〈综述与评论〉迈向新世纪的智能化红外成像寻的制导技术Ξ刘永昌,吴 鹏,张 黎(陕西青华机电研究所,陕西长安710111)摘要: 概述了20世纪红外成像寻的制导技术的发展状况,分析了未来高技术战争对精确制导武器的发展要求和智能化红外成像寻的制导的关键技术,展望了21世纪红外成像寻的制导技术的发展趋势,并对红外成像寻的制导当前的发展提出了看法。
关键词: 红外成像寻的制导; 智能探测; 智能信息处理; 智能控制中图分类号:TJ765.3+36 文献标识码:A 文章编号:100128891(2002)022*******1 前言红外寻的制导是当代红外技术的重要军事领域。
伴随着红外探测器技术的发展,特别是红外焦平面探测器的工程应用和计算机信息处理以及超大规模集成电路的飞速发展,已使红外寻的制导技术由点源发展到成像寻的制导。
在20世纪八九十年代得到迅速发展,目前红外成像寻的制导已广泛应用于精确制导武器系统。
红外成像寻的制导与其它光电制导技术相比具有显著的优点,它能提供二维图像信息,采用计算机图像信息处理实现制导智能化,具有高灵敏度、高空间分辨率、大动态范围,尤其适合探测较弱的目标信号和鉴别多目标的需要;制导精度高、抗干扰能力强、作用距离大、全天候工作能力强;尤其是红外焦平面(FPA)探测器的迅速发展,以及与模式识别技术相结合,形成自主式的智能导引系统,更具有强大的抗红外干扰能力、自动捕获目标能力和复杂情况下自动决策能力。
因此,在高技术兵器迅速发展的当今世界,已成为世界各国军事应用中重要研究和发展的精确制导项目之一。
尤其是1991年初的海湾战争,它是一场高技术对抗的导弹攻防战,红外成像寻的制导武器在这场战争中所显示的威力令世人瞩目。
这场高技术战争带给人们的深刻启示,包括美国在内的各国军方深深感到配有红外热成像系统兵器的严重威胁。
因此,再一次唤醒了世界各国对发展和装备智能化精确制导武器的重视,其研究、发展和应用的竞争更加激烈。
为了适应未来高技术条件下复杂的战场环境,精确制导武器必将向着高度精确化、自动化和智能化方向发展。
2 20世纪红外成像寻的制导技术发展回顾2.1 第一代红外成像寻的制导第一代红外成像寻的制导的主要标志是用光机扫描方法实时获取目标图像,它经历了从亚成像到成像的发展阶段。
采用双色(红外/紫外或双色红外)多瓣玫瑰线(或往复式螺线)图形扫描的亚成像制导体制,实际上是一种从点源探测到成像制导过渡的体制。
它通常在对目标进行搜索的阶段采用玟瑰线或螺线扫描的点探测,而在对选定的目标进行跟踪的阶段,则依据不同的视场对同一目标所探测到的信息进行亚成像的处理,从而实现对命中点的选择。
典型的型号产品如美国的“尾刺”(Stinger Post And Stinger RMP)改进型、前苏联的“SAM213”、和法国的“西北风”改进型等。
美国光机扫描红外成像制导马伐瑞克导弹是第一代红外成像寻的制导的典型代表。
它的研制起始于20世纪70年代中期,采用4×4光导HgCd Te小面阵列红外探测器加旋转光机扫描机构,是当代已经装备部队使用的红外成像导引头系统。
休斯公司研制的“马伐瑞克”(Maverick)A GM265D空地反坦克导弹、A GM265F反舰导弹就是典型代表,它已于1983年开始成批生产并装备部队。
据报道在1991年的海湾战争当中,红外成像制导武器大显身手,平均每天发射1第24卷 第2期2002年月3月 红外技术Infrared TechnologyVol.24 No.2March2002Ξ收稿日期:2001201224100多枚“马伐瑞克”导弹,其中大部分为红外成像制导型,命中概率达80%以上,用于攻击坦克、装甲车、炮兵阵地、桥梁和掩体,取得了良好的效果。
可以说,在海湾战争中,红外成像制导导弹比较充分地显示了它的威力和有效性。
采用多元线阵列探测器大都已做成组件,扫描方式由串扫并扫发展到串并扫。
采用的探测器件有60元、120元、180元光伏HgCd Te器件,具有高性能,其温度分辨率达到0.1～0.5K空间分辨率达到0.2～1 mrad典型的产品型号还有美国的近程“空2空”导弹ASRAAM、中程反坦克导弹AAVS2M、挪威“企鹅”(Pcngnin)H K22系统反舰导弹和法国的布沙特(Bus2 sard)反坦克导弹等所采用的红外成像导引头均属这种形式。
在80年代中期以来,光机扫描器有了新的发展,由于微型视频光机扫描器的出现,以美国K ollmorgen 公司在光机扫描器微型化方面取得的成功,从而使光机扫描红外成像传感器在小型战术导弹上的应用成为可能。
美国通用扫描公司将这种微型扫描器的尺寸压缩了一半,装入直径仅100mm的战术导弹的导引头内,其扫描视场可达±30°,重量仅2磅。
2.2 第二代红外成像寻的制导第二代红外成像寻的制导的主要标志是采用红外焦平面探测器阵列成像,用电子自扫描实时获取目标图像。
第二代红外成像导引头几乎是1980年在美国和西欧同时开始研制,它采用凝视红外焦平面(FPA)探测器,无需光机扫描成像,因此,系统结构紧凑,工作可靠。
它是最有发展前途和生命力的一种红外成像寻的制导方式,给发展小型战术导弹的红外成像导引头带来了生机。
凝视红外焦平面阵列器件在美国和日本发展很快,3～5μm中波段的硅化铂肖特基势垒焦平面探测器已发展到1024×1024元;锑化铟光伏焦平面探测器件实用化已达512×512元;长波(8～12μm)碲镉汞焦平面探测器已达256×256元,320×240元。
而且焦平面探测器件正向着高密集度、多光谱、高响应度、高探测率、高工作温度方向发展。
这类导弹典型代表有:美国的“海尔法”(Hellfire)导弹、西德、英、法的远程“崔格特”(Trigat)导弹和美国标枪(Javelin)便携式反坦克导弹等。
当前这类红外成像制导系统仍处在研制、开发和试验阶段,并将日趋实用化。
凝视红外焦平面(FPA)探测技术与模式识别相结合,形成自主式的智能红外成像寻的制导系统,具有强大的生命力,将成为21世纪制导技术发展的主要方向。
3 智能化红外成像寻的制导技术发展的基本特征3.1 精确制导战术武器发展的基本特点随着现代作战环境的日益复杂化,使精确制导武器面临着严峻的挑战。
未来高技术战争形态的变化对现代精确制导武器系统提出了很高的要求。
归纳起来有以下基本特点:1)作用距离远现代化精确制导武器的射程因型号不同而异,而增大射程是各种精确制导武器在发展过程中一直追求的重要目标。
2)制导精度高自寻的精确制导武器最本质的特征就是通过高精度命中来提高武器系统的作战效能,这是提高现代武器系统生存能力和作战能力的关键。
3)自动寻的能力自动寻的精确制导要成为有效的武器,除了高精度外,还必须实现自动捕获、自动识别目标要害部位的能力。
这是保证高效摧毁目标的必要条件。
4)高度的抗干扰能力现代战争最大的特点之一就是对制电磁权的激烈竞争,敌对双方都竭力采用各种电磁对抗手段,因此,武器系统必须具有良好的对抗能力,在复杂的战争环境条件下,导引武器精确命中目标。
5)全天候、全天时作战能力全天候作战能力主要取决于武器系统的目标侦察、探测和识别的光电系统以及导弹本身的效能,并且是武器系统在不良的气候条件(雾、雨和雷电等)下以及夜间攻击敌方目标的能力的综合表现。
3.2 智能化红外成像寻的制导的主要技术特点随着人工智能、成像寻的制导、微型计算机和自适应控制技术等的发展和突破,人们已经探索研究使武器系统实现完全自动化和智能化的寻的制导技术。
智能化的寻的制导是采用图像处理、人工智能和计算机技术,无人参与地对目标自动探测、自动目标识别(A TR)、自动捕获和跟踪,并进行瞄准点选择和杀伤效果评估,智能化制导系统的核心是智能导引头,它具2Vol.24 No.2 红外技术 March2002有很高的探测灵敏度和空间分辨率。
其主要技术特点如下:1)能在充满各种干扰的复杂战争实际环境中完全自动地探测、搜索、识别视场中的全部目标,能从多目标中选择攻击价值高的目标,选择目标的要害部位和脆弱部位,捕获多目标并进行实时多模跟踪;2)能够综合利用多种信息,对多传感器和复合传感器探测的数据进行融合处理;3)采用具有规划、理解、推理和学习功能的计算机,能够模拟专家解决问题时有效而复杂的思维活动,使智能化制导系统能在瞬息万变的战争环境下判断和决策,自动识别目标(A TR)和自动跟踪目标;4)能对视场中目标进行威胁判断、优先加权等选择威胁大的目标进行拦截;5)能进行瞄准点选择和杀伤效果评估;6)具有对故障干扰和环境进行综合决策的能力。
4 智能化红外成像寻的制导技术发展的关键技术分析智能化红外成像寻的制导是用红外成像传感器代替人的眼睛,用专用高速微型计算机模拟人的分析、推理、判断、决策等逻辑功能,用“算法”复制人的思维过程。
4.1 智能探测技术寻的制导系统,为了实现高精度、具有较强的识别能力和抗干扰能力,其首要问题就是能在各种条件下获取更多更有用的信息。
因此,智能探测传感器应该具有探测目标多维特性的能力,在目标探测过程中能完成自适应变焦、变门限智能控制。
红外成像传感器是智能化红外成像寻的制导系统的关键部件。
成像探测也可分为低级阶段和高级阶段。
由于光电子、微电子、新材料技术的限制,当前比较成熟的第一代红外成像探测技术主要是扫描成像技术,正在加紧开展的第二代红外成像探测技术是凝视焦平面成像技术,它的更高级的发展阶段(第三代)将依赖于微电子技术的发展,即不但实现凝视探测,而且可以把无数探测单元和多波段探测单元集成为单片器件,大幅度提高探测精度、抗干扰能力、抗毁伤能力和轻小型化。
凝视焦平面红外成像探测具有突出的技术特点:由于省去了复杂的光机扫描部件,更加轻小型化;由于连续累积目标辐射能量(积分效应),使其具有更高的灵敏度;由于采用超大规模数量探测元,可获得更高分辨率;由于凝视,使探测器反应更快,制导系统探测信息更换速率提高,更便于对付高速高机动目标;由于它的高度集成化,而大大提高了可靠性以及抗冲击、振动、过载的能力;如果采用长波红外成像探测,不仅可探测目标高温区,也可探测常温目标,使其具有更高的抗干扰能力。
凝视焦平面红外成像探测器向着超大规模、高密集度、多光谱、高响应度、高探测率和高工作温度方向的发展,必将对智能化红外成像寻的制导系统的发展产生深远的影响。
4.2 智能搜索技术智能搜索主要是指实现成像传感器系统对目标的最优搜索,根据被搜索目标和环境智能地改变搜索图案,自适应地改变搜索波门、搜索视场、搜索速度和搜索门限等,从而提高搜索概率,降低虚警概率,保证寻的制导系统能自动、迅速、准确地捕捉住目标。
