紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計的若干問題

0新一代紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計的不足近年來，隨著有效控制武術(shù)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位不斷提高，華北成像技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用越來越受到重視。隨著作戰(zhàn)任務(wù)和環(huán)境的復(fù)雜性，正確制作武術(shù)的要求也越來越高。這就要求紅外成像指南具有高的檢測靈敏度、高的空間分辨率、大的動態(tài)范圍、目標(biāo)識別能力、抗干擾和戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)性等。精確制導(dǎo)武器對紅外成像導(dǎo)引頭的越來越高的要求,給紅外成像導(dǎo)引頭的設(shè)計帶來了挑戰(zhàn),在高性能的紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計中,以下幾個問題是值得給予充分重視的。(1)對導(dǎo)彈飛行特性、作戰(zhàn)使命和目標(biāo)、環(huán)境的適應(yīng)性(2)紅外成像導(dǎo)引頭的權(quán)衡設(shè)計問題(3)紅外焦平面陣列的優(yōu)化應(yīng)用問題(4)復(fù)雜背景或?qū)箺l件下的自主目標(biāo)識別問題1目標(biāo)攻擊的方式紅外成像導(dǎo)引頭的應(yīng)用與導(dǎo)彈飛行特性、作戰(zhàn)使命、目標(biāo)與環(huán)境特性有著密切的關(guān)系,因此,在紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計中,必須充分重視導(dǎo)引頭對不同的導(dǎo)彈飛行特性、作戰(zhàn)使命、不同類型的目標(biāo)和復(fù)雜的戰(zhàn)場對抗環(huán)境的適應(yīng)性。用于對地面目標(biāo)攻擊時,必須考慮是采用人在回路中目標(biāo)截獲還是采用自主目標(biāo)截獲,如果作戰(zhàn)使命要求采用自主目標(biāo)截獲,必須考慮如何從復(fù)雜的地物環(huán)境中自主識別出目標(biāo);對海面目標(biāo)攻擊時,必須考慮如何適應(yīng)復(fù)雜的干擾對抗環(huán)境和惡劣氣象條件;對空中目標(biāo)攻擊時,需要考慮如何對抗多種人為干擾;對空間目標(biāo)攻擊時,需要考慮如何識別空間目標(biāo)和誘餌,如何滿足實現(xiàn)直接碰撞殺傷的精度要求。針對不同的導(dǎo)彈飛行特性,需要綜合考慮在高速飛行條件下導(dǎo)彈速度、頭部外形、力學(xué)環(huán)境等因素的影響,根據(jù)導(dǎo)彈飛行速度選擇適當(dāng)?shù)念^罩材料、形狀,并選擇導(dǎo)引頭是采用前置探測還是側(cè)窗探測。在大氣層內(nèi)高速導(dǎo)彈應(yīng)用中,必須充分考慮到高速導(dǎo)彈成像探測氣動光學(xué)效應(yīng)給紅外成像末制導(dǎo)帶來的不利影響。2紅外成像導(dǎo)引頭難題紅外成像導(dǎo)引頭是由頭罩、光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測器組件、框架及伺服穩(wěn)定機(jī)構(gòu)及圖像識別、跟蹤處理機(jī)和制導(dǎo)信息形成器組成的光、機(jī)、電一體化系統(tǒng),如何根據(jù)導(dǎo)彈系統(tǒng)總體要求選擇適當(dāng)?shù)慕M件,并將這些組件綜合成一個能夠全面滿足總體要求的紅外成像導(dǎo)引頭牽涉到一系列權(quán)衡設(shè)計問題(如波段選擇問題、體制選擇問題(光機(jī)掃描體制或凝視體制、被動成像體制還是主動成像體制、框架式穩(wěn)定跟蹤體制或彈體固聯(lián)式捷聯(lián)體制)、導(dǎo)引頭視場與空間分辨率的折衷問題。過去在進(jìn)行導(dǎo)引頭總體設(shè)計時往往是根據(jù)理論分析、以往的經(jīng)驗和一些試驗進(jìn)行波段選擇、體制選擇、導(dǎo)引頭視場與分辨率的確定,近年來隨著對紅外成像導(dǎo)引頭系統(tǒng)和組件及其目標(biāo)與環(huán)境特性和大氣傳輸特性等外界因素的分析、研究的深入和計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展,國外開始采用紅外成像導(dǎo)引頭權(quán)衡設(shè)計模型、軟件來進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計,由于使用了這種計算機(jī)輔助權(quán)衡設(shè)計工具,而且可以不斷地完善軟件的各種功能模型,對提高紅外成像導(dǎo)引頭的總體設(shè)計效率很有益處。2.1.3.3不同紅外波長的紅外信號波段選擇是進(jìn)行紅外導(dǎo)引頭總體設(shè)計時首先必須考慮的問題。在確定紅外成像導(dǎo)引頭的工作波段時需要考慮到多種因素:(1)在不同的紅外波段的目標(biāo)與環(huán)境特性及大氣傳輸特性:(2)對導(dǎo)引頭的自動目標(biāo)識別能力、抗干擾能力等要求;(3)不同波段的紅外探測器的性能;(4)不同波段的光學(xué)系統(tǒng)、整流罩的性能及導(dǎo)彈氣動加熱對頭罩性能的影響;(5)采用不同的紅外波段系統(tǒng)的性能價格比。在進(jìn)行波段選擇時必須綜合考慮到上述各種因素進(jìn)行權(quán)衡。對紅外成像制導(dǎo)防空導(dǎo)彈而言,導(dǎo)引頭所要探測、跟蹤的是飛機(jī)目標(biāo),在迎頭探測、跟蹤飛機(jī)目標(biāo)時,目標(biāo)的輻射能量主要在8～12μm長波紅外波段,在側(cè)向、尾向探測、跟蹤目標(biāo)時,目標(biāo)的輻射能量主要集中在3～5μm中波紅外波段,再考慮到3～5μm中波紅外波段的光學(xué)系統(tǒng)、頭罩的性能及導(dǎo)彈氣動加熱對整流罩性能的影響,3～5μm中波紅外波段的紅外焦平面陣列探測器的規(guī)模、均勻性等性能,以及不同天氣條件下的大氣傳輸性能,大都選擇3～5μm中波紅外波段。但近年來,為了提高防空導(dǎo)彈對抗復(fù)雜光電對抗措施的能力,國外也開始發(fā)展雙波段紅外成像導(dǎo)引頭,針對紅外干擾的輻射特性,大都選取中波紅外和短波紅外波段。對反導(dǎo)動能攔截彈而言,末段高層攔截所要對付的是再入大氣層的彈道導(dǎo)彈彈頭,目標(biāo)溫度較高,因此,美國的THAAD和以色列的箭-2都選擇了中波紅外焦平面陣列凝視導(dǎo)引頭。中段攔截要對付的是在大氣層外飛行的彈道導(dǎo)彈彈頭,目標(biāo)溫度較低,因此,美國的地基中段攔截彈EKV和海基中段攔截用標(biāo)準(zhǔn)-3LEAP均選擇了長波紅外焦平面陣列凝視導(dǎo)引頭,為了解決中段攔截的目標(biāo)和誘餌識別問題,EKV還選擇了兩個長波紅外波段,標(biāo)準(zhǔn)3的攔截器紅外導(dǎo)引頭也準(zhǔn)備采用兩個長波紅外波段。助推段攔截要解決硬彈體和尾焰的分辨問題,因此,美國正在發(fā)展的助推段動能攔截彈KEI選取的波段很可能是長波紅外和中波紅外或長波紅外和短波紅外兩個波段.對紅外成像反艦導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈及空地戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈,由于目標(biāo)的輻射能量主要在8～12μm長波紅外波段,在采用光機(jī)掃描紅外成像體制時,基本都選擇8～12μm長波紅外波段。然而,近年來機(jī)載對地目標(biāo)瞄準(zhǔn)用前視紅外成像系統(tǒng)選用凝視型焦平面陣列中波前視紅外,原因在于:雖然常溫地面目標(biāo)的紅外輻射的峰值波長在長波紅外波段(大約10μm),其紅外輻射在長波紅外波段所占比例較高,但背景環(huán)境的紅外輻射的峰值波長也在長波紅外波段,因此背景環(huán)境輻射較強(qiáng),在長波紅外波段目標(biāo)和背景的對比度較低,而且由于背景較強(qiáng),采用長波紅外焦平面陣列凝視探測時,探測器積分時間不能長,否則會造成探測器輸出飽和,探測器積分時間一般取微秒級,這樣,目標(biāo)紅外輻射在長波紅外波段較強(qiáng)的好處基本上被積分時間短抵消了。而選用中波紅外波段,則由于背景環(huán)境在中波紅外波段的輻射較弱,探測器積分時間可以取得較長,達(dá)毫秒級,這樣可以彌補(bǔ)目標(biāo)蒙皮在中波紅外波段輻射較弱的問題。再加上長波紅外焦平面陣列探測器的均勻性較差,比探測率相對中波紅外焦平面陣列探測器也低,且成本比中波紅外焦平面陣列探測器高得多。因此在空地制導(dǎo)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈中采用凝視式中波紅外成像導(dǎo)引頭可能更為可取,KEPD-350空地導(dǎo)彈采用的就是中波紅外波段,其紅外焦平面陣列探測器為256×256InSb焦平面陣列。但對紅外成像制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈而言,由于要考慮到陽光反射造成的海面亮帶的影響,采用長波紅外成像導(dǎo)引頭或長波/中波紅外成像雙波段導(dǎo)引頭更為可取。2.2外來人車外成像結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和完善,促使外紅外成像導(dǎo)引頭究竟是選擇光機(jī)掃描體制還是凝視焦平面陣列體制、采用框架式穩(wěn)定跟蹤體制還是彈體固聯(lián)式捷聯(lián)體制也是需要權(quán)衡考慮的問題。從理論上講凝視式焦平面陣列體制無論在靈敏度方面還是可靠性、輕小性等方面均優(yōu)于光機(jī)掃描體制,但這要取決于探測器的性能水平,如果焦平面陣列的均勻性不好,則凝視式導(dǎo)引頭在靈敏度方面與光機(jī)掃描式導(dǎo)引頭相比并無優(yōu)勢可言,好在近年來紅外焦平面陣列的非均勻性問題已經(jīng)解決,再加上采用高效的非均勻性校正處理,紅外凝視成像導(dǎo)引頭的探測靈敏度較光機(jī)掃描紅外成像導(dǎo)引頭的探測靈敏度有顯著的提高。焦平面陣列探測器的價格也影響著人們對是否采用凝視視焦平面陣列體制的選擇。近年來隨著大面陣中波紅外焦平面陣列探測器的陣列規(guī)模和性能的提高和成本的下降,已經(jīng)有多種紅外成像制導(dǎo)防空導(dǎo)彈和空地導(dǎo)彈采用凝視焦平面陣列導(dǎo)引頭,在近年來發(fā)展的反導(dǎo)攔截器的紅外導(dǎo)引頭中采用的都是紅外凝視成像體制。目前的紅外成像導(dǎo)引頭大都采用框架式穩(wěn)定平臺實現(xiàn)小瞬時視場導(dǎo)引頭的大空域搜索和視線穩(wěn)定(穩(wěn)像),隨著紅外成像傳感器的空間分辨率和靈敏度的不斷提高對框架式穩(wěn)定平臺的機(jī)械部件、光學(xué)和控制系統(tǒng)也提出了很苛刻的要求,而彈體空間對框架式平臺的體積、重量要求也很苛刻,如何設(shè)計出體積緊湊,成本低且可靠性高的框架式平臺就成了一個很大的難題。為此近年來人們開始考慮采用彈體固聯(lián)式捷聯(lián)體制,采用半捷聯(lián)穩(wěn)定或電子場景穩(wěn)定實現(xiàn)視線(場景)穩(wěn)定,補(bǔ)償彈體運動、抖動對紅外成像導(dǎo)引頭的成像和探測造成的不利影響。采用彈體固聯(lián)式捷聯(lián)體制的一個最大的優(yōu)點是取消了具有運動的機(jī)械部件的穩(wěn)定平臺,因此可靠性和重量、體積等方面均有很大的改善,但隨之帶來的問題是由于沒有驅(qū)動導(dǎo)引頭,視軸隨著視線旋轉(zhuǎn)指向彈目連線方向的隨動跟蹤機(jī)構(gòu),如果在大氣層內(nèi)應(yīng)用,要求導(dǎo)引頭的紅外成像傳感器本身有較大的視場,因此在風(fēng)暴前兆空射巡航導(dǎo)彈和KEPD-350空地導(dǎo)彈中采用的半捷聯(lián)穩(wěn)定方式紅外凝視成像導(dǎo)引頭的視場為10°,相對于美國采用三軸平臺穩(wěn)定方式的AIM-9X空空導(dǎo)彈的3°視場要大許多。而由于新一代的高性能導(dǎo)彈本身對導(dǎo)引頭的探測靈敏度、雜波抑制能力、目標(biāo)識別能力、瞄準(zhǔn)點識別選擇能力均有很高的要求,這些要求都希望導(dǎo)引頭紅外成像傳感器有小的單元瞬時視場(空間分辨率),而大的視場和小的單元瞬時視場是相互抵觸的。2.3非均勻采樣智能焦平面陣列捷聯(lián)式紅外凝視成像導(dǎo)引頭要想在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上獲得更廣泛的應(yīng)用,必須解決好導(dǎo)引頭視場和空間分辨率的折衷問題。通常,要同時保證大的視場和小的單元瞬時視場(空間分辨率)主要有三條技術(shù)途徑,一是采用框架平臺實現(xiàn)大空域掃描,二是采用復(fù)雜的變焦距光學(xué)系統(tǒng),三是采用超大規(guī)模焦平面陣列紅外探測器,但這幾條途徑都存在著一些弱點。近年來美國提出了一種微掃描技術(shù),其主要思路是在凝視紅外成像傳感器的物鏡和焦平面陣列之間加入一個微掃描平面鏡,使微掃描平面鏡以一定的掃描規(guī)律繞掃描軸作微小角度轉(zhuǎn)動,從而使形成的圖像有一個亞像元級的平動的圖像序列,通過對這些圖像進(jìn)行超分辨率處理就可以重建出一幅高分辨率的圖像,這樣就可以采用適度規(guī)模的紅外焦平面陣列同時實現(xiàn)大視場和高分辨率。這項技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在機(jī)載前視紅外成像系統(tǒng)和機(jī)載分布孔徑紅外系統(tǒng)中。而德國則提出了另外一種微掃描概念,由于采用了基于其專利的微光機(jī)電器件的圖像步進(jìn)掃描器,可以將所要成像的大的空域范圍劃分成幾個較小的視場并由光學(xué)系統(tǒng)依次成像在同一個紅外焦平面探測器陣列上,從而同時滿足導(dǎo)引頭所要求的高幀頻、大視場、高分辨率要求,且取消了機(jī)電式框架結(jié)構(gòu),并提出了將這一技術(shù)應(yīng)用于紅外成像導(dǎo)引頭中的方案。采用模擬脊椎動物的視網(wǎng)膜中央凹視覺機(jī)制的非均勻采樣智能焦平面陣列也是同時實現(xiàn)大視場、高空間分辨率和快幀頻的一條途徑?，F(xiàn)有的紅外焦平面紅外探測器所用的探測器單元的尺寸是相同的,由此構(gòu)成的成像傳感器的空間分辨率在整個視場內(nèi)是相同的。而對紅外成像導(dǎo)引頭而言,成像的目的是利用圖像信息識別、跟蹤一個大的搜索視場中的目標(biāo)并形成制導(dǎo)指令,目標(biāo)在視場中僅占有很小一部分,采用均勻采樣的成像傳感器對整個視場采用相同的空間分辨率(對包含所要識別、跟蹤的目標(biāo)的區(qū)域和不含有目標(biāo)的場景區(qū)域采用相同的空間分辨率),這樣如果要同時保證足夠大的視場和完成目標(biāo)識別所需的空間分辨率,必須采用超大規(guī)模焦平面陣列紅外探測器,結(jié)果大量的無關(guān)數(shù)據(jù)就會占據(jù)圖像信息處理機(jī)的帶寬與計算/數(shù)據(jù)存儲資源,使圖像信息處理機(jī)的大量計算資源浪費在大量無關(guān)數(shù)據(jù)上。采用均勻采樣的成像傳感器的另一個問題就是當(dāng)探測器規(guī)模確定時必須在視場和空間分辨率之間進(jìn)行硬折衷,要么犧牲一定的視場要么犧牲一定的空間分辨率,而對于用于跟蹤高度機(jī)動的空中目標(biāo)的防空導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭而言需要同時保證大視場和高分辨率。大視場對于快速捕獲目標(biāo)和降低目標(biāo)丟失概率是重要的,高的空間分辨率對提高探測距離和目標(biāo)分類、識別精度是重要的。這樣要同時保證足夠大的視場和完成目標(biāo)識別所需的空間分辨率,必須采用超大規(guī)模焦平面陣列紅外探測器,這就勢必要犧牲系統(tǒng)的響應(yīng)速度。而實際上對于紅外成像導(dǎo)引頭而言并不需要在整個大的視場內(nèi)都具備高的空間分辨率,為此人們提出了采用模擬脊椎動物的視網(wǎng)膜中央凹視覺機(jī)制的非均勻采樣智能焦平面陣列同時實現(xiàn)大視場、高空間分辨率和高幀頻的設(shè)想。幾乎所有的高等動物的視覺系統(tǒng)都采用非均勻空間采樣方式對場景進(jìn)行采樣,哺乳動物的視網(wǎng)膜中由中央凹中視錐細(xì)胞構(gòu)成的分辨率高的集中視力一般只占整個視場的一小部分(人眼中只占2～3°),而視網(wǎng)膜周圍由視桿細(xì)胞構(gòu)成的周邊視力分辨率低,不能看圖像細(xì)節(jié),但周邊視力對圖像中運動變化部分很靈敏,由特征抽取作用從而控制眼肌轉(zhuǎn)動視軸,使集中視力對準(zhǔn)所感興趣的部位,以便看清細(xì)節(jié)。這種中央凹視覺的主要優(yōu)勢是同時保證大視場、高空間分辨率、快幀頻和低帶寬、快速響應(yīng)速度,與采用均勻采樣的焦平面陣列構(gòu)成的成像傳感器所能達(dá)到的最高空間分辨率和總的視場相比,采用非均勻采樣的焦平面陣列構(gòu)成的中央凹成像傳感器的最高空間分辨率(在中央凹區(qū)域)為均勻采樣系統(tǒng)的16倍,且其總的視場比均勻采樣系統(tǒng)大10倍(兩個成像傳感器所采用的焦平面陣列的探測器單元數(shù)目相同)。這對于用于跟蹤高度機(jī)動的空中目標(biāo),需要同時保證大視場、高分辨率、快幀頻、快響應(yīng)速度的軍事視覺系統(tǒng)如防空導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭是非常吸引人的。近年來美國已經(jīng)開展了模擬脊椎動物的視網(wǎng)膜中央凹視覺機(jī)制的中央凹視覺系統(tǒng)和用于這種系統(tǒng)非均勻采樣智能焦平面陣列、智能化非均勻采樣成像傳感器的研究,如美國戰(zhàn)略防御局資助的中央凹導(dǎo)引頭多目標(biāo)跟蹤研究及美國空軍航空系統(tǒng)部資助的中央凹自動目標(biāo)識別技術(shù)研究,已取得了一定的進(jìn)展。ComptekAmherstSystems公司最近為美國空軍提供的用于新型光學(xué)成像導(dǎo)引頭的中央凹視覺系統(tǒng)可以在60°的視場內(nèi)截獲、跟蹤目標(biāo)。2.4基于psw的系統(tǒng)設(shè)計方法隨著紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈所要對付的目標(biāo)和所要面臨的作戰(zhàn)環(huán)境的日益復(fù)雜化,對紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)引頭的要求也越來越高,導(dǎo)引頭也將變得更加復(fù)雜,而且由于紅外焦平面陣列探測器和高速信息處理機(jī)的演變速度很快,采用傳統(tǒng)的設(shè)計思路設(shè)計導(dǎo)引頭就顯得有些力不從心,采用紅外成像導(dǎo)引頭總體權(quán)衡設(shè)計思想并利用相關(guān)的軟件進(jìn)行計算機(jī)輔助紅外成像導(dǎo)引頭權(quán)衡設(shè)計無疑是一條提高設(shè)計效率和設(shè)計效果的有效途徑,國外在此方面已經(jīng)進(jìn)行了成功的嘗試。美國CRC公司開發(fā)了用于跟蹤器的傳感器響應(yīng)模型“被動傳感器工作臺”(PSW),這種模型可以用于對攔截器紅外成像導(dǎo)引頭進(jìn)行權(quán)衡設(shè)計。PSW是一種可視化的設(shè)計與分析工具,可以用來根據(jù)不同的任務(wù)使命、目標(biāo)威脅與作戰(zhàn)使用環(huán)境和其他技術(shù)要求選擇候選的導(dǎo)引頭紅外成像傳感器設(shè)計和信號處理方法。PSW通過建立導(dǎo)引頭紅外成像傳感器的各個組件和工作流程以及工作場景、目標(biāo)、環(huán)境的模型實現(xiàn)對紅外成像傳感器的性能評估,這樣就通過交互式地改變工作場景、目標(biāo)、背景和所選擇的組件、工作流程來進(jìn)行方案比較、選擇以及優(yōu)化設(shè)計。在PSW環(huán)境下設(shè)計人員可以進(jìn)行權(quán)衡分析以優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計,使系統(tǒng)能更好地滿足任務(wù)要求。美國海軍空戰(zhàn)中心武器部開發(fā)了一個紅外導(dǎo)引頭權(quán)衡與需求分析模型(IRSTORM),該模型在一個更大的導(dǎo)彈攻擊仿真框架內(nèi)建立了空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭及其組件和目標(biāo)、環(huán)境、大氣傳輸特性模型(包括紅外目標(biāo)特征、背景雜波、光學(xué)系統(tǒng)、探測器及信號與處理、信號、圖像處理模型)導(dǎo)引頭硬件與軟件之間的復(fù)雜的關(guān)系使算法和硬件在分析中不可分開進(jìn)行,IRSTORM同時對硬件和軟件進(jìn)行了建模,再加上這一模型本身是建立在一個更大的導(dǎo)彈攻擊仿真框架內(nèi)的,該框架內(nèi)還有導(dǎo)彈彈體和飛行模型,這意味著可以把導(dǎo)引頭和導(dǎo)彈看成一個集成系統(tǒng),可以分析各個組件之間的交互作用,如導(dǎo)彈飛行速度變化對導(dǎo)引頭頭罩性能的影響。現(xiàn)有的導(dǎo)引頭設(shè)計與開發(fā)的一個最大的問題是硬件開發(fā)周期過長而且可能由于原來的方案不夠合理而進(jìn)行反復(fù),而采用IRSTORM這樣的完全是軟件的虛擬環(huán)境,可以很方便地對導(dǎo)引頭的結(jié)構(gòu)和所選用的組件等進(jìn)行改動,在不實際開發(fā)硬件的情況下通過仿真研究在針對不同的作戰(zhàn)使用環(huán)境和目標(biāo)時采用不同的導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)、不同的工作波段、不同的窗口或頭罩材料、形狀、不同的光學(xué)系統(tǒng)、不同的探測器與信號處理算法所構(gòu)成的導(dǎo)引頭(當(dāng)然這是一個由模型構(gòu)成的虛擬導(dǎo)引頭)的性能,這樣就可以選擇出最佳的導(dǎo)引頭設(shè)計方案,在此基礎(chǔ)上再進(jìn)行硬件設(shè)計、開發(fā),這樣就最大限度地避免了由于選擇不適當(dāng)?shù)姆桨杆斐傻慕?jīng)濟(jì)上和時間上的損失。美國科學(xué)應(yīng)用國際公司和洛克韋爾國際公司也分別開發(fā)了用于紅外成像導(dǎo)引頭系統(tǒng)權(quán)衡設(shè)計的數(shù)學(xué)模型與軟件,它們的軟件在紅外成像導(dǎo)引頭的概念設(shè)計階段起到了很好的作用。3幀頻變積分時間快速紅外成像技術(shù)的思路采用大規(guī)格紅外焦平面陣列的紅外凝視成像導(dǎo)引頭已經(jīng)成了高性能紅外成像制導(dǎo)武器的優(yōu)選方案。紅外凝視成像導(dǎo)引頭的核心組件就是紅外焦平面陣列探測器,在過去十多年中,國內(nèi)外對紅外焦平面陣列的非均勻性校正給予了充分的重視,但對如何對紅外焦平面陣列探測器進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)用,根據(jù)目標(biāo)輻射特性和作戰(zhàn)環(huán)境等情況使紅外焦平面陣列工作在最佳的模式下,并沒有引起足夠的關(guān)注。近年來,美國洛克希德公司在紅外焦平面陣列凝視成像導(dǎo)引頭設(shè)計中已經(jīng)開始采用紅外焦平面陣列智能控制來優(yōu)化紅外成像導(dǎo)引頭的靈敏度和動態(tài)范圍,而以色列半導(dǎo)體器件公司(SCD)則研究了如何通過優(yōu)化紅外焦平面陣列的應(yīng)用模式來提高導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)的性能,國內(nèi)航天二院二部針對高速導(dǎo)彈紅外凝視成像導(dǎo)引頭也開始關(guān)注變幀頻變積分時間快速紅外成像技術(shù),這些設(shè)計思路對我們設(shè)計高性能和成像導(dǎo)引頭無疑也是具有借鑒意義的。對于凝視紅外成像導(dǎo)引頭而言,為了提高探測靈敏度,以便提高對目標(biāo)的探測距離,一般希望采用較長的積分時間,但在目標(biāo)接近時,如果積分時間過長,會導(dǎo)致運動目標(biāo)在紅外焦平面陣列上所成圖像模糊,而且如果目標(biāo)釋放誘餌干擾,會導(dǎo)致紅外焦平面陣列飽和,以至檢測不到目標(biāo)。因此,需要根據(jù)目標(biāo)和作戰(zhàn)環(huán)境的情況自適應(yīng)地控制積分時間。近年來,美國洛克希德公司開始研究智能化動態(tài)范圍控制,以優(yōu)化凝視紅外導(dǎo)引頭的探測靈敏度和動態(tài)范圍。他們的思路是通過自適應(yīng)地調(diào)整探測器積分時間和系統(tǒng)增益,在導(dǎo)引頭的探測靈敏度和動態(tài)范圍之間獲得最佳的折衷。在對紅外焦平面陣列積分時間和系統(tǒng)增益進(jìn)行自適應(yīng)控制時必須注意幾個問題:(1)積分時間的變化頻度和計算量的折衷;(2)在需要測得目標(biāo)的輻射強(qiáng)度以用于目標(biāo)識別的情況下(如導(dǎo)彈防御應(yīng)用),積分時間的調(diào)整次數(shù)要適當(dāng),過多地調(diào)整積分時間,會影響到對目標(biāo)輻射強(qiáng)度的估計;(3)如果焦平面陣列的飽和像素是由于干擾彈等干擾引起的,必須能夠作出正確的判斷,以避免不適當(dāng)?shù)乜s短積分時間從而導(dǎo)致無法檢測出真正的目標(biāo)。在洛克希德公司提出的方案中,充分地考慮了上述問題。以色列SCD公司針對導(dǎo)彈逼近告警應(yīng)用,研究了幾種不同的積分模式——組合積分模式、多步積分模式和多積分模式。組合積分模式主要用來保證同時具有高靈敏度和大動態(tài)范圍,解決高靈敏度和大動態(tài)范圍的矛盾,可以得到一幅同時包括高輻射強(qiáng)度的物體和低輻射強(qiáng)度的物體的最佳圖像。多步積分模式能夠在單一幀內(nèi)優(yōu)化探測器的工作,在這種模式下,在單一幀內(nèi)可實現(xiàn)大動態(tài)范圍,這樣與組合積分模式相比可以工作于更高的幀頻。對于探測、跟蹤高速目標(biāo)的場合,需要采用高圖像采樣速度,幀頻的主要限制是最大讀出速率,這將受焦平面陣列信號處理器的限制。在多積分模式下,探測器可以在一個讀出周期內(nèi)采用多個積分脈沖工作,根據(jù)所需要的幀頻,將積分脈沖劃分成多個積分脈沖,這就可以克服探測器最大讀出速率的限制。通過針對不同的使用條件采用不同的積分模式,可以最大限度地發(fā)揮紅外焦平面陣列的潛能。航天二院二部針對高速導(dǎo)彈紅外凝視成像導(dǎo)引頭,也提出了采用自適應(yīng)變幀頻、變積分時間來提高導(dǎo)引頭的遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測距離和近距離力目標(biāo)成像清晰度的思路。4外來動物中的識別復(fù)雜背景條件或復(fù)雜對抗條件下的自主目標(biāo)識別(截獲)問題一直是困擾著紅外成像導(dǎo)引頭設(shè)計的一個難題,由于復(fù)雜背景條件下的自主目標(biāo)識別問題一直沒有得到很好的解決,目前大多數(shù)紅外成像制導(dǎo)空地攻擊導(dǎo)彈采用的都是人在回路中目標(biāo)截獲的作戰(zhàn)應(yīng)用方式,這樣的應(yīng)用方式無疑會影響到載機(jī)