红外成像导引头设计的若干问题

红外成像导引头设计的若干问题

0新一代红外成像导引头设计的不足近年来，随着有效控制武术在现代战争中的地位不断提高，华北成像技术的开发和应用越来越受到重视。随着作战任务和环境的复杂性，正确制作武术的要求也越来越高。这就要求红外成像指南具有高的检测灵敏度、高的空间分辨率、大的动态范围、目标识别能力、抗干扰和战场环境适应性等。精确制导武器对红外成像导引头的越来越高的要求,给红外成像导引头的设计带来了挑战,在高性能的红外成像导引头设计中,以下几个问题是值得给予充分重视的。(1)对导弹飞行特性、作战使命和目标、环境的适应性(2)红外成像导引头的权衡设计问题(3)红外焦平面阵列的优化应用问题(4)复杂背景或对抗条件下的自主目标识别问题1目标攻击的方式红外成像导引头的应用与导弹飞行特性、作战使命、目标与环境特性有着密切的关系,因此,在红外成像导引头设计中,必须充分重视导引头对不同的导弹飞行特性、作战使命、不同类型的目标和复杂的战场对抗环境的适应性。用于对地面目标攻击时,必须考虑是采用人在回路中目标截获还是采用自主目标截获,如果作战使命要求采用自主目标截获,必须考虑如何从复杂的地物环境中自主识别出目标;对海面目标攻击时,必须考虑如何适应复杂的干扰对抗环境和恶劣气象条件;对空中目标攻击时,需要考虑如何对抗多种人为干扰;对空间目标攻击时,需要考虑如何识别空间目标和诱饵,如何满足实现直接碰撞杀伤的精度要求。针对不同的导弹飞行特性,需要综合考虑在高速飞行条件下导弹速度、头部外形、力学环境等因素的影响,根据导弹飞行速度选择适当的头罩材料、形状,并选择导引头是采用前置探测还是侧窗探测。在大气层内高速导弹应用中,必须充分考虑到高速导弹成像探测气动光学效应给红外成像末制导带来的不利影响。2红外成像导引头难题红外成像导引头是由头罩、光学系统、红外探测器组件、框架及伺服稳定机构及图像识别、跟踪处理机和制导信息形成器组成的光、机、电一体化系统,如何根据导弹系统总体要求选择适当的组件,并将这些组件综合成一个能够全面满足总体要求的红外成像导引头牵涉到一系列权衡设计问题(如波段选择问题、体制选择问题(光机扫描体制或凝视体制、被动成像体制还是主动成像体制、框架式稳定跟踪体制或弹体固联式捷联体制)、导引头视场与空间分辨率的折衷问题。过去在进行导引头总体设计时往往是根据理论分析、以往的经验和一些试验进行波段选择、体制选择、导引头视场与分辨率的确定,近年来随着对红外成像导引头系统和组件及其目标与环境特性和大气传输特性等外界因素的分析、研究的深入和计算机技术的迅速发展,国外开始采用红外成像导引头权衡设计模型、软件来进行权衡设计,由于使用了这种计算机辅助权衡设计工具,而且可以不断地完善软件的各种功能模型,对提高红外成像导引头的总体设计效率很有益处。2.1.3.3不同红外波长的红外信号波段选择是进行红外导引头总体设计时首先必须考虑的问题。在确定红外成像导引头的工作波段时需要考虑到多种因素:(1)在不同的红外波段的目标与环境特性及大气传输特性:(2)对导引头的自动目标识别能力、抗干扰能力等要求;(3)不同波段的红外探测器的性能;(4)不同波段的光学系统、整流罩的性能及导弹气动加热对头罩性能的影响;(5)采用不同的红外波段系统的性能价格比。在进行波段选择时必须综合考虑到上述各种因素进行权衡。对红外成像制导防空导弹而言,导引头所要探测、跟踪的是飞机目标,在迎头探测、跟踪飞机目标时,目标的辐射能量主要在8～12μm长波红外波段,在侧向、尾向探测、跟踪目标时,目标的辐射能量主要集中在3～5μm中波红外波段,再考虑到3～5μm中波红外波段的光学系统、头罩的性能及导弹气动加热对整流罩性能的影响,3～5μm中波红外波段的红外焦平面阵列探测器的规模、均匀性等性能,以及不同天气条件下的大气传输性能,大都选择3～5μm中波红外波段。但近年来,为了提高防空导弹对抗复杂光电对抗措施的能力,国外也开始发展双波段红外成像导引头,针对红外干扰的辐射特性,大都选取中波红外和短波红外波段。对反导动能拦截弹而言,末段高层拦截所要对付的是再入大气层的弹道导弹弹头,目标温度较高,因此,美国的THAAD和以色列的箭-2都选择了中波红外焦平面阵列凝视导引头。中段拦截要对付的是在大气层外飞行的弹道导弹弹头,目标温度较低,因此,美国的地基中段拦截弹EKV和海基中段拦截用标准-3LEAP均选择了长波红外焦平面阵列凝视导引头,为了解决中段拦截的目标和诱饵识别问题,EKV还选择了两个长波红外波段,标准3的拦截器红外导引头也准备采用两个长波红外波段。助推段拦截要解决硬弹体和尾焰的分辨问题,因此,美国正在发展的助推段动能拦截弹KEI选取的波段很可能是长波红外和中波红外或长波红外和短波红外两个波段.对红外成像反舰导弹、反坦克导弹及空地战术导弹,由于目标的辐射能量主要在8～12μm长波红外波段,在采用光机扫描红外成像体制时,基本都选择8～12μm长波红外波段。然而,近年来机载对地目标瞄准用前视红外成像系统选用凝视型焦平面阵列中波前视红外,原因在于:虽然常温地面目标的红外辐射的峰值波长在长波红外波段(大约10μm),其红外辐射在长波红外波段所占比例较高,但背景环境的红外辐射的峰值波长也在长波红外波段,因此背景环境辐射较强,在长波红外波段目标和背景的对比度较低,而且由于背景较强,采用长波红外焦平面阵列凝视探测时,探测器积分时间不能长,否则会造成探测器输出饱和,探测器积分时间一般取微秒级,这样,目标红外辐射在长波红外波段较强的好处基本上被积分时间短抵消了。而选用中波红外波段,则由于背景环境在中波红外波段的辐射较弱,探测器积分时间可以取得较长,达毫秒级,这样可以弥补目标蒙皮在中波红外波段辐射较弱的问题。再加上长波红外焦平面阵列探测器的均匀性较差,比探测率相对中波红外焦平面阵列探测器也低,且成本比中波红外焦平面阵列探测器高得多。因此在空地制导战术导弹中采用凝视式中波红外成像导引头可能更为可取,KEPD-350空地导弹采用的就是中波红外波段,其红外焦平面阵列探测器为256×256InSb焦平面阵列。但对红外成像制导反舰导弹而言,由于要考虑到阳光反射造成的海面亮带的影响,采用长波红外成像导引头或长波/中波红外成像双波段导引头更为可取。2.2外来人车外成像结构的改进和完善,促使外红外成像导引头究竟是选择光机扫描体制还是凝视焦平面阵列体制、采用框架式稳定跟踪体制还是弹体固联式捷联体制也是需要权衡考虑的问题。从理论上讲凝视式焦平面阵列体制无论在灵敏度方面还是可靠性、轻小性等方面均优于光机扫描体制,但这要取决于探测器的性能水平,如果焦平面阵列的均匀性不好,则凝视式导引头在灵敏度方面与光机扫描式导引头相比并无优势可言,好在近年来红外焦平面阵列的非均匀性问题已经解决,再加上采用高效的非均匀性校正处理,红外凝视成像导引头的探测灵敏度较光机扫描红外成像导引头的探测灵敏度有显著的提高。焦平面阵列探测器的价格也影响着人们对是否采用凝视视焦平面阵列体制的选择。近年来随着大面阵中波红外焦平面阵列探测器的阵列规模和性能的提高和成本的下降,已经有多种红外成像制导防空导弹和空地导弹采用凝视焦平面阵列导引头,在近年来发展的反导拦截器的红外导引头中采用的都是红外凝视成像体制。目前的红外成像导引头大都采用框架式稳定平台实现小瞬时视场导引头的大空域搜索和视线稳定(稳像),随着红外成像传感器的空间分辨率和灵敏度的不断提高对框架式稳定平台的机械部件、光学和控制系统也提出了很苛刻的要求,而弹体空间对框架式平台的体积、重量要求也很苛刻,如何设计出体积紧凑,成本低且可靠性高的框架式平台就成了一个很大的难题。为此近年来人们开始考虑采用弹体固联式捷联体制,采用半捷联稳定或电子场景稳定实现视线(场景)稳定,补偿弹体运动、抖动对红外成像导引头的成像和探测造成的不利影响。采用弹体固联式捷联体制的一个最大的优点是取消了具有运动的机械部件的稳定平台,因此可靠性和重量、体积等方面均有很大的改善,但随之带来的问题是由于没有驱动导引头,视轴随着视线旋转指向弹目连线方向的随动跟踪机构,如果在大气层内应用,要求导引头的红外成像传感器本身有较大的视场,因此在风暴前兆空射巡航导弹和KEPD-350空地导弹中采用的半捷联稳定方式红外凝视成像导引头的视场为10°,相对于美国采用三轴平台稳定方式的AIM-9X空空导弹的3°视场要大许多。而由于新一代的高性能导弹本身对导引头的探测灵敏度、杂波抑制能力、目标识别能力、瞄准点识别选择能力均有很高的要求,这些要求都希望导引头红外成像传感器有小的单元瞬时视场(空间分辨率),而大的视场和小的单元瞬时视场是相互抵触的。2.3非均匀采样智能焦平面阵列捷联式红外凝视成像导引头要想在战术导弹上获得更广泛的应用,必须解决好导引头视场和空间分辨率的折衷问题。通常,要同时保证大的视场和小的单元瞬时视场(空间分辨率)主要有三条技术途径,一是采用框架平台实现大空域扫描,二是采用复杂的变焦距光学系统,三是采用超大规模焦平面阵列红外探测器,但这几条途径都存在着一些弱点。近年来美国提出了一种微扫描技术,其主要思路是在凝视红外成像传感器的物镜和焦平面阵列之间加入一个微扫描平面镜,使微扫描平面镜以一定的扫描规律绕扫描轴作微小角度转动,从而使形成的图像有一个亚像元级的平动的图像序列,通过对这些图像进行超分辨率处理就可以重建出一幅高分辨率的图像,这样就可以采用适度规模的红外焦平面阵列同时实现大视场和高分辨率。这项技术已经应用在机载前视红外成像系统和机载分布孔径红外系统中。而德国则提出了另外一种微扫描概念,由于采用了基于其专利的微光机电器件的图像步进扫描器,可以将所要成像的大的空域范围划分成几个较小的视场并由光学系统依次成像在同一个红外焦平面探测器阵列上,从而同时满足导引头所要求的高帧频、大视场、高分辨率要求,且取消了机电式框架结构,并提出了将这一技术应用于红外成像导引头中的方案。采用模拟脊椎动物的视网膜中央凹视觉机制的非均匀采样智能焦平面阵列也是同时实现大视场、高空间分辨率和快帧频的一条途径。现有的红外焦平面红外探测器所用的探测器单元的尺寸是相同的,由此构成的成像传感器的空间分辨率在整个视场内是相同的。而对红外成像导引头而言,成像的目的是利用图像信息识别、跟踪一个大的搜索视场中的目标并形成制导指令,目标在视场中仅占有很小一部分,采用均匀采样的成像传感器对整个视场采用相同的空间分辨率(对包含所要识别、跟踪的目标的区域和不含有目标的场景区域采用相同的空间分辨率),这样如果要同时保证足够大的视场和完成目标识别所需的空间分辨率,必须采用超大规模焦平面阵列红外探测器,结果大量的无关数据就会占据图像信息处理机的带宽与计算/数据存储资源,使图像信息处理机的大量计算资源浪费在大量无关数据上。采用均匀采样的成像传感器的另一个问题就是当探测器规模确定时必须在视场和空间分辨率之间进行硬折衷,要么牺牲一定的视场要么牺牲一定的空间分辨率,而对于用于跟踪高度机动的空中目标的防空导弹红外成像导引头而言需要同时保证大视场和高分辨率。大视场对于快速捕获目标和降低目标丢失概率是重要的,高的空间分辨率对提高探测距离和目标分类、识别精度是重要的。这样要同时保证足够大的视场和完成目标识别所需的空间分辨率,必须采用超大规模焦平面阵列红外探测器,这就势必要牺牲系统的响应速度。而实际上对于红外成像导引头而言并不需要在整个大的视场内都具备高的空间分辨率,为此人们提出了采用模拟脊椎动物的视网膜中央凹视觉机制的非均匀采样智能焦平面阵列同时实现大视场、高空间分辨率和高帧频的设想。几乎所有的高等动物的视觉系统都采用非均匀空间采样方式对场景进行采样,哺乳动物的视网膜中由中央凹中视锥细胞构成的分辨率高的集中视力一般只占整个视场的一小部分(人眼中只占2～3°),而视网膜周围由视杆细胞构成的周边视力分辨率低,不能看图像细节,但周边视力对图像中运动变化部分很灵敏,由特征抽取作用从而控制眼肌转动视轴,使集中视力对准所感兴趣的部位,以便看清细节。这种中央凹视觉的主要优势是同时保证大视场、高空间分辨率、快帧频和低带宽、快速响应速度,与采用均匀采样的焦平面阵列构成的成像传感器所能达到的最高空间分辨率和总的视场相比,采用非均匀采样的焦平面阵列构成的中央凹成像传感器的最高空间分辨率(在中央凹区域)为均匀采样系统的16倍,且其总的视场比均匀采样系统大10倍(两个成像传感器所采用的焦平面阵列的探测器单元数目相同)。这对于用于跟踪高度机动的空中目标,需要同时保证大视场、高分辨率、快帧频、快响应速度的军事视觉系统如防空导弹红外成像导引头是非常吸引人的。近年来美国已经开展了模拟脊椎动物的视网膜中央凹视觉机制的中央凹视觉系统和用于这种系统非均匀采样智能焦平面阵列、智能化非均匀采样成像传感器的研究,如美国战略防御局资助的中央凹导引头多目标跟踪研究及美国空军航空系统部资助的中央凹自动目标识别技术研究,已取得了一定的进展。ComptekAmherstSystems公司最近为美国空军提供的用于新型光学成像导引头的中央凹视觉系统可以在60°的视场内截获、跟踪目标。2.4基于psw的系统设计方法随着红外成像制导导弹所要对付的目标和所要面临的作战环境的日益复杂化,对红外成像制导导引头的要求也越来越高,导引头也将变得更加复杂,而且由于红外焦平面阵列探测器和高速信息处理机的演变速度很快,采用传统的设计思路设计导引头就显得有些力不从心,采用红外成像导引头总体权衡设计思想并利用相关的软件进行计算机辅助红外成像导引头权衡设计无疑是一条提高设计效率和设计效果的有效途径,国外在此方面已经进行了成功的尝试。美国CRC公司开发了用于跟踪器的传感器响应模型“被动传感器工作台”(PSW),这种模型可以用于对拦截器红外成像导引头进行权衡设计。PSW是一种可视化的设计与分析工具,可以用来根据不同的任务使命、目标威胁与作战使用环境和其他技术要求选择候选的导引头红外成像传感器设计和信号处理方法。PSW通过建立导引头红外成像传感器的各个组件和工作流程以及工作场景、目标、环境的模型实现对红外成像传感器的性能评估,这样就通过交互式地改变工作场景、目标、背景和所选择的组件、工作流程来进行方案比较、选择以及优化设计。在PSW环境下设计人员可以进行权衡分析以优化系统设计,使系统能更好地满足任务要求。美国海军空战中心武器部开发了一个红外导引头权衡与需求分析模型(IRSTORM),该模型在一个更大的导弹攻击仿真框架内建立了空空导弹导引头及其组件和目标、环境、大气传输特性模型(包括红外目标特征、背景杂波、光学系统、探测器及信号与处理、信号、图像处理模型)导引头硬件与软件之间的复杂的关系使算法和硬件在分析中不可分开进行,IRSTORM同时对硬件和软件进行了建模,再加上这一模型本身是建立在一个更大的导弹攻击仿真框架内的,该框架内还有导弹弹体和飞行模型,这意味着可以把导引头和导弹看成一个集成系统,可以分析各个组件之间的交互作用,如导弹飞行速度变化对导引头头罩性能的影响。现有的导引头设计与开发的一个最大的问题是硬件开发周期过长而且可能由于原来的方案不够合理而进行反复,而采用IRSTORM这样的完全是软件的虚拟环境,可以很方便地对导引头的结构和所选用的组件等进行改动,在不实际开发硬件的情况下通过仿真研究在针对不同的作战使用环境和目标时采用不同的导引头结构、不同的工作波段、不同的窗口或头罩材料、形状、不同的光学系统、不同的探测器与信号处理算法所构成的导引头(当然这是一个由模型构成的虚拟导引头)的性能,这样就可以选择出最佳的导引头设计方案,在此基础上再进行硬件设计、开发,这样就最大限度地避免了由于选择不适当的方案所造成的经济上和时间上的损失。美国科学应用国际公司和洛克韦尔国际公司也分别开发了用于红外成像导引头系统权衡设计的数学模型与软件,它们的软件在红外成像导引头的概念设计阶段起到了很好的作用。3帧频变积分时间快速红外成像技术的思路采用大规格红外焦平面阵列的红外凝视成像导引头已经成了高性能红外成像制导武器的优选方案。红外凝视成像导引头的核心组件就是红外焦平面阵列探测器,在过去十多年中,国内外对红外焦平面阵列的非均匀性校正给予了充分的重视,但对如何对红外焦平面阵列探测器进行优化应用,根据目标辐射特性和作战环境等情况使红外焦平面阵列工作在最佳的模式下,并没有引起足够的关注。近年来,美国洛克希德公司在红外焦平面阵列凝视成像导引头设计中已经开始采用红外焦平面阵列智能控制来优化红外成像导引头的灵敏度和动态范围,而以色列半导体器件公司(SCD)则研究了如何通过优化红外焦平面阵列的应用模式来提高导弹逼近告警系统的性能,国内航天二院二部针对高速导弹红外凝视成像导引头也开始关注变帧频变积分时间快速红外成像技术,这些设计思路对我们设计高性能和成像导引头无疑也是具有借鉴意义的。对于凝视红外成像导引头而言,为了提高探测灵敏度,以便提高对目标的探测距离,一般希望采用较长的积分时间,但在目标接近时,如果积分时间过长,会导致运动目标在红外焦平面阵列上所成图像模糊,而且如果目标释放诱饵干扰,会导致红外焦平面阵列饱和,以至检测不到目标。因此,需要根据目标和作战环境的情况自适应地控制积分时间。近年来,美国洛克希德公司开始研究智能化动态范围控制,以优化凝视红外导引头的探测灵敏度和动态范围。他们的思路是通过自适应地调整探测器积分时间和系统增益,在导引头的探测灵敏度和动态范围之间获得最佳的折衷。在对红外焦平面阵列积分时间和系统增益进行自适应控制时必须注意几个问题:(1)积分时间的变化频度和计算量的折衷;(2)在需要测得目标的辐射强度以用于目标识别的情况下(如导弹防御应用),积分时间的调整次数要适当,过多地调整积分时间,会影响到对目标辐射强度的估计;(3)如果焦平面阵列的饱和像素是由于干扰弹等干扰引起的,必须能够作出正确的判断,以避免不适当地缩短积分时间从而导致无法检测出真正的目标。在洛克希德公司提出的方案中,充分地考虑了上述问题。以色列SCD公司针对导弹逼近告警应用,研究了几种不同的积分模式——组合积分模式、多步积分模式和多积分模式。组合积分模式主要用来保证同时具有高灵敏度和大动态范围,解决高灵敏度和大动态范围的矛盾,可以得到一幅同时包括高辐射强度的物体和低辐射强度的物体的最佳图像。多步积分模式能够在单一帧内优化探测器的工作,在这种模式下,在单一帧内可实现大动态范围,这样与组合积分模式相比可以工作于更高的帧频。对于探测、跟踪高速目标的场合,需要采用高图像采样速度,帧频的主要限制是最大读出速率,这将受焦平面阵列信号处理器的限制。在多积分模式下,探测器可以在一个读出周期内采用多个积分脉冲工作,根据所需要的帧频,将积分脉冲划分成多个积分脉冲,这就可以克服探测器最大读出速率的限制。通过针对不同的使用条件采用不同的积分模式,可以最大限度地发挥红外焦平面阵列的潜能。航天二院二部针对高速导弹红外凝视成像导引头,也提出了采用自适应变帧频、变积分时间来提高导引头的远距离目标探测距离和近距离力目标成像清晰度的思路。4外来动物中的识别复杂背景条件或复杂对抗条件下的自主目标识别(截获)问题一直是困扰着红外成像导引头设计的一个难题,由于复杂背景条件下的自主目标识别问题一直没有得到很好的解决,目前大多数红外成像制导空地攻击导弹采用的都是人在回路中目标截获的作战应用方式,这样的应用方式无疑会影响到载机