據英國BAE公司統計，1973年至2006年間，世界各國共在戰斗中損失戰機648架，其中近半數（49%）的戰機是被紅外制導導彈擊落的。作為紅外制導導彈最核心的零部件，紅外導引頭的好壞直接決定了紅外制導導彈的性能。甚至于紅外制導導彈的四代劃代背后，也是紅外導引頭的跨代發展。那么，紅外導引頭具體是怎么工作的呢？
紅外導引頭，顧名思義是以目標發射出的紅外線作為信息來源，向導彈提供目標方位的制導機構。用最通俗易懂的方式說，就像人眼可以通過物體反射的可見光進行成像一樣。但我們知道，人眼需要通過晶狀體聚焦，在視網膜上成像，再由視網膜上的視錐細胞把光信號轉化為神經沖動傳遞給我們的大腦。導彈的紅外導引頭同理，也需要通過一系列復雜的手段把目標的紅外信號轉化為電信號。
具體來說，紅外導引頭首先要通過光學手段對視場內的紅外射線進行聚焦。這一般是通過兩次光反射實現的。紅外信號首先通過導引頭前方的整流罩打在導引頭后方的主反射鏡上發生反射，射入導引頭前方的次反射鏡上發生第二次反射。次反射鏡通常為凹面設計，可以將入射的光學信號匯聚在一個相對較小的區域內，便于導引頭中的紅外信號探測器對紅外信號進行捕捉。
可探測器通常不具備感知信號方位的能力，僅能通過改變自身的某些特性（如電阻等）來讓其他儀器檢測到自己是否接收到了紅外信號和接收到紅外信號的強度。而作為一個用于引導導彈的導引頭，輸出目標的方位信息又是必須的。要解決這個問題，只有兩種方法，一是用大量信號探測器組成陣列。這不僅可以通過陣列不同位置上的探測器檢測到的信號強弱檢測紅外信號的方位，甚至還能用來進行紅外成像。但這就要求探測器的尺寸和重量非常小，能夠在相對有限的空間內大量集成。而對于早期的紅外探測技術來說，這幾乎是不可能的。
因此，早期的紅外導引頭均采用了另一種方法——使用調制盤進行機械模擬（當然，調制盤還有空間濾波的作用）。最簡單的調制盤為旭日型調制盤，由美國人率先發明。這一設備簡單來說就是一個由透光、不透光、半透光三種不同類型的模塊組成的圓形平面透鏡。這個圓形透鏡分為兩個半圓，一個半圓為半透光，另一個半圓由很多大小相同的透光和不透光鏡片交叉排列而成。
在使用時，調制盤以一定的速度進行旋轉，此時，調制盤上所有點的角速度均相同，但越靠近圓盤外側的點線速度越大。因此，打在調制盤某一點上的點光源強度就會因調制盤的旋轉而產生周期性的變化。而探測器只需要感應到紅外信號的變化頻率，就可以通過調制盤的旋轉速度推算出其入射方向與調制盤軸線的夾角，也就是目標信號的入射角度。
如果調制盤僅有透光和不透光兩種模塊的話，那么我們只能通過上述方法得到目標信號入射方向與導引頭軸線的夾角，由這個信息逆推出來的目標方向實際上是一個錐形。因此，才需要一個半圓形的半透明區域對調制盤的“上”和“下”進行區分，這樣一來，只要探測器能夠準確探測到強度僅為信號最強時一半的信號出現的時間，就可以通過當時調制盤的旋轉狀態推算出目標的確切方向。
但這種被稱為調幅式調制盤還有一個很嚴重的問題——日芒型半圓只有計算入射信號圓錐角的能力而沒有在圓錐上分辨入射點的能力，半透明半圓只有在圓錐上分辨入射點的能力而沒有計算圓錐角的能力。因此這種導引頭的兩種計算之間存在時間上的偏差，追蹤靈敏度很差。為了解決這一問題，美軍又在AIM-9L空空導彈上引入了調頻式調制盤。
這種調制盤的結構很簡單，只有透明和不透明的扇形組成。在安裝時，調制盤的圓心會與次反射鏡的圓心偏離（繞軸做平移旋轉或不轉讓次鏡圓錐旋轉），這樣一來，即使目標入射點不移動，探測器接收到的紅外信號的變化頻率也會發生周期性的變化。只要解算出這個變化函數，就可以直接確定紅外信號的入射方向與導引頭軸線的確切位置關系。
從上世紀50年代末誕生至今，空空導彈的紅外導引頭總共發展了四代，其中的前三代都遵循了上面的設計原理。區別只在于第一代導引頭通常使用笨重且靈敏度較差的非制冷硫化鉛探測器；第二代導引頭開始使用液氮或珀耳帖效應對硫化鉛探測器進行冷卻，提升其探測靈敏度；第三代導引頭通常使用壓縮氬氣冷卻的銻化銦探測器，這一代導引頭的體積、重量（決定了導引頭的跟蹤速度）和探測靈敏度相較于之前的兩代都有了較大幅度的進步。
第四代紅外導引頭則使用了上面我們提到的使用探測器組成陣列的方法對入射的紅外信號進行直接探測和紅外成像。以這種導引頭制導的如AIM-9X、霹靂-10、阿斯拉姆、IRIS-T、怪蛇-5等格斗導彈一般被稱為第四代格斗導彈。不過不同于一般人理解的“成像”，受限于重量和尺寸，即使是第四代紅外導引頭也無法進行過于精細的成像。
美國休斯公司與1975年推出的AGM-65D小牛反坦克導彈是已知最早的紅外成像制導導彈（雖說不是空空彈），當時休斯公司為其配備了一個4x4像素的紅外導引頭。這種導引頭雖說是紅外“成像”，但其實更加偏向于之前的點光源跟蹤。
同時，這種早期的紅外成像導引頭實在過于巨大，像素也太少，不適合體積小巧又需要較高靈敏度的空空導彈。所以直到90年代，這一技術才開始向空空導彈普及。單以美軍AIM-9X空空導彈和英國阿斯拉姆空空導彈為例，兩者的焦平面陣列均為128x128（圓陣）的銻化銦探測器組成。這一成像精度在遠距離上只能分辨出模糊的光點，只有在極近距離（基本就是測試的時候）才能呈現出較為清晰的目標圖像。至于德國佬就更加“偷工減料”了，IRIS-T的焦平面陣列僅為一個4x128的線陣，工作時需要“大陣轉轉轉”來成像。
除了導引頭本身的分辨率以外。紅外成像制導的另一個用意是通過獲取更多的信息分辨出目標，防止被干擾彈誤導。但以現役空空導彈的導引頭精度，在遠距離上根本無法分辨兩者之間的差別，加上導引頭的瞬時視場又很小，大部分時候導彈在飛到足夠近的距離之前就被干擾彈帶偏了。另外現役空空導彈也都還在使用傳統算法而非普遍看好的人工智能算法對濾波后的圖像進行分辨，分辨目標的能力還是很差。
正因如此，才會出現2017年美國一架F/A-18戰斗機使用AIM-9X攻擊敘利亞蘇-22，卻被后者用干擾彈甩脫，最后無奈使用AIM-120超視距導彈的“瘋狗模式”進行補刀的情況存在。但相信這一問題最終也會隨著導彈紅外導引頭成像能力的提升和人工智能算法的發展而得到解決。
