射与标准黑体存在一定差异，在3 μm～4 μm波段有较大的下沉。利用目标、诱饵在不同波段探测器的响应差别可以有效对二者进行区分。实现双色与多波段成像主要有以下两种途径[8-9]：一种是利用不同波段组合的双色叠层探测器，另一种方式是采用机电结构的波段选择器，通过电机驱动将多个不同谱段的滤光片序列插入光路中，对入射光进行调制，分时输出不同谱段的图像。采用波段选择器方式的优点是一方面降低了对探测器的要求，另一方面系统能根据目标、背景、干扰选择合适的谱段信息，波段带宽和波段数可灵活选择，具有较强的自适应性。

2.3 运动特征鉴别

对于无动力型红外诱饵，投射出去以后，由于缺乏动力，其在前向的运动会呈现出负加速度特征，但是目标飞机一般不会[10]。首先分析诱饵和飞机的运动特征，诱饵投射出去以后，由于缺乏动力，在空气阻力和重力的作用下，会逐渐与目标飞机拉开距离，其运动特征表现出较为明显的负加速度特征。如图3所示，给出了诱饵运动的仿真结果图，从中可以看出在飞机运动方向和垂直方向，诱饵运动与飞机有较大差异。利用目标、诱饵运动轨迹在像平面的投影差异，可以取得较好的目标鉴别效果。

图3 目标飞机机动中投射干扰弹示意图Fig.3 Track of airborne infrared decoy

2.4 末端成像抗干扰方法

在目标/干扰亚成像和成像阶段，可获得除辐射强度、波谱信息以外的更多目标特征，包括尺寸、视线角运动、形状、拓扑结构、姿态等，具备多维特征融合条件。同时，结合红外成像导引头先验信息(如目标模板)等资源的种类和数量，增加信号处理的空间维数，从而在更高维的信号空间中扩大和鉴别目标和诱饵干扰的差异，实现目标信息的充分挖掘和利用，形成多维信号空间处理抗干扰技术体系，实现红外成像导引头系统性能提升。

2.5 基于特征量融合的抗干扰方法

红外干扰对抗中，难以根据单帧信息判定目标，必须进行帧间关联形成轨迹，通过信号特征的连续性区分干扰和目标。同时，在诱饵干扰对抗中，仅靠某一特定特征信息难以应对日益复杂的干扰场景，例如，通过波谱特征可以有效区分常规诱饵和目标信息，但难以有效识别新型多光谱诱饵；基于运动特征的干扰识别方法可有效应对无动力诱饵干扰，但对新型动力诱饵又有局限性。结合上述的目标/诱饵特征差异，必须将干扰场景中所关注信号的各项特征信息进行综合决策，以提高目标识别的准确度。通常采用的方法包括特征量条件判别、特征量的综合权值判别，前者依次设置特征量条件判据，只有满足所有条件的信息才会成为候选目标，该方法的关键点在于判据设置要求非常准确；后者则通过设置特征量加权系数，计算出信息量的综合权值，根据权值阈值进行目标状态切换与识别。以基于特征量综合权值判别方法为例，在信息融合过程中，隶属函数的确定非常重要，直接影响评判效果的优劣及准确性，在具体的应用中，又包含特征量隶属函数和综合隶属函数。例如，特征量隶属函数可以通过与目标特征的似然程度给出[11-12]，将辐射强度权值、尺寸权值、运动特征权值分别记为wr，ws，wv，一种典型的综合隶属函数确定如下：

wA=c1wr+c2ws+c3wv

(1)

式中，wA为当前帧的综合权值；c1、c2、c3分别为相应特征权值的加权系数，三者之和为1，其具体值可以通过试验或典型的概率模型拟合得到[13-14]。根据当前帧的综合特征权值计算累积权值wT，表征一段过程中满足目标特征信息的稳定程度，如公式(2)所示。

(2)

3 点源和成像体制抗干扰能力比较

点源和成像是红外制导技术发展中的两种重要体制。随着光电器件制造技术的提高，红外成像体制导引头由于具备更高的灵敏度和空间分辨率，有更好的目标识别能力和更高的制导精度，因而取得了快速发展。虽然两种体制不同，但光电对抗技术，尤其是红外诱饵对抗技术是相通的，同时，红外导引系统抗干扰性能是由光学、机械、电子等分系统相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统，两种体制是否充分利用各自平台特点，采取与自身体制最为匹配的抗干扰技术，将决定两种红外体制未来的发展前景。

3.1 探测器件

目前仍在广泛使用的点源体制红外导引头探测系统主要包括脉冲调制式和准成像扫描式等类型。前者的典型代表是二元或四元正交式圆锥扫描探测器，后者则包括玫瑰扫描、线列圆锥扫描等准成像探测体制。点源体制探测器通常包含的探元数量少，因此瞬时视场较小。借助光学系统的各种扫描方式，实现对探测视场的覆盖。而作为红外成像体制的代表，红外凝视成像探测器则是由位于前部的远焦系统将探测器视场内的全景聚焦到一个焦平面阵列上，阵列上的每个探测元在一帧时间内聚焦固定的场元光能，因此，目标辐射能量积分时间增加，大大提高了信噪比，有效地提高了红外导引头的探测性能。与此同时，成像体制对于探测器设计技术、生产工艺要求相对较高，小型化和低成本化也是未来发展的基本要求。

3.2 位标器平台

点源体制红外导引头位标器主要包括动力随动陀螺式位标器和陀螺随动框架式位标器，最常用结构形式为动力随动陀螺式位标器。这种结构中，红外探测器系统直接固定在三自由度陀螺上，与陀螺转子融为一体，结构简单、紧凑、零件少、空间利用率高、可靠性好。世界上很多国家的便携式红外导弹均曾采用此类结构。点源体制导引头通过陀螺的稳定性隔离弹体运动对红外测量系统的干扰，同时利用陀螺的进动性测量目标视线相对惯性空间的转动角速度，供导引头给自动驾驶仪输出控制指令。

成像体制红外导引头主要包括光机扫描式和红外凝视等类型。而最具代表性的红外凝视成像导引头位标器则主要包括捷联式大视场焦面阵凝视红外成像导引头和框架式小视场焦面阵凝视成像红外导引头。框架式小视场焦面阵凝视成像红外导引头技术是当今成像制导方式广泛使用的一种先进的导引头方案，通过力矩电机建立框架式导引头伺服平台，利用双速率陀螺进行平台反馈稳定解耦，并由力矩电机驱动导引头的光学系统对目标实现跟踪。目前多种类型的导弹，如美国响尾蛇系列空空弹最新型AIM-9X、以色列Python V等导弹都采用了框架式焦平面探测平台，作用距离大大提高，可实现超视距全向攻击目标。

3.3 抗干扰能力

在探测体制和控制平台类型确定后，平台控制性能和抗干扰策略将共同决定导引头抗干扰能力。

(1)平台控制性能

在干扰的投放时刻，视场中目标瞬间会被干扰淹没，此后目标在视场中不可见。导弹在导引头控制、制导控制、目标特征控制(能量、尺寸等)三个控制回路面临开环过程。对导引头控制而言，在目标被遮挡直至诱饵开始分离前，通常采取的措施是保持进干扰之前的跟踪状态或对视线角方位进行预测。点源体制导引头由于采用动力陀螺式位标器结构，陀螺的定轴性隔离了在开环控制期间弹体扰动对探测通道的影响，同时通过进动力矩实现方位的预测，控制算法简单可靠且控制精度较高，为探测信息回路更好地实施抗干扰策略提供了良好的基础。成像体制导引头则需借助更多的测角、测速装置实现平台的解耦和稳定性，对传感器的性能依赖高，同时控制算法相对更为复杂。

(2)干扰对抗策略

红外干扰对抗的主要目的是从复杂的干扰信息中提取有效的目标信息，并输出方位坐标。对于红外导引头而言，随着弹目距离由远及近的变化，导引头视场内的目标/干扰经历从点目标阶段至成像阶段的变化，因此对目标/干扰的识别应从远距离点目标全局特性、亚成像阶段目标局部特性和近距离成像目标综合特征等方面考虑。在点源抗干扰阶段，两种体制导引头均可获取包括辐射强度、波谱、运动在内的特征信息，抗干扰能力基本相当。成像体制探测通道通过积分电路输出图像信息，在有效提高信噪比的同时，也会由于干扰的高压制比造成图像的饱和或者干扰、目标之间的过度粘连。这种情况下，红外成像探测系统可通过变换探测器的积分电容及改变积分时间进行系统增益的控制，需要注意的是系统增益的调整会影响成像的非均匀性并造成目标特征的变化，因此在系统增益调整时要做好非均匀性的校正及目标特征在不同增益下的变换。点源体制探测器探元数较少，通常采用多路程控增益技术，其动态范围大、响应速率快，可以快速适应百倍的干扰压制比条件。而在亚成像和末端抗干扰领域，相对于点源体制，成像体制探测器分辨率更高，可以融合灰度、尺寸、视线角运动、形状、纹理、姿态等形成多维特征，为攻击点自主选择、图像抗干扰技术的运用提供了更好的条件。

借助MOS电阻阵半实物仿真系统[15]，选取两种诱饵类型(MTV型、面源型)及典型诱饵释放条件(齐投、连投)进行诱饵干扰对抗半实物仿真，仿真结果如表1所示。

表1 抗诱饵干扰能力对比

4 红外导引头抗干扰发展方向

4.1 红外诱饵发展趋势

为了有效地对抗愈发先进的红外制导导弹，未来要求红外诱饵弹能更加逼真地模拟目标特性。因此红外诱饵技术的发展及战术使用趋势是从单一体制到多种体制复合的发展及使用模式。同时未来红外诱饵在组分和结构的设计方面将变得更加复杂：

(1)多光谱探测技术、多波段制导技术的广泛应用极大提高了武器系统的作战性能和抗干扰能力，因此红外诱饵的多光谱信息融合势必得到发展；

(2)常规型红外诱饵将向常规/面源、常规/运动复合型方向发展，其辐射能量和面积更大，光谱覆盖范围更宽、干扰时间更长；

(3)为了降低成本，提高系统的可靠性、可维修性，实现一机多用和系统的多功能化，红外诱饵弹及其投放系统向通用化、系列化、标准化和多功能化方向发展；

(4)随着光电技术发展，全方位的侦测技术，特别是复合红外制导模式取得了快速发展，因此红外诱饵与其它光电对抗手段相结合，构成一体化复合光电对抗系统。

4.2 抗干扰技术发展趋势

随着新型红外诱饵弹、定向红外干扰系统的应用，红外导引头的作战效果受到严重威胁。为保证导弹的作战效能，须发展多种抗干扰技术应对各类干扰威胁。

(1)多光谱抗干扰技术[16]

为提升导弹抗红外干扰性能，多光谱探测技术得到了快速发展，中红外/紫外、中红外/可见光等双波段，以及长波/中波/短波红外多波段融合导引头均在快速发展中。

(2)惯导预测技术

基于运动轨迹差异识别目标和干扰是基本的抗干扰措施，红外导引头抗干扰期间，通过惯性导航技术可获得惯性空间基准，提高对轨迹预测精度，从而为抗干扰过程中目标位置预推等算法提供有效支撑。惯导信息可通过增加独立惯测组件或通过框架结构位标器获得。惯导预测关键技术包括惯组器件小型化、制导控制一体化算法设计等。

(3)基于超分辨率的智能化抗干扰技术

红外成像焦平面阵列探测器成熟工艺及超分辨率图像技术的应用，为智能化多目标识别、干扰对抗提供了良好的条件。将人工智能及相关技术产业应用于各类飞行平台，进一步提升目标识别、干扰对抗和精确制导能力。

(4)复合制导

多模复合制导技术使红外导弹不受制于单一制导体制的局限，可进一步提升导弹在复杂光电干扰环境和背景环境中的作战效能。目前多光谱技术已在新型导弹中得到较多应用，随着信息处理技术、数字芯片的快速发展，多模复合新材料及光机平台一体化的日趋完善，雷达/红外、激光/红外等复合制导技术势必取得新的突破和应用，增加了目标/干扰信息鉴别维度，可大幅提升抗干扰能力。

5 结 论

作为红外对抗的两个方面，诱饵干扰及其对抗技术处在相互制衡和共同发展升级的动态过程。从诱饵对抗角度看，充分利用诱饵、目标在多维度的特征差别进行目标/干扰信息鉴别仍是抗干扰基本准则；同时，传统单一体制抗干扰技术将向复合制导、智能化方向发展[17]。从未来红外弹系统设计角度而言，需要在飞行特性、作战目标、制导体制、制造成本等多方面进行权衡，无论点源还是成像红外体制，都需要对干扰对抗技术持续进行深入研究，为未来复杂作战环境提供更高的技术支持和更多的模式选择。