劉 杰,劉國生,周建波,陳 寧,馬賢杰,李增光
(中國航天科工集團(tuán)8511研究所,江蘇 南京210007)
傳統(tǒng)紅外誘餌作為干擾紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈最簡(jiǎn)單有效的方式,可有效對(duì)抗早期紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。隨著制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)紅外誘餌在對(duì)抗先進(jìn)紅外精確制導(dǎo)武器方面已顯得力不從心[1]。
紅外導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)抗干擾是基于對(duì)比干擾與目標(biāo)在各種信息上的不同,從而識(shí)別出目標(biāo),達(dá)到抗干擾的目的[2]。目標(biāo)與干擾在信息上的不同主要表現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)、光譜、空間位置、能量、形狀等特性[3-5]。隨著第三代(十字叉型導(dǎo)引頭、玫瑰花掃描導(dǎo)引頭)、第四代(成像導(dǎo)引頭)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的裝備,導(dǎo)引頭的抗干擾能力大大增強(qiáng)。對(duì)于十字叉型導(dǎo)引頭,截獲目標(biāo)后,通過縮減波門,濾除干擾和背景,緊緊套住目標(biāo),實(shí)現(xiàn)抗干擾;對(duì)于玫瑰花掃描和紅外成像型導(dǎo)引頭,采用準(zhǔn)成像和成像方式獲取目標(biāo)圖像,通過圖像預(yù)處理、圖像分割、特征提取和圖像識(shí)別提取目標(biāo)圖像特征,采用相關(guān)跟蹤、運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)跟蹤、航跡外推等跟蹤算法對(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)抗干擾。
傳統(tǒng)紅外誘餌與飛機(jī)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)軌跡區(qū)別明顯,導(dǎo)引頭采用波門選通或軌跡識(shí)別方法可以很容易剔除干擾;自推進(jìn)紅外誘餌由于自帶動(dòng)力,拋射后伴隨載機(jī)飛行,可逼真模擬載機(jī)的運(yùn)動(dòng)特征,能有效干擾先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。本文介紹了先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭工作原理和抗干擾措施,分析了自推進(jìn)紅外誘餌干擾先進(jìn)紅外導(dǎo)引頭的原理,為對(duì)抗先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭提供思考。
自推進(jìn)紅外誘餌通過特殊的噴喉以及彈體氣動(dòng)外形設(shè)計(jì),燃燒產(chǎn)物從尾噴口噴出,為誘餌提供動(dòng)力,使誘餌拋射出筒后保持與載機(jī)相似的運(yùn)動(dòng)特征,模擬載機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡;同時(shí),噴射出的燃燒產(chǎn)物形成紅外輻射源,且輻射強(qiáng)度大于載機(jī)尾噴管和尾焰,輻射光譜與載機(jī)相近,逼真模擬載機(jī)的紅外輻射特征。因此,自推進(jìn)紅外誘餌可以逼真模擬載機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡特征和紅外輻射特征,從而能夠有效對(duì)抗具有軌跡識(shí)別能力的紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。其工作原理示意圖如圖1所示。
圖1 自推進(jìn)紅外誘餌彈工作原理示意圖
國外裝備的典型自推進(jìn)紅外誘餌主要有Esterline公司MJU-71/B、MJU-57/B、Kilgore公司MJU-47/B、MJU-39/40B、洛勒爾公司Loralei伴飛誘餌、切姆林公司K 7等,均已經(jīng)裝備到F-16、F-18、F-22等多種機(jī)型上,到2012年動(dòng)力式誘餌研制經(jīng)費(fèi)投入將近100億美元,裝備訂貨量將占誘餌市場(chǎng)份額的20%左右,研究新型誘餌技術(shù)對(duì)抗具有運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別技術(shù)的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈已成為國外電子戰(zhàn)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)之一。
MJU-71B是Esterline公司開發(fā)的一種自推進(jìn)紅外誘餌[6],采用改進(jìn)的MTV藥劑作為煙火材料。這種煙火材料既產(chǎn)生誘使敵方導(dǎo)彈遠(yuǎn)離飛機(jī)的紅外能量,同時(shí)也起推進(jìn)劑的作用,能產(chǎn)生足夠的推力,使誘餌彈跟隨飛機(jī)飛行而不會(huì)迅速下落。MJU-71/B的尺寸為25 mm×25 mm×206 mm,可從美國空軍的標(biāo)準(zhǔn)投放系統(tǒng)上投放,外形如圖2所示。
圖2 MJU-71/B自推進(jìn)式紅外誘餌
MJU-57/B,如圖3所示,其尺寸為φ36×150 mm,主要包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、點(diǎn)火組件、尾翼,火箭發(fā)動(dòng)機(jī)包括固體推進(jìn)劑、不銹鋼管、塑料噴嘴裝置等。
MJU-47/B紅外誘餌如圖4所示,它采用改進(jìn)的MTV藥劑作為煙火材料。MJU-47/B的尺寸為52 mm×65 mm×200 mm,質(zhì)量為123 9 g,可從美國空軍的標(biāo)準(zhǔn)投放系統(tǒng)如AN/ALE-45/47上投放,用于F-15、F-16等戰(zhàn)斗機(jī)上。
圖3 MJU-57/B自推進(jìn)誘餌
圖4 MJU-47/B自推進(jìn)紅外誘餌
MJU-39/40B由推進(jìn)/紅外復(fù)合裝藥和SMD 2種載荷組成,尺寸為52 mm×65 mm×260 mm,該彈專為F-22飛機(jī)研制,由AN/ALE-52投放器投放。光譜和強(qiáng)度上能夠形成與飛機(jī)紅外特征相似的紅外輻射,并且在飛行速度和運(yùn)動(dòng)軌跡方面與載機(jī)相當(dāng),可以誘騙具有目標(biāo)光譜鑒別和運(yùn)動(dòng)識(shí)別能力的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。
洛勒爾公司研制Loralei空氣動(dòng)力式誘餌主要用在下一代戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)。它用火箭作動(dòng)力,由標(biāo)準(zhǔn)的干擾投放器彈射,誘餌運(yùn)動(dòng)軌跡和紅外輻射特征與載機(jī)相似。切姆林公司研制的K7自推進(jìn)型紅外誘餌如圖5所示,其性能參數(shù)為:彈體尺寸:51.82 mm×24.64 mm×206 mm;質(zhì)量為540 g;發(fā)射后質(zhì)量為460 g;紅外輸出>2.0 kW/sr(4~5μm);上升時(shí)間<0.1 s;最小燃燒時(shí)間為1.5 s;發(fā)射速度為26~54 m/s。自帶推進(jìn)載荷,可用于對(duì)抗具有抗軌跡識(shí)別能力的熱尋的和紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈,匹配投放器包括AN/ALE40、45和47系列以及M 130/M 147等。
圖5 K7自推進(jìn)誘餌的實(shí)物圖及戰(zhàn)術(shù)使用效果圖
自第一代紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈問世至今,紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已經(jīng)發(fā)展到第四代,攻擊范圍從尾后攻擊發(fā)展到全向攻擊,工作波段從近紅外向遠(yuǎn)紅外發(fā)展,制導(dǎo)體制從點(diǎn)源制導(dǎo)向成像制導(dǎo)轉(zhuǎn)變,制導(dǎo)精度進(jìn)一步提高、抗干擾能力進(jìn)一步增強(qiáng)。其中,具有運(yùn)動(dòng)軌跡識(shí)別能力的導(dǎo)引頭為采用十字交叉/玫瑰花掃描體制的第三代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭,以及具有成像能力的第四代紅外制導(dǎo)導(dǎo)引頭。
3.1.1 工作原理
十字叉型導(dǎo)引頭系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器及信號(hào)處理電路3大部分組成[7]。工作方式為圓錐掃描式,在像平面上產(chǎn)生像點(diǎn)掃描圓。像平面上放置十字叉型探測(cè)器陣列,目標(biāo)像點(diǎn)以圓的軌跡掃過十字叉型探測(cè)器列陣。圖6為反射式光點(diǎn)掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖。
圖6 反射式光點(diǎn)掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖
十字叉型導(dǎo)引頭信息處理電路原理方塊圖如圖7所示。方位和俯仰十字叉探測(cè)器臂產(chǎn)生的脈位調(diào)制信號(hào)分別輸入到各自的前置放大器進(jìn)行放大,然后饋入各自的對(duì)數(shù)放大器,再將對(duì)數(shù)脈沖信號(hào)分別經(jīng)過各自的開關(guān)電路后,進(jìn)入采樣、保持緩沖電路,對(duì)來自基準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器的正弦基準(zhǔn)信號(hào)和余弦基準(zhǔn)信號(hào)電壓進(jìn)行采樣、保持,以產(chǎn)生瞬時(shí)的直流誤差電壓VAZ和VEL,此瞬時(shí)直流誤差電壓大小由脈沖信號(hào)相對(duì)于正弦基準(zhǔn)和余弦基準(zhǔn)瞬時(shí)值的位置來決定,也就是由目標(biāo)偏離光軸的失調(diào)角大小來決定,直流電壓的極性由目標(biāo)偏離光軸的方向來確定,因此,直流誤差電壓即可反映目標(biāo)的方位信息??刂茖?dǎo)引頭向減小直流誤差的方向運(yùn)動(dòng),即可實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤。
圖7 十字叉型導(dǎo)引頭信息處理電路原理方框圖
3.1.2 抗干擾措施分析
從圖7可看出,十字叉型導(dǎo)引頭采用波門脈沖發(fā)生器控制開關(guān)電路,只有開關(guān)電路的門打開的時(shí)間內(nèi),目標(biāo)脈沖進(jìn)入波門,開關(guān)電路才輸出一脈沖信號(hào),這個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)相應(yīng)的基準(zhǔn)信號(hào)采用保持緩沖后,輸出一直流誤差電壓。此直流電壓又反饋到波門脈沖發(fā)生器中與相應(yīng)的基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較,產(chǎn)生新的波門脈沖去套住下一個(gè)周期探測(cè)器產(chǎn)生的電脈沖。在波門脈沖未加到開關(guān)電路的其他時(shí)間內(nèi),開關(guān)電路不讓其它脈沖或干擾信號(hào)通過,利用波門的選通作用,達(dá)到剔除背景和干擾的目的。波門脈沖出現(xiàn)的時(shí)間與目標(biāo)脈位調(diào)制信號(hào)出現(xiàn)的時(shí)間完全同步,而目標(biāo)脈位調(diào)制信號(hào)與目標(biāo)的空間方位有關(guān),從緩沖器輸出的直流誤差電壓反映目標(biāo)的方位,當(dāng)目標(biāo)和干擾在空間差異明顯時(shí),采用波門選通可以很容易將干擾剔除。
3.2.1 工作原理
玫瑰線掃描導(dǎo)引頭使用2個(gè)反向旋轉(zhuǎn)的偏斜光學(xué)元件,偏斜光學(xué)元件可以是光楔、傾斜鏡或者偏心透鏡。把紅外光學(xué)系統(tǒng)中常用的卡賽格倫系統(tǒng)的主反射鏡和次反射鏡各對(duì)光軸偏斜同一角度γ,并各自以F1和F2的轉(zhuǎn)速繞光軸反方向旋轉(zhuǎn),便實(shí)現(xiàn)玫瑰線掃描,如圖8所示。
圖8 玫瑰線掃描光學(xué)系統(tǒng)示意圖
玫瑰線掃描軌跡方程為:
式中,ρ為掃描花瓣長(zhǎng)度,即視場(chǎng)半徑,與偏斜角度有關(guān),也與目標(biāo)距離有關(guān)。F1、F2為主、次鏡的轉(zhuǎn)速(旋轉(zhuǎn)頻率)。
當(dāng)沿玫瑰線軌跡掃過視場(chǎng)中的目標(biāo)時(shí),位于系統(tǒng)焦點(diǎn)上的紅外探測(cè)器接受目標(biāo)輻射產(chǎn)生的一個(gè)目標(biāo)脈沖,對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)為玫瑰線掃描的瞬時(shí)視場(chǎng);當(dāng)玫瑰線軌跡掃完一個(gè)周期,其對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)為玫瑰線掃描的總視場(chǎng)(如圖8所示)。玫瑰線掃描獲得的目標(biāo)信息是以目標(biāo)脈沖的形式出現(xiàn)的,而每一個(gè)目標(biāo)脈沖都隱含了一個(gè)目標(biāo)時(shí)間ti,ti與目標(biāo)的方位息息相關(guān),只要把視場(chǎng)中一個(gè)目標(biāo)的方位信息X(t)和Y(t)的信號(hào)電壓分別疊加到位標(biāo)器的偏航和俯仰進(jìn)動(dòng)線圈上,使之轉(zhuǎn)向X(t)、Y(t)減小的方向,直至X(t)=Y(t)=0時(shí),位標(biāo)器光軸(視線)對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)為止。一旦目標(biāo)偏離光軸(視線),就有X(t)、Y(t)值出現(xiàn),又“自動(dòng)”地使之向視線方向轉(zhuǎn)移,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤目標(biāo)的目的。
3.2.2 抗干擾措施分析
由于玫瑰線掃描目標(biāo)脈沖的非周期性和多脈沖特性,使得采用一般的相關(guān)跟蹤和波門選通技術(shù)難以解決多目標(biāo)問題;用一般的模擬電路就更難實(shí)現(xiàn)了。一次完整的玫瑰線掃描,可得到目標(biāo)不同部位處的熱輻射信號(hào)特征,經(jīng)過信號(hào)處理,即可得到目標(biāo)的熱圖像信息,因此,玫瑰線掃描本質(zhì)上是一種亞成像工作體制。作為一種亞成像機(jī)制,玫瑰掃描系統(tǒng)采用瞬時(shí)視場(chǎng)掃描總視場(chǎng),可以實(shí)現(xiàn)總視場(chǎng)的空間分解,得到目標(biāo)的亞圖像。結(jié)合信號(hào)處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理與圖像識(shí)別,捕獲跟蹤目標(biāo)區(qū)域,并采用預(yù)測(cè)跟蹤的方式,在預(yù)測(cè)區(qū)域內(nèi)識(shí)別要跟蹤的目標(biāo),經(jīng)過運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償、估計(jì),控制玫瑰線掃描,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的鎖定跟蹤,將大部分背景和干擾濾除。
3.3.1 工作原理
紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的核心部件是紅外成像導(dǎo)引頭,一般由紅外攝像頭、圖像處理系統(tǒng)、圖像識(shí)別系統(tǒng)、跟蹤處理系統(tǒng)和攝像頭跟蹤系統(tǒng)等部分組成,其中圖像處理和圖像識(shí)別子系統(tǒng)是紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的核心。典型的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)如圖9所示。
圖9 紅外目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)
紅外成像導(dǎo)引頭通過探測(cè)目標(biāo)與背景的溫差形成紅外圖像,現(xiàn)今紅外成像制導(dǎo)大都采用凝視成像體制。凝視成像采用一個(gè)凝視焦平面陣列,其材料為銻化銦或碲鎘汞,為兩維陣列制導(dǎo)探測(cè)象元。這些探測(cè)象元都集成在一塊硅片上,硅片的另一面是同等數(shù)量的紅外電荷耦合器件(CCD)。陣列上的每個(gè)探測(cè)元僅凝視景物的一小部分,所有象元組成陣列的總瞬時(shí)視場(chǎng),陣列的總瞬時(shí)視場(chǎng)很大,抓住目標(biāo)就不會(huì)再丟失。由于凝視焦平面陣列采用電掃描法掃描場(chǎng)景,對(duì)做大機(jī)動(dòng)飛行的目標(biāo)也能跟蹤。同時(shí),焦平面陣列具有很高的靈敏度,可以探測(cè)背景的溫差為千分之幾度的目標(biāo)。對(duì)來自陣列的熱數(shù)據(jù)采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄟM(jìn)行數(shù)字處理,結(jié)果可以得到目標(biāo)信息和威脅程度的順序排列。
3.3.2 抗干擾措施分析
紅外成像系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)、背景、干擾成像后,經(jīng)過圖像預(yù)處理、圖像分割、圖像特征提取、識(shí)別,提取該目標(biāo)的各種特征(包括目標(biāo)大小、長(zhǎng)度、寬度、灰度分布、平均灰度、最大灰度、灰度變化率、運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)軌跡、運(yùn)動(dòng)速度和運(yùn)動(dòng)加速度等),采用特定的跟蹤算法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,采用不同的跟蹤算法,就形成了不同的抗干擾措施。典型的抗干擾措施有特征相關(guān)匹配跟蹤和運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)跟蹤。
1)特征相關(guān)匹配跟蹤
特征相關(guān)匹配跟蹤適用于小目標(biāo)跟蹤和復(fù)雜背景或低信噪比條件下的目標(biāo)跟蹤。對(duì)于小目標(biāo),當(dāng)存在復(fù)雜干擾時(shí),由于沒有質(zhì)心跟蹤和模板匹配跟蹤所需的目標(biāo)灰度分布信息,只有運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和軌跡信息,只能采用特征相關(guān)匹配跟蹤。特征相關(guān)匹配跟蹤時(shí),先根據(jù)前幀目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度和方向,估計(jì)當(dāng)前幀波門的大小和位置,然后根據(jù)前一幀歷史數(shù)據(jù)以及目標(biāo)特征的連續(xù)性和規(guī)律性,預(yù)測(cè)當(dāng)前幀特征參數(shù),然后在波門內(nèi),用以上特征作為匹配參數(shù),尋找匹配誤差最小的點(diǎn)作為目標(biāo)在當(dāng)前幀的位置。
2)運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)跟蹤
預(yù)測(cè)跟蹤是根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性,預(yù)測(cè)目標(biāo)最可能的運(yùn)動(dòng)軌跡,通過軌跡預(yù)測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤,該方法特別適合于目標(biāo)丟失、目標(biāo)原有特征消失或目標(biāo)由于干擾無法識(shí)別時(shí)使用。常用的預(yù)測(cè)器有線性預(yù)測(cè)器,線性預(yù)測(cè)器的工作原理如下:
設(shè)目標(biāo)位置函數(shù)f(t)在N個(gè)順序時(shí)刻的測(cè)量值為f(ti)(i=1,2,…,N),且f(t)可以用Y=a0+ta1作為最佳線性逼近。
測(cè)量值與逼近值之間的誤差為:
對(duì)N點(diǎn)估計(jì)的均方誤差為:
最佳逼近即式(3)取最小值。經(jīng)最小二乘法運(yùn)算后,得:
式(4)就是f(t)在最小均方誤差意義下的N點(diǎn)最佳線性逼近的通解,通過記錄目標(biāo)前面的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù),采用線性預(yù)測(cè)器可預(yù)測(cè)目標(biāo)未來最可能出現(xiàn)的位置,導(dǎo)引頭跟蹤距預(yù)測(cè)位置最近的目標(biāo),而將其它干擾剔除,從而實(shí)現(xiàn)抗干擾。
從十字叉導(dǎo)引頭工作原理可知,十字叉導(dǎo)引頭采用波門選通的方式實(shí)現(xiàn)抗干擾,傳統(tǒng)紅外干擾彈運(yùn)動(dòng)軌跡與載機(jī)差異很大,采用波門選通電路可以很容易剔除干擾;自推進(jìn)紅外誘餌,拋射出去后會(huì)伴隨載機(jī)飛行一段時(shí)間,運(yùn)動(dòng)軌跡與載機(jī)相似,使誘餌與載機(jī)同處于波門視場(chǎng)內(nèi),從而無法剔除干擾,達(dá)到干擾導(dǎo)引頭的目的。作用原理示意圖如圖10-11所示。
圖10 波門選通電路剔除傳統(tǒng)誘餌原理示意圖
圖11 自推進(jìn)誘餌干擾十字叉導(dǎo)引頭原理示意圖
玫瑰花掃描和成像導(dǎo)引頭分別屬于亞成像和成像制導(dǎo)體制。對(duì)于傳統(tǒng)紅外干擾彈,拋射出去后快速向載機(jī)后下方運(yùn)動(dòng),運(yùn)動(dòng)軌跡與載機(jī)差異很大,采用特征相關(guān)匹配跟蹤和軌跡預(yù)測(cè)跟蹤算法很容易將干擾剔除;對(duì)于自推進(jìn)紅外誘餌,采用特殊的氣動(dòng)外形設(shè)計(jì),且具有自推力,可在一定程度上克服重力和風(fēng)阻,使誘餌可伴隨載機(jī)飛行一段時(shí)間,保證運(yùn)動(dòng)軌跡與載機(jī)相似,紅外輻射特征也與載機(jī)相似,因此,可有效干擾具有相關(guān)匹配跟蹤算法和運(yùn)動(dòng)軌跡預(yù)測(cè)跟蹤算法的導(dǎo)引頭。軌跡預(yù)測(cè)作用原理示意圖如圖12所示。
圖12 軌跡預(yù)測(cè)作用原理示意圖
隨著十字叉型、玫瑰花掃描、凝視成像等第三代、第四代先進(jìn)紅外制導(dǎo)體制導(dǎo)彈的大量裝備,傳統(tǒng)紅外誘餌已不能滿足載機(jī)末端防護(hù)需求。自推進(jìn)紅外誘餌可逼真模擬載機(jī)運(yùn)動(dòng)特征和紅外輻射特征,能有效干擾先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈,為奪取制空權(quán),提升未來戰(zhàn)場(chǎng)戰(zhàn)機(jī)的末端自衛(wèi)防護(hù)能力,亟需加大自推進(jìn)紅外誘餌的研制和裝備步伐。