紅外成像末制導(dǎo)在高速導(dǎo)彈上應(yīng)用的技術(shù)問題

1氣動熱輻射效應(yīng)隨著戰(zhàn)術(shù)彈頭技術(shù)的發(fā)展和軍事空間高速飛行體的出現(xiàn)，以美國為首的西方軍事力量加強(qiáng)了對國家陸軍防御系統(tǒng)的研究，使新一代的防空作戰(zhàn)武器快速、準(zhǔn)確地引導(dǎo)著生產(chǎn)，并對紅外圖像的最終制作和應(yīng)用技術(shù)提出了新的要求。在國外，新一代防空導(dǎo)彈，如美國海軍標(biāo)準(zhǔn)-3、THAAD和美以聯(lián)合研制的箭-2(Arrow-2）防空導(dǎo)彈均采用了紅外成像末制導(dǎo)技術(shù)。與一般的防空導(dǎo)彈相比，新一代防空導(dǎo)彈具有大氣層內(nèi)外高速飛行，高精度、高幀頻末端探測，凝視紅外成像體制，側(cè)窗探測與控制等特點(diǎn)。高速導(dǎo)彈在大氣層高速飛行時，頭罩因強(qiáng)烈的氣動加熱而升溫，這種效應(yīng)稱為高速導(dǎo)彈光學(xué)頭罩氣動熱效應(yīng)；其次，頭罩周圍高溫激波和被氣動加熱的窗口，仿佛一個“火球”置于導(dǎo)引頭成像器之前，其近軸部分的輻射被紅外傳感器所接收，形成輻射干擾，甚至使紅外探測器飽和而不能接收來自目標(biāo)的輻射，這種效應(yīng)稱為氣動熱輻射效應(yīng)；再次，飛行中的導(dǎo)彈其頭罩周圍大氣在不斷地發(fā)生變化，這種變化將影響來自目標(biāo)的紅外輻射光線的傳輸，使導(dǎo)引頭成像器中目標(biāo)圖像產(chǎn)生模糊、抖動、偏移和能量衰減，這種效應(yīng)稱作高速流場光學(xué)傳輸效應(yīng)。這些效應(yīng)統(tǒng)稱為高速導(dǎo)彈成像探測氣動光學(xué)效應(yīng)，給高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)帶來不利影響，氣動熱效應(yīng)使頭罩和窗口溫度升高而影響其工作性能；氣動熱輻射效應(yīng)降低了導(dǎo)引頭對目標(biāo)的探測信噪比；氣動光學(xué)傳輸效應(yīng)降低了導(dǎo)引頭對目標(biāo)的探測、跟蹤與識別能力，影響末制導(dǎo)精度。通過仿真分析可知：(1)在相同窗口表面熱流下，馬赫數(shù)越大，臨界高度越高；在相同馬赫數(shù)和窗口表面熱流下，攻角越大，臨界高度越高。典型計(jì)算結(jié)果如圖1所示。(2)當(dāng)窗口外激波溫度超過3000K，激波氣體輻射將成為引起信噪比降低的主要因素，典型的激波輻射光譜分布如圖2所示。當(dāng)激波輻射成為引起信噪比降低的主要因素時，導(dǎo)引頭選用8～12μm波段對目標(biāo)進(jìn)行探測比較有利。(3)光學(xué)頭罩側(cè)窗口溫度對導(dǎo)引頭探測目標(biāo)的信噪比影響較大，當(dāng)窗口溫度為500K時，信噪比降低一倍。因此對高速導(dǎo)彈光學(xué)頭罩制冷是必需的，且窗口溫度應(yīng)控制在400K之內(nèi)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。(4)高速流場產(chǎn)生圖像偏移引起瞄視誤差（BSE），如圖4所示。在相同的飛行速度下，隨著飛行高度的增加圖像偏移程度減??；在相同的飛行高度下，隨著飛行速度的增加圖像偏移程度增加。在飛行速度不大于8Ma，飛行高度大于30km時，產(chǎn)生的像偏移小于30μrad，此時像偏移可以忽略不計(jì)；當(dāng)飛行高度小于30km時，像偏移顯著增加，高度為10km時，像偏移可達(dá)500μrad。(5)高速流場產(chǎn)生像模糊，它由平均流場和湍流流場高頻分量產(chǎn)生，如圖5所示。對于導(dǎo)引頭而言，圖像模糊體現(xiàn)的程度還與探測器的積分時間有關(guān)，在一定的范圍內(nèi)積分時間越長抖動圖像越模糊，反之圖像越清晰。(6)高速流場產(chǎn)生圖像的抖動，它由湍流的低頻分量產(chǎn)生，如圖6、圖7所示。對于導(dǎo)引頭而言，圖像抖動體現(xiàn)的程度與探測器的積分時間有關(guān)，積分時間越長，抖動分量引起的圖像越模糊，反之呈現(xiàn)的圖像抖動越多。在Ma=8、H=20km、α=0°時，抖動的范圍為700μrad。2紅外成像末制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展由于高速導(dǎo)彈具有的特點(diǎn)及其復(fù)雜的末制導(dǎo)工作環(huán)境，給紅外成像末制導(dǎo)在高速導(dǎo)彈上的應(yīng)用帶來了許多新的技術(shù)問題，對紅外成像末制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展提出了新的需求。通過分析研究，需要突破的技術(shù)主要有：大作用距離高分辨率目標(biāo)成像探測技術(shù)、變幀頻變積分時間快速紅外成像技術(shù)、氣動光學(xué)效應(yīng)校正技術(shù)、高速導(dǎo)彈光學(xué)側(cè)窗制冷頭罩技術(shù)和高速信息信號處理技術(shù)等。2.1第三，導(dǎo)引頭視場的識別為保證導(dǎo)引頭有足夠的時間將導(dǎo)彈引入制導(dǎo)攔截彈道,導(dǎo)引頭的最小截獲距離Rmin應(yīng)滿足：式中：Rmin為導(dǎo)引頭應(yīng)達(dá)到的最小截獲距離；Tf為必須的末制導(dǎo)控制時間；vm,max為導(dǎo)彈最大末制導(dǎo)速度；vt,max為目標(biāo)最大速度；cosαj為交會角。通過數(shù)學(xué)仿真分析，可以得到對不同目標(biāo)的探測距離要求。另外，導(dǎo)引頭視場越大越有利于目標(biāo)落入導(dǎo)引頭視場，但是在相同探測器像元素條件下,只考慮高分辨率,視場太小將不利于目標(biāo)的截獲或?qū)崙?zhàn)時無法實(shí)現(xiàn)中末制導(dǎo)交班；只考慮增大視場而忽視導(dǎo)引頭分辨率，將影響末制導(dǎo)精度和待征點(diǎn)選擇,甚至使導(dǎo)彈不能實(shí)現(xiàn)直接碰撞目標(biāo)。通過對各種誤差的綜合分析，可以得到導(dǎo)引頭必須具備最小視場，以保證中末制導(dǎo)的順利交班而轉(zhuǎn)入末制導(dǎo)控制。通過仿真分析可以進(jìn)行導(dǎo)引頭角分辨率和視場的優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.2自動改變導(dǎo)引頭幀頻和積分時間一般來說，紅外導(dǎo)引頭的探測跟蹤距離在其他條件(如接收孔徑、工作波長、探測靈敏度D*)不變的情況下,作用距離R與積分時間τ的關(guān)系近似為：式中：K為與導(dǎo)引頭光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)、目標(biāo)輻射強(qiáng)度等相關(guān)的系數(shù)。不難看出，在彈目距離相對較遠(yuǎn)時，導(dǎo)彈目標(biāo)相對角速度較小，為了提高導(dǎo)引頭作用距離可以增大導(dǎo)引頭幀積分時間。隨著彈目相對距離的接近，導(dǎo)引頭對目標(biāo)的成像開始由點(diǎn)目標(biāo)變成面目標(biāo),最終變成圖像,圖像的細(xì)節(jié)信息變得尤其重要。此時，目標(biāo)的輻射信號已相當(dāng)強(qiáng)烈,傳統(tǒng)的導(dǎo)引頭采用自動增益控制來抑制強(qiáng)的目標(biāo)輻射。而紅外成像導(dǎo)引頭可通過提高幀頻和減少積分時間來實(shí)現(xiàn),這種方法有兩個優(yōu)點(diǎn),一是實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)輻射信號的自動增益控制；二是提高了圖像的清晰度。對于高速導(dǎo)彈來說,紅外成像的積分時間對圖像清晰度的影響更大。這是因?yàn)?，高速?dǎo)彈與目標(biāo)相對角速度比一般導(dǎo)彈與目標(biāo)的相對角速度大得多,且由于高速導(dǎo)彈窗口外流場存在強(qiáng)的湍流效應(yīng)引起光學(xué)圖像的抖動,抖動的最高頻率可達(dá)106～109Hz,因而幀圖像積分時間的長短將直接影響圖像的清晰度，積分時間越短,圖像越清晰。因此，對于高速導(dǎo)彈可采用自適應(yīng)變積分時間來提高導(dǎo)引頭的遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測范圍,近距離的目標(biāo)成像清晰度。隨著導(dǎo)彈目標(biāo)相對距離的接近,在保證一定信噪比的前提下，可以自動改變導(dǎo)引頭的幀頻和積分時間。盡管減少圖像積分時間使紅外導(dǎo)引頭目標(biāo)清晰成像，但受高速流場的影響，瞬間的圖像不能代表目標(biāo)的真實(shí)位置，而真實(shí)位置應(yīng)由一個制導(dǎo)周期內(nèi)多幀圖像的綜合得到。2.3氣動光學(xué)效應(yīng)應(yīng)用氣動光學(xué)效應(yīng)校正的目的是減小氣動光學(xué)效應(yīng)對高速導(dǎo)彈末制導(dǎo)的影響。光學(xué)傳輸效應(yīng)校正技術(shù)就是進(jìn)行像偏移、像抖動和像模糊的校正。校正的方法主要有：首先尋找高速導(dǎo)彈光學(xué)頭罩結(jié)構(gòu)與產(chǎn)生的湍流流場之間的關(guān)系，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)控制側(cè)窗口外湍流，使產(chǎn)生的湍流流場最小，達(dá)到減小氣動光學(xué)效應(yīng)的目的；其次，通過數(shù)字圖像和信號處理的方法，校正因氣動光學(xué)效應(yīng)引起的圖像模糊、偏移和抖動；再次，應(yīng)用光學(xué)方法（如自適應(yīng)光學(xué)、光學(xué)像差理論等）校正因氣動光學(xué)效應(yīng)引起的圖像模糊。氣動熱輻射效應(yīng)校正技術(shù)就是減小氣動熱輻射效應(yīng)對末制導(dǎo)系統(tǒng)的影響，校正的主要方法有：首先完善激波輻射機(jī)理的研究，根據(jù)激波輻射的光譜特性和目標(biāo)的光譜特性，進(jìn)行光譜濾波設(shè)計(jì)，提高導(dǎo)引頭在高速飛行條件下對目標(biāo)的探測信噪比；其次進(jìn)行側(cè)窗口的制冷，保持頭罩在高速飛行條件下窗口的溫度控制在允許的范圍之內(nèi)，使窗口的輻射不致影響導(dǎo)引頭對目標(biāo)的探測。2.4保壓機(jī)材料的選用光學(xué)側(cè)窗頭罩包括頭罩機(jī)體、內(nèi)冷側(cè)窗口和制冷系統(tǒng)三部分。頭罩機(jī)體采用耐高溫、抗燒蝕、隔熱性能好的復(fù)合材料制作，以防止燒蝕物和燒蝕煙霧污染光學(xué)窗口，使紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)正常工作。對制冷系統(tǒng)的要求是：制冷效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕、小型化，通過理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證選用液氨作介質(zhì)來制冷側(cè)窗口。光學(xué)制冷窗口采用金剛石自支撐膜或光學(xué)窗口表面鍍金剛石等硬質(zhì)膜。2.5號處理器的主要任務(wù)由于高速導(dǎo)彈所具有的獨(dú)特性,除對信號處理具備一般意義上的要求(如集成化、抗沖擊、耐高溫、高增益低噪聲、自動增益控制、阻抗匹配、動態(tài)范圍大)之外,還面臨一些技術(shù)問題需要研究解決，導(dǎo)引頭信號處理器需要完成的主要任務(wù)包括：非均勻校正、目標(biāo)的檢測識別與跟蹤、側(cè)窗探測帶來的坐標(biāo)變換和氣動光學(xué)效應(yīng)校正等。為了減小處理時間帶來的延時誤差，需要在幀周期之內(nèi)完成幀成像積分、幀圖像傳輸和幀圖像處理。若導(dǎo)引頭幀頻為100Hz,幀周期為10ms,則幀成像時間小于lms，幀圖像處理時間控制在幾毫秒左右。如果導(dǎo)引頭工作幀頻提高到300Hz以上,那么要求信號處理器的處理速度更快。顯然只有通過研制專用的高速信號處理器，才有可能在幾毫秒之內(nèi)完成非均勻校正、目標(biāo)的檢測識別與跟蹤、側(cè)窗探測帶來的坐標(biāo)變換和氣動光學(xué)效應(yīng)校正等，滿足高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)的需求。3紅外圖像篩選性能的評價技術(shù)紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)的性能評估主要分為數(shù)字仿真、實(shí)驗(yàn)室性能測試評估和外場性能評估測試。3.1高速發(fā)射紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)在建立高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)、虛擬樣機(jī)工作環(huán)境和其運(yùn)行的計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境的基礎(chǔ)上，通過數(shù)學(xué)仿真對高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)性能進(jìn)行評估。紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)主要由末制導(dǎo)成像探測系統(tǒng)虛擬子系統(tǒng)和末制導(dǎo)控制虛擬子系統(tǒng)組成。末制導(dǎo)成像探測系統(tǒng)虛擬子系統(tǒng)又由紅外成像導(dǎo)引頭模塊、光學(xué)側(cè)窗制冷頭罩模塊和氣動光學(xué)效應(yīng)校正單元模塊等構(gòu)成；末制導(dǎo)控制虛擬子系統(tǒng)又由軌控指令形成模塊，姿控指令形成模塊，軌、姿控動力模型模塊和慣性導(dǎo)航裝置數(shù)學(xué)模型模塊等構(gòu)成。高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)虛擬樣機(jī)工作環(huán)境主要包括：目標(biāo)/環(huán)境紅外特性數(shù)學(xué)模塊、氣動光學(xué)效應(yīng)特性數(shù)學(xué)模塊、大氣傳輸與輻射特性數(shù)學(xué)模塊、導(dǎo)彈飛行空氣動力學(xué)模塊和運(yùn)動學(xué)模塊。計(jì)算機(jī)軟硬件環(huán)境主要包括：虛擬樣機(jī)及其數(shù)學(xué)仿真運(yùn)行的計(jì)算機(jī)硬件環(huán)境、軟件環(huán)境和編制的各種集成框架和人機(jī)界面等。3.2動態(tài)紅外圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)為了提高紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)研制試驗(yàn)水平，加速紅外成像制導(dǎo)技術(shù)在軍事裝備中的應(yīng)用。西方投入了大量人力物力研究開發(fā)紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)集成與性能評估試驗(yàn)系統(tǒng)，高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室測試評估系統(tǒng)組成如圖8所示。其工作原理：根據(jù)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫、干擾特性數(shù)據(jù)庫，計(jì)算機(jī)圖像生成單元(CIG)實(shí)時生成紅外傳感器所接收的目標(biāo)紅外圖像。但是計(jì)算機(jī)不能生成被紅外傳感器接收的紅外圖像，只能生成目標(biāo)“輻射強(qiáng)度”對應(yīng)“灰度等級”的黑白可見光圖像，因此需要一個動態(tài)紅外圖像轉(zhuǎn)換裝置將生成的目標(biāo)“灰度圖像”轉(zhuǎn)換成紅外輻射圖像，顯示光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的投影和空間位置的顯示,保證目標(biāo)模擬器與紅外傳感器光學(xué)系統(tǒng)具有良好的瞳銜接關(guān)系。真實(shí)的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)對模擬的目標(biāo)進(jìn)行探測跟蹤,以進(jìn)行系統(tǒng)集成和性能評估。系統(tǒng)管理與控制單元實(shí)現(xiàn)對整個集成評估系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)定,人視對話以及試驗(yàn)過程的控制與管理。三軸飛行轉(zhuǎn)臺由評估系統(tǒng)仿真計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)高速導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的模擬。通過對參加測試試驗(yàn)的高速導(dǎo)彈紅外成像末制導(dǎo)系統(tǒng)輸出信號的分析、處理就可以實(shí)現(xiàn)末制導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)評估。由工作原理得知,動態(tài)紅外圖像轉(zhuǎn)換技術(shù)是建立紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)集成與性能評定試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前國際上主要通過數(shù)字微鏡(DMD)、紅外液晶光閥、電阻陣列、紅外CRT和激光調(diào)制掃描VO2顯示來發(fā)