劉彤宇,閆秀生,王恒立

(1.光電信息控制和安全技術(shù)重點(diǎn)實驗室,天津 300308；2.中國電子科技集團(tuán)公司光電研究院,天津 300308)

1 國外機(jī)載紅外告警裝備發(fā)展情況

美國十分重視機(jī)載紅外告警技術(shù)的發(fā)展,先后研制了多型紅外告警設(shè)備。20世紀(jì)80年代,多元紅外探測器剛剛具備成像能力,Cincinnati電子公司就研制了AN/AAR-44機(jī)載紅外告警系統(tǒng),該系統(tǒng)采用3～5 μm波段InSb線列紅外探測器,掃描雙光譜探測體制,可以覆蓋360°方位空域。該體制系統(tǒng)采用的紅外探測器少,單套裝備覆蓋空域大,因此成本較低。該系統(tǒng)設(shè)備數(shù)量較少,由探測設(shè)備、信號處理器。顯控設(shè)備組成。但由于需要光機(jī)掃描裝置,所以裝備體積、質(zhì)量較大,后改進(jìn)為小型化的AN/AAR-44(V)。但該體制的紅外告警掃描積分成像時間較長,受平臺機(jī)動影響大,因此主要裝備C-130運(yùn)輸機(jī)等大型飛機(jī)。國外紅外告警設(shè)備發(fā)展情況如圖1所示。

圖1 國外紅外告警設(shè)備發(fā)展情況

20世紀(jì)90年代,法國SAGEM、MstraBAE公司聯(lián)合研制了SAMIR導(dǎo)彈告警系統(tǒng)。其采用3～5 μm波段HgCdTe線列紅外探測器,掃描探測體制,單個紅外探測天線覆蓋方位180°,俯仰85°空域,左右機(jī)翼各裝備一個,形成360°方位空域覆蓋。該系統(tǒng)采用了較為先進(jìn)的信號處理方法,適應(yīng)大機(jī)動平臺運(yùn)動影響,裝備了幻影2000戰(zhàn)斗機(jī)和“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)。法國泰雷斯(Thales)公司研制了Elix-IR紅外告警設(shè)備。

21世紀(jì)伊始,面陣凝視紅外探測器廣泛應(yīng)用于機(jī)載平臺。美國研制了AN/AAQ-37機(jī)載分布孔徑紅外告警系統(tǒng)(DAIRS),裝備F-35戰(zhàn)斗機(jī)。2009年德國研制了雙色紅外告警系統(tǒng),裝備A400M運(yùn)輸機(jī)。以色列利用單杜瓦內(nèi)集成雙探測器的形式,研制了雙色紅外告警系統(tǒng)。美國海軍為機(jī)載平臺研制了雙色紅外告警系統(tǒng)MIMS。美國空軍開展了新一代機(jī)載紅外告警技術(shù)研究,采用了雙色紅外告警體制,并集成了激光告警[1]。

2 紅外與紫外機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警設(shè)備的綜合對比

空空導(dǎo)彈的尾焰具有較強(qiáng)的紅外和紫外波段輻射,因此紅外與紫外都是機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警的優(yōu)選工作波段。長期以來,各國研制了多種紫外導(dǎo)彈逼近告警和紅外導(dǎo)彈逼近告警裝備。

在太陽的紫外輻射光譜中,有一個特定的波段幾乎全部被大氣層所吸收,因此在接近地表的大氣中稱這一波段為紫外日盲帶。機(jī)載紫外告警就選擇工作在這一波段,因此具有探測背景干凈、簡單的突出優(yōu)勢。與此相反的是,在太陽的紅外輻射光譜中,在紅外探測的主要波段,太陽輻射都經(jīng)過大氣層傳輸?shù)降厍虮砻?并與地表的紅外輻射一起形成了機(jī)載紅外告警的復(fù)雜背景,并且越是接近地表,其復(fù)雜顯示度就越高。相比較而言,紫外告警的信號處理和目標(biāo)提取算法也相對簡單,除一些人造高溫物體外,紫外告警幾乎不受環(huán)境因素影響。另一方面,因為紫外告警選擇的日盲波段的大氣透過率很低,因此其作用距離比紅外告警近一些。

空空導(dǎo)彈的飛行速度通常在2 Ma以上,在高速飛行過程中,氣動加熱可使其彈體溫度達(dá)到數(shù)百開以上,同時產(chǎn)生一定強(qiáng)度的紅外輻射,這是對其實施導(dǎo)彈逼近告警的另一個重要紅外輻射源?？湛諏?dǎo)彈攻擊目標(biāo)的飛行過程,實際上可分為受發(fā)動機(jī)助推的主動段和發(fā)動機(jī)關(guān)閉后的被動段兩個階段。其中,主動段時間較短,這一階段導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)尾焰可同時發(fā)出紅外和紫外輻射；而在被動段,導(dǎo)彈主要是靠慣性飛行,不再產(chǎn)生紫外輻射,但其氣動的紅外輻射依然存在。因此,紫外導(dǎo)彈逼近告警無法探測到被動段導(dǎo)彈,而紅外導(dǎo)彈逼近告警則既可以探測主動段導(dǎo)彈,也可以探測被動段導(dǎo)彈。

從裝備形態(tài)上看,紅外探測器需要在低溫環(huán)境下工作,而且由于紅外告警的背景復(fù)雜,信號處理難度大,因此,紅外告警設(shè)備在體積、重量、功耗等多項性能指標(biāo)及成本指標(biāo)方面均不及紫外告警設(shè)備。

國外的機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警,主要裝備于大型固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī),以及部分戰(zhàn)斗機(jī)。如美國的C-17等運(yùn)輸機(jī),紫外告警主要解決在其起降過程中對來自地面近距便攜導(dǎo)彈的探測。直升機(jī)上裝備的紫外告警設(shè)備數(shù)量較多,主要解決對近距便攜導(dǎo)彈和直升機(jī)空中作戰(zhàn)的導(dǎo)彈威脅。以色列、芬蘭、瑞士、瑞典、韓國等國家從實戰(zhàn)出發(fā),在F-16、F/A-18、A-10等高速戰(zhàn)機(jī)上裝備了紫外告警設(shè)備?？偟膩砜?紫外告警在應(yīng)對空中、地面近距威脅方面具有一定優(yōu)勢,未來需進(jìn)一步提升探測靈敏度以致增強(qiáng)其作用距離,并有效解決人造光源干擾的濾除問題。可以預(yù)見,紫外告警裝備將長期存在,并將大批量裝備各類作戰(zhàn)飛機(jī)。

機(jī)載紅外告警作用距離較遠(yuǎn),全程探測能力較強(qiáng),主要裝備于各型戰(zhàn)斗機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等,用于在空戰(zhàn)過程中進(jìn)行導(dǎo)彈逼近告警探測。另外,由于紅外告警設(shè)備兼具對地、空景物和空中目標(biāo)的探測能力,因此也被用于對飛機(jī)周圍進(jìn)行態(tài)勢感知探測。[2-6]

3 國外飛機(jī)平臺對紅外告警的技術(shù)需求分析

探測距離、反應(yīng)時間、探測概率、虛警率等是決定機(jī)載紅外告警裝備性能的關(guān)鍵指標(biāo)。隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展,探測靈敏度、分辨率逐漸提高,信號處理和算法能力越來越強(qiáng),這些利好事件將為進(jìn)一步提高機(jī)載紅外告警裝備的性能發(fā)揮重要作用。飛機(jī)平臺的自衛(wèi)對抗作戰(zhàn),對導(dǎo)彈逼近告警裝備的需求也越來越迫切,對其告警性能的要求也是越來越高,主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

3.1 距離測量能力需求

由于飛機(jī)平臺的對抗資源有限,因此必須實施高效對抗。來襲導(dǎo)彈的距離信息是實施對抗動作的重要依據(jù)。從原理上分析,紅外告警系統(tǒng)通過接收到的目標(biāo)強(qiáng)度、成像尺度可以粗略判斷距離,但由于目標(biāo)的種類多樣,發(fā)動機(jī)輻射過程差異,以及導(dǎo)彈飛行姿態(tài)等造成的目標(biāo)輻射變化十分復(fù)雜,所以距離判斷精確度較低。通過光譜分析方法可以粗略地獲取距離信息[2],但理論尚未得到充分的實驗驗證。盡管實現(xiàn)精確測距尚有一定技術(shù)難度,但飛機(jī)平臺對于目標(biāo)距離信息的需求是十分明確的。

3.2 威脅識別能力需求

飛機(jī)平臺需要依靠紅外告警系統(tǒng)判斷導(dǎo)彈的威脅情況,包括導(dǎo)彈是否攻擊本機(jī),以及自衛(wèi)對抗實施后導(dǎo)彈是否仍舊存在威脅。從紅外探測技術(shù)原理看,通過判斷導(dǎo)彈的輻射變化可以粗略分析出導(dǎo)彈是否逼近本機(jī),但由于前述導(dǎo)彈紅外輻射的變化非常復(fù)雜,所以精準(zhǔn)的威脅識別能力對紅外探測技術(shù)來說存在一定難度。

3.3 態(tài)勢感知和目標(biāo)識別能力需求

由于紅外探測技術(shù)具備對飛機(jī)平臺周圍的飛機(jī)、導(dǎo)彈及各類實體目標(biāo)的探測能力,所以自然成為態(tài)勢感知能力的重要載體。這就需要紅外告警設(shè)備不僅探測識別來襲導(dǎo)彈目標(biāo),還需要探測飛機(jī)、導(dǎo)彈等各類目標(biāo),并具備一定的類型識別能力,為飛機(jī)平臺提供周圍態(tài)勢信息。這會極大地增加信號處理和算法的復(fù)雜度。

圖2 國外某型機(jī)載分布式孔徑系統(tǒng)感知火力發(fā)射事件

3.4 火控引導(dǎo)需求

由于機(jī)載紅外告警具備全空域探測能力,采用大面陣凝視體制的紅外告警分辨率也較高,所以空戰(zhàn)中發(fā)現(xiàn)全空域目標(biāo)能力較強(qiáng),具備引導(dǎo)武器發(fā)射的潛力。尤其是未來空戰(zhàn)中導(dǎo)彈越肩攻擊將成為一種重要的戰(zhàn)術(shù)過程,這需要對側(cè)方和后方目標(biāo)的信息,在飛機(jī)平臺上通常只有紅外告警具備這種能力。

3.5 導(dǎo)航需求

飛機(jī)在進(jìn)場著陸過程中,飛行員對跑道的觀測受到天氣等各種因素的影響。機(jī)載紅外告警設(shè)備的成像探測方式可以實現(xiàn)對地面景物的紅外成像探測,并可以通過圖像處理算法對跑道進(jìn)行自動識別和標(biāo)識,甚至有可能精確測量跑道的對準(zhǔn)參數(shù)。紅外告警的這種探測能力使得其具備飛機(jī)進(jìn)場導(dǎo)航的潛力。

3.6 圖像監(jiān)視需求

美國F-35飛機(jī)的分布式孔徑系統(tǒng)將六個傳感器的圖像拼接成全空域圖像,再按照飛行員頭部動作,把局部圖像顯示在飛行員的頭盔上,使飛行員具備了看穿“地板”的能力。由于F-35飛機(jī)的分布式孔徑系統(tǒng)的分辨率已經(jīng)達(dá)到毫弧度級,其圖像細(xì)節(jié)完全支持對近距飛機(jī)的目視觀測。圖像監(jiān)視功能可以更加直觀地為飛行員展現(xiàn)友機(jī)、敵機(jī)及各類目標(biāo)的方位,必將成為機(jī)載紅外告警的重要功能之一,并且需要采用多種處理算法支持圖像的可視度。在圖像監(jiān)視的同時,采集記錄被攻擊目標(biāo)的圖像,可以實現(xiàn)打擊效果評估,這些是都傳統(tǒng)機(jī)載紅外告警不需要的。

3.7 系統(tǒng)架構(gòu)需求

受飛機(jī)平臺裝機(jī)要求的制約,機(jī)載紅外告警系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)、分機(jī)功能、體積、重量都必須在平臺上整體考慮。F-35飛機(jī)的分布式孔徑系統(tǒng)由于采用圖像拼接顯示等體制,必須采用中央處理的方式,即六個傳感器的圖像送到中央處理機(jī)統(tǒng)一處理。該架構(gòu)對于處理資源優(yōu)化有重要意義。另外由于飛機(jī)對激光威脅的探測需求,激光告警也逐漸裝備各國戰(zhàn)機(jī)。從平臺氣動、隱身等角度分析,將激光告警與紅外告警在結(jié)構(gòu)上融合,以減小機(jī)身設(shè)計難度,具有重要意義,因此紅外告警與其他光電探測設(shè)備整合也是重要的系統(tǒng)需求。

4 國外機(jī)載紅外告警技術(shù)發(fā)展趨勢分析

4.1 機(jī)載紅外告警系統(tǒng)功能發(fā)展趨勢

近程全空域探測的技術(shù)特點(diǎn),以及紅外波段探測可以探測到任一物理實體的能力,決定了機(jī)載紅外告警系統(tǒng)必將承擔(dān)起飛機(jī)平臺的更多探測任務(wù)。從未來空中實戰(zhàn)應(yīng)用出發(fā),機(jī)載紅外告警有可能發(fā)展成為近程全空域的態(tài)勢感知、火控、監(jiān)視裝備,并兼具導(dǎo)航功能。飛行員可以通過該系統(tǒng)感知周圍敵我態(tài)勢,來襲導(dǎo)彈威脅、激光威脅；可以清晰判斷導(dǎo)彈威脅程度,及攻擊本機(jī)的態(tài)勢；可以通過該系統(tǒng)提示的目標(biāo)信息引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo),甚至對側(cè)、后向目標(biāo)實施導(dǎo)彈越肩攻擊；可以利用圖像監(jiān)視觀察空中各目標(biāo)的圖像信息,并在算法輔助下通過圖像信息識別其目標(biāo)種類、飛行狀態(tài),推斷其威脅程度；通過該系統(tǒng)實現(xiàn)跑道定位,輔助飛行員在低能見度情況下的進(jìn)場著陸?？傊?機(jī)載紅外告警系統(tǒng)將逐漸發(fā)展成為機(jī)載平臺近程綜合態(tài)勢感知系統(tǒng)[7-10]。

4.2 機(jī)載紅外告警系統(tǒng)技術(shù)體制趨勢

線列掃描的紅外探測體制雖然易于實現(xiàn)多色,但是由于其成像時間較長,所以對導(dǎo)彈等高速目標(biāo)探測過程中,探測得到的圖像幀數(shù)較少,而且?guī)g目標(biāo)方位、形態(tài)變化較大,這給目標(biāo)提取算法帶來較大困難。另外掃描體制光機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,運(yùn)動部件較多,體積重量較大,在飛機(jī)平臺上可靠性、適裝性較低。未來凝視體制將成為機(jī)載平臺主要的的紅外告警體制[11-13]。

4.3 探測波段發(fā)展趨勢

美國的海軍研制的MIMS系統(tǒng)采用了中波紅外雙色的探測體制,可以根據(jù)不同的波段特征識別目標(biāo),實現(xiàn)低虛警率探測。隨著中波紅外雙色探測器的出現(xiàn),中波紅外雙色探測體制將進(jìn)一步拓展應(yīng)用。針對未來態(tài)勢感知、圖像監(jiān)視的需要,探測波段將進(jìn)一步向多波段發(fā)展,拓展可見光波段可以實現(xiàn)高分辨率晝間態(tài)勢感知,夜間也可以遠(yuǎn)距離探測飛機(jī)和導(dǎo)彈的尾焰。目前千萬像元的彩色CMOS探測器和高靈敏度大面陣CCD探測器已經(jīng)應(yīng)用于民用產(chǎn)品。未來其體積小、分辨率高、探測能力強(qiáng)的優(yōu)勢有可能在機(jī)載系統(tǒng)中展現(xiàn)。紅外與可見光融合后的圖像顯示效果將優(yōu)于單獨(dú)的紅外圖像,從而在為飛行員提供高清晰圖像的同時,體現(xiàn)出目標(biāo)的紅外輻射狀態(tài)。美國的直升機(jī)、坦克載火控系統(tǒng)中應(yīng)用了紅外與可見光的融合圖像觀察功能。紅外與可見光的融合還對降低虛警、識別目標(biāo)有幫助。

4.4 多功能復(fù)合趨勢

技術(shù)的發(fā)展必將逐漸滿足需求,態(tài)勢感知也必將實現(xiàn)對距離的感知能力,因此不論采用激光測距、雷達(dá)測距或其他測距體制,紅外告警與測距技術(shù)的復(fù)合將成為必然,以形成近程三維立體感知能力。目前地面、機(jī)載火控系統(tǒng)中廣泛使用了激光測距,并且激光測距意味著本機(jī)已經(jīng)被火控系統(tǒng)跟蹤鎖定,因此激光威脅信號對飛機(jī)平臺是比較嚴(yán)重的威脅信息。對激光威脅信號的告警已經(jīng)廣泛裝備在各類飛機(jī)上,并與導(dǎo)彈逼近告警相復(fù)合。如美國的AN/AAR-47告警設(shè)備就將紫外告警與激光告警復(fù)合在一個設(shè)備中。這對于光電裝備的系統(tǒng)設(shè)計、分機(jī)裝機(jī)布局是非常合理的。從光學(xué)材料上看也是可行的,目前主要的激光波長與紅外波段的探測可以共窗口?？梢灶A(yù)見,未來的機(jī)載態(tài)勢感知系統(tǒng)中激光告警等光波段輻射接收裝備將向復(fù)合方向發(fā)展[14-16]。

4.5 系統(tǒng)架構(gòu)發(fā)展趨勢

未來先進(jìn)戰(zhàn)機(jī)的分布式孔徑系統(tǒng)采用中央處理架構(gòu),隨著紅外告警系統(tǒng)復(fù)合波段、探測方式的多樣化,部分探測方式的信號以脈沖實時響應(yīng)為處理基礎(chǔ),需要分布處理,即每個探測分機(jī)需要在本地有一定的處理能力。同時,由于探測器像元數(shù)的增加,未來每個探測分機(jī)將形成海量的圖像數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)只能集中到處理資源豐富的中心處理機(jī)上處理。這樣未來的處理架構(gòu)將形成中心加分布的格局。這樣的架構(gòu)既能滿足處理的需要,又能保證分布式探測分機(jī)的體積、質(zhì)量功耗較小。

5 總 結(jié)

紫外導(dǎo)彈逼近告警的功能、性能不受背景影響,在探測近距導(dǎo)彈發(fā)射方面有明顯優(yōu)勢,并且體積小、成本低,針對近距導(dǎo)彈威脅,未來將持續(xù)大量裝備大型飛機(jī)、直升機(jī)和部分戰(zhàn)斗機(jī)。紅外告警除完成傳統(tǒng)的導(dǎo)彈逼近告警外,將在飛機(jī)平臺上承擔(dān)起近程態(tài)勢感知的任務(wù)。未來的機(jī)載態(tài)勢感知系統(tǒng)將更加復(fù)合化,實現(xiàn)紅外、激光、可見光多波段的探測復(fù)合,為飛行員提供三維威脅態(tài)勢、火控引導(dǎo)、全空域觀察、進(jìn)場導(dǎo)航等能力。