红外制导的发展趋势及其关键技术

红外制导的发展趋势及其关键技术
赵超1，
(1．中国航天科工集团第35研究所，北京100013；
杨号2
2．海军驻阎良地区航空军事代表室，西安710089)
摘要：在各种精确制导体制中，红外制导因其制导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费
比高等优点，在现代武器装备发展中占据着重要地位，综述了红外制导系统的发展历程、现状特点、
未来趋势，为红外制导技术的研究开发提供有益参考。

首先介绍了红外制导系统的工作原理和发
展历程，然后从现代作战需求出发分析了当前红外制导系统的7个发展方向，最后从探测器件、信
息处理、结构设计、干扰对抗等方面分析了未来红外制导系统发展中所面临的5种关键技术等。

关键词：精确制导；红外制导；非制冷红外；红外成像；复合制导中图分类号：V448．13 文献标识码：A
A survey on development trends and key technologies
of infrared guidance systems
ZHAO Cha01，YANG Had
(1．No．35 Institute ofCaSlC，蜥100013，Ol／na；2．NavyA蒯M／／
／tary啪筋∞／nYan／／angArea，Xi’帆710089，Odna)
Abstract： Among many kind of precise guidance systems．IR guidance system is playing a n10re and more
important rule in modem weapon system since it has the characteristics of hi曲precision，strong anti—interfer—
ence capability and good benefit-cost ratio．The paper gives a brief survey on IR guidance system and tech—
niques，involving its evolution history，developing trends，and critical techniques．First of all，working principles
and developing process of IR guidance system are explained．Then，the developing trends of modem IR guid—
ance system are analyzed based on operational requirements．Finally。

five critical technologies in IR guidance
field are discussed in detail from the aspects of IR detector，information processing，mechanical design，and an—
fi-jamming schemes．
Key words：precise guidance； IR guidance；non—refrigerated IR；IR imaging； compound guidance
0引言1红外制导技术概述
根据未来战争的特点，精确制导技术的发展重点是不断提高制导系统的灵敏度、精度、抗干扰能力，不断增强系统在复杂背景下截获、跟踪目标的能力和对付多目标的能力。

在各种精确制导体制中，红外制导技术因其制
导精度高、抗干扰能力强、隐蔽性好、效费比高、结构紧凑、机动灵活等优点，正在受到愈来愈多的重视，其研究和发展方兴未艾。

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。

红外制导的发展趋势及其关键技术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、反坦克导弹，及其他低成本、小型化导弹。

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，主要用于巡航导弹、反舰导弹、空地导弹等。

1．2红外制导技术的发展历程
1．2．1红外点源制导技术
自从1948年第1枚红外制导导弹——美国的响尾蛇导弹(Sidewinder)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l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—3 pan，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一9B、红眼睛Redeye，以及前苏联的K-13、SAM-7等。

第2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—5 tan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3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、前苏联的R-73E、以色列的怪蛇3、美国的毒刺(Stinger)及法国的西北风(Mistral)等。

2．2．2红外成像制导技术
受高技术作战需求的强力推动，近20年来红外成像制导技术发展十分迅猛，其发展历程大致如下：第1代红外成像制导系统出现于20世纪70年代，采用线列阵红外探测器加旋转光机扫描机构，由4×4元光导碲镉汞探测器的串并扫描成像，工作波长为8，14脚。

代表型号有发射前锁定目标的AGM-65D幼畜反坦克导弹、AGM一65F反舰导弹以及发射后锁定目标的AGM一84E斯拉姆导弹。

第2代红外成像制导系统出现于20世纪80年代，采用小规模红外焦平面阵列探测器，以串并扫描方式工作。

这类制导系统可以连续积累目标辐射能量，具有分辨率高、灵敏度高、信息更新率高的优点，能够对付高速机动小目标、复杂地物背景中的运动目标或隐蔽目标。

红外焦平面阵列探测器灵敏度比线列器件高1个数量级，成本又比凝视型焦平面器件低，同时结构紧凑、体积小、可靠性高，易于小型化，从而促进了红外成像制导小型战术导弹的发展。

代表型号有德、英、法三国联合研制的远程反坦克导弹崔格特(T69at)，美国的高空防御拦截弹(皿DI)。

第3代红外成像制导系统采用了更大规模的焦平面阵列探测器和凝视工作方式，采用电子自扫描取代复杂的光机扫描机构，简化了信号处理和读出电路，可以充分发挥探测器的快速处理能力，其作用距离更远，热灵敏度、空间分辨率更高。

20世纪80年代后期以来，凝视红外焦平面阵列器件发展很快，其中3．5／an中波段器件已发展到512×512元，锑化铟光伏器件已达256
×256元，长波8一12胛光伏碲镉汞／硅CCD混合焦平面探测器已达128×128元。

目前焦平面探测器正在向着高密集度、多光谱、多响应度、高探测率、高工作温度、低成本的方向发展。

因此，国际上新投入研制的红外成像制导系统几乎全部采用了凝视型焦平面阵列技术，典型代表有美国的海尔法(Hell．fire)、AIM．9X空空导弹、AAWS-M反坦克导弹等。

2红外制导系统的发展趋势
精确制导技术的发展趋势是灵敏度、精度、环境
适应性不断提高，系统在复杂背景下截获、跟踪目标
的能力和对付多目标的能力不断增强，相应的红外
制导系统也必须不断发展创新以适应未来的作战需
要。

2．1非致冷红外制导系统
传统的红外探测器必须在低温下工作，因此需
要配备相应的制冷器，于是带来了整套设备的体积
大、工作过程复杂等突出问题。

为了提高制导系统
的环境适应性，发展小型化高性能红外制导武器，非
制冷红外成像技术将成为未来红外制导技术的主
流。

非制冷红外成像系统的关键技术是：非制冷红
外探测器的噪声控制、饱和抑制、均匀性校正，以及
红外焦平面阵列的工程化、可靠性等问题。

近年来，
国外在非致冷凝视红外焦平面阵列技术方面已经取
得了突破性的进展，并正在逐步走向工程化应用，
245×328元规模的热释电型红外焦平面，其噪声等
效温差(NⅡD)已达到O．05 K，240×320元V02辐射
热计(Bo lometer)型红外焦平面的噪声等效温差也
已达到0．05 K。

2．2光学双色制导系统
战斗机和巡航导弹是红外制导武器的主要打击
目标，为了提高生存能力，现代战机开始采用包括红外隐身涂层、尾气化学降温、喷管上弯等技术来降低红外制导导弹的探测概率，于是各种光学双色制导
系统应运而生。

它可以提高制导系统探测灵敏度和
制导作用距离，改善武器对抗红外诱饵干扰和反隐
身能力，代表型号有美国的毒刺(Stinger Post)和法国的西北风(Mistral)地空导弹。

光学双色制导系统主要是指红外双色、红外／紫
外双色，和红外／可见光双色复合制导。

红外双色制导系统采用先进焦平面阵列结构的双色探测器，结
构及红外单色系统类似。

红外／紫外双色制导系统
一般采用共口径玫瑰线扫描准成像技术，红外和紫
外两种探测器用夹层叠置方式粘合在一起，获得的
信号分别送到各自对应的微处理机，经过信号处理
后可分析判别真假目标。

红外／可见光多模制导系
统采用共口径光学系统，可见光通道采用CCD光学
摄像头，红外通道多采用凝视焦平面阵列红外探测器。

由目标反射的可见光和红外辐射通过共口径的
前光学系统聚焦，光路中的光束分离器将可见光反
射90。

后进入CCD摄像目镜组，经光电转换成可见
图像信号，而光束分离器可透过红、外光，使其聚焦于探测器光敏面，经光电转换成热图像信号。

光学双色制导系统的关键技术有：高灵敏度的
红外双色、红外／紫外、红外／可见光复合探测器生产加工工艺，双色成像光学系统和扫描结构的设计及
装调，高透光率的头罩材料及其设计及加工，双色信道的信号处理技术。

2．3微波／红外复合制导系统
红外制导系统具有较高的精度和抗干扰能力，
但作用范围较小，在不利气候条件下，探测器信躁比大幅降低，容易导致目标丢失，而微波雷达制导系统作用距离远、具有全天候作战能力，但其角度分辨率较低，易受电磁干扰的影响，将微波雷达和红外系统进行复合将极大地提高武器系统的目标截获跟踪能
力和抗干扰能力。

微波／红外复合制导系统有主动雷达／红外和被
动雷达／红外两种，其微波寻的器采用微波相位干涉
仪，及红外制导系统按共孔径方式工作，探测目标的雷达辐射和红外热辐射、测量目标速率以及截获及跟踪目标。

一般微波被动雷达用于中段制导，红外寻的器用于末段精确制导，也可全程由微波被动雷达制导或全程由红外制导。

代表型号有德、法共同研制的ARAMIS增程反辐射导弹和德国的ARAMIGER导弹。

微波／红外复合制导系统的关键技术有：宽频带
天线和头罩结构设计及装调，宽频带、高灵敏度和大动态范围接收机的设计，双模传感器在结构上的布局及安装，双模的信息处理和数据融合技术的应用，尤其是目标信号的分选和识别是主要技术关键。

2．4毫米波／红外复合制导系统
毫米波雷达具有全天候和对烟、雾穿透良好等
优点，同时因波束较窄而具有更高的目标分辨率和跟踪精度，天线口径尺寸小，器件体积小。

毫米波相对红外有较宽的波束，更适用于较大范围搜索及截获目标，红外寻的器适于在小范围跟踪和精确定位。

此外，毫米波雷达还能提供距离信息和灵敏的多普勒信息，可以提取幅度、频谱、相位和极化等多种信息，弥补红外寻的器的不足，提高制导系统综合性能。

因此毫米波／红外复合制导方式比其他多模制导方式具有更好的抗干扰性和反目标隐身性能，是
目前公认的最有前途的复合制导技术之一，代表型号有美国的SADARM反装甲灵巧弹药、法国的
TACED反坦克炮弹等。

万方数据
第5期赵超等：红外制导的发展趋势及其关键技术51毫米波／红外复合制导系统的关键技术有：毫米
波／红外成像共孔径双模集能器的研制，双模头罩的材料及研制，毫米波集能器件和固态功率发生器的研制，先进红外成像探测器的研制，双模信息处理器和数据融合技术的应用。

2．5多模复合制导系统
随着双模复合制导技术的日趋成熟，未来还将
出现三模甚至多模复合制导技术，如日本已着手研制的微波／毫米波／红外三模寻的制导地空导弹，充分发挥了微波／毫米波／红外3种传感器在作用距离、分辨率、抗干扰能力方面的优势，提高了武器系统的可靠性、命中精度和使用范围。

又如美国正在进行研制的主／被动微波／红外成像三模复合制导高速反辐射导弹，在保证导弹制导精度和抗干扰能力的前提下，又可以对抗目标雷达关机，从而大大提高了导弹的命中率。

多模复合制导技术综合了多种模式制导体制的
优点，比单模制导和双模制导方式具有更强的环境
适应性，但在结构孔径设计、头罩技术、电磁兼容、信号处理及数据融合、工程小型化设计等方面必将面
临着更加严峻的挑战。

2．6激光成像制导系统
红外波段已成为常规精确制导技术中最热门的
光谱区，而激光雷达正是工作在红外谱段内。

激光
主动成像制导技术兼有微波和红外系统的优点，具
有对目标的三维成像能力，还可在获得目标图像的
同时测量目标的距离或速度。

及传统制导体制相
比，其角度、速度和相近目标的分辨能力明显提高，还可以选择目标的要害部位进行攻击，从而极大地
提高武器的作战效能。

及一般的红外制导相比，激
光雷达对气候的适应能力大为提高，若及微波雷达
等体制进行复合制导以改善其作用距离，就可以实
现全天候、全程制导。

因此激光成像制导技术将成
为未来基于成像的精确制导技术的重要发展方向之。

一O
激光成像制导系统主要由激光器、光学系统、探
测器和信号处理系统4部分组成，其成像方式有距
离成像和速度成像两种，前者采用距离波门来显示
某一距离范围内的目标图形，使目标及背景相分离，
具体又可分为扫描成像、凝视成像和合成孑L径成像3种工作体制；后者则利用多普勒效应进行多目标
检测，采用目标和背景多普勒频移的不同实现目标和背景的分离。

激光成像制导的关键技术有：小型化C02激光
器技术，外差探测技术，距离一多普勒成像技术和大功率半导体激光器技术。

2．7低成本红外成像制导系统
虽然红外成像制导系统的性能优于红外非成像
制导，但因其结构复杂、成本较高，目前在反坦克导弹、直升机载空空导弹等低成本、小弹径武器上应用还存在很大困难。

因此必须大力发展小型化、低成本的红外成像制导技术，在满足这类导弹性能和可靠性的前提下，在结构、焦平面阵列规模方面进行适当简化，以提高其经济性、可用性。

相信随着红外探测器技术的进一步发展和大规模焦平面阵列生产加工能力的提高，低成本红外成像制导系统必将很快进人实用化阶段。

3未来红外制导系统中的关键技术
3．1新型高性能红外探测器技术
红外探测器是红外制导系统的核心部件，新型
高性能红外探测器的出现是红外制导技术不断发
展、更新换代的前提条件。

目前，弹上应用的红外焦平面阵列规模已达到128×128元、256×256元。

一
般不会再以通过增加探测元数目来换取制导系统灵
敏度、分辨率等指标，而是在智能探测器、光学系统、扫描、信息处理等技术方面加大研究力度，以提高制导系统的综合性能。

1)智能化焦平面阵列：发展将红外焦平面阵
列、读出电路和信号处理相结合的智能化焦平面阵
N(Smm yeA)，简化外部信息处理，提高搜索速度
和态势感知速度，减小体积、质量，降低功耗和成本，提高可靠性。

2)二元光学和微光学技术：开发用于新一代凝
视红外成像系统的大视场、轻质化红外光学系统，利用二元光学和超分辨技术简化光学系统结构，减轻
光学系统质量，提高图像质量，在保证高像质情况下获得大视场；采用微镜技术缩小探测器受光面积。

可以增加填充因子，提高探测率，改善均匀性，降低噪声。

同时，进一步开拓研究光学系统无热化设计技术，利用不同光学材料膨胀系数补偿或抵消温度变
化引起的光学系统焦距的变化，保证红外成像系统
在较大的温度范围内都能获取高质量的目标图像。

3)微扫技术：在同样大小瞬时视场情况下，凝
视红外成像器的分辨率低于第1代或第2代扫描型
红外成像器的分辨率。

为提高和改善凝视红外成像系统分辨率，国外正在发展微扫技术(或称为微步凝视技术)，采用棱镜或聚焦透镜在探测器阵列前面作万方数据
52 电光及控制第15卷
二维移动，在焦平面探测器上形成一系列目标图像，这些图像彼此错开的距离是每个探测器单元间距的几分之一，即可有效实时地显示一帧目标的合成图像。

4)光电混合信息处理技术：随着探测器阵列数
目大幅度增加，传感器获取的目标信息量成倍地增加，同时导弹速度的不断增大又要求制导系统具有更高的数据更新率。

传统信号处理和信息传输设备的处理速度难以适应新要求，为此需要考虑发展光电混合信息处理和光学信息处理技术，如美国海军正在试图发展一种“网膜式计算机”芯片，使红外焦平面阵列自身具有对目标识别定位能力，并拟用于一种对付再入机动飞行器的新型反导导弹研制中。

3．2多传感器信息融合技术
复合制导系统的核心技术是多传感器信息融
合，它可以充分利用各传感器获得的目标信息，从而
提高系统在复杂背景下对目标进行检测、定位、识别和跟踪的能力。

信息融合是指从多源信息中提取合
成的、准确的目标信息，也称数据融合技术。

多传感器信息融合处理过程包括信号处理和增
强、动目标识别、信息综合等，融合处理后的信号可进行融合成像显示，也可存储供后续处理分析。

信
息融合可以在传感器取得的信息未预处理前、预处
理后、传感器处理部件完成决策后进行，融合方式一般分为I 1)像素级融合：即在传感器的原始信息未
经预处理前进行的信息综合分析，以便尽可能多地
保持景物信息，这种融合方式的信息处理量大、处理时间长，实时陛差；2)特征级融合：在对信息进行预处理、提取特征后，对所获得的景物信息如边缘、形状、轮廓、方向和距离等进行综合处理，这样可以保留足够数量的重要信息，实现数据压缩、从而有利于实时处理；3)决策级融合：融合之前，每种传感器的处理部件已完成决策和分类任务、信息融合只是根
据一定的准则和决策的可信度做最优决策，以便具
有良好的实时性和容错性，在一种或几种传感器失
效时也能工作。

信息融合所采用的算法有以下几
种：统计模式识别法、贝叶斯估计法、多贝叶斯法、s-D显式推理法、模糊逻辑法和产生式规则法。

多传感器信息融合技术的发展依赖于硬件和软
件两个方面的进步。

从硬件上看，为了满足多传感
器产生海量数据的实时处理，必须采用高速专业微
处理器和并行处理技术，从软件上看，当务之急是发展更有效的特征级、决策级算法。

3．3自动目标识别技术
精确制导技术发展的终极目标是智能化制导，
如何结合模式识别、人工智能技术开发智能探测器
技术、智能信息处理技术，实现红外制导系统的自动目标捕获及识别能力和复杂情况下的自动决策能
力，是智能化制导首先必须解决的关键问题。

自动
目标识妻JI](ATR)技术是智能化信息处理技术的一个重要方面，也是精确制导技术向智能化方向迈进的
核心问题。

自动目标识别和多传感器信息融合技术
相辅相成，它是根据传感器获取的目标图像序列，利用模式识别、人工智能方法，对战区的众多目标进行跟踪、分类、识别，为火控系统进行多目标跟踪、威胁判断、攻击点选择提供决策依据的过程。

由于红外成像制导系统具备灵敏度高、扫描速
率快和无镜面反射等特点，因此它一直是自动目标
识别的首选传感器。

基于特征识别的红外成像ATR
系统的发展已经经历了两代：第l代红外成像ATR
系统软件是不可编程的，是模式识别算法，只有有限的知识，没有向动态环境学习和自适应的能力；第2代红外成像ATR系统的软件是可编程的，是知识机
算法，它融人人工智能，有自适应和学习能力。

在信息处理机发展中，正在研制满足弹载条件实时处理
的高级并行结构专用处理机。

近年来基于模板匹配
识别的ATR技术已经比较成熟，已经成功地应用于
美国AGM一54C，AGM一158和SLAM．ER等导弹中。

3．4结构优化设计技术
复合制导的发展给导引头的结构设计技术带来
了前所未有的挑战，如何在日益紧张的空间内，合理安排复合制导系统中各种光学、微波、机械、电气部件的位置，满足各类传感器所需的扫描视场，满足头罩的透光率、微波传输率，保证电磁兼容性、热设计要求，同时还要配合整弹的气动外形设计，结构综合优化设计技术显得尤为重要，在复合制导结构优化
设计中，需重点解决以下问题。

1)孔径选择：多模复合制导系统的结构方案分
为分离孔径和共孔径两种方式。

共口径方式结构紧凑、信息融合效率高，但各传感器之间存在遮挡问题；分离孑L径方式的优点是便于设计，缺点是导弹气动特性变差，信息融合效率低。

具体选择何种方式。