红外制导技术：空空导弹的引路者

说起制导，大家知道有红外寻的、雷达寻的和复合制导等类型，为什么单单把红外制导技术作为空空导弹的引路者来介绍呢，这主要是因为当今世界已装备的知名的空空导弹基本都是红外制导，如欧洲的IRIST-T、美国的“响尾蛇”系列及中国的“霹雳”系列等。为什么红外制导这么受重视呢？这还要从红外制导的性能讲起。

红外制导系统包括红外点源（非成像）制导和红外成像制导两大类。

红外点源制导系统通常由光学系统、调制器、红外探测器、制冷器、伺服机构以及电子线路等组成。其工作过程为：光学系统接收目标红外辐射，经调制器处理成包括目标信息的光信号，由红外探测器将光信号转换成易处理的电信号，再经电子线路进行信号的滤波、放大、处理，检测出目标角位置信息，并将此信息送给伺服机构，使光轴向着目标方向运动，实现制导系统对目标的持续跟踪。这类系统的优点是结构简单、成本低、动态范围宽、响应快，缺点是无法排除张角较小的点源红外干扰和复杂背景干扰，从目标获取的信息量太少而制导精度不高，也没有区分多目标的能力，主要用于近距空空格斗弹。

红外成像制导系统一般由红外摄像头、图像处理电路、图像识别电路、跟踪处理器和稳定系统等组成。红外摄像头接收前方视场范围内目标和背景红外辐射，利用各部分辐射强度的差别，获得能够反映目标和周围景物分布特征的二维图像信息，然后由图像处理电路进行预处理和图像增强，得到可见光图像以视频显示输出，同时将数字化后的图像送给图像识别电路，通过特征识别算法从背景信息和干扰中提取出目标图像，由跟踪处理器按照预定的匹配跟踪算法计算出光轴相对于目标的角偏差，最后通过稳定系统驱动红外镜头运动，消除相对误差实现目标跟踪。这类系统在抗干扰能力、探测灵敏度、空间分辨率等方面有很大提高，能够探测远程小目标和鉴别多目标，甚至可以实现对目标的自动识别和命中点的选择，但其结构复杂、成本高。

自从1948年第一枚红外制导导弹——美国的“响尾蛇”导弹问世以来，红外制导技术获得了大量应用和快速发展，主要分为以下几个阶段：第一阶段：20世纪60年代中期以前，这时的红外制导武器主要用于攻击空中速度较慢的飞机，其探测器采用不制冷的硫化铅，信息处理系统为单元调制盘式调幅系统，工作波段为1～3μm，灵敏度低、抗干扰能力差、跟踪角速度低。这一阶段的典型产品有美国的“响尾蛇”AIM-9B以及苏联的K-13、SAM-7等。第二阶段：20世纪60年代中期到70年代中期，探测器采用了制冷的硫化铅或锑化铟，从而极大地提高了灵敏度，工作波段也延伸到3～5μm的中红外波段，改进了调制盘和信号处理电路，提高了跟踪速度。这一阶段制导武器的作战性能得到了较大的提高，虽然还只能进行尾追攻击，但攻击区和对付高速目标的能力有很大提高，代表型号有美国的AIM-9D、法国的马特拉R530等。第三阶段：20世纪70年代后期以后，红外探测器均采用了高灵敏度的制冷锑化铟，并且改变了以往的光信号的调制方式，多采用了圆锥扫描和玫瑰线扫描，亦有非调制盘式的多元脉冲调制系统，具有探测距离远、探测范围大、跟踪角速度高等特点，有的还具有自动搜索和自动截获目标的能力。因此，这一阶段的红外制导武器可进行全向攻击和对付机动目标，代表型号有美国的AIM-9L、苏联的R-73E、以色列的“怪蛇”3等。

美国“响尾蛇”空空导弹

以上这些红外制导方式均是红外点源制导，而红外成像制导由于其结构复杂、成本高，主要用于巡航导弹、反舰导弹、空地导弹等。因此，红外成像制导技术前三代产品都是围绕巡航导弹、反舰导弹、空地导弹研制的。但美海军/空军研制的第四代空空导弹AIM-9X却是采用的红外成像制导。导引头为128×128元的碲镉汞凝视焦平面红外成像导引头。碲镉汞焦面阵探测器工作在3～5μm波段，安装在一滚动/摆动框架上。整个导引头被安装在一蓝宝石头罩内。蓝宝石是一种比氟化镁更硬的材料，这种材料不易剥蚀（特别是出现砂粒的情况下），耐冲击性能好。该导引头采用机械斯特林制冷器，这种制冷器在作战任务中没有时间限制，可使导引头连续工作很长时间，大大减少了后勤负担，也消除了制冷系统的污染问题。该导引头在称为“顶帽”的保密技术演示中，展示了较高的灵敏度。另外，增大了导引头的框架角，使导引头跟踪场有较宽范围的扩大。制导电子装置包括一个C-80数字跟踪器，还包括一惯性组件。跟踪器利用导引头探测到的精确目标图像可选择目标上的易损点。该跟踪器具有很高的抗干扰能力和极佳的杂波抑制能力。

开头提及的IRIST-T空空导弹也是采用的红外成像制导。导引头采用4×128的扫描成像阵。导引头采用了大量具有毫弧度分辨率的探测器元件，以及大规模并行和压缩处理技术，能更加清楚地区分其目标、背景红外源和目标可能发射的任何曳光弹，具有较高的判断和抗干扰能力。采用一个高效的4×128制冷锑化铟红外器件作为传感器，扫描时不需要行扫，直接采用一次帧扫描就可以获得高清晰度的数字图像，在行扫阵上，4个敏感元的信号可以分别处理，也可以叠加和差处理，前者可以将帧扫速度提高4倍。IRIS-T导弹的帧频一般高达200Hz，比西方其他的红外导引头都高，对高速目标的辨析精度和反应都是最快的，4元串列的行探测单元也可以通过累积低感度时红外信号增强红外信号的驻点时间，达到对微弱目标的增感作用。通过这样的技术手段，扫描成像可以获得并不逊色于凝视成像阵列的效果，扫描器件反而可以通过电子时分提供更好的动态清晰度。比如凝视阵的128×128扫描阵却可以提供256×128的分辨率。另外扫描阵对CCD上的元器件的静电噪声，像素亮度不均匀性不敏感，静电噪声可以通过扫积的和差自动过滤，亮度不均匀可以通过行间阻抗调整电路求平均值，并且还有4个重复行叠加，使得扫描阵的数字图像处理基础就比凝视阵好，数据处理流量小很多，元器件要求也远不如凝视阵那么高，成本优势较强。