绪论

第一章绪论1.1研究背景从1800年，英国天文学家赫谢耳发现红外线开始，红外技术和理论开始了缓慢发展。

到十九世纪八十年代，发现了一些新的探测器，灵敏度有了大幅度的提高。

1901年，Langley Abbot 发表了改进了测辐射热计，已经可以探测到 1/4 里外的奶牛的热辐射。

1917年，首次有了利用红外线的光电导效应的探测器。

第二次世界大战期间，德国人首次证实了冷却探测器可以增加灵敏度[1]。

二战结束后，美国人开始将红外探测技术引入到军事领域，开发研制了第一代空空导弹AIM-9B，从此拉开了红外探测技术快速发展的序幕。

此后的近五十年红外技术得到了较快的发展，在此期间，红外辐射理论、探测器及信号处理、红外光学及红外探测系统与跟踪技术等方面都有了很大的进步，从而使得以红外技术为代表的光电技术成为世界上的高科技领域之一[2]。

1.2红外探测技术简介红外探测技术是利用目标与背景之间的红外辐射差异，所形成的热点或图像来获取目标和背景信息的。

红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、能在一定程度上识别伪装目标，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事上被广泛应用于搜索跟踪、火力控制、制导、监视等方面[3]。

（1）搜索跟踪搜索平台周围的广大区域出现的目标，跟踪并将信息传送给相应单位。

IRST(红外搜索与跟踪)系统根据应用领域可以分成三种：机载、舰载以及地基。

机载IRST除了以敌飞机和其发射的空空导弹为主要探测对象外，还包括以地面发射的地对空导弹为对象的MWS(导弹告警系统)或MAWS(导弹临近告警系统)；舰载IRST以反舰导弹为主要目标；而地面IRST则主要用于对临近攻击机/直升机进行早期预警。

近些年各国已经发展了许多IRST设备并投入使用，Lockheed Martin公司制造的AN/AAS-42，波段在8-12μm，探测距离可达185km，已装备在F-14D和F-16上；美国海军研制的DAIRS/DAS，工作波段在3.4-4.8μm和8.2-9.2μm两个波段，长波探测距离最远可达278km，已装备于E-2C预警机上；另外，Lockheed Martin 公司研制的SBIRS应用于卫星上，探测距离可达10万公里。

（2）火力控制把捕获、跟踪目标获取的信息直接用于平台的火力运用，攻击目标。

例如，进行机关炮瞄准和进行SSM(舰对舰导弹)制导的舰载火控系统(FCS)；观测命中结果，并提供弹道信息给炮长瞄准装置等。

（3）制导用于导弹寻的：便携式地对空导弹、近程地对空导弹、导弹防御用地对空导弹等；对付反舰导弹的舰载近程对空导弹、舰载BMD用对空导弹等；机载反舰导弹(ASM)；空空格斗导弹等。

从上世纪60年代以来，红外制导导弹得到了广泛的发展，各国装备的各种战术导弹至少60%采用的是红外制导导弹，目前的红外制导导弹大多采用红外成像导引头[4]。

红外成像导引头是一种具有大量探测元、利用目标与背景之间的温度差、发射及辐射率差的热分布，经数据信息处理成像的导引头。

它具有高灵敏度及空间分辨率；以全被动方式在夜间或烟雾条件下全方位对冷目标探测；不易受电子干扰，抗红外干扰能力强；对红外诱饵、假目标有较高的目标鉴别力，并能抑制背景干扰；可实现智能化制导，利用软件实施对目标的自行判断、决策和跟踪[5]。

美国第四代近距空空导弹AIM-9X“终极响尾蛇”如图1，其弹长3米，弹径0.127米，重85公斤，射程18.53千米，最大飞行速度每秒850米。

AIM-9X采用的新一代红外线导引头，具有较好抗干扰能力，在晴空下更高的目标辨识能力，能清楚分辨是人工热源还是自然热源。

图1 AIM-9X英国的ASRAAM如图2弹长2.73米，弹径0.168米，弹重70千克，最小发射距离1000米，最大发射距离10千米。

ASRAAM的导引头为休斯公司的128×128元焦面阵成像导引头，具有较远的探测距离和良好的抗干扰能力，抗干扰模式还可不断进行改进。

图2 ASRAAM俄罗斯研制的R-73（西方称之为AA-11“射手”，如图3）全弹长2.9米，弹径0.17米，发射重量105公斤，其最小射程300米，最大射程则为20公里，目标速度不大于2500公里/小时。

安装的MK-80全向红外制导头探测距离10-15公里，发射前视野±45度，射后±60度，从制导头锁定目标到发射只需1秒。

图3 R-73侦察、监视、预警和告警等FLIR(前视红外装置)等警戒(预警)用IRDS(红外探测装置)、救援直升机装备的旋转头型FLIR等搜索/救难用IRDS、高速导弹艇搭载FLIR等监视可疑船只用IRDS、海峡警备所设置的FLIR监视整个海峡用的IRDS，将来还考虑像美国国防支援项目传感器那样的监视用星载IRDS。

美国Raytheon公司生产的“终结者”前视红外瞄准吊舱ASQ-228如图4，采用第三代中波红外640*480元凝视焦平面探测器，另外还包括激光测距仪、目标指示器、激光光斑跟踪器和导航用前视红外系统，装备于F/A-18E/F和F/A-18C 上，探测距离68.4～117公里。

Lockheed Martin 公司的夜间低空导弹红外瞄图4 ASQ-228准吊舱LANTIRN由导航吊舱、瞄准吊舱和飞机座舱中的衍射平视显示器等三部分组成，吊舱重225公斤，扫描范围高低为±10º-150º，滚动360º，前视红外视场有两个，一个是窄视场（±2.5º）一个宽视场（±10.6º），装备于F-16战斗机和A-10攻击机上。

飞机具有红外辐射高，其尾喷口的温度可以高达上千度，而其背景却相对干净，且红外辐射低，从而使空中目标探测具有了对比度高的特点。

正是由于这一特点,使得空空导弹成为红外技术进入的第一个军事领域。

1982年，马岛海战中英军用27枚红外制导的AIM-9L导弹击落了24阿根廷战机，命中率89％，表1.1给出了1900年-2002年美国空军在战役中战斗机损失情况。

从表1.1可以看出，44%的战机是被红外制导导弹击毁的。

表1.1 1900年-2002年美国空军在战役中战斗机损失情况[9]红外探测技术的发展给目前空中目标带来了巨大的威胁，而红外制导导弹在实战中的辉煌成果，引起各国军方的高度重视。

战略家们甚至预言：21世纪，红外光学制导必将成为精确制导武器的主导。

由此可见，想要在强烈的竞争中利于不败之地，就必须逃过红外探测器的探测追踪，做好飞行器的红外隐身工作非常重要，而针对空中目标的探测器的主要工作波段为3-5μm和8-14μm，其中3-5μm波段主要针对飞行器排气系统红外辐射（涡轮后热部件、喷管空腔及热喷流），8-14μm波段主要针对的是飞行器蒙皮红外辐射（如图5），因此做好飞行器这些地方的红外隐身工作很关键，需要重点关注研究。

图5飞机的主要红外辐射源1.1.2红外隐身技术的发展从20世纪80年代中期以来，红外隐身的重要性日益突出，主要表现在以下两个方面[7]：一是在导弹采用的探测方法中，红外约占30%，因为红外制导具有隐蔽性好、精度高、抗干扰能力强和可昼夜工作等优点，军事实力雄厚的国家都在争相发展性能先进的红外成像制导或双模制导导弹，目前已经有性能先进的红外成像制导导弹装备部队；二是在对空作战尤其是近距格斗中，红外制导空空导弹具有大过载和大离轴发射能力，甚至是越肩发射能力，红外导弹正成为空战战场上飞机的主要威胁。

在20世纪80年代发生的几次空战中，被红外导弹击落的飞机占被导弹击落飞机总数的70%～80%。

因此，减弱飞机的红外辐射特征，降低被红外导引头及红外告警系统探测和跟踪的概率，对提高飞机生存能力具有重大意义。

美国在飞机红外隐身技术的研究及应用上优势明显，目前已有多个型号的隐身飞机装备部队。

此外，俄、法、德、英等国也在积极研发红外隐身飞机。

红外隐身技术于70年代末基本完成了基础研究和先期开发工作，并取得了突破性进展，已由基础理论研究阶段进入实用阶段。

从2O世纪8O年代开始，国外研制的新式武器已广泛采用了红外隐身技术。

红外隐身技术通过降低或改变目标的红外辐射特征，实现对目标的低可探测性的。

这可通过改变结构设计和应用红外物理原理来衰减，吸收目标的红外辐射能量，使红外探测设备难以探测到目标。

目前飞行器红外隐身技术的措施主要针对飞行器的发动机、尾喷流及蒙皮，分别如下[7]：（1）发动机的红外抑制措施主要包括发动机的选型、喷管形状选择、涂层、冷却技术及遮挡技术。

在相同的推力下，涡扇发动机由于采用外涵道气流来降低喷气流温度和尾焰温度，使排气温度有所降低，尾焰也明显缩短。

一般的，涡喷发动机喷管的温度为900K左右，而涡扇发动机的喷管温度可下降到540K左右[8］。

采用矢量推力二元喷管、S形二元喷管等，加大了尾喷管与冷空气的接触面积，为喷管的散热和燃气流的混合提供便利，增加了高温排气与周围冷空气之间的能量和质量交换，大大降低了喷管和尾焰的温度，降低辐射强度。

在喷管外涂覆热障涂层或其他复合涂层，降低喷管外部部件的温度和发射率，可以降低飞机红外辐射。

用金属-石棉-金属夹层材料作飞机发动机舱的衬里，对发动机进行隔热，减少发动机传给机身的热量，可以降低飞机的红外特征。

利用喷气流高速流动的隐射作用或飞行器高速飞行时的冲压作用，从大气中引入大量空气来迅速冲淡、冷却高温尾喷流或燃烧室及喷管出口的热壁面，达到抑制其红外辐射能力的作用。

采用发动机与机身一体化设计技术，将发动机设置在机翼上面，使喷口隐蔽在机翼背面并安装排气挡板遮挡喷气流，可有效地减小探测视角并减弱辐射。

（2）喷流红外辐射抑制措施发动机的尾喷流是飞机的一个重要红外辐射源，为降低尾喷流红外辐射，可在燃油中加入特殊的添加剂，将高温燃气流辐射的红外光谱移到易于被大气吸收的波段，起到衰减红外辐射的作用。

据称在排气口中注入适量的碳微粒、N2O气体或聚苯邻聚二甲酸二乙酯有机高聚物，可以加强大气对尾气红外辐射的吸收，大大降低尾喷流的红外辐射。

另外，对于涡扇发动机而言，当发动机处于加力工作状态时，燃烧室处于缺氧状态，从燃烧室中喷出的燃油未能进行充分燃烧，这些燃油会随喷流喷出，在大气中继续燃烧，形成温度高达1800～2200K的尾焰，红外辐射十分强烈。

为降低喷流的温度和芯子长度，应尽量减少或避免使用加力燃烧室。

（3）蒙皮红外辐射抑制措施飞机蒙皮红外辐射主要是由两个因素造成的，一是飞机高速飞行时由于气动加热引起的红外辐射，二是发动机热传导造成其附近蒙皮发热，从而导致蒙皮红外辐射。

针对上述原因，一般在飞机蒙皮表面涂红外隐身涂料，在材料中加入隔热或抗红外成分，以抑制飞机表面温度，降低发射率。

飞机蒙皮部位不同，对红外隐身材料的要求也不同。