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红外成像制导技术的发展

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红外成像制导技术的发展 第 36 卷,增刊 红外与激光工程 2007 年 9 月 Vol.36 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep.2007 收稿日期:2007-07-12 作者简介:任宁(1974-),女,辽宁锦州人,工程师,主要从事电子科技情报的研究...

红外成像制导技术的发展
第 36 卷,增刊 红外与激光工程 2007 年 9 月 Vol.36 Supplement Infrared and Laser Engineering Sep.2007 收稿日期:2007-07-12 作者简介:任宁(1974-),女,辽宁锦州人,工程师,主要从事电子科技情报的研究。Emall:neiet@mail.jzptt.ln.cn 红外成像制导技术的发展 任 宁 (东北电子技术研究所,辽宁 锦州 121000) 摘要:介绍了红外成像制导技术的发展历程以及装备的研制、改进情况,指出了在现代战争中 发展红外成像制导技术的优势和重要性,重点探讨了几种红外成像导引头的技术性能及其特点;最 后 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了红外成像制导技术的未来发展趋势。 关键词:红外成像;制导技术 中图分类号:TN976 文献标识码:A 文章编号:1007-2276(2007)增(探测与制导)-0099-04 Development Of the infrared imaging quidance technology REN Ning (Northeast Research Institute of Electronic Technology,Jinzhou 121000,China) Abstract: The process of development of the infrared Imaging guidance technology and equipments in all coutries over the world and its modification are descripted . The technique performance and properties of the infrared Imaging guided seeker are discussed and their development tendancy are analyzed. Key words: Infrared Imaging; Guided technology 0 引 言 红外成像制导是利用红外探测器探测目标的红外 辐射,以捕获目标红外图象的制导技术,其图象质量与 电视相近,但却可在电视制导系统难以工作的夜间和低 能见度下作战。红外成像制导技术已成为制导技术的一 个主要发展方向。实现红外成像的途径有许多,主要有 以下两种:(1)多元红外探测器线阵扫描成像制导; (2)多元红外探测器平面阵的非扫描成像探测器(通 常称为凝视焦面阵红外成像制导系统)。红外成像探测 器从 20 世纪 70 年代以来已由多元线阵发展到面阵,从 近红外发展到远红外。红外凝视焦面阵列探测器的元件 数,对近红外已达 107个,对于远红外已达 105个,探 测率已达 1012~1014 量级。红外成像制导系统的灵敏度 和空间分辨率都很高,动态跟踪范围大,可达 1 500~ 1 800,有效作用距离远,抗干扰性好。本文就红外成 像制导技术的发展,作进一步的研究和探讨[1]。 1 红外成像技术 1.1 第一代红外热成像技术 热成像技术的发展始于 20 世纪 50 年代,起初只 能研制出基于单元器件的热像仪,场频较低,只限于 小范围应用。直到 20 世纪 70 年代中长波碲镉汞 (MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后, 热像仪才开始大量生产并装备军队。热像仪的种类繁 多,可大致分为二类:一类是通用组件化的热像仪; 另一类是按特殊要求设计的热像仪[2]。 美国开始发展的是 60 元、120 元与 180 元光导 线列器件并扫的通用组件化热成像体制。它们的帧频 100 红外与激光工程:光电探测与制导技术的发展与应用 第 36 卷 与电视兼容,也是隔行扫描制,每场只有 60 行、120 行和 180 行,并分别由同步扫描的 60 元、120 元和 180 元发光二极管对应地显示每帧的图像。在欧洲, 以英国的热像仪为代表采用了串并扫体制。它以扫积 型光导 MCT 探测器为基础构成了英国的第二类通用 组件热像仪。这是一种完全电视兼容、分辨率与普通 电视相同的热像仪。不论串扫、并扫或串并扫体制的 热像仪都需要光机扫描。 1.2 第二代红外热成像技术 随后发展的不用光机扫描而用红外焦平面阵列 (IRFPA)器件成像的热像仪,称为第二代热像仪。 由于去掉了光机扫描,这种用大规模焦平面成像的传 感器被称为凝视传感器。它的体积小、重量轻、可靠 性高。在俯仰方向可有数百元以上的探测器阵列,可 得到更大张角的视场,还可采用特殊的扫描机构,用 比通用热像仪慢得多的扫描速度完成 360°全方位扫 描以保持高灵敏度。 1.3 第三代红外热成像技术 第三代红外热像技术采用的红外焦平面探测器 单元数已达到 320×240 元或更高(即 105~106),其性 能提高了近 3 个数量级。目前,3~5 µm 焦平面探测 器的单元灵敏度又比 8~14 µm 探测器高 2~3 倍左右。 因而,基于 320×240 元的中波与长波热像仪的总体性 能指标相差不大,所以 3~5 µm 焦平面探测器在第三 代焦平面热成像技术中格外的重要。从长远看,高量 子效率、高灵敏度、覆盖中波和长波的 HgCdTe 焦平 面探测器仍是焦平面器件发展的首选。 1.4 第四代红外热成像技术 主要采用扫描焦平面 4N 或 6N 阵列的第二代前 视红外系统。扫描焦平面阵列(FPA)是碲镉汞多元 线列并联扫描技术的进一步发展。它不仅增加线列的 单元数量,而且增加线列(行)数,形成串并扫描, 同时采用多级时间延迟和积分(TDI)技术把串联扫 描同一行单元的光电信号依次延迟并相加。它采用阻 抗低的光伏型碲镉汞材料,能与硅电荷耦合器电路低 耗耦合。碲镉汞多元焦平面阵列与硅电荷耦合器中间 由铟柱连接形成夹层结构,从而制成混成双片焦平面 阵列红外成像探测器。 2 武器装备 20 世纪 50 年代开始研制的第一代红外制导导弹 (如美国的“响尾蛇”AIM-9B、英国的“天空闪光” 等)均采用非制冷的硫化铅探测器,工作波段在 l.3 µm,作用距离近,在 10~15 km 高空对米格-29 一 类目标的作用距离一般为 7~8 km,而且只能探测飞 机的喷气发动机尾喷管的红外辐射。第二代红外制导 导弹(1967 年以后)扩大了全向攻击能力,可从目 标的前方或侧向攻击目标,如美国的“响尾蛇” AIM-9L,法国“马特拉”R550 等,该类导弹的红外 制导系统普遍采用制冷的锑化铟光敏元件,工作波段 在 3~5 µm,其探测的目标主要是发动机尾喷管排出 的高温燃气尾焰。第三代红外制导导弹采用红外焦平 面阵列探测器的成像制导,探测元件为锑镉汞,可探 测 8~14 µm 的红外辐射,典型产品有美国的 AGM-65D“小牛”空地导弹,AGM-114A“海尔法” 空地导弹等。红外成像制导技术具有在各种复杂战术 环境下自主搜索、捕获、识别和跟踪目标的能力[3]。 红外成像探测真正实现了对飞机的全向攻击,因 为这时机身蒙皮的气动加热辐射将成为不可忽视的 辐射源。机身蒙皮的气动加热辐射的特点是辐射面积 大,与环境的辐射对比度较小,以点源热点制导为模 式的第一、二代导弹对其几乎构不成任何威胁,但目 标与背景间微小的温差或自辐射率引起的热辐射分 布图像却很适合红外成像探测。美国“战斧”巡航导 弹,现已采用了红外双波段成像末制导。 “斯拉姆”是美国海军研制的第四代机载远程对 地攻击导弹,是“鱼叉”反舰导弹的派生型,吸收了 “小牛”空地导弹在红外成像制导、白星眼空地电视 制导导弹在数据链方面的先进技术、并加装了 GPS 接 收机。导弹在距目标只有 1 min,即约 15 km 的飞行距 离时接通数据链,弹上的红外成像制导系统开始搜索 和捕获目标,并将探测图像通过数据链传输装置发送 给跟踪引导飞机的飞行员。美军飞行员通过电视屏幕 可以观察并修正导弹飞行轨迹,选定目标要害部位, 锁定目标并引导导弹精确打击。这次空袭中使用的“斯 拉姆”可能是改进后的 AGM-84E 增程型,制导方式 改为电视/红外/GPS 制导,圆概率误差提高到 4~6 m。 AGM-88A 哈姆反辐射导弹是美国第三代反辐射 导弹,现已加装被动红外制导,提高导弹抗干扰能力。 AGM-65D 红外成像型制导 雷锡恩公司为第二 主承包商,1974 年开始改进,1975 年 11 月开始飞行试 验,1981 年 12 月投产,1983 年进入美国空军服役,1986 年完成 D/G 两型改进 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ,研制费 198.6 百万美元,采 增刊 任 宁:红外成像制导技术的发展 101 购费 3090.1 百万美元,总计 3 288.7 百万美元,制造样 弹 46 枚,1993 年停产,批生产总数 25 127 枚,月生产 率 500 枚,单价 12.3 万美元。其主要改进之处,是在 A 型基础上改装红外成像导引头,其数字式定心跟踪器使 导弹飞向目标的中心,而不是飞向最大温差点,红外频 段的选择能透过战场上的烟雾,获得昼夜、全天候作战 能力;同时,采用新的少烟固体火箭发动机。 AGM-65F 红外成像型制导 1980 年 10 月开始 改进,1985 年投产,1989 年进入美国海军服役,研 制费和采购费纳入 E/F 型改进计划,两型总计 733.5 百万美元,批生产总数亦纳入 E 型改进计划,E/F 两 型总计 5 002 枚,单价 131 万美元。其主要改进之处, 是在 D 型红外成像导引头的基础上,专为攻击舰艇 目标增加了图像调制处理能力,并采用重量增大到 136 kg 的爆破穿甲战斗部和可调延时引信。 AGM-65G 红外成像型制导 雷锡恩公司为第二 主承包商,1990 年进入美国空军服役,研制费和采 购费纳入 D/G 型改进计划,两型总计 3 288.7 百万美 元,批生产总数亦纳入 D/G 型改进计划,两型总计 25 127 枚,单价 12.3 万美元。其主要改进之处,是 对 D 型红外成像导引头的软件进行修改,能攻击范 围广泛的目标,通过选择 1 个特定的瞄准点对大型目 标实施攻击;采用重量增大到 136 kg 的爆破穿甲战 斗部和可调延时引信,对坦克和装甲目标以及其他坚 固目标实施攻击。此外,采取工程改进 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 进一步降 低导弹生产成本。 AGM-65 为 GPS/红外成像或主动毫米波雷达复 合制导型 命名为“长角牛”,由休斯导弹系统公司在 F 型基础上改进研制,以参予美国空军旨在攻击地面关 机雷达而提出的称之为“寂静硬杀伤”(项目竟争,1990 年开始在“眼睛蛇”AH-1W 武装直升机上试射,以该 型导弹装备武装直升机的可行性进行验证,计划在“阿 帕奇”AH-64 武装直升机上装备 4 枚该型导弹。其主要 改进之处,是在 F 红外成像型基础上改装 GPS 中制导 系统,构成 GPS/红外成像复合制导型或者 GPS/主动毫 米波雷达复合制导型导弹,并换装涡喷发动机,使射程 达到 75 km,获得防区外发射、昼夜、全天候作战、发 射后不管、攻击固定/活动目标,以及多目标攻击能力。 在使用红外成像型 AGM-65D/F/G 时,飞行员操 纵飞机使导引头瞄准目标区,在较远的距离上发现并 锁定目标,在座舱内的电视监视器上显示该目标图 像,使瞄准方框套住目标,即可发射导弹,导引头采 用定心跟踪原理,控制导弹飞向目标为中心的区域, 而无需载机控制,导弹可改变航向,跟踪攻击活动目 标,必要时可连续发射攻击目标。 结构和性能特点:该弹采用正常式气动外形布 局,4 片后掠三角形弹翼位于弹体中、后部,十字形 尾舵位于弹体尾部,舵面偏转角±35°,圆柱形弹体 由 4 块 1/4 圆弧的弯板铆接而成,弹体内部采用舱段 式结构,分为前段、中段和后段 3 个舱段,前舱段装 制导与控制电子设备,中舱段为弹体结构部分,后舱 段为飞行控制部分。 各型号导弹的气动外形布局相同,使用同一种弹 体结构、自动驾驶仪和控制系统,各型号的区别在于 导引头:A/B 型采用电视导引头,装在弹体的前部, 内有电视摄象机(含光学系统、磁场偏转与聚焦线圈、 光电摄象管)和电子系统。为保护光电器件,在镜头 和光电摄象机之间涂有保护层,在镜头上方装有光敏 元件。C/E 型采用半主动激光导引头,D/F/G 型采用 红外成像导引头,H 型采用主动毫米波雷达导引头。 动力装置均采用 1 台双推力固体燃料火箭发动机, 但型号不同:A/B/C 型采用的是SR109-TC-1 两级推力固 体火箭发动机。D 型采用的是TX-481 两级推力少烟固体 火箭发动机,其长为 1.02 m,直径 280 mm,重 47 kg, 助推段(0.577 5 s)推力 4 450 dN,巡航段(3.495 s)推 力 968 dN,E/F 型采用TX-633 两级推力无烟固体火箭发 动机,其性能比TX-481 有所改进。该系列导弹采用两种 战斗部与引信:A/B/D 型采用前端点火聚能装药喷流与 爆破型战斗部,总重 58.7 kg,装药重 37.6 kg,装触发引 信。C/E/F 型采用 MK19 钢制穿甲爆破杀伤战斗部,总 重 136 kg,装触发或延时引信(可装定 3 个延迟时间)。 3 发展分析 红外成像制导技术的发展趋势:一是复合制导; 二是智能化,三是继续研制多量子阱红外焦平面阵列 技术[4]。 3.1 复合制导 复合制导是指导弹在飞行弹道的同一制导段或 不同制导段(如中段或末段)采用两种以上制导方式 (如自主制导、遥控和寻的制导)进行制导的技术。 随着光、电干扰技术、隐身技术的迅速发展,未来战 场环境将变得十分恶劣,单一频段或模式的制导武器 将难于适应未来战争的需求,因而,红外成像复合制 102 红外与激光工程:光电探测与制导技术的发展与应用 第 36 卷 导已成为制导导弹、炸弹、炮弹发展的重要方向。 红外成像复合制导可以充分发挥各制导体制的 自身优势,互相弥补各自的不足,极大地提高作战效 能和生存能力。 美国研制的战斧-Ⅳ型巡航导弹已投入使用。该 型导弹装备有全球定位系统接收机和前视红外传感 器,目标景象存储在导弹存储器中。它不仅可用来对 地攻击,还能进行反舰作战。 战斧-Ⅳ型多用途导弹采用GPS/惯导加红外成像 寻的加超视距目标修正制导方式,使命中精度和突防 能力有很大提高。同时,还采用了雷达吸波材料,以 及减少导弹电磁、红外特性的隐身技术,航程也将增 大到 2 000 km 以上。其战斗部可携带 317.5 kg 的高 能炸药,也可投放 166 复合效应子弹药,因此具有打 击地面点状和面状目标的能力,具有较高的穿甲、破 片杀伤和燃烧破坏作用。 3.2 智能化 智能化复合制导的核心是智能化的信息处理技 术,它在很大程度上依赖于软件和信息处理 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 。这 就要求信息融合技术在现有的硬件和传感器水平上, 寻求新的特征层融合算法、决策层算法和传感器自动 复合策略,从理论上形成一套复合寻的制导信息融合 方法。如何将神经网络人工智能、小波变换等各种信 息处理方法引入智能寻的制导信息融合技术中正在 引起人们的高度重视。 3.3 继续研制多量子阱红外焦平面阵列技术 目前,美国新一代动能拦截弹,采用了包括双色 红外凝视成像在内的多波段复合制导和智能化技术, 使拦截弹具有自主识别真假目标的能力。 在红外凝视成像导引头中,对目标和背景成像是 用红外探测器面阵充满物镜焦平面视场的方法来实 现的,就是使红外探测器单元与系统观察范围内的目 标和背景上的单元一一对应。也就是说,红外凝视成 像导引头要使用大面积的特性均匀的红外焦平面阵 列。现由硅化铂、锑化铟和碲镉汞等材料制造 IRFPA 的技术已经成熟,但还在寻找各种新材料,研制特性 更理想的 IRFPA。其中以多量子阱红外焦平面阵列格 外引人注目。 人们通过在半导体中掺入微量杂质的方法研制 出各种类型的半导体器件和集成电路,其特性主要是 由半导体内的电场分布和载流子分布决定的,也就是 由杂质分布决定的,因此这种利用掺杂工艺制造器件 的方法也称为杂质工程。在半导体中掺杂的方法有杂 质扩散、杂质离子注入和掺杂外延生长等方法。但该 方法是在自然晶体上利用掺杂形成各种器件,只能改 变能带的形状,不能改变能带的结构。另外,从决定 器件特性的泊松方程和连续性方程来看,仅仅依靠掺 杂方法改变器件特性也是不方便的。所以,利用杂质 工程来制造器件时,有很大的局限性。 随着美国 IBM 公司开发研制了,在 GaAs 半导 体上做出了超晶格的结构,为半导体器件的研制开辟 了一条崭新的道路。超晶格材料是用现代薄膜生长技 术制成的一种新型材料,它是在自然界中从未存在过 的一种全新的人工制造的晶体。超晶格是由 2 种不同 成分的半导体材料以薄层的形式交替排列而成,每一 薄层的厚度只有 1~10 nm,薄层的数目可以达到几百 甚至更多。超晶格实际上是由许许多多半导体异质结 连接而成的,只是由于每一薄层厚度非常小,因而这 些异质结不再是互相孤立的,从整体上就出现了一些 单个异质结所不具备的新的特性。 超晶格可以有多种形式的结构。如果窄禁带材料 (它形成势阱)的宽度很小,可以和电子的德布罗意 波长相比,而宽禁带材料(它形成势垒)的宽度较大, 使两个相邻势阱中的电子波函数不能相互耦合,则这 种超晶格称为多量子阱结构。目前,MQWIRFPA 主 要采用 GaAs/Al GaAs 超晶格材料。 4 结束语 随着新材料,新技术研制和开发,各种新型红外 制导导弹将采用更先进的末制导技术,如红外双色制 导,红外成像制导,多模复合制导等,使红外导弹更 加智能化并且具有全方位的攻击能力,在未来现代化 战争或局部战争中,红外成像制导技术就显得越来越 重要了。 参考文献: [1] 赵强,刘隆和.红外成像制导及其目标背景特性分析[J].航天电子对 抗,2006,1,27-29. [2] 冷锋,邹振宁.红外成像精确制导武器的光电对抗技术分析[J].航天电 子对抗,2004,6,51-54. [3] 乔亚.红外成像制导对抗技术研究[J].激光与红外,2005,12,913-916. [4] 张中南 ,王富宾 ,李晓 .发展中的红外成像制导技术 [J].飞航导 弹,2006,1,40-42.
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