光学成像 对抗.doc

通过对光电成像制导武器跟踪制导机理的分析,提出一种干扰欺骗方式-图像变异,即将被保护目标的光电辐射特征不断进行变异,使成像制导导引头所摄得的匹配模板和变异后的目标图像相关性大大降低,紊乱其相关匹配模块的功能,以达到干扰、诱骗的目的.针对此方法进行了计算机仿真,在理论上验证了该方法的可行性,并就相关问题展开了讨论与分析.红外成像技术由于诸多特点在军用和民用领域都取得了广泛的应用，红外图像处理技术在红外成像系统中起着至关重要的作用。本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态，针对我国具体状况，提出关于我国红外成像技术发展的若干思考，讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。 1.引言 红外成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点，在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用。在军事上，包括对军事目标的搜索、观瞄、侦察、探测、识别与跟踪；对远、中、近程军事目标的监视、告警、预警与跟踪；红外成像的精确制导；武器平台的驾驶、导航；探测隐身武器系统，进行光电对抗等。在民用领域，在工业、遥感、医学、消费电子、测试计量和科学研究等许多方面也得到广泛应用。 目前国外红外成像器件已发展到了智能灵巧型的第四代，在光电材料、生产工艺、成像质量及系统应用等方面都取得了丰硕的成果，但是国内红外相关技术研究与生产起步较晚，并且受工业基础制约，发展远滞后于国外，而市场需求却持续强劲，无论在军用还是民用领域都有巨大的发展空间。 本文简述国内外红外成像技术部分最新的研究成果和动态，针对我国具体状况，提出关于我国红外成像技术发展的若干思考，讨论红外成像及其图像处理、应用中的一些新技术、发展重点和难点，对以后一段时期内的红外成像新技术发展及其市场前景进行展望。 2.红外探测器发展现状 从第一代红外探测器至今已有40余年历史，按照其特点可分为四代：第一代（1970s-80s）主要是以单元、多元器件进行光机串/并扫描成像；第二代（1990s-2000s）是以4288为代表的扫描型焦平面；第三代是凝视型焦平面；目前正在发展的可称为第四代，以大面阵、高分辨率、多波段、智能灵巧型系统级芯片为主要特点，具有高性能数字信号处理功能，甚至具备单片多波段融合探测与识别能力。 3.红外成像与图像处理技术 无疑，红外成像技术的最核心部分当属红外探测器技术，包括红外材料、器件等重大制造工艺技术，涉及红外探测器基础理论、总体设计、薄膜材料生长技术、材料性能表征与评价技术；新型红外探测器技术，包括多色、量子阱、量子点、超晶格、超导、非晶态、有机等新型探测器；红外探测器表面处理与钝化、互连等技术；红外探测器制造工艺过程控制、测试与评价等技术。 同时，成像设备如何满足系统应用的总体要求，成像设备如何产生尽可能接近视觉系统感知或易于利用的图像，一直是系统工程学、人机环境学以及图像处理与机器视觉研究的主要内容之一。由于红外成像系统必须服从应用系统技术指标，而红外图像观测者或终极使用者（包括无人环路）是信息处理链上的最后一环，因此很自然会对红外图像的质量优劣提出高要求。最终成像系统的应用价值取决于图像信息的充分提取与利用。 而从红外成像系统的信息链路上看，其传输环节包括目标与环境的红外辐射，大气传输，红外光学系统聚焦成像，探测器敏感接收与光电转换，图像信号的耦合读出，图像信号的处理/增强/信息提取/显示与判读或信息利用（例如目标自动提取、锁定与制导等）等一系列环节，因此同样应高度重视所有信息传输链路上各个关键技术的研究。 如上所述，红外成像技术应用与数字图像处理技术是分不开的，特别是第四代超高分辨力、智能灵巧型红外成像器件，对图像处理算法和硬件系统要求更为苛刻，可以说图像处理为红外成像性能的提高和系统级应用发挥了重要作用，也是红外成像系统创造新的附加值的增长点。 4.红外成像系统市场需求和前景图1是荷兰国家应用科学研究院（TNO）预测未来10年红外成像系统研发中软硬件投入增长趋势。可以看出，今后对硬件投入增长渐缓，转而对系统软件的投入将大幅增加。显然，在红外器件和应用市场上，靠改进器件固然可以提高红外系统性能，但是技术难度大，开发周期长，并且受器件材料特性、工艺手段的限制。而运用图像处理技术可以有效提高红外系统性能，并且可以大范围扩展红外成像系统应用领域。可以预见在未来1020年内，红外成像系统中图像处理及应用所带来产值的比重会逐渐增长，并逐步占有较高比重产值。 在发达国家的军用领域，红外热像仪已得到及其广泛的配置，例如海湾战争中平均每个美国士兵配备1.7具红外热像仪。与发达国家相比，目前我国军队中红外热像仪的应用相对较少，其市场远景需求量相当巨大。随着高性能多色红外焦平面以及智能灵巧型片上图像处理技术的发展，预计这一比例还将继续走高。 在民用领域，红外成像系统广泛应用于消防、电力、建筑、安防等领域，我国红外热像仪在这些行业的应用还处于起步阶段，发展空间巨大。2006年，全球民用红外热像仪的销售额为16.3亿美元，同比增长17.35%，呈现出较快的增长态势。其快速增长主要来源于新应用领域的不断扩大。据美国著名高科技行业咨询公司MaxtechInternational的预测，未来5年全球民用红外热像仪市场需求年均增长率将达到15%，到2012年，全球民用红外热像仪的市场需求将达到38.12亿美元。由于国内经济高速发展，中国红外热像仪市场的年均增长率可以达到20%，预计2011年中国民用红外热像仪市场的需求量可以达到9.95亿元，如图2所示。若考虑到新的应用领域的开发，其实际的市场需求总量将可能超过这一预测。 目前，我国民用红外热像仪的供应商不多，具有较强的独立研发实力（包括系统电路与图像处理算法并能实时实现等）与自主知识产权的国内民用生产企业有若干家，需要继续发展企业的研发实力，提高品牌影响力。 5.结束语 目前，我国红外成像系统及图像处理技术正处于蓬勃发展的黄金阶段。虽然我们与国外先进技术存在着差距，这是挑战，也无疑是孕育创新研究成果的强大动力。广阔的市场需求将进一步推动新概念探测器的研制、高性能图像处理功能与实时系统的设计；跨学科方向的交叉发展也将开拓崭新的应用领域，创造巨大的经济价值。把握我国红外成像及其图像处理技术的发展方向与脉络，制定研究与发展策略，对今后的工作具有重要的指导意义。2.1.1红外干扰机红外干扰机是一种调制干扰设备，用于对抗热点式非成像红外制导武器。通过发射调制的波段与目标红外辐射相似，频率与导引头调制频率相近的干扰脉冲，使来袭红外导引头产生虚假的跟踪信号，而偏离目标，达到保护载机的目的。只有干扰机的红外调制辐射能量足够大，而且调制频率与导引头的调制频率相近，才能有效地对点源式红外导引头的跟踪起干扰作用。2.1.2红外干扰弹红外干扰弹是通过燃烧剂形成红外辐射，模拟飞机或其它要保护目标的红外特征，以强于真实目标的红外辐射干扰、诱偏导弹，达到保护目标的目的。因此红外干扰弹要在辐射波段上与目标相近，辐射强度大于目标辐射；在运动特性和时间上干扰红外导弹对目标的跟踪。2.1.3红外隐身技术通过降低目标的红外辐射或改变辐射波长，可以减小被导弹探测和跟踪的概率。飞机上常采用喷口遮挡、特殊涂料及外型设计实现红外隐身。2.1.4激光致盲激光致盲是国外目前大力发展的光电对抗技术，已进入工程研制的激光致盲设备有美国的罗盘锤高级光学吊舱、贵冠王子机载激光致盲系统、名为浮雕宝石-兰坚鸟的轻型激光致盲武器及Stingray系统。其中罗盘锤由空军研究发展，1986年进入全面工程研制，已于90年正式生产，装备在轰炸机上，可使地空武器的探测器致盲。浮雕宝石-兰坚鸟激光致盲武器、又称Cameo Bluejay，由陆军研制、用于致盲光学传感器的一种轻型武器，其质量为33.8kg，装在阿帕奇直升飞机上。安装在布雷德利战车上的Stingray，代号为AN/VLQ-7，是由Martin Marietta公司生产。使用平均功率为1kW的CO2激光器和输出100mJ的板条状Nd：YAG激光器以及倍频激光器，可以使可见光、近红外和长波红外波段的光学传感器致盲；能破坏8km远的光电系统，在更远的距离上也可伤害人的眼睛。美国空军的贵冠王子机载系统，采用与Stingray系统相似的激光器，但功率更大，作用距离也更远，90年已进入工程研制阶段。2.1.5定向红外干扰技术定向式红外干扰是指以窄波束的形式向来袭制导武器发射红外干扰信号。随着红外技术的发展，红外探测、跟踪、制导武器的作用距离越来越远，其使用波段也更宽。红外干扰技术也应有相应的变化。原红外干扰机的光源主要是各种灯(氙灯、弧光灯、红外灯等)，可干扰近红外导引头和跟踪装置。这种干扰机是非定向的全方位辐射，不需要稳定平台。典型代表如美军的AN/ALQ-144机载红外干扰机。上述各种灯的辐射亮度都不足以干扰远距离的导引头和跟踪装置，因而要寻求新的光源。高功率激光器的发展，无论从使用波段、辐射亮度或体积质量等方面都是一种理想的光源。近年来将激光辐射用于干扰装置，已成为光电对抗技术中的一个重要分支，并称为定向红外干扰(DIRCM)技术。实现DIRCM有两种不同的方法，一是非闭环技术，通过将一束由非相干的闪光灯或激光产生的红外能指向红外导引头使之受到干扰或工作混乱。另一种是闭环技术，它发射激光并接收导引头反射的激光能量，通过分析反射回波来确定红外导弹的参数，然后选择最有效的方式来对抗红外导引头。美国陆、海、空三军都分别进行DIRCM的研究，如美国陆军的先进战术红外干扰系统(ATIRCM)、海军的多波段反舰电子战系统(MATES)及空军正在执行的激光红外对抗飞行试验(LIFE)计划。美国陆军研制ATIRCM是保护直升飞机免遭红外制导导弹的攻击，并逐步取代AH-60直升机上现有的AN/ALQ-144干扰机。ATIRCM系统为非闭环式，包括两个干扰头及其共用的激光器，四个被动告警器和两台投放器。1995年56月份在新墨西哥州白沙导弹靶场对ATIRCM进行了实弹实验。实验表明，该系统均探测、跟踪到目标，并利用激光干扰导弹的红外制导系统使之丧失攻击目标的能力。由劳拉尔公司参与海军研究实验室管理的多波段反舰战术电子战系统(MATES)计划是用工作在中波红外和长波红外波段的激光系统，对干扰反舰导弹红外导引头的工作进行验证，预计MATES将成为综合电子战系统(AIEWS)的关键部分，AIEWS系统是美国海军计划的下一代舰载自卫装置。MATES的工作是闭环式的，用舰载红外搜索和跟踪系统或舰载雷达，探测掠海飞行的红外制导导弹，导引MATES的激光干扰机瞄准目标，接收目标反射的激光能量，进行特征识别，判断导弹的类型，以确定干扰红外导引头最有效的使用方式。美国空军正在执行的LIFE计划也是验证利用激光技术对抗多种红外制导导弹的能力。LIFE也是使用闭环工作的定向红外干扰系统。劳拉尔公司最初提供的是CO2激光器，工作波段在9.2m，利用一个非线性晶体可使其波段变为4.6m。这样可以覆盖中波和长波红外波段，根据赖特-帕蒂森(Wright-Patterson)实验室所进行的实验结果，可以确信这种技术是可行的。新一代红外导弹将采用成像型前视红外传感器(Flir)，它不仅可以避免红外诱饵弹的影响，也可能不受开环非相干定向红外干扰的影响，但却不能避免闭环定向干扰的影响，这一发展前景促使空军对闭环激光定向红外干扰更感兴趣并致力于研究。2.2制导站面临的光电对抗环境在现代战争中，除飞机外，巡航导弹、空对地精确制导导弹(包括反辐射导弹)、激光制导炸弹和隐身飞机等已成为防空武器系统制导站的新威胁。主要是激光半主动制导、红外成像制导、可见光电视制导和被动射频制导等。制导站光电对抗的任务就是用包括烟幕、诱饵、引偏、干扰机、致盲等各种措施对抗和干扰光电制导导引头的正常工作，实施软杀伤，增加其制导误差，以保卫制导站等地面设备。3