2023国内外先进红外成像导引头发展情况.docx

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1、2023国内外先进红外成像导引头发展情况目录导读21 .红外导引头的基本介绍21. 1.概述22. 2.红外导引头的基本组成32 .红外导引头的关键技术42. 1.概述43. 2.红外探测技术44. 3.自动目标识别技术65. 4.图像实时处理技术86. 5.红外导引头的分类97. 6.红外导引头的工作流程IO3 .国外研究现状IO3. 1.美国A1M-9X导弹114. 2.英国的ASRAAM导弹125. 3.德国的IRIS-T导弹126. 4.南非的A-Darter导弹137. 5.法国M1CA-IR导弹133 .6.以色列的Python5导弹134.国内研究现状144.1. 红外探测技术1

2、44. 2.自动目标识别技术144 .3.图像实时处理技术155 .A1M-9X响尾蛇空空导弹导引头156 .标准-3导弹红外成像导引头177 .空地导弹红外多模导引头188 .评价199 .未来发展趋势2010 .感想和建议2011 .结束语20主要参考资料21导读红外成像制导导弹具有分辨率高、灵敏度高、信息更新率高等优点，能够攻击高速机动小目标、复杂地物背景中运动的目标或隐蔽目标。与上一代红外引导头相比，红外成像导引头的目标探测距离提高了一倍以上。1 .红外导引头的基本介绍1.1. 概述随着现代战争日趋信息化、智能化，战场环境日益复杂化以及作战任务需求日渐多样化，现代军事的作战理念和作战形

3、态正悄然发生着深刻的变化，实现低成本、高精度、超视距的目标打击成为现代军事任务的重要指标，而精确制导武器作为典型的信息化武器已经普遍应用于关键军事目标的精确打击任务当中，也将在未来的信息化战场上扮演着越来越重要的角色。导引头作为精确制导武器系统的核心，兼具自主搜索、识别与跟踪目标的复杂功能，能够持续输入目标信息并给出制导控制指令，确保武器系统不断地跟踪目标，进而实现对目标的精确打击。随着光电技术的不断发展，导引头工作的频谱范围己经广泛地覆盖了可见光、红外波段、毫米波、激光以及多谱段复合。因为红外导引头在制导精度、抗干扰性、隐蔽性和效费比等方面具有很大优势，已经成为先进精确制导武器广泛采用的目标

4、敏感装置之一。20世纪50年代初期，美国与苏联冷战期间军事装备与技术的竞争使红外导引头技术竞相推陈出新，而将红外导引技术最早运用于制导武器是源自1956年美国海军研制成功的第一代红外型AIM9B“响尾蛇”空空导弹。经过六十多年的发展，红外导引头已经在地空、空地、空空、地地等战术导弹武器中得到了广泛应用，其具体的发展历程根据技术特征的不同分为以下四个方面：在探测波段的发展上，经历了从近红外波段探测(13Um)到中远红外波段探测(35um,8-12Um)；在探测器类型上，经历了从非制冷硫化铝探测器、制冷硫化铅/睇化钿探测器到制冷/非制冷焦平面成像探测器；在探测体制上，经历了从光机扫描到凝视焦平面探

5、测的发展；在探测模式上，经历了从“点源”探测到“成像”探测的发展过程。关于红外导引头的历史沿革和技术路线可参考文献，本文在简单介绍红外导引头的功能、组成及其工作流程的基础上，重点结合红外导引头在红外成像探测方面的关键技术，介绍其国内外发展现状，并对其发展趋势做出展望。红外导引头是制导武器利用红外探测器连续识别、捕获和跟踪目标辐射能量实现自动寻的的制导装置，与其他类型的导引头一样，红外导引头除了具备连续探测目标的红外辐射，识别、捕获和跟踪目标的功能以外，还具有隔离弹体姿态角扰动，消除弹体扰动对位标器在空间指向稳定性的影响等能力，也可以对锁定后的目标进行自动跟踪并实时输出导引规律所需要的制导信息。

6、1.2. 红外导引头的基本组成红外导引头作为精确制导武器的关键组成部分，从结构上来看，主要由光学系统、成像系统、红外探测系统、制冷器（非制冷探测体制除外）、陀螺伺服系统以及信号处理电子线路等组成，其系统结构组成如图1所示。其中，由光学系统、成像系统、红外探测系统、陀螺伺服系统组成的光电机械系统又称作红外位标器；电子线路舱主要由信号处理电路、控制调节器电路、信息处理机等电子线路组成。位标器由子线网图1红外导引头系统结构图光学系统由整流罩、光学镜片和光敏元件等组成，其作用是实时接收和汇集目标辐射的红外线能量。成像系统根据红外导引头获取信息方式的不同，其功能有很大差异。点源探测体制分为调制盘和非调制

7、盘两种，而调制盘的作用主要是确定目标相对于导弹的位置信息并抑制目标背景的干扰，完成对探测系统所获取的目标和场景信号的分类，目标特征的提取与识别等。成像探测体制有扫描和凝视两种方式，主要是探测目标和背景之间的红外辐射的温差以及空间位置信息等，并将这些信息处理成图像信息，大大提高了红外导引头的灵敏度和热分辨率，二者最大的区别在于扫描型成像器件是一维线列分布的焦平面，而凝视型成像器件是二维平面阵列分布的焦平面。红外探测器是红外导引头的核心，是探测、识别和分析目标物体红外信息的关键部件，其能透过烟、尘、雨、雾、阴影、树丛等障碍实现全天候探测重要的远距离军事目标，根据探测机理的不同可分为制冷型探测器和非

8、制冷型探测器。陀螺伺服系统由转子、内环、外环、支架和绕组线圈等组成，其作用是使对准目标的光学系统、成像系统与光敏元件等探测系统元件，不受导弹飞行过程中弹体摆动的影响而偏离目标，对探测系统光轴进行稳定，隔离导弹弹体姿态角扰动，使位标器在空间实现对目标的稳定跟踪。电子线路系统主要集成了红外导引头信息处理系统与控制调节系统电路等（包括电压放大、滤波电路、功率放大电路），其功能是提高信息处理系统输出误差指令信号的品质并对其进行功率放大，形成跟踪目标的控制电流，同时反馈控制调节器对导引头控制回路进行校正，以此满足系统的总体任务要求。2 .红外导引头的关键技术2.1. 概述近年来，随着以机器学习为基础的图

9、像识别、目标跟踪等人工智能技术以及光电子技术、计算机技术和网络信息技术的深入发展，红外导引头在成像制导方面得到很大的提升，为了更好地适应未来信息化电子战环境，这就要求红外导引头具备更强的红外探测能力、更快的图像实时处理速度和更敏锐的电子感知能力。其中，红外成像探测技术、自动目标识别技术、图像实时处理技术等均是现阶段各个国家围绕提高制导武器系统智能化水平和抗干扰能力的重点发展方向，也是影响红外导引头系统制导精度的关键技术，对这些关键技术的国内外研究现状进行系统梳理无疑具有重要的意义。2.2.红外探测技术红外探测技术主要分为红外成像探测技术和红外非成像探测技术，虽然红外非成像探测技术经历了漫长的发

10、展历程，而且技术已经相对成熟，但是由于红外成像探测技术具备抗干扰能力更强、目标识别精确度更高、可靠性更高等优势，己然成为现代红外制导武器更受青睐的关键技术之一。不同于扫描成像依赖探测元件和扫描镜头对目标地物进行基于线列的瞬时视场取样扫描，以凝视红外成像探测技术为典型代表的红外成像探测技术采用大规模探测单元和凝视工作方式，能够连续累积目标辐射能量，此外，受制于现代先进导弹武器小弹径、大跟踪场等条件的限制，其探测组件一般体积较小、重量较轻，在目标响应上又兼具图像分辨率高、灵敏度高、信息更新率高等诸多优点，适于对高速机动小目标、无人机蜂群编队、复杂地物背景中的运动目标或隐蔽目标成像。由于省去了传统扫

11、描成像方式中的复杂光学系统和扫描部件，集成化程度高，不仅易于满足弹载要求，而且能推动精确制导武器向轻小型化方向发展。目前，凝视红外成像技术已在精确制导武器中得到广泛应用，如图2所示的美国第四代AIM-9X“响尾蛇”空空导弹采用128X128元睇镉汞凝视焦平面成像红外导引头，采用内部制冷装置对光敏元件进行冷却，导引头具有180的跟踪视场，其目标截获距离在蓝天背景下为13-16km,具有超视距、多目标选择瞄准和全向跟踪能力；此外，如图3所示的英国先进近距空空导弹(ASRAAM)也采用了128X128元制冷凝视焦平面成像红外导引头，具有多目标跟踪和全向跟踪能力；如图4所示的以色列空空导弹“怪蛇”5采

12、用了双波段焦平面阵列红外导引头和先进的制导算法，具备发射后截获和全向攻击能力，并具有极强的抗干扰能力，是目前最先进的近距空空导弹之一。图2美国“响尾蛇”AIM-9X空空导弹红外芯国图4以色列“怪蛇”5空空导弹(ASRAAM)事实上，随着飞机隐身性能的不断提高以及新型红外干扰技术的日益发展，红外成像探测技术所面临的目标信息、环境状态和任务使命均发生了深刻的变化。换言之，随着目标信息处理维度的增加，红外成像探测系统对目标检测与跟踪的信号空间己经由早期点源探测体制调制盘、十字叉、玫瑰扫)的时域一维检测发展到二维空域检测、时空域三维检测、时域三维跟踪后检测。随着这种趋势的深入发展，基于大视场和高分辨率

13、的大规格、小尺寸探测元的红外焦平面探测器需要具备更加智能的焦平面阵列的全数字化信息处理能力，有效降低数据压缩、特征提取以及数据链传输的复杂性将成为红外成像探测技术未来发展的关键所在；与此同时，结合先进信号处理和信息融合算法的多色焦平面阵列计算成像技术的广泛应用，有助于新型机载平台的“共形成像”和“超光谱成像”大幅提高目标探测和识别的能力。此外，目标分类识别的信号空间也已经由传统的波形特征识别、二维成像识别，进一步向基于空间几何特征、多光谱特征、偏振特征等构成的多维空间综合识别方向发展。因此，采用高空间分辨率成像、多光谱成像、偏振成像、多体制成像的高灵敏度多元探测器红外成像技术，发展双波段/多波

14、段复合、自适应红外焦平面阵列，以此提高红外导引头全向作用能力和抗干扰能力仍然是目前以及未来一段时间内红外成像制导技术的研究热点，而此技术发展的关键还在于有效整合红外导引头整流罩材料的“全向探测”能力和“全波段”透过能力、系统融合多光谱/全波段复合成像技术等一系列复杂问题。随着军用光电子技术的迅猛发展和微电子元器件以及微计算机技术在制导武器的成功应用，使得以扫描成像探测技术、凝视红外成像技术、双色成像探测技术、多光谱成像探测技术在内的红外探测技术迎来了更广阔的发展空间。2.3.自动目标识别技术自动目标识别技术(ATR)指精确制导武器对目标的自动检测、识别与精确跟踪，实现导弹武器发射后即可自动完成

15、寻的任务，也是精确制导武器所面临的巨大瓶颈技术之一。其发展历程始终伴随着目标识别与跟踪算法的不断进步与提高，主要经过了从统计模式识别到基于视觉的知识模式以提高自动目标识别系统的自适应能力和学习能力的发展历程。基于此背景，包含了人工神经网络、支持向量机及深度学习算法的自动目标识别技术始终朝着智能化水平的方向发展，但由于自动目标识别系统所面临的情境信息(上下文信息)、辅助情境信息(地图数据、季节/气候情报信息等)、语义信息等始终在变化，战场环境的复杂化和目标特性的不确定性等问题成为阻碍自动目标识别系统与技术发展的巨大挑战。受红外导引头系统中红外成像传感器和信息处理机等硬件条件的约束，自动目标识别相

16、关算法的开发以及系统测试在20世纪80年代的发展陷入迟滞，但人工神经网络的再次兴起，为自动目标识别算法提供了人工神经网络固有的直觉学习能力。自动目标识别技术要求系统能充分地描述目标和背景之间的微小差异，需要对目标特性以及环境变化具备强鲁棒的识别方法，而神经网络在组合计算方面所具备的巨大优势，可以有效实现对数据计算视觉和多传感器融合方法的快速优化。然而，由于自动目标识别技术的复杂性，现阶段将人工神经网络用于自动目标识别领域的主要问题还在于有限样本情况下并不能对目标的所有状态和各种背景条件下的目标识别给出人们所期望的性能，因此大量的数据采集和大数据分析手段也将成为该领域不容忽视的主要技术手段。支持向量机技术(SVM)是一种基于统计学习理论(ST1)