红外导引头综述.pdf

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 控制与制导本文2006201216收到,作者分别系中国航天时代电子公司七一七一厂在读硕士研究生、 高级工程师、 研究员图1 红外导引头组成框图图2 红外导引头结构示意图红 外 导 引 头 综 述赵善彪 张天孝 李晓钟摘 要 介绍了红外导引头的基本功能与组成,给出了红外导引头的一种分类方法并综述了其发展现状,最后对红外导引头的关键技术进行了简单分析并对红外导引头的发展趋势作了简单预测。关键词 红外导引头 红外探测器 红外成像制导 多模复合制导引 言导引头技术是精确制导武器的核心技术之一,用来完成对目标的自主搜索、 识别和跟踪,并给出制导律所需要的控制信号。红外导引头由于具有制导精度高、 抗干扰能力强、 隐蔽性好、 效费比高、结构紧凑、 机动灵活等优点,已成为精确制导武器的重要技术手段。红外导引头的研究始于第二次世界大战期间,经过几十年的发展,红外导引头已广泛用于空空导弹、 空地导弹、 地空导弹和反坦克导弹以及巡航导弹等。1 红外导引头的功能与组成1. 1 红外导引头的功能1)接收目标(飞机,坦克等)的红外辐射,完成对目标的自动搜索、 识别和捕获;2)隔离弹体的角运动,稳定光学(或天线)轴,为提取目标视线角提供参考系;3)对锁定后的目标进行自动跟踪并实时输出俯仰、 偏航两路视线角速度信号;4)输出两路弹轴与光学(或天线)轴的框架角信号。1. 2 红外导引头的组成红外导引头通常由光学系统、 调制器、 红外探测器、制冷器、陀螺伺服系统以及电子线路等组成,其框图如图1所示。其中,光学系统、 调制器、红外探测器、 制冷器和陀螺伺服系统所组成的光电机械系统又叫位标器,所以,从结构上来看,红外导引头即由红外位标器和电子线路(舱)组成,示意24飞航导弹 2006年第8期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 图如图2所示。红外导引头简单工作过程:光学系统接收目标红外辐射,经调制器处理成具有目标信息的光信号,由红外探测器将光信号转换成易处理的电信号,再经电子线路进行信号的滤波、 放大,检出目标位置误差信息,然后输给陀螺跟踪系统,驱动陀螺带动光学系统进动,使光轴向着目标位置误差方向运动,构成导引系统的角跟踪回路,实现导引系统跟踪目标。导弹制导律所需要的控制信号同时由电子线路给出。2 红外导引头的分类红外导引头自问世以来得到了快速的发展,出现了各种类型的红外导引头,表1的分类主要是根据探测系统的不同给出的,仅作参考。表1 红外导引头的分类红外导引头1.按获取信息点源制导调制盘非调制盘成像制导扫描成像凝视成像2.按功能跟踪扫描跟踪3.按工作波段近红外中红外远红外4.按工作模型单波段双波段复合制导3 红外导引头的发展与现状红外导引头的发展经历了四个阶段,现在已进入更先进的第四代红外导引头的研制、 生产与装备。第一阶段的红外导引头是在20世纪60年代中期以前,其探测器采用不制冷的硫化铅,信息处理系统为单元调制盘式调幅系统,工作波段为1m3m,灵敏度低,抗干扰能力差,跟踪角速度低。这一代的典型产品有美国的响尾蛇A I M29B,苏联的K213、 美国的红眼睛以及苏联的SAM27地对空导弹。这一时期红外武器主要用于攻击空中速度较慢的飞机。第二阶段的红外导引头是在20世纪60年代中期到70年代中期之间,其探测器采用了制冷的硫化铅或锑化铟,工作波段已延伸到3m5m的中红外波段,改进了调制盘并提高了位标器的跟踪能力,同时在信号处理电路上进行了改进,使这一代导引头的作战性能得到了较大的提高。这一代的典型产品有美国的A I M29D、 法国的马特拉R530等空空导弹。这一时期的红外制导武器虽然仍属尾追型,但导弹的攻击范围得以扩大,可以从后方攻击机动目标。第三阶段的红外导引头起于20世纪70年代中后期,其红外探测器均采用了高灵敏度的制冷锑化铟,并且改变了以往的光信号的调制方式,多采用了圆锥扫描和玫瑰线扫描,亦有非调制盘式的多元脉冲调制系统,具有探测距离远,探测范围大,跟踪角速度高等特点,有的还具有自动搜索和自动截获目标的能力。因此,这一代的红外制导武器可以全向攻击机动能力大的目标,典型产品有美国的A I M29L、 苏联的R273E、 以色列的怪蛇3、 美国的毒刺及法国的西北风等地对空导弹。20世纪80年代以来,红外多元探测器、 微计算机技术、 成像技术及跟踪技术等得到了飞速的发展,特别是焦平面红外探测器研制成功,如128128元锑化铟、 碲镉汞面阵器件,为发展第四代红外导引头奠定了基础。红外成像导引头最先应用于美国AG M265D空地反坦克导弹,随着相关技术的飞速发展,目前红外成像导引头也广泛扩展到空空导弹、 巡航导弹以及末制导炮弹中。第四阶段的红外导引头起于20世纪70年代末,其最主要特征就是普遍采用了红外成像制导和多模复合制导技术,再加上8m14m波段远红外探测技术的使用和探测距离、 跟踪精度等诸多性能的提高,使得第四代红外导引头性能较之前三代有了较大的飞跃,具有了更高的抗干扰能力和真正意义上的全向攻击能力,真正实现了发射后不管。这一代的红外制导武器典型产品有美国的A I M -9X、 英国的ASRAAM、 法国的麦卡改进型、 以色列的怪蛇4和俄罗斯的AA211射手等空空导弹,以及崔格特、 海尔法的改进型、 标枪等反坦克导弹。目前,新一代的巡航导弹多趋向于采用红外成像末段制导,如美国的斯拉姆导弹和战斧对陆攻击型34飞航导弹 2006年第8期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. BG M2109A。斯拉姆导弹的制导系统包括:惯导装置、 无线电高度表、 全球定位系统、 红外成像导引头。正由于采用了末段红外成像制导,所以斯拉姆导弹具有很高的命中精度(达到1m) ,并可精确选择命中部位,实施外科手术式攻击。此外,红外导引头还广泛应用于末制导炮弹中,如1988年,雷锡恩公司研制的使用双色红外导引头的旋转稳定制导炮弹, 1990年投入生产的瑞典FFV公司研制的采用红外焦平面阵列制导的末制导炮弹等。世纪之交,红外导引头又有了诸多新动向。1997年,法国麦卡红外空空导弹定型, 2000年投产, 2005年7月,首次进行了机载发射测试成功。麦卡的被动红外导引头是由法国SAT公司研制的双频段红外成像导引头,采用双频段机电扫瞄方案和完善的信号处理技术,具有较远的作用距离和较好的抗干扰能力。美国 航空周刊 2003年11月报道,德国BGT公司正在发展一种新的红外导引头,采用电子控制的微机械视场选择器,可改变红外探测器的观察角,不需要有安装焦平面阵列探测器的环架,同时导引头的窗口采用保形结构,埋入位于导弹头部下方的单台涡喷发动机进气口的前端,从而使气动阻力减至最小。另据英国防务系统日刊 2005年底报道,法国武器装备总局已经批准MBDA公司的捷联式红外导引头模型(MADR I D)投入使用,生产MADR I D标志着MBDA公司重新涉足红外成像导引头市场。在研制MADR I D项目的过程中, MBDA公司采用了一种创新性技术,即大型格式化红外探测器技术,有助于简化导引头瞄准线系统。4 红外导引头的关键技术4. 1 红外探测器红外探测器堪称红外导引头的心脏,在红外制导技术的发展中始终起着关键作用。它是一种光/电或热/电转换元件,可以把探测到的红外辐射信号转换成微弱的电信号,易于显示和识别,其质量的优劣是红外导引头发展水平的重要标志。根据能否把目标信息显示成像,可分为点源式探测器和成像式探测器两大类。点源式探测器是把目标当作辐射红外线的点,只能显示目标的红外辐射能力,不能反映目标的实际结构与形状,按响应方式可分为光子探测器和热探测器;成像式探测器能显示红外辐射目标的图像,便于制导系统对目标的识别与跟踪,按成像方式可分为红外光学机械扫描式成像和红外凝视焦平面阵列式成像。在美国等技术先进国家,线列探测器已完全达到实用化,凝视焦平面阵列探测器则是当前的主攻方向。目前,在红外成像导引头中用得较广泛的几种凝视焦平面阵列探测器大致有: 1)碲镉汞(HgCdTe)探测器/硅CCD混合焦平面器件; 2)锑化铟( InSb)光伏焦平面阵列; 3)硅化铂(PtSi)肖特基势垒电荷耦合器件; 4)非本征焦平面阵列。4. 2 信息处理方法精确制导武器能在复杂的战场环境中更好地发挥效能,很大程度上依赖于智能化信息处理方法。这对于采取红外成像制导和多模复合制导的第四代红外导引头有着重要的意义。这里所说的信息处理包括目标识别和跟踪算法以及计算机图像处理技术。目前,常用的目标识别算法有相关法、 不变矩法和投影法;在识别目标后,即转入对目标的跟踪,基本的跟踪算法有两种:波门跟踪算法和相关跟踪算法。而当前红外导引头中实时处理数字图像的主要技术途径则主要采用专用高速硬件,进行并行处理。从发展看,用互联的多微处理机结构或分布处理机结构来代替中央处理机结构,以扩大信号处理的能力,满足导引系统对运算能力提出的更高要求,是目前计算机图像处理技术的一个主攻方向。4. 3 陀螺稳定系统稳定系统在红外导引头中有着重要作用,它一方面要稳定光轴,另一方面要接受控制信号驱动光轴去跟踪目标。无论在点源跟踪还是成像跟踪的红外导引头中,稳像(图像或像点)精度都是一个重要指标。此外,陀螺稳定系统通常由于结构等因素还决定着导引头的跟踪视场和跟踪速度甚至跟踪精度等指标。红外导引头的稳定系统通常由各种不同类型或组合的陀螺来完成,常见的陀螺稳定系统及其特点如表2所示。5 红外导引头的发展趋势红外导引头的发展趋势之一是由红外点源寻的制导向红外成像制导发展,并由第一代的光机扫描向第二代的凝视焦平面阵列发展,其工作波段由44飞航导弹 2006年第8期 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 表2 几种常见的红外导引头陀螺稳定系统类型特 点框架式内框架式1)结构简单紧凑,尺寸小,质量轻;2)存在角效应,影响跟踪精度;3)内环只能加小而轻的负载,广泛应用于点源跟踪制导的红外导引头,用于红外成像导引头时,成像器须放在陀螺内环上,因此,内框架有所改动,应将框架外拉前伸,使之能安装成像传感器外框架式双框架1)易于安装各种光学系统,因与陀螺系统分装,易布局,电磁兼容性能好;2)稳定与跟踪精度高;3)尺寸和质量较大,结构复杂,宜用于大口径导弹单框架1)探测、 跟踪精度高,无角效应;2)结构复杂,尺寸大;3)限定弹径下,难逐次安装成像系统、 陀螺马达和力矩马达等器件伺服连接式1)光轴与陀螺轴靠电铰链连接来跟踪,整体布局灵活;2)只稳定一个反射镜,负载小,可快速跟踪,但通光口径大,存在像倾斜;3)结构复杂,尺寸大、 重,造价高平台式1)由两个速率陀螺测量偏差,通过随动框架伺服控制来稳像,稳像和跟踪精度较高;2)结构复杂,加工与装调困难,稳定控制回路复杂,成本昂贵;3)无合适的微型浮子或动力调谐陀螺可供选用;4)摆镜扫描式存在像倾斜,折反式径向尺寸大,存在中心遮拦,影响光学系统传函捷联式1)没有机械框架的约束,可实现小的瞬时视场和大的跟踪视场;2)使用电子稳像,稳定和跟踪精度较高;3)结构简单,但弹上信息处理复杂早期的短波红外、20世纪80年代的中波红外向长波红外发展,以及不断地提高智能化程度。红外导引头的另一个发展趋势是由单模制导向多模制导发展,即由单一的红外制导向红外/紫外、 红外/毫米波、 双色红外/毫米波和红外成像/激光以及惯导+中段目标修正用的数据传输设备+红外等复合制导方向发展。此外,更远探测距离、 更高跟踪能力和跟踪精度、 捷联和非冷却等技术的红外导引头也是今后红外导引头的一个发展方向。可以预见,随着科学技术尤其是计算机技术、模式识别