未来防空导弹的发展

未来防空导弹的发展

1气动热系统的学效应研究在第一层高速地壳中的军民光学效应可分为三个方面：益气热效应、动植物热辐射效应和光学图像传输效应。文中就这些效应产生的机理作一简要分析。1.1窗口制冷方式导弹在大气层中高速飞行时,导引头头罩上将产生严重的气动加热现象,驻点温度可达3000K,侧壁表面热流可达1000W/cm2量级。为了校正(克服)这种热效应对头罩的热破坏作用,保证导引头正常工作,采用了侧面开光学窗口的技术措施,并且导弹在初制导、中制导阶段采用外层保护罩进行保护。尽管如此,侧窗表面仍产生热流高达300W/cm2的热效应。若不采取制冷措施,光学窗口材料难以承受如此大的热流。目前窗口制冷的方式有两大类:一为外冷,二为内冷。外冷分为外部主动吸热冷却和外部薄膜隔热冷却两类。从分析知,外冷方式可以实现窗口的冷却,但产生强的流场扰动而形成强湍流,不利于目标图像的传输,因此外冷是国外早期选用的窗口制冷方式,现已基本转入采用内冷方式进行窗口冷却。内冷方式,就是在窗口材料内部形成制冷通道,通过流入的制冷介质相变而加热升温实现吸热,对于内冷方式的工程可行性将取决于内冷窗口制作工艺可行性。其关键的工艺包括:大尺寸、高透过、高强度窗口材料的生成,窗口内冷制冷管道的加工,窗口材料表面金钢膜的制作以及“二元”内冷窗口的工艺。1.2导引头红外辐射模型当红外成像末制导导引头以高速在大气层内飞行时,将产生高温激波。激波辐射谱段覆盖从紫外到长波红外。一般来说,导引头工作带宽的选择除考虑激波辐射特性以外,还要综合考虑目标辐射、窗口的热辐射、阳光及大气辐射、大气透过率、飞行体内部热辐射和探测器热噪声等。可见一个简单的导引头红外辐射模型应包括:目标特性、激波热辐射和窗口热辐射。激波辐射是一个分子辐射过程,它不外乎是由旋转、振动和电子能级跃迁引起气体辐射。电子能级跃迁(包括原子与约束电子、离子与自由电子、自由电子之间的能级跃迁),其辐射一般在紫外、可见光到近红外谱段。气体分子的旋转能级跃迁将产生长波红外辐射。气体分子的振动能级跃迁将产生2～25μm的红外辐射。激波辐射是否是导引头的一个主要噪声源将取决于导弹飞行速度、飞行高度和飞行姿态等。可见开展气动热辐射对导引头信噪比影响的数学仿真工作,进行气动热辐射的抑制技术研究,提高导引头信噪比是一项十分重要的工作。1.3湍流层和物面层由于来流与头罩表面的相互作用,形成一个密度和温度分布不均且不断变化的流场,从外向里分别为波前自由流场、激波层、波后低密度层、湍流层和物面附面层等。将这种复杂的变化流场分作层流流场和湍流流场来进行光学图像传输效应分析。层流流场产生像偏移和像模糊。湍流流场将产生像的抖动、像的模糊、像的散射。另外光学侧窗口受热冲击、气压冲击的作用将产生热应力、应力、热变形等。光线穿过这样的窗口也将产生像模糊。为了提高高速导弹红外成像末制导作战性能,必须弄清流场与光学图像传输之间的关系,进行光学图像传输效应的校正。2校正技术技术由于气动光学效应的复杂性,采用单一校正技术很难完成气动光学效应的校正,需要采用综合的多模式校正技术。从目前的情报检索和对气动光学效应产生机理的理解与认识水平看,对气动光学效应的校正将需要采用光学技术(如自适应光学技术、光谱学技术)、电子学技术(各种信号校正、自适应滤波、卡尔曼滤波)和各种图像处理技术等。下面就气动光学效应校正技术所采用的技术途径作一分析介绍。2.1文化流场的波前畸变目前导引头光学系统一般是对无穷远目标成像消像差的。一旦它随高速导弹飞行时,其窗口外流场平均分量相当于一个透镜效应,使导引头对目标的成像产生新的像差而模糊。产生的轴向像差ΔL′对应的波前畸变为ΔW:ΔW=n′D22f′2∫ΔL′d(h2D0)ΔW=n′D22f′2∫ΔL′d(h2D0)式中D——导引头接收孔径;f′——导引头光学系统焦距;n′——导引头光学系统像方折射率,n′一般近似取1;h——入射光线在入瞳上的高度。假定将接收像面沿光轴方向移动Δl,那么产生的波前畸变修正量为:ΔW=n′2f′2Δl×h2ΔW=n′2f′2Δl×h2若移动接收像面产生的波前畸变ΔW与流场平均分量产生的波前畸变ΔW符号相反数量相等,于是不应存在波前畸变。实际上,这是不可能的,因为平均流场产生的波前畸变也随弹体姿态、飞行速度、高度等发生变化,而我们也只能对其平均部分进行优化。不妨设校正后存在的剩余程差OPD为Q(X,Y),那么对应的点扩散函数为:PFS(θX,θY)=16π2D4×|∫−D/2+D/2∫−(D/2)2−X2√+(D/2)2−X2√dydxe−ikQ(x,y)eik(θXX+θYY)|2ΡFS(θX,θY)=16π2D4×|∫-D/2+D/2∫-(D/2)2-X2+(D/2)2-X2dydxe-ikQ(x,y)eik(θXX+θYY)|22.2自适应变积分时间对于高速导弹在弹目相对距离较远时,探测距离是一个主要因素。探测距离越远,给导引头的反应时间越长,对导弹中末制导交班,末制导系统工作有利。此时目标在几十公里远,导引头看到的为一点目标,于是目标的细节不是主要因素,重要的是尽可能提高导引头的探测距离。一般来说红外导引头的探测距离在其它条件(如接收孔径、工作波长和探测器灵敏度D*等)不变的情况下,作用距离R与积分时间τ的关系为:R=kτ√R=kτk为与导引头光学系统参数、目标辐射强度相关的常数,由上式知,当导引头探测器的积分时间增加时,导引头的作用距离将增加。在一定的帧频条件下,红外凝视器件的积分时间变化是一定的。而在较远距离时,导弹目标相对角速度较小,因而为了提高目标信号积累时间,还可以降低帧频,最大限度地增长积分时间。不过遗憾的是,积分时间的增长将带来新的问题,如因目标的运动带来像点运动,使图像模糊,流场的脉动带来图像的抖动使图像模糊等,因而可以通过图像的灰度加权平均来求其真实的目标像点位置,以解决因积分时间过长带来的像模糊问题。当导弹不断接近目标时,导弹目标之间相对角速度增大,因而必须提高导弹制导控制信息率,使导引头能有效地指向目标。另外,随着弹目相对距离的接近,导引头对目标的成像开始由点目标变成面目标,最终变成图像。在最后的制导阶段,图像的细节信息变得尤其重要。此时目标的辐射信号已相当强烈,传统的导引头采用自动增益控制来抑制强的目标辐射。而红外成像导引头可通过减小积分时间来实现,这种方法带来两个好处:一是实现了对目标辐射信号的自动增益控制,二是提高了图像的清晰度。对于高速导弹来说,红外成像的积分时间对图像清晰度的影响更大。这是因为:首先,在相同的近距离条件下,高速导弹目标相对角速度比一般导弹与目标的相对角速度大得多,于是目标图像在像面上移动的角速度也大得多,产生的像模糊也大得多,即:ΔB=θMTf′τΔB=θΜΤf′τ式中ΔB——产生的图像模糊;θMT——导弹-目标相对角速度;f′——导引头焦距;τ——导引头成像帧积分时间。再次,由于高速导弹窗口外流场存在强的湍流效应,而产生密度脉动,从而引起图像的抖动,抖动的频率高达10-6Hz,因而帧图像积分时间的长短将直接影响图像的清晰程度。积分时间越短,图像越清晰,在微秒级的短曝光时间内导引头可以克服湍流影响而对目标清晰成像。但清晰的图像具有很高的抖动频率。于是可见,对于高速导弹可采用自适应变积分时间来提高导引头的远距离探测范围,近距离的目标成像清晰度。随着导弹目标相对距离的接近,在保证一定信噪比的前提下,自动改变导引头的帧频和积分时间。2.3激波辐射强度与波长的关系背景抑制技术将涉及三方面的内容。首先合理选择窗口及其制冷形式。这是因为窗口及其制冷形式将直接影响窗口及激波的辐射,直接影响窗口外的流场光学特性,因此,高速导弹光学头罩既要考虑高温隔热制冷的需要,又要考虑制冷方式对气动光学效应的影响,将两者兼顾起来,进行优化设计。其次,高速导弹光学头罩外的激波辐射为分子辐射,具有较稳定的不同离散光谱,因此可以根据激波辐射光谱特性进行激波辐射抑制的技术,屏蔽掉激波的辐射峰值,使之不被导引头接收,而提高导引头的信噪比。再次激波的红外辐射、窗口的红外辐射以及窗口外的流场光学特性与工作波长密切相关。对于给定的波前畸变λ、密度起伏相关长度lc流场及导引头的光学接收孔径而言,湍流产生的弥散最小值对应的工作λv为:λv=2πλ2lnD/lc√λv=2πλ2lnD/lc从提高信噪比的角度,导引头工作波长应选在激波辐射强度分布的低谷。但实际上,两者很难一致。因而要根据导弹飞行弹道特性建立激波辐射与工作波长之间的关系和像模糊与工作波长之间的关系,在此基础上进行导引头工作波长优化分析,选择合理的导引头工作波长。2.4设置了大量的自适应校正综合模糊识别分析技术即采用图像相关处理、模糊识别、图像灰度统计分析、数字图像重构等信号处理手段来进行气动光学效应的分析处理。另外,对于图像高频抖动分量要采用各种滤波技术(如高/低通滤波、自适应滤波和卡尔曼滤波技术)等。还可以对图像进行傅里叶频谱分析,寻找与目标的相关特性,实现对目标的特征点识别和跟踪。总之,受导引头空间体积及气动光学效应复杂性