基于光辐射特征的多色复合导弹侦察技术

李志伟，杨晋

（空军第一航空学院，河南信阳464000）

基于光辐射特征的多色复合导弹侦察技术

李志伟，杨晋

（空军第一航空学院，河南信阳464000）

针对现代战争中高速导弹造成的严重威胁，研究了导弹壳体及废气羽烟的热辐射特征，分析了其红外、紫外波长及光谱分布。结合目前红外焦平面技术的发展状况，提出了通过扩展工作波段，采用红外双色、多色，以及红外/紫外复合等技术，提高光电侦察系统综合性能的方法。相关装备的应用证明，多色复合侦察技术的应用对提高复杂战场环境下自身生存能力具有十分重要意义。

导弹，多色复合，光电侦察，红外，紫外

0 引言

现代战争中，由于电子对抗越来越激烈，因此，对于导弹、火箭等高威胁目标的光电侦察，尤其是被动光电侦察已成为复杂战场环境下近距离对抗中保存自己、打击敌人的最有效方法之一。而对导弹等进行光电侦察的首要任务，就是在其发射的初始瞬间及时侦察截获到目标的特征信息，并采取有效的对抗措施。多年来，人们主要通过红外探测系统对导弹进行侦察并实施告警，然而随着红外隐身及干扰技术的发展［1］，采用单一波段或某些特定波段简单复合的方式，不但侦测困难，而且准确率低，很难适应快速侦察以及对抗的要求。

为了对导弹实施有效的光电侦察，系统分析了其自身光辐射的主要特征，提出了扩展工作波段、采用多色复合等技术方法，以期达到最佳的侦察效果。

1 导弹飞行中的光辐射

由于导弹是由火箭驱动的，因此，根据是否有火箭燃料驱动，可以将其飞行过程划分为两个阶段——初始阶段和飞行阶段［2］，进一步分析其光辐射特征。

初始阶段，即导弹点火发射到发动机熄火的这一时段。该阶段导弹辐射的主要来源有4个：①火箭尾焰的可见光和红外辐射；②废气羽烟产生的红外辐射和紫外辐射；③火箭的气动加力使导弹蒙皮与空气摩擦产生的红外热辐射；④发动机尾喷管受热产生的红外辐射。

飞行阶段，即火箭熄火之后的飞行阶段。此时，导弹利用惯性继续向前飞行，其光辐射主要来源于蒙皮与空气的摩擦，以及尾喷管的余热，表现为红外辐射。

由此可见，导弹在飞行过程中除可见光之外，自身产生的光辐射不但包括红外辐射，而且包括紫外辐射。

2 导弹的红外辐射

2.1 尾焰及壳体红外辐射波长分布

导弹点火以后燃烧室工作，火箭发动机罩及尾喷管温度迅速升高，同时环境空气温度也急剧升高，产生很强的红外辐射［3］。由于导弹壳体都是金属材质，因此，可以将其看作是具有高辐射率的灰体，其辐射特性遵循黑体辐射的有关定律。

根据维恩位移定律，物体辐射光谱的峰值波长与绝对温度成反比［4］，即

式中，λm为光谱辐射度的峰值波长，单位μm；T为黑体的绝对温度，单位为K；a为2 897μm·K。

在导弹初始飞行阶段，火箭尾喷管的温度可升高到1 000 K以上，此时产生辐射的峰值波长

在导弹惯性飞行阶段，导弹壳体因气动加热产生的温度主要与导弹的飞行速度、飞行高度以及飞行时间有关。研究表明，壳体的温度与速度的平方成正比关系，速度越高，产生的辐射越强，在12 300 m的高空，热平衡时壳体的表面温度T（单位为K）与速度的关系为［2］：

式中，M为导弹速度的马赫数。

以空空战术导弹为例，其飞行速度通常为4 MHz～10 MHz，按照上述公式推算，壳体表面温度可达785 K～3 770 K，产生辐射的峰值波长为3.7μm～0.77μm，在近红外波段范围之内。

根据上述分析，针对空空导弹的红外探测器的设计应当尽量考虑采用1μm～3μm的大气窗口。

2.2 废气羽烟红外辐射光谱特征

在导弹发射的初始阶段，火箭羽烟也是一个重要的辐射来源。由于羽烟化学组分及结构的特殊性，其辐射规律非常复杂，不仅包括红外辐射，而且包括紫外辐射。

2.2.1 羽烟的化学组分

为了使导弹的火箭发动机产生更高的推力，通常使其工作在富燃料状态，此时羽烟中含有大量的可燃烧物质，这些可燃烧物质一旦得到空气中氧气的补充，就会二次燃烧。低空时，二次燃烧的温度可达到500 K以上。

燃料的羽烟中含有多种微粒，根据燃料的不同，微粒的成分有所差异。以含有13%铝的聚亚胺酯固体燃料为例，其燃烧后各种产物的重量比如表1所示［5］。

表1 聚亚胺酯固体燃料燃烧后的产物重量比

燃料燃烧过程中燃烧室温度很高，此时喷嘴及室内壁材料将会受到熔蚀，因此，废气中还可能包含有其他成分的粒子。研究表明，羽烟辐射的光谱分布与羽烟中分子种类有关，根据各组分的光谱分布可以进一步研究羽烟辐射的光谱特征。

2.2.2 羽烟的红外辐射光谱特征

通常情况下，尾焰及排出后不久的废气团可粗略地看作是一种灰体，废气羽烟中大量的高温固体微粒不但具有很强的红外辐射，而且还具有对来自燃烧室辐射的反射能力。因此，羽烟的辐射光谱主要由高温粒子辐射和散射的连续光谱相互叠加而成。同时，由于羽烟中各种粒子的直径与红外波长具有同一个数量级，因此，严格来讲，粒子的辐射不仅仅包括单纯的灰体辐射，还包括粒子的散射，其光谱辐射如图1所示。该图表示了某型含铝固体推进剂火箭的近场光谱分布情况。

图1 火箭近场光谱分布图

从图1可以明显看出，羽烟中粒子辐射和散射的连续光谱（虚线）对整个辐射起了很大作用。

除此之外，羽烟结构也是影响羽烟红外辐射光谱特征的一个重要因素。研究表明，羽烟结构与环境压力和火箭的速度有关。通常在火箭发动机尾喷口呈现一个不受干扰的锤形羽烟区，该区域内羽烟的微粒呈均匀等温分布，且温度最高［5］。

通常情况下，导弹羽烟的温度可达2 000 K～3 000 K，根据维恩位移定律可计算出其波长范围在1.45μm～0.97μm之间，这个范围的波长也在1μm～3μm的大气窗口之内。

3 导弹的紫外辐射

导弹飞行过程中产生的紫外辐射主要来源于燃料燃烧时产生的废气羽烟。

3.1 羽烟紫外辐射规律

由于羽烟化学组分的特殊性，因此，在其产生红外辐射的同时也产生一定的紫外辐射。羽烟的紫外辐射主要是热辐射与化学荧光，其中热辐射主要是由羽烟在二次燃烧时产生的大量高温Al2O3粒子引起的，而化学荧光则是化学动力学过程导致的非平衡自由辐射。

羽烟尾流中包含有大量的未燃尽燃料，这些燃料通过化学反应生成高浓度的碳、氢、氮等化合物，从而产生紫外辐射。研究表明，导弹羽烟紫外辐射的光谱强度与推进剂化学组分的分子种类及二次燃烧有关。例如，液氢/液氧推进剂产生羽烟的紫外光谱辐射强度比煤油/液氧推进剂的紫外光谱辐射强度高8个～13个数量级，且在0.28μm波长处的辐射亮度前后相差12个数量级［6］。

表2给出了某型导弹羽烟主要组分与紫外发射带的对应关系［7］。

表2 羽烟主要组分与紫外发射带的关系

从表2可以看出，导弹羽烟发出紫外辐射的波长大约在0.200μm～0.437μm之间，利用火箭发动机羽烟的这种紫外辐射特征可以实现对导弹的紫外侦察告警。

由于火箭发动机固体燃料和液体燃料在化学组分上的差别，目前国外装备的紫外侦察告警设备，通常以对固体燃料驱动的导弹侦察效果最佳。

3.2 羽烟紫外侦察特点

隐蔽性强、背景噪声低、虚警率低、与其他侦察告警系统兼容性好、无需制冷设备，对于短程空空、地空等便携式导弹还可进行全程探测，实现飞机、舰艇和坦克等末级近程全方位防御。

该侦察方式只能用于导弹飞行的初始阶段，发动机熄火后即无法对目标截获，且无法测距。因此，在光电侦察装备应用中，通常与红外等侦察方式配合使用。

4 提高导弹光电侦察准确率的途径

4.1 扩展红外工作波段

受技术限制，早期的红外光学系统大多只具有单波段工作能力，且主要集中在3μm～5μm的中波红外和8μm～12μm的长波红外，而对于1μm～3μm的短波红外还存在一定的侦察盲区，而这个波段又是对导弹侦察的最佳波段，该波段虽然受雾霾天气的影响较大，但对其他气象条件的适应性相对较强。

导弹在发射后的整个飞行过程中，只有在刚刚发射的初期，由于自身温度较低，其辐射的红外波长才有可能在8μm～12μm范围内，而这个阶段则非常短暂，因此，单一采用该波段区间进行侦察，捕捉目标的时机存在很大的局限性。随着温度的迅速升高，其辐射的红外波长也迅速缩短到1μm～3μm，且出现3μm～5μm波段的过渡时期也非常短暂，因此，增加1μm～3μm工作波段，可以延长对导弹的感知时间，尤其对于长距离奔袭而来的导弹，能够有效弥补由于探测距离限制对导弹发射初期中波红外及长波红外探测能力的不足。

在红外侦察系统中，可以根据作战任务的要求，对上述3个波段范围进行组合，采用双色或多色复合方式，设计出特定功能的探测器，满足对导弹飞行不同阶段的红外探测。

4.2 采用红外/紫外复合侦察方式

以美国的AN/AAR系列机载导弹侦察告警系统为例，其AN/AAR-44、44（V）、44A等型号均只能工作在红外波段，虽然对导弹的红外侦察告警能力较强，然而随着红外隐身技术的不断改进，对导弹红外侦察的难度也越来越大，因此，配合红外侦察，增加紫外侦察告警功能，采用红外/紫外复合的方式，是提高对导弹侦察告警准确率的有效途径。

从20世纪80年代开始，美国便对上述机载导弹侦察告警系统进行了改进，推出了针对导弹紫外告警的AN/AAR-47，该系统能在导弹到达2 s～4 s内发出警报，并能自动释放假目标实施干扰。此后又推出了AN/AAR-54（V），该系统不但增加了将导弹与假目标区分的功能，而且还将截获目标的时间缩短到了1 s左右，指向精度高达1°［5］，大大提高了战机的空中生存能力。

4.3 采用多光谱信息融合技术

导弹在飞行过程中，不同阶段表现出的光谱特征、空间特征都有一定的差别。例如在助推阶段，由于羽烟中含有混合的二氧化碳和水蒸气，具有明显的发射和吸收频谱特征，且在光谱的4μm～5μm红外波段产生特征性的“红”、“蓝”尖峰。因此，利用导弹辐射的瞬时光谱特征、时间光谱特征、空间光谱特征等，通过信息融合，可进一步判别导弹的飞行阶段、飞行状态等，提高对导弹识别的准确率。

5 结束语

近年来，非致冷红外焦平面阵列技术的快速发展，使得红外侦察系统的体积、重量、功耗等大大减少，为多波段、大口径、大视场导弹侦察系统的实现提供了可能［8］。然而，随着光电对抗的日益白热化，红外侦察与紫外侦察、电视侦察等多种侦察方式的相互融合显得更加重要，是进一步提高导弹侦察准确率的主要途径，也是未来光电侦察与光电对抗研究的一个重要方向。

［1］李江勇，王诚.机载红外探测系统的发展新思路［J］.激光与红外，2013，43（7）：794-798.

［2］付小宁，王炳健，王荻.光电定位与光电对抗［M］.北京：电子工业出版社，2012.

［3］冯云松，金伟，路远，等.红外探测系统对某型隐身飞机的作用距离分析［J］.火力与指挥控制，2014，39（1）：153-156.

［4］王小鹏，梁燕熙，纪明.军用光电技术与系统概论［M］.北京：国防工业出版社，2011.

［5］李云霞，蒙文，马丽华，等.光电对抗原理与应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2009.

［6］国爱燕，白廷柱，韩强，等.液体火箭发动机羽烟紫外辐射特性分析［J］.兵工学报，2013，34（4）：418-424.

［7］贺东雷，刘品雄，王增斌，等.紫外侦察告警技术［J］.航天电子对抗，2011，27（1）：33-36.

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Research of Multi-color Composite Missile Reconnaissance Technology Based on Optical Radiation Characteristics

LI Zhi-wei，YANG Jin
（The First Aeronautical Institute of Air Force，Xinyang 464000，China）

In allusion to the serious threat of high-speed missile in modern warfare,the heat radiation characteristics of missile crust and exhaust gas tail smoke is studied.The wavelength and spectral distribution of its infrared and ultraviolet is analyzed.Combined with the current development of infrared focal plane technology,the method of improving electro-optical reconnaissance system synthetic performance is proposed by expanding waveband,using technologies of IR double-color, multi-color,as well as IR/UV composite.The related equipment application shows that the applications of multi-color composite reconnaissance technology has great significance for improving oneself survivability in a complex battlefield environment.

missiles,multi-color composite,electro-optical reconnaissance,infrared,Ultraviolet

TN971；TJ760

A

1002-0640（2015）12-0173-04

2015-11-08

2015-01-27

李志伟（1964-），男，河南宜阳人，副教授。研究方向：光电技术及其在航空武器装备中的应用。