国外机载导弹逼近告警装备发展趋势分析

刘彤宇,闫秀生,王恒立

(1.光电信息控制和安全技术重点实验室,天津 300308；2.中国电子科技集团公司光电研究院,天津 300308)

1 国外机载红外告警装备发展情况

美国十分重视机载红外告警技术的发展,先后研制了多型红外告警设备。20世纪80年代,多元红外探测器刚刚具备成像能力,Cincinnati电子公司就研制了AN/AAR-44机载红外告警系统,该系统采用3～5 μm波段InSb线列红外探测器,扫描双光谱探测体制,可以覆盖360°方位空域。该体制系统采用的红外探测器少,单套装备覆盖空域大,因此成本较低。该系统设备数量较少,由探测设备、信号处理器。显控设备组成。但由于需要光机扫描装置,所以装备体积、质量较大,后改进为小型化的AN/AAR-44(V)。但该体制的红外告警扫描积分成像时间较长,受平台机动影响大,因此主要装备C-130运输机等大型飞机。国外红外告警设备发展情况如图1所示。

图1 国外红外告警设备发展情况

20世纪90年代,法国SAGEM、MstraBAE公司联合研制了SAMIR导弹告警系统。其采用3～5 μm波段HgCdTe线列红外探测器,扫描探测体制,单个红外探测天线覆盖方位180°,俯仰85°空域,左右机翼各装备一个,形成360°方位空域覆盖。该系统采用了较为先进的信号处理方法,适应大机动平台运动影响,装备了幻影2000战斗机和“阵风”战斗机。法国泰雷斯(Thales)公司研制了Elix-IR红外告警设备。

21世纪伊始,面阵凝视红外探测器广泛应用于机载平台。美国研制了AN/AAQ-37机载分布孔径红外告警系统(DAIRS),装备F-35战斗机。2009年德国研制了双色红外告警系统,装备A400M运输机。以色列利用单杜瓦内集成双探测器的形式,研制了双色红外告警系统。美国海军为机载平台研制了双色红外告警系统MIMS。美国空军开展了新一代机载红外告警技术研究,采用了双色红外告警体制,并集成了激光告警[1]。

2 红外与紫外机载导弹逼近告警设备的综合对比

空空导弹的尾焰具有较强的红外和紫外波段辐射,因此红外与紫外都是机载导弹逼近告警的优选工作波段。长期以来,各国研制了多种紫外导弹逼近告警和红外导弹逼近告警装备。

在太阳的紫外辐射光谱中,有一个特定的波段几乎全部被大气层所吸收,因此在接近地表的大气中称这一波段为紫外日盲带。机载紫外告警就选择工作在这一波段,因此具有探测背景干净、简单的突出优势。与此相反的是,在太阳的红外辐射光谱中,在红外探测的主要波段,太阳辐射都经过大气层传输到地球表面,并与地表的红外辐射一起形成了机载红外告警的复杂背景,并且越是接近地表,其复杂显示度就越高。相比较而言,紫外告警的信号处理和目标提取算法也相对简单,除一些人造高温物体外,紫外告警几乎不受环境因素影响。另一方面,因为紫外告警选择的日盲波段的大气透过率很低,因此其作用距离比红外告警近一些。

空空导弹的飞行速度通常在2 Ma以上,在高速飞行过程中,气动加热可使其弹体温度达到数百开以上,同时产生一定强度的红外辐射,这是对其实施导弹逼近告警的另一个重要红外辐射源。空空导弹攻击目标的飞行过程,实际上可分为受发动机助推的主动段和发动机关闭后的被动段两个阶段。其中,主动段时间较短,这一阶段导弹发动机尾焰可同时发出红外和紫外辐射；而在被动段,导弹主要是靠惯性飞行,不再产生紫外辐射,但其气动的红外辐射依然存在。因此,紫外导弹逼近告警无法探测到被动段导弹,而红外导弹逼近告警则既可以探测主动段导弹,也可以探测被动段导弹。

从装备形态上看,红外探测器需要在低温环境下工作,而且由于红外告警的背景复杂,信号处理难度大,因此,红外告警设备在体积、重量、功耗等多项性能指标及成本指标方面均不及紫外告警设备。

国外的机载导弹逼近告警,主要装备于大型固定翼飞机、旋翼机,以及部分战斗机。如美国的C-17等运输机,紫外告警主要解决在其起降过程中对来自地面近距便携导弹的探测。直升机上装备的紫外告警设备数量较多,主要解决对近距便携导弹和直升机空中作战的导弹威胁。以色列、芬兰、瑞士、瑞典、韩国等国家从实战出发,在F-16、F/A-18、A-10等高速战机上装备了紫外告警设备。总的来看,紫外告警在应对空中、地面近距威胁方面具有一定优势,未来需进一步提升探测灵敏度以致增强其作用距离,并有效解决人造光源干扰的滤除问题。可以预见,紫外告警装备将长期存在,并将大批量装备各类作战飞机。

机载红外告警作用距离较远,全程探测能力较强,主要装备于各型战斗机和运输机等,用于在空战过程中进行导弹逼近告警探测。另外,由于红外告警设备兼具对地、空景物和空中目标的探测能力,因此也被用于对飞机周围进行态势感知探测。[2-6]

3 国外飞机平台对红外告警的技术需求分析

探测距离、反应时间、探测概率、虚警率等是决定机载红外告警装备性能的关键指标。随着红外探测技术的发展,探测灵敏度、分辨率逐渐提高,信号处理和算法能力越来越强,这些利好事件将为进一步提高机载红外告警装备的性能发挥重要作用。飞机平台的自卫对抗作战,对导弹逼近告警装备的需求也越来越迫切,对其告警性能的要求也是越来越高,主要表现在以下几个方面。

3.1 距离测量能力需求

由于飞机平台的对抗资源有限,因此必须实施高效对抗。来袭导弹的距离信息是实施对抗动作的重要依据。从原理上分析,红外告警系统通过接收到的目标强度、成像尺度可以粗略判断距离,但由于目标的种类多样,发动机辐射过程差异,以及导弹飞行姿态等造成的目标辐射变化十分复杂,所以距离判断精确度较低。通过光谱分析方法可以粗略地获取距离信息[2],但理论尚未得到充分的实验验证。尽管实现精确测距尚有一定技术难度,但飞机平台对于目标距离信息的需求是十分明确的。

3.2 威胁识别能力需求

飞机平台需要依靠红外告警系统判断导弹的威胁情况,包括导弹是否攻击本机,以及自卫对抗实施后导弹是否仍旧存在威胁。从红外探测技术原理看,通过判断导弹的辐射变化可以粗略分析出导弹是否逼近本机,但由于前述导弹红外辐射的变化非常复杂,所以精准的威胁识别能力对红外探测技术来说存在一定难度。

3.3 态势感知和目标识别能力需求

由于红外探测技术具备对飞机平台周围的飞机、导弹及各类实体目标的探测能力,所以自然成为态势感知能力的重要载体。这就需要红外告警设备不仅探测识别来袭导弹目标,还需要探测飞机、导弹等各类目标,并具备一定的类型识别能力,为飞机平台提供周围态势信息。这会极大地增加信号处理和算法的复杂度。

图2 国外某型机载分布式孔径系统感知火力发射事件

3.4 火控引导需求

由于机载红外告警具备全空域探测能力,采用大面阵凝视体制的红外告警分辨率也较高,所以空战中发现全空域目标能力较强,具备引导武器发射的潜力。尤其是未来空战中导弹越肩攻击将成为一种重要的战术过程,这需要对侧方和后方目标的信息,在飞机平台上通常只有红外告警具备这种能力。

3.5 导航需求

飞机在进场着陆过程中,飞行员对跑道的观测受到天气等各种因素的影响。机载红外告警设备的成像探测方式可以实现对地面景物的红外成像探测,并可以通过图像处理算法对跑道进行自动识别和标识,甚至有可能精确测量跑道的对准参数。红外告警的这种探测能力使得其具备飞机进场导航的潜力。

3.6 图像监视需求

美国F-35飞机的分布式孔径系统将六个传感器的图像拼接成全空域图像,再按照飞行员头部动作,把局部图像显示在飞行员的头盔上,使飞行员具备了看穿“地板”的能力。由于F-35飞机的分布式孔径系统的分辨率已经达到毫弧度级,其图像细节完全支持对近距飞机的目视观测。图像监视功能可以更加直观地为飞行员展现友机、敌机及各类目标的方位,必将成为机载红外告警的重要功能之一,并且需要采用多种处理算法支持图像的可视度。在图像监视的同时,采集记录被攻击目标的图像,可以实现打击效果评估,这些是都传统机载红外告警不需要的。

3.7 系统架构需求

受飞机平台装机要求的制约,机载红外告警系统的系统架构、分机功能、体积、重量都必须在平台上整体考虑。F-35飞机的分布式孔径系统由于采用图像拼接显示等体制,必须采用中央处理的方式,即六个传感器的图像送到中央处理机统一处理。该架构对于处理资源优化有重要意义。另外由于飞机对激光威胁的探测需求,激光告警也逐渐装备各国战机。从平台气动、隐身等角度分析,将激光告警与红外告警在结构上融合,以减小机身设计难度,具有重要意义,因此红外告警与其他光电探测设备整合也是重要的系统需求。

4 国外机载红外告警技术发展趋势分析

4.1 机载红外告警系统功能发展趋势

近程全空域探测的技术特点,以及红外波段探测可以探测到任一物理实体的能力,决定了机载红外告警系统必将承担起飞机平台的更多探测任务。从未来空中实战应用出发,机载红外告警有可能发展成为近程全空域的态势感知、火控、监视装备,并兼具导航功能。飞行员可以通过该系统感知周围敌我态势,来袭导弹威胁、激光威胁；可以清晰判断导弹威胁程度,及攻击本机的态势；可以通过该系统提示的目标信息引导导弹攻击目标,甚至对侧、后向目标实施导弹越肩攻击；可以利用图像监视观察空中各目标的图像信息,并在算法辅助下通过图像信息识别其目标种类、飞行状态,推断其威胁程度；通过该系统实现跑道定位,辅助飞行员在低能见度情况下的进场着陆。总之,机载红外告警系统将逐渐发展成为机载平台近程综合态势感知系统[7-10]。

4.2 机载红外告警系统技术体制趋势

线列扫描的红外探测体制虽然易于实现多色,但是由于其成像时间较长,所以对导弹等高速目标探测过程中,探测得到的图像帧数较少,而且帧间目标方位、形态变化较大,这给目标提取算法带来较大困难。另外扫描体制光机结构复杂,运动部件较多,体积重量较大,在飞机平台上可靠性、适装性较低。未来凝视体制将成为机载平台主要的的红外告警体制[11-13]。

4.3 探测波段发展趋势

美国的海军研制的MIMS系统采用了中波红外双色的探测体制,可以根据不同的波段特征识别目标,实现低虚警率探测。随着中波红外双色探测器的出现,中波红外双色探测体制将进一步拓展应用。针对未来态势感知、图像监视的需要,探测波段将进一步向多波段发展,拓展可见光波段可以实现高分辨率昼间态势感知,夜间也可以远距离探测飞机和导弹的尾焰。目前千万像元的彩色CMOS探测器和高灵敏度大面阵CCD探测器已经应用于民用产品。未来其体积小、分辨率高、探测能力强的优势有可能在机载系统中展现。红外与可见光融合后的图像显示效果将优于单独的红外图像,从而在为飞行员提供高清晰图像的同时,体现出目标的红外辐射状态。美国的直升机、坦克载火控系统中应用了红外与可见光的融合图像观察功能。红外与可见光的融合还对降低虚警、识别目标有帮助。

4.4 多功能复合趋势

技术的发展必将逐渐满足需求,态势感知也必将实现对距离的感知能力,因此不论采用激光测距、雷达测距或其他测距体制,红外告警与测距技术的复合将成为必然,以形成近程三维立体感知能力。目前地面、机载火控系统中广泛使用了激光测距,并且激光测距意味着本机已经被火控系统跟踪锁定,因此激光威胁信号对飞机平台是比较严重的威胁信息。对激光威胁信号的告警已经广泛装备在各类飞机上,并与导弹逼近告警相复合。如美国的AN/AAR-47告警设备就将紫外告警与激光告警复合在一个设备中。这对于光电装备的系统设计、分机装机布局是非常合理的。从光学材料上看也是可行的,目前主要的激光波长与红外波段的探测可以共窗口。可以预见,未来的机载态势感知系统中激光告警等光波段辐射接收装备将向复合方向发展[14-16]。

4.5 系统架构发展趋势

未来先进战机的分布式孔径系统采用中央处理架构,随着红外告警系统复合波段、探测方式的多样化,部分探测方式的信号以脉冲实时响应为处理基础,需要分布处理,即每个探测分机需要在本地有一定的处理能力。同时,由于探测器像元数的增加,未来每个探测分机将形成海量的图像数据,这些数据只能集中到处理资源丰富的中心处理机上处理。这样未来的处理架构将形成中心加分布的格局。这样的架构既能满足处理的需要,又能保证分布式探测分机的体积、质量功耗较小。

5 总 结

紫外导弹逼近告警的功能、性能不受背景影响,在探测近距导弹发射方面有明显优势,并且体积小、成本低,针对近距导弹威胁,未来将持续大量装备大型飞机、直升机和部分战斗机。红外告警除完成传统的导弹逼近告警外,将在飞机平台上承担起近程态势感知的任务。未来的机载态势感知系统将更加复合化,实现红外、激光、可见光多波段的探测复合,为飞行员提供三维威胁态势、火控引导、全空域观察、进场导航等能力。