红外抗诱饵干扰技术研究

2020-01-14邵晓光

制导与引信 2019年2期

邵晓光

(北京遥感设备研究所,北京100854)

0 引言

红外成像制导导弹因其具有隐蔽性好、精度高等优点,在近年武器装备中得到了迅猛发展,广泛应用于各种战术常规导弹武器系统中,大幅度提高了制导武器的命中精度。在最近几次局部战争中红外制导导弹都发挥了极其重要的作用,成为威胁各种作战平台,特别是飞机的杀手锏武器。但作为红外制导导弹末制导关键设备的红外导引头在作战过程中也面临着各种复杂干扰条件下的工程应用难点。红外导引头在复杂战场环境下目标识别和抗干扰能力直接关系到武器系统的综合作战效能,是红外导引头亟需解决的关键问题之一。

红外干扰包括背景、环境干扰和人工干扰两大类。背景与自然环境干扰如天空、云彩、太阳光、地面山峦、水面的海天线、地物(烟囱、水塔等)干扰等。人工干扰又可分为主动型干扰和被动型干扰。红外抑制技术就是一种被动型的人工干扰,采用大量减少自身的红外特征和辐射能量的措施,使对方的红外导弹很难发现和探测到,减少了被攻击的可能性。主动型的人工红外干扰主要分为五类:红外诱饵弹干扰、红外干扰机干扰、“热砖”干扰、红外定向干扰和激光致盲。红外诱饵弹是用于造成一个假的红外目标的有源红外干扰器材,可从地面、飞机或舰艇上发射,诱骗地空、空空、空地和反舰导弹,使其脱离对目标的追踪。红外诱饵弹结构简单,成本较低,并且可在短时间内大量投放,造成强劲的干扰,是目前对付红外导弹的主要干扰手段。

1 红外诱饵弹及干扰机理

目前红外制导武器绝大多数为被动式的,通过探测目标的热辐射来发现、识别并捕获目标。被动式红外制导武器系统能够正常工作必须具备如下三个条件[1]:

a)入射的辐射波长应与探测器工作的波长相匹配,且入射的辐射能量大于探测器工作的灵敏度阈值;

b)目标与背景具有一定的辐射对比度,即满足如下公式

式中:C为目标和背景的对比度;IT为背景的辐射强度;IB为目标的辐射强度;

c)目标应具有足够的线度。

由此可见,如果能够改变目标和背景的辐射特性,减少两者之间的对比度,或者大幅度地衰减进入导引头红外成像传感器系统的辐射强度,都可以使被动式红外成像导引头系统受到干扰。如果干扰的强度足够大,红外成像导引头分辨不出目标的热图像,便可达到干扰的目的,如图1所示是典型的平台投放诱饵场景。

红外诱饵弹通常以镁聚四氟乙烯、镁铝氧化铁粉和镁钠硝酸盐等作为发光材料,其红外辐射波长一般为(1～6)μm,燃烧时间为(5～30)s,辐射强度比飞机大几倍甚至是几十倍,波段覆盖了飞机发动机及尾焰的辐射波段,可有效保护飞机[2]。在诱饵弹的起燃时间内,温度急剧上升,红外辐射能量快速增加,其火焰燃烧的温度在(2 000～2 500)K,光谱辐射的最大值波长在1.4μm至2.0μm之间。而在有效燃烧时间过后,诱饵的温度迅速降低,红外辐射能量快速下降并消失。干扰弹动态光谱分布与静态基本一致,但当飞机在一定飞行高度状态抛射干扰弹时,红外辐射强度变化的特征与静态时有明显差别,随着载机的飞行高度和飞行速度增大,干扰弹的红外辐射降低,上升时间和燃烧时间延长,如图2所示。

图1 典型人工干扰场景

图2 干扰弹辐射强度随高度和速度变化曲线

美国将诱饵分为四种类型:常规点诱饵、动力飞行诱饵、自燃面源诱饵、多光谱诱饵。我国国内装备的大量诱饵均为第一代常规点诱饵。该类诱饵主要以提升辐射能量、导致导引头跟踪重心偏移来实现干扰功能,主要针对空空导弹,诱饵的辐射强度在设计时考虑与战斗机的发动机辐射。提高红外诱饵弹的辐射强度、扩展红外辐射的波长和使红外辐射特性(光谱分布、辐射强度、形状大小等)更接近所要保护的目标,是红外诱饵弹当前的主要发展趋势。

2 抗红外诱饵干扰难点

防御愈强,进攻愈艰难,在如此复杂多变的电磁干扰环境下,如何提高导弹的精确打击能力和抗干扰能力,提高打击的有效性是现在精确制导武器发展的重大课题。由于红外诱饵形成场景的随机性和复杂性,在红外抗干扰技术领域存在着共性难题,尤其是诱饵长时间遮挡目标、目标机动、截获目标前出现诱饵干扰等因素会严重影响红外导引头的抗干扰成功概率。

(1)作战场景的复杂性

人工诱饵弹的投放可能处于复杂的环境下,包括太阳、月亮、云、地物以及高速飞行导弹遇到的头罩热等问题,使得本来就困难的诱饵抗干扰攻关变得更加复杂。红外场景具有的随机性、多变性,使得基于场景设计的对策存在局限性。不同的目标遭遇方式、诱饵投放时机、时间间隔以及数量等严重影响着导引头的抗干扰能力。

(2)真实红外场景获取的有限性

通过诱饵动态投放录取试验,特别是高空的投放,可获得最接近真实的干扰场景基础信息,但由于试验的进度、代价、组织和技术难度,此类试验的数据有限。根据有限的数据建立完善的场景模型,难度比较大。同时导引头的抗干扰效能是统计意义,如果采用飞行试验的考核方式,则飞行试验子样的有限性将影响评价结果的合理性,因此必须依据大量的地面仿真试验验证结果来综合评价。

(3)诱饵长时间遮挡目标带来的影响

红外导引头在抗干扰过程中,某些投放条件下诱饵与目标会存在较长时间不分离。在目标被诱饵遮挡的情况下,红外导引头只能采取已有的记忆信息对潜在的目标进行预测判断。红外导引头预测的偏差随着预测时间的变长而变大,从而引起红外导引头抗干扰概率的下降。因此,红外导引头在抗干扰对抗中要采取各种措施来解决长时间遮挡过程中的特性预测问题。

(4)目标机动的影响

从红外导引头自身能够获取的信息分析,目标的红外特性和运动特性是抗干扰的主要使用手段。目标在机动时会引起红外导引头和目标的视线急剧变化,从而导致目标红外特征和运动特性的突变。红外导引头赖以使用的对抗手段无法准确使用,引起抗干扰能力的下降。

(5)对诱饵投放时机的要求

目前,红外导引头对飞机类目标的作用距离一般在十几公里左右,此时目标属于点或者斑点目标,可使用的判断信息非常少。如果在红外导引头截获目标前就存在诱饵干扰,则红外导引头将极有可能会错误截获跟踪诱饵。因此,目前国内外的红外导引头在抗干扰试验中,均采取红外导引头稳定跟踪目标后再投放目标的试验方式,避免提前投射的诱饵弹的影响。

3 红外诱饵抗干扰技术

3.1 基于图像特征的抗干扰技术

要正确识别目标与诱饵,首先应该明确目标与诱饵成像在红外探测器上有哪些相同点和不同点。当目标探测到威胁后,由人在回路主观控制红外诱饵投放,释放的红外诱饵与目标具有相似的特性,但其与目标在辐射通量、形状以及运动特性等方面与目标还是有着或大或小的差异,这种差异正是区分目标与诱饵的依据。红外抗干扰的总体思路是基于目标与诱饵的特性进行区分,区分的前提为红外导引头必须知道自身是否处于诱饵干扰状态中,因此判断诱饵出现成为关键的一步。

根据试验数据,诱饵投放时刻,目标面积和灰度特性会出现明显的突变过程。因此,可以将目标面积和灰度总和的变化作为诱饵出现的判断依据,准则设置:当前目标的面积和灰度连续一定时间大于设定阈值即判断为干扰出现。

在远距离小目标阶段,目标经过点扩散函数成像为一个很小的亮斑,当干扰还没完全和目标分离时,导引头此时可以等待,输出原有视线转率;当诱饵和目标分离时,诱饵会出现明显的拖尾,呈现近似彗星的形状,与目标差别很大,因此可以利用此特性进行识别,剔除诱饵。

在中距离或近距离阶段,此时目标已经开始成像,可以利用以下图像特征及策略进行识别:

a)利用幅值鉴别法来判别目标和诱饵:红外诱饵形成的热图像比被保护目标红外辐射强度大若干倍;

b)形状特性:诱饵弹和舰船目标在形状细节,如宽高比、面积大小等方面有一定的区别;

c)利用灰度、外形时间序列法判别目标和诱饵:诱饵随时间的灰度变化起伏要大,外形面积变化率也要大;

d)利用相关跟踪法来剔除干扰[3]:依据多帧图像中目标灰度、大小、位置的连续性来区分;

e)如果目标被诱饵完全覆盖,目标暂时丢失,可以利用记忆外推法,通过时间演推的弹目距离预测外推目标遮挡后的红外特性以及运动轨迹,从而实现对目标的重新捕获跟踪,弹目距离与目标大小的近似关系如下[4,5]:

式中:YZ为靶机翼展长度;R为弹目距离;A为目标在红外导引头上成像大小。

基于目标信息建链的数据,开展其特性预测模块,特性拟合充分考虑弹目距离和弹目相对速度,依据目标特性与距离的相对关系,计算拟合系数。与此同时,从现有数据拟合结果可知,不同数据样本的随机性和离散性会对拟合结果产生较大的影响。且随着拟合时间的增加,预测误差也在逐渐变大。因此,在特性预测过程中,加入了目标复现特性对已有拟合系数修正的环节,始终以最新段的真实目标数据预测后续诱饵出现后的目标特性。

3.2 红外导引制导一体化抗干扰技术

目标和红外诱饵弹在红外图像上呈现的成像特性与诸多因素有关,例如成像器特性、红外诱饵弹的辐射特性、运动特性、投放方式、目标和红外诱饵弹的相对运动关系、成像器观测角度、气象条件等,由于干扰模式复杂多变,对红外导引头抗干扰技术提出极高要求。

图像处理算法经过几十年的发展已经日趋成熟,所有算法使用都具有一定的前提条件,在一定范围内的使用可以达到最好的效果,超出了该范围性能可能急剧下降。除此以外,某些特别复杂的环境下,任何算法可能都无法有效工作,此时需要从总体设计的角度进行考虑,开展红外导引制导一体化抗干扰技术研究,提升导引头抗干扰性能。

通过红外导引头与弹上控制系统的各种信息的交互,增加红外导引头可用的信息维度,为红外导引头抗干扰提供有利的平台。根据战术概率确定导弹在攻击区内发射导弹有效对抗诱饵干扰的高、低概率区,红外导引头与弹上制导控制系统配合,营造良好的目标识别和干扰对抗条件,从而实现对抗干扰能力的提升,解决红外导引头本身抗干扰的技术限制难题。

3.3 多色(双色)探测识别抗干扰技术

为简单起见,把目标、干扰弹、背景都看成绝对黑体,普朗克公式给出了绝对黑体辐射的光谱分布:

式中:为绝对黑体的光谱辐射能量;为波长;T为绝对温度;C1、C2为辐射常数。

普朗克公式计算的结果是单位面积黑体光谱辐射通量。在实际情况下,目标和干扰弹不仅具有不同的温度,而且具有不同的辐射表面积,表面积越大,同温度辐射体辐射的能量就越多。但一个辐射体在某一波长λ1上辐射能量的大小不能全面地表现其辐射温度的大小,这也就是单波段导引头很难辨别目标温度特性的原因。对于不同温度的黑体,具有不同的辐射曲线,黑体在两个波段上的辐射通量之比只与辐射通量密度有关,与黑体的辐射面积无关[6]。

对于不同温度的黑体,在不同波段具有不同的辐射曲线,黑体在两个波段上的辐射通量之比只与辐射通量密度有关,与黑体的辐射面积无关。图3给出了红外诱饵弹与飞机尾喷管的典型光谱辐射。

图3 红外诱饵弹与飞机目标典型光谱辐射

将两波长对应的普朗克公式相除,得出λ1、λ2波长处的双色比k值,k值能够表现辐射体的温度特性。双色比定义为在某个温度T下的黑(灰)体在两个波段中的辐射能量之比:

式中:MΔλ1为两个波段的灰体在大气窗口Δλ=[λ1,λ2]波段内红外辐射经大气传播到达探测器,由探测器捕获到的光谱辐射出射度;T为辐射体绝对温度(K);H(λ)为探测器的光谱传输函数;τ为红外辐射传输媒质的衰减系数,与波长与传输距离有关;ε为光谱发射率,多数应用环境中,取常数;Mλ(λ,T)为灰体在波长为λ的光谱辐射出射度,可由普朗克公式计算。

为了有效对抗红外诱饵弹的干扰,必须充分利用目标与诱饵在光谱分布特征及动态特性上的差异性,提取目标与诱饵在红外双波段图像中的双波段能量比及其变化等特征信息来对它们进行辨别,以使系统能够正确地对真实目标进行稳定的跟踪。双色比特性综合了两个波段的光谱辐射特性,具有良好的比对效果,成为区分目标和诱饵的重要特征。在导弹攻击过程中,诱饵为达到足够大的辐射强度,其温度必须远高于目标的温度,使得目标和诱饵在不同波段上的辐射强度呈现明显差异。因此,根据目标和诱饵在两个波段上积分能量比值的大小,即双色比可将它们区分出来。

多色探测识别已成为对抗红外诱饵的有效手段,对于新型多色探测识别技术而言,导引头的波段选择显得尤为重要,根据目标和红外诱饵的光谱特性研究结果,选用合适的成像波段,既可以提高探测信噪比,又可以实现有效的目标探测。

3.4 复合制导抗干扰技术

复合制导是采用两种或两种以上不同物理特性的探测器组成的制导系统。在制导时,若探测器串行使用,为复合制导;若并行使用,为多模制导或并联复合制导。任何一种制导方式都有其优缺点,如能取长补短则能趋利避害。远程精确制导武器都采用两种以上的制导方式构成复合制导系统,这样不仅能提高制导精度而且也能增强抗干扰能力。远程精确制导武器都采用两种以上的制导方式构成复合制导系统,这样不仅能提高制导精度而且也能增强抗干扰能力。在导引头设计时,采用射频和红外复合制导的体制,发挥射频作用距离远的优势实现远距离截获目标,在红外作用距离上进行射频和红外交班,发挥红外制导精度高的优势,实现对目标的精确打击。在射频或红外制导模式被干扰无法准确反馈制导信息时,充分利用另一模式的有效信息完成制导跟踪过程。

4 红外抗干扰技术未来发展趋势

上述只是列举了红外成像导引头的一些常用的抗干扰措施,当然各种抗干扰方法都有其一定的应用局限性,因此,在具体应用中应根据实际需要将多种抗干扰方法结合使用。当然,未来比较理想的抗干扰方法是从以下几个方面不断提高导引头的软、硬件水平,充分挖掘各类对红外抗干扰有利的测量信息并大力发展多模复合制导抗干扰技术。

(1)发展智能化红外成像寻的制导技术

随着人工智能、成像制导、微型计算机和自适应控制技术的发展和突破,人们已经探索研究使精确制导武器实现完全自动化和智能化的智能制导技术。智能化寻的制导是采用图像处理、人工智能和计算机技术,对目标自动探测、自动目标识别、自动捕获和跟踪实现无人化,并进行瞄准点选择和杀伤效果评估。智能化寻的制导系统的核心是导引头信号处理目标检测识别和抗干扰算法的不断优化,能够在复杂战场环境下准确识别打击目标。

(2)积极重视和推进多色/多模复合寻的制导技术的开发研究

提高抗干扰能力的一个很好的选择是发展多模复合寻的制导。复合寻的制导兼有两种或多种频谱的性能优点,既可以充分发挥各自模式的优势,又可以相互弥补对方的劣势。在战术使用上将大大提高寻的制导系统的抗干扰性能和全天候性能。在众多种复合形式中,红外成像/毫米波复合技术性能最佳。该系统光电互补,克服了各自的不足,综合了光电制导的优点,是当前世界各国研究的重点。国外复合制导技术发展的趋势可以大致看出,复合制导武器由微波雷达/红外复合为主转向毫米波雷达/红外复合[7]。