隱身飛機的出現對現有雷達和紅外制導空空導彈的目標探測能力都提出了挑戰。由于隱身飛機對雷達隱身的效果優于紅外，相對而言，紅外制導空空導彈具有反隱身的優勢。但紅外導引頭仍需采取一定的措施以提高其對隱身目標的探測識別能力。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中國空空導彈研究院和空基信息感知與融合全國重點實驗室的科研團隊在《航空兵器》期刊上發表了以“紅外成像導引頭對隱身飛機探測性能提升途徑分析”為主題的文章。該文章第一作者和通訊作者為李麗娟研究員。
本文針對紅外成像導引頭探測隱身目標能力提升需求，首先梳理了隱身飛機的紅外輻射特征，之后根據紅外成像導引頭探測性能的影響因素，提出了采用雙色/多波段成像探測、優化系統工作參數設計、提高成像質量和場景自適應性、采用低信雜比目標檢測截獲等技術以提高系統對隱身飛機的探測識別能力。
飛機的主要紅外輻射
典型飛機目標的紅外輻射源主要包括尾噴管、尾氣流和蒙皮輻射等，其中尾噴管和蒙皮的自身輻射近似為灰體，尾氣流為典型的選擇性輻射體。各輻射源的光譜分布見如圖1所示。
圖1 飛機紅外輻射源的光譜分布
從紅外輻射的光譜分布來看，飛機在3～5 μm波段的輻射主要由發動機尾噴管和尾氣流的輻射組成，在8～12 μm波段的輻射主要由蒙皮和尾噴管的輻射組成。飛機各輻射源的特點如下：
（1）尾噴管的紅外輻射，尾噴管是被發動機排出氣體加熱的金屬腔體，可將其看成一發射率為0.9的灰體輻射源，用它的溫度和噴管面積來計算其輻射。尾噴管的溫度越高、面積越大，則其紅外輻射強度也越大。
（2）尾氣流的紅外輻射，尾氣流輻射的主要成分是4.4 μm處二氧化碳的分子輻射，其輻射亮度與排出氣流中氣體分子的溫度和數目有關，這些值取決于燃料的消耗，它是飛機飛行高度和節流閥位置的函數。
尾噴管和尾氣流中氣體分子的溫度都與發動機的工作狀態有較大關系。當飛機打開加力燃燒時，噴管輻射和氣流輻射都大幅度增加，氣柱長度也增加了3～5倍。
（3）蒙皮的紅外輻射，由氣動加熱產生的蒙皮輻射在飛行速度（馬赫數）小于10時。將蒙皮駐點溫度與環境溫度的關系定義為蒙皮氣動加熱系數，得到其與飛行速度的對應關系曲線，如圖2所示。
圖2 蒙皮氣動加熱系數與飛行速度之間的對應關系
從圖2可知，當飛機飛行速度較低時，飛機蒙皮輻射溫度較低，蒙皮輻射并不明顯；當飛機飛行速度超過或遠大于音速時，蒙皮溫度急劇升高，蒙皮輻射就很明顯了。
飛機的輻射特征與觀察的方位有很大關系。從飛機側后方可以看到尾氣流和尾噴管的輻射之和，輻射強度大；隨著觀察方位向迎頭方向變化，尾噴管和尾氣流逐漸被遮擋，輻射強度大大減少。某飛機在軍用狀態與加力狀態下的中波紅外輻射方向性分布如圖3所示，其中，0°為正尾后，180°為正迎頭。
圖3 某飛機在軍用狀態與加力狀態下的中波紅外輻射方向性分布圖
隱身飛機的主要紅外隱身措施
針對飛機發動機尾噴口、尾氣流和蒙皮三大紅外輻射源，隱身飛機常采用的紅外抑制措施包括：通過發動機隔熱、異形噴管、發動機和噴管結構布局優化、排氣口調整遮蔽、噴射冷卻劑等，以達到減小、變向、遮蔽尾噴管和尾焰紅外輻射的目的；采用隱身涂料，降低蒙皮的表面發射率，減小蒙皮的紅外輻射。具體的紅外隱身措施如下：
（1）采用局部冷卻或隔熱方法，降低暴露表面的壁溫。用金屬石棉夾層材料對飛機發動機進行隔熱，防止發動機熱量傳給機身。
（2）采用非軸對稱的噴口形狀，促進尾氣流同自由流動的外部空氣快速混合，降低尾氣流長度，減小紅外輻射強度。試驗表明，長寬比為7的二元矩形噴管與同樣出口面積的圓形噴管相比，尾氣流的紅外輻射強度降低61%。F-22飛機發動機采用二元矢量收斂-擴張噴管，可在俯仰方向作±20°的偏轉。噴管出口平面向后半球的最大輻射強度位于噴管的偏轉方向上，在遠離高低角偏轉方向上的輻射強度下降明顯。垂尾、平尾、尾撐向后延伸，可遮蔽部分發動機噴口的紅外輻射。因此，從飛機前半球方向探測，產生的輻射易被機身遮擋；由于矢量噴管的可偏轉機動性，即使不受遮擋，隱身飛機尾部產生的輻射進入紅外探測系統視場也具有一定的隨機性。
（3）在燃油中加入特殊的添加劑以抑制尾氣流的紅外輻射，或者將尾氣流的紅外輻射光譜移到易于被大氣吸收的波段。
（4）采用隱身涂料，降低飛機的紅外輻射。隱身涂料可降低飛機表面在全光譜段或大氣傳輸窗口波段的發射率，進而降低飛機蒙皮在紅外探測系統波段內的紅外輻射。例如：美國F-35戰斗機的尾噴管通過采用特殊涂層來降低紅外特征。
國內相關單位對國外主流隱身飛機的紅外輻射特性開展了研究與仿真建模。文獻仿真驗證了3～5 μm波段F-35尾后的輻射強度與F16相當，迎頭的輻射強度比F-16 低10%，并認為這是由于隱身飛機的發動機功率大幅提高的結果。文獻中，當F-22飛行馬赫數為1.6，蒙皮發射率為0.1等情況下，采用隱身措施后其前半球8～12 μm波段紅外特征降低約90%。
雖然目前還沒有確切的國外主流隱身飛機的紅外輻射特性數據，但從物理原理分析，上述紅外隱身技術的采用肯定會降低飛機的紅外輻射特征，對目標探測產生不利的影響。為提高紅外成像導引頭對隱身飛機的探測性能，需要分析影響紅外成像導引頭目標探測的因素，并采取有利于提升探測距離的措施。
紅外成像導引頭是一個復雜的光機電系統，其對目標的探測能力受多種因素的影響，主要包括：目標和背景的紅外輻射特性，大氣傳輸特性，導引頭自身各組成部分的參數、特性以及實際工作中的變化等。下面對主要影響因素進行分析，并給出可能的探測能力提升途徑。
采用雙色/多波段紅外成像探測技術
利用目標、干擾和大氣透過特性在不同波段的差異，采用雙色/多波段紅外成像探測技術可以有效提升復雜戰場環境下對隱身飛機的探測識別能力。
（1）由于隱身飛機的紅外輻射特性隨探測方向、探測波段的不同而不同，因此，可利用不同波段紅外探測系統對隱身飛機的不同輻射源進行探測。對隱身目標進行迎頭探測時，因其主要的輻射源尾氣流被較好地抑制，尾噴管被遮擋，此時主要的輻射源為機身蒙皮。蒙皮的峰值輻射在長波段，利用長波探測系統探測機身比較有利。對隱身飛機進行側向和尾后探測時，未被完全遮擋的尾氣流和尾噴管的輻射是主要的輻射源，其峰值輻射在中波段，利用中波探測系統探測比較有利。因此，利用中長波復合探測系統可以提高對隱身飛機的全向探測能力。另一方面，由于點目標的特征相對較少，對點目標的檢測存在虛警高等問題，通過不同譜段特征的融合利用有可能提高正確檢測目標的概率。
（2）紅外空空導彈在作戰中不可避免地會面臨點源、多點源和面源等紅外誘餌的干擾，在復雜的人工干擾場景下正確探測識別目標是一個難點，需要利用目標與干擾在多維度上的特征差異進行鑒別。目標與干擾除了在能量分布、形狀、運動等方面有差異外，二者在光譜分布上也存在顯著的差異，比如目標與干擾在中/長兩個波段上的色比不同，在兩個波段上的灰度分布、形狀和大小不同等。因此，利用雙色/多波段紅外成像技術相較于單波段增加了譜段特征差異，在抗紅外誘餌干擾方面具有優勢。
（3）不同地域和氣候等條件對紅外輻射的大氣透過率有影響，對于干冷大氣環境，長波紅外比中波紅外譜段透過率高；對于濕熱大氣環境，中波紅外比長波紅外譜段透過率高；對于充滿霧氣、煙塵的大氣環境，長波紅外比中波紅外譜段穿透力強。大氣透過率高則紅外導引頭接收的目標紅外輻射多，有利于提高目標探測距離。因此，利用中長波復合探測系統可以提高在不同地域和氣候條件下探測隱身飛機的能力。
優化紅外探測系統的參數設計
紅外探測系統的工作波段、光學口徑、信號傳輸和處理特性等工作參數是決定其探測能力的基礎，因此，需要根據各工作參數對探測能力的影響，結合空空導彈系統的總體要求和設計約束，進行探測系統工作參數的選擇和優化。
空空導彈對飛機目標進行遠距離探測時，目標在導引頭上所成的像一般為未充滿探測器單元的點目標。
第一項為目標與背景的相對輻射差及其在大氣傳輸中的效率。目標與背景的相對輻射差異越大，大氣透過率越高，則探測距離越遠。然而對特定的目標、背景與環境，該項是確定的。系統設計者可根據目標背景及大氣傳輸特性選擇合適的工作波段，使第一項的值盡可能大。
第二項為光學系統的特性。光學系統的入瞳越大、透過率越高、F 數越小，則探測距離越遠。但實際上F數不能無限小，其理論極限為0.5。光學系統的入瞳與系統的視場、探測器的尺寸構成一定的約束關系，不能無限增大。
第三項與探測器的性能有關。探測器的星探測度越大，探測距離越遠。
第四項與系統特性和信號處理有關。探測單元的立體角越小、電路等效噪聲帶寬越窄、探測目標要求的信噪比越低，則探測距離越遠。小的立體角會提高探測距離，但還需與光學系統的像質和彌散斑相匹配，若過小也會使得目標落在單個像元上的響應降低，影響探測距離。因此，需要根據系統總體要求綜合多方面因素后確定。其中，電路等效噪聲帶寬f與積分時間ti有關。
可見，當積分時間長時，電路等效噪聲帶寬小，探測距離遠。積分時間一方面受系統幀頻的限制，另一方面與目標的相對運動大小有關，積分時間長可能會引起快速運動目標的成像模糊。r S要求應根據系統的探測概率和虛警概率指標來確定，另外，采用一定的信號處理算法，可以在低信噪比條件下實現目標的可靠探測。
第五項是一個校正因子，當目標所成的像未對準探測器像元的中心時，會落在周圍的幾個像素上而造成能量的擴散，引起探測距離下降。
實際上，估算的探測距離比較理想化，其主要作用是幫助認識影響系統探測性能的主要因素。根據上面的分析，可知要提高紅外導引頭對隱身飛機的
探測性能可以重點從以下幾個方面進行考慮。
（1）根據應用場景和導彈總體要求，進行紅外探測系統工作波段的優選設計，選擇目標/背景信噪比高、氣動熱影響低的工作波段，選擇靈敏度高的紅外探測器。
（2）增大光學系統的入瞳、提高光學系統的透過率對提高系統探測距離有較好的效果。因此，在系統結構尺寸等條件的約束下，盡可能設計大口徑、高透過率的光學系統。
（3）在遠距離探測目標階段，盡可能采用長積分時間。彈目距離較遠時，一方面目標視線的相對運動不大，另一方面系統成像和處理幀頻的適當降低對導彈總體性能的影響有限，因此，可允許通過延長積分時間提高紅外探測系統的靈敏度。
（4）由于彈目的相對運動，遠距離點目標成像的彌散斑中心不一定落在探測器像元的中心，此時點目標的能量會落在周圍的2～4個像元上，使得單個像元接收到的目標輻射大大下降且不穩定，對目標探測造成不利的影響。通過微掃描機構使點目標的彌散斑中心與探測器像元中心對準，可以提高對目標輻射能量的利用率，從而提高系統對目標的探測能力。
提高紅外探測系統成像質量和場景自適應能力
紅外成像導引頭在實際工作場景中可能面臨新增盲元、圖像時/空域噪聲增加、雜散光干擾等影響成像質量并進而影響目標探測能力的因素，需要采取措施提升紅外成像導引頭對上述不利因素的抑制和自適應處理能力。
提高對探測器盲元的自適應處理能力
空空導彈遠距離探測目標時，目標所成的像為斑點狀，而紅外探測器的盲元通常也表現為單個亮點或亮點簇，這些亮的盲元點（簇）很容易被誤判為目標而導致虛假的目標截獲。另一方面，探測器的固有盲元在預處理時通常用周圍的非盲元點替代，此時雖然該盲元點不會被虛假截獲，但當真實目標落在該點上時，系統并不能探測到目標的響應。因此，紅外探測器的盲元對紅外成像導引頭探測目標的影響很大。降低探測器的盲元數，特別是中心區域的盲元，有利于提高系統的探測與跟蹤性能。但隨著儲存和工作時間的累加，以及環境條件變化等因素的影響，探測器會出現新增盲元。紅外成像導引頭應具有盲元自適應處理能力，否則可能會引起導引頭反復截獲盲元而無法正常探測跟蹤目標的問題。在系統設計時利用盲元位置不變的特性，可以通過一些算法的設計和導引頭位標器的動作等來識別新增的盲元，避免或降低盲元對導引頭目標截獲與跟蹤的影響。
提高探測系統的非均勻性校正水平
面陣探測器的非均勻性表現為固定的圖案噪聲，此種空間噪聲的增大會嚴重降低目標的信噪比，使用同樣的目標檢測算法和截獲信噪比要求時，系統的探測距離會大幅下降。因此，非均勻性校正是紅外成像導引頭使用中必須解決的關鍵問題之一。由于空空導彈工作時面臨飛行高度和環境溫度的較大變化，以及不同場景紅外輻射分布的多樣性，使得基于定標的非均勻性校正方法在導引頭實際動態飛行環境下存在較大的誤差，嚴重降低了系統的成像質量和目標信噪比，因此，需要采用其他方法實時修正校正系數以提高紅外成像導引頭工作環境下圖像的非均勻性校正效果。
一種方法是采用基于場景的校正算法，如時域高通濾波法、神經網絡算法、常統計量約束算法等。這些算法可以實時校正系統的偏移，消除1/f噪聲和其他低頻噪聲。但這些算法應用的前提是要求場景是隨機運動的，因此，若在空空導彈上使用上述算法，對算法的啟動和停止時機要有約束。比如在導引頭對場景進行搜索及未截獲目標時可啟動算法，一旦導引頭截獲并跟蹤目標，由于此時目標總是在視場中心附近的小區域內，可能引起目標信號的衰減，需要及時停止算法的運行。另一種方法是在系統中增加硬件機構，在校正時能為系統提供一個或兩個均勻溫度的場景，從而實現實時的一點或兩點校正。該方法以硬件的復雜換取算法的簡化，且校正的精度高，適用范圍廣。在結構空間允許的情況下，這是一種較好的選擇。
提高光學系統的無熱化和雜散光抑制能力
理想情況下，設計良好的光學系統對點目標所成的像落在探測器的單個像元上，此時目標的響應高，信噪比強，系統的探測距離遠。但是空空導彈工作的環境溫度變化很大，至少從60°C 到-40°C，光學零件及其支撐結構的特性也會隨溫度變化，使得常溫下成像良好的光學系統在高溫或低溫環境下出現離焦，導致目標響應降低、信噪比下降，系統的探測距離減小。因此，需要采取各種措施補償這種溫度變化的影響，保證光學系統在工作的整個溫度區間內性能良好穩定。無熱化設計技術包括電子主動式、機械被動式和光學被動式三種，在進行光學系統無熱化設計時需根據系統的結構、重量、成本及可靠性等方面的要求選擇其中的一種或幾種技術。對于中長波復合探測系統而言，由于可用的光學材料受限，光學系統的無熱化設計相比單波段探測系統具有較大的難度。
空空導彈工作過程中，若導引頭視場外的太陽光或其他強輻射源以較大的比例進入光學系統和探測器，就會形成較大的背景干擾，造成信噪比下降、探測距離減小，嚴重影響空空導彈的作戰使用范圍。圖4為雜散光干擾的一個例子，圖像下部出現雜散光引起的亮斑、亮環和亮線。因此，要求光學系統要有較強的雜散光抑制能力。在光學系統設計時需要進行詳細的雜光分析，并采取加遮光筒、對光學零件及其支撐件的非工作面進行黑色陽極化等消光處理措施，通過反復的迭代設計與分析，提高光學系統的雜散光抑制能力。
圖4 雜散光圖像
抑制氣動加熱的影響
空空導彈發射后的高速運動引起的氣動加熱對紅外導引頭的目標探測影響很大。氣動加熱效應主要包括激波輻射和頭罩溫升引起的輻射，這些附加輻射會使導引頭的圖像灰度急劇增加，同時空間噪聲增大。氣動加熱效應對目標探測的影響分為兩個方面：一是整體輻射的增加會使目標信號落入探測器響應的非線性區甚至使目標信號飽和，此時為了保證目標不失真，往往需要減小系統的增益，因此目標的響應也相應減小；二是氣動加熱引起的背景輻射增加了圖像的空間噪聲，這可能是激波輻射和頭罩加熱不均勻引起的，也可能是原有的非均勻性校正對高背景輻射的適應性降低使得殘余的非均勻性增大，如圖5所示（圖像中出現灰度不均勻的條帶和塊狀區域）。總之，氣動加熱使目標的信噪比大大降低。抑制氣動加熱效應是高速紅外導彈面臨的一個特殊問題。從系統角度考慮，可能采取的措施包括：適當降低導彈的速度、頭部加氣動減阻器、導引頭內部環控/制冷、光譜選擇、使用大動態范圍探測器、改進非均勻性校正方法等。
圖5 氣動加熱紅外圖像
提高低噪聲信號處理與抗電磁干擾能力
在系統的光學及探測器確定的前提下，探測器驅動及信號處理技術的優劣將直接影響系統的探測性能。采用低噪聲信號處理技術可以使探測器處于最佳工作狀態，減小信號傳輸與處理環節引入的噪聲，提高系統的信噪比，最大限度地發揮探測器的性能。
導引頭內部的伺服機構、高頻工作的DSP 等信息處理電路以及外部復雜的電磁環境會對探測器和信號處理電路造成干擾，因此，需要加強系統的電磁兼容性設計，提高系統的抗電磁干擾能力。
在探測器驅動電路的設計中，應為探測器提供高精度低噪聲的電源和偏壓，驅動脈沖應有足夠的驅動能力，具有良好的電磁兼容性和信號完整性。選用低噪聲運放和合理的電路結構對信號進行處理，并采用光電隔離和信號屏蔽等措施降低噪聲和其他分系統引入的干擾。對系統中的輸入電源、電機驅動信號及高頻數字信號等應采取必要的濾波、屏蔽等處理，降低對探測系統的影響。采用新型數字化焦平面技術的紅外探測器具有低噪聲、高抗干擾、高通道隔離、高傳輸帶寬、高線性度和高穩定性等優勢，有利于系統探測性能的提高。通過上述措施可以使系統的信噪比保持盡可能高的水平，為后續目標的探測與截獲打下良好的基礎。
采用低信雜比目標檢測截獲技術
空空導彈所探測的目標可能處于不同的背景之中，除藍天背景外，起伏的云層、遠地和遠海背景均會增加目標檢測的難度。相對于目標而言，這些背景往往尺度較大，分布不均勻，存在輻射亮度與目標相當或更強的區域。此時，信雜比會大大降低，檢測的潛在目標區很多，而點目標的特征量較少，這些因素使得復雜背景下點目標的探測相對困難，且探測距離比藍天背景時要近。若通過一定的信息處理算法使系統能在較低的信雜比下探測到目標，同時又滿足虛警概率的要求，則系統就可以獲得更遠的探測距離。因此，低信雜比目標檢測識別技術對系統探測性能的提高也起著很重要的作用。
低信雜比探測技術主要是利用目標與背景在時間、空間和譜段等分布的特性差異，通過采用噪聲濾波、背景雜波抑制及目標增強等算法，使經過處理后的目標信雜比增強，從而達到提高探測能力的目的。針對不同背景的分布紋理，可采用不同尺度的空間濾波，如形態濾波、多級濾波來抑制背景，利用目標與背景在時間序列上的相對運動特性，也可提取與背景運動特性不同的目標區域。采用雙色探測可利用目標與背景或其他干擾的波段特征差異，實現對目標的低信噪比截獲與跟蹤。
隱身飛機采取了多種紅外輻射抑制措施，對紅外成像導引頭隱身飛機探測能力形成較大的挑戰。本文根據隱身飛機紅外輻射的特點及紅外成像導引頭探測系統的工作特性，提出了多種提升導引頭探測性能的技術途徑。
（1）利用目標、干擾和背景的紅外輻射特性及大氣傳輸特性在不同波段的差異，提出通過雙色/多波段成像探測技術提高目標探測和抗干擾能力。
（2）通過優化探測系統設計，實現增加系統接收的目標輻射能量、降低系統工作中的時空域噪聲、提高系統在復雜動態場景下的自適應性等目的，從而為隱身目標探測提供高質量的圖像基礎。
（3）利用目標與背景在時間、空間等特性的差異，通過時空域濾波等低信雜比截獲技術，提高紅外成像導引頭復雜場景下對弱小目標的檢測性能，進而提升對隱身飛機的探測能力。
未來空空導彈反隱身能力的提升，還需依賴新器件、新技術的發展和應用，比如更高靈敏度的探測器、多模復合探測、多彈協同探測等。
DOI: 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0109
《光譜成像市場和趨勢-2022版》
