第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年6月 Vol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Jun. 2008
发展中的红外成像制导技术
辜 璐
（中国航天科工集团二院208所，北京 100854）
摘要：介绍红外成像制导的原理、特点和关键技术，指出了在现代战争中发展红外成像制导技术的重要性，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(2008)增(红外)-0686-05
Development of the infrared guidance technology
GU Lu
(No.208 Institute, the Second Academy of CASIC, Beijing 100854, China)
Abstract: Guidance principle, characteristics and the key technique of infrared imaging guidance technique are described. The properties of the infrared imaging guided are discussed and their development tendency are analyzed.
Key words: Infrared imaging; Guided technology
0 引 言
目前，远程精确打击武器正在向高精度、高速度、高突防能力和高毁伤能力的方向发展，使“不接触作战”打击成为可能。寻的末制导技术是实现远程精确打击的最有效的途径之一。在寻的末制导技术中红外成像制导技术十分活跃，在国外新一代防空导弹中，如美国海基标准-3、THAAD均采用了红外成像末制导技术。
红外成像制导技术国外已发展了两代，目前正在向第三代转变。第一代红外实时成像系统是光机扫描成像系统，国外已经实用化，如发射前锁定目标的AGM - 65D /F幼畜导弹，发射后锁定目标的AGM - 84斯拉姆导弹，台湾的雄风2舰舰导弹采用的被动红外机械扫描也属于第一代红外成像制导；第二代是采用凝视红外焦平面阵列成像，是电子自扫描成像，无需光机扫描。目前，美国、日本处于领先地位，已实用化的有：德、英、法三国联合研
收稿日期：2008-06-20
制的“崔格特”导弹，美国的AN - 9X响尾蛇改进型导弹。
在美国空军中期（2010年前）的制导技术计划中，将利用MEMS和ASIM技术把大规模探测单元和多波段复合探测器集成在一个基片上，研制高级红外成像导引头，这种导引头类似蜻蜓复眼，可以大幅度提高制导精度，其目标分辨率高、抗干扰性强，从而实现由第二代红外成像制导向第三代高级成像制导转变。
1 红外成像制导的原理与特点
采用红外成像制导技术可以提高导弹的抗干扰能力和命中精度。红外成像方式分为光机扫描和凝视两种类型。光机扫描成像系统体积大，灵敏度低，在使用时有很大局限性。凝视成像系统与光机扫描成像系统相比，具有体积小，灵敏度高等特点，是精确制导武器应该采用的比较理想的制导方式。
作者简介：辜璐（1981-），女，江西抚州人，工程师，主要从事精确制导武器与技术的研究。Email：[email protected]
增刊 辜 璐：发展中的红外成像制导技术 687
1.1 红外光机扫描成像
红外光机扫描成像是利用机械运动驱动光学元件对景物进行扫描来获得被测景物的温度分布图像，扫描的目的是扩大系统的视场。光机扫描成像系统的扫描机构的复杂程度取决于所使用的红外探测器数目和相应的结构形式。
光学系统将目标和背景的红外辐射聚集起来照射到处于焦平面的红外探测器上，光机扫描机构放置在光学系统和探测器之间。光机扫描机构有并扫描和串扫描两种基本的扫描方式。
在光机扫描成像中用得最多的是并扫描机构。它是采用一列红外探测器复盖俯仰方向所要求的视场，而水平方向采用光机扫描来实现所要求的视场。并扫描分为两大类型：单向并扫描和双向并扫描。单向并扫描是指在一个方向完成一帧的扫描。单个反射镜的线性扫描和具有不同倾角的多面反射镜鼓的扫描都属于这种类型的扫描。采用反射镜的线性扫描结构简单，扫描线性度好，成本低，但是运动不平稳。采用具有不同倾角的多面反射镜鼓的扫描，运动平稳，扫描线性度好，但是多面反射镜鼓复杂，体积大，扫描效率低[1]。
双向并扫描指的是摆镜往返运动对景物的扫描和用两个相互之间有一定倾角、同速共轴反向运动的双光楔对景物的扫描。双向并扫描的优点是运动平稳，容易实现，扫描效率高。它的缺点是与单向并扫描相比，传递性能较差，此外图像边缘产生的锯齿现象和扫描非线性都可以没法减小。总之，并扫描是光机扫描成像方式中最简单和最常用的一种方式。从提高红外成像的像质考虑，采用单向并扫描较好，最好采用双列红外探测器结构。并扫描成像的缺点是体积大，灵敏度低，在制导导弹上应用不够理想。
1.2 红外成像系统的基本参数
（1）光学系统的入瞳口径D。和焦距f ′，它们是决定红外成像系统性能和体积的重要因素。
（2）瞬时视场（IFOV）ω
瞬时视场是光学系统（包括扫描机构）静止不动时，系统所能观察到的空间范围。它是探测器线性尺寸对景物空间的两维张角，它由探测器的形状、尺寸和光学系统的焦距所决定。若矩形探测器尺寸为a×b，则瞬时视场的平面角α、β为：
α=β=
a
′fb f′
而ω=αβ。瞬时视场一般以弧度或毫弧度为单位，它基本上表示系统的空间分辨能力。
（3）总视场（TFOV）Ω
总视场是系统所观察到的景物空间的两维视场角。总视场由所观察到的景物空间的大小和光学系统的焦距所决定。对于矩形探测器，若A、B为相互垂直方向的视场平面角，则Ω=AB。A、B的单位为弧度。
（4）帧周期Tf和帧频fP
系统扫过一幅完整画面所需要的时间称为帧周期，或帧时，单位为秒。系统一秒钟内扫过画面的帧数称为帧频，或帧速，Hz。fP和Tf的关系为：
1fP=
Tf
（5）扫描效率ηse
扫描机构对景物扫描时，实际所扫过的空间范围往往比景物所张开的空间角要大。系统扫过完整的景物所张开的空间角范围一次所需要的时间与扫描机构实际扫描一个周期所需要的时间之比称为扫描效率。通常空间扫描都是由水平扫描和垂直扫描两者合成的，所以扫描效率也分为水平扫描效率ηH和垂直扫描效率ηV，而总扫描效率：
ηse=ηHηV
（6）驻留时间τd
系统瞬时视场扫过探测器所经历的时间称为驻留时间。在采用单元探测器的情况，若扫描机构扫过的景物空间为Ω=AB，单元探测器所对应的瞬时视场ω=αβ，则整个景物画面的像元数为N。
ΩABN==
ωαβ
则采用单元探测器时的驻留时间为τd1： Tωαβτd1=fηse=Tfηse=Tfηse
ΩNAB对于采用n元一列探测器的并扫机构，驻留时间为τd：
τd=nτd1=
nαβTfAB
ηse
688 红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术 第37卷
设计时要让探测器的驻留时间τd大于探测器的时间常数。 1.3 红外凝视成像
在并扫描成像时，在俯仰方向所要求的视场是用一列红外探测器来复盖，而在水平方向的视场是依靠扫描来实现的。如果在水平方向改用成行的红外探测器来复盖所要求的视场，那么这种用红外探测器阵列复盖所要求的俯仰和水平视场的成像方式
就是红外凝视成像。
在并扫描成像时，沿俯仰方向放置一列nυ个探测器，恰好覆盖所要求的俯仰视场，而在水平方向扫描。当帧频一定时，并扫描成像系统探测器的驻留时间增加到单元探测器时的nυ倍，即τd=nυτd1，通道频带压缩到单元探测系统的1/nv，从而使通道
红外凝视成像系统是指系统在所要求覆盖的范围内，对目标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。这也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。如果在水平方向是用成行的nH个探测器来覆盖所要求的水平视场，也就是说现在的红外焦平面阵列是nυnH，这个时候红外凝视系统探测器的驻留时间为
探测器时间常数的限制，而不再受光机扫描机构扫
描速度的影响，它所能够达到的快速响应能力是红外光机扫描成像系统所无法比拟的。采用红外凝视成像系统自然就成为红外精确制导武器发展的必由之路。
2 红外成像制导关键技术
红外成像制导关键技术包括以下5个方面。 （1）侧面窗口和窗口制冷技术
由于导弹的超声速运动，弹头上将产生严重的气动光学（AO）效应和气动热学（AT）效应，要采用侧面窗口、窗口制冷和其它有关的补救措施。窗口材料应该尺寸大，透过率高，强度高。致冷方式基本上已经从外部制冷转向内部制冷。内部制冷在材料选取和加工技术方面有很高的要求。
（2）红外焦平面阵列（IRFPA）
目前由硅化铂、碲镉汞、锑化铟等材料制造IRFPA的技术已经成熟，但是由这几种材料制造的IRFPA的性能还不太理想。人们继续寻找更好的材料，并且在多量子阱（MQW）IRFPA和高温超导IRFPA的研制方向已经取得很大进展，并且还在研制非制冷IRFPA。为了进一步提高热灵敏度和分辨能力，IRFPA的像元数目越来越大，像元尺寸越做越小，占空因子越来越接近1，探测器的调制传递函数越来越接近1。
（3）导引头光学系统新技术
随着IRFPA、二元光学和微光学的发展，新一代大视场、轻结构的凝视红外成像（IIR）系统已经形成，其光学特点为：
1）利用超分辨技术和二元光学简化系统结构和进行像质修正，在保证高成像质量情况下获得大视场；
2）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，增强抗核辐射能力；
3）利用微扫描技术实现导引头的光学自适应，有利于克服AO效应和AT效应。此外，多孔径光学可以形成双色或多色导引头，对于缩小、减轻导引头，改善导引头性能是有益的[2]。
（4）图像和信号的高速处理技术
首先，要求帧成像积分时间、帧图像传输时间
τd=nνnHτd1
而通道频带宽度压缩了n
υnH倍，即凝视系统的通道频带宽度∆fs与单元探测系统的通道频带宽度
∆f之间的关系为
∆fs
=
1
∆f nνnH
倍。
综上所述，与单元探测系统相比，采用光机并倍，而采用倍。因为热灵敏度和系统的通道信噪比是成正比的，所以红外凝视成像系统的热灵敏度最高。显然，只要红外凝视成像系统采用大规模的红外焦平面阵列，即包含大数目的探测元，它就可以获得很高的热灵敏度。红外凝视成像系统不需要光机扫描机构，不仅简化了结构，缩小了体积，能够在焦平面内部完成信号预处理功能，提高了系统的可靠性，而且能够最大限度地发挥探测器快速响应的特性。因为从理论上说，红外凝视成像系统对景物辐射的响应时间只受
增刊 辜 璐：发展中的红外成像制导技术 689
和帧图像处理时间在帧周期之内完成；其次，采用侧面窗口探测，要进行快速坐标变换，对于IRFPA接收到的图像信息要快速读出、快速处理。正在发展把IRFPA读出电路和信号处理结合在一起的智能化系统，称为“灵巧”IRFPA。此外，要发展先进的弹上计算机，从两个方面着手。一是发展高密度、高速度的大规模集成电路；二是在系统结构上采用并行处理技术，提高计算机系统的整体处理能力。
（5）目标识别（ATR）技术
要在自然和人为干扰的复杂背景中自主和自动地完成搜索、捕获、识别和跟踪目标，进行瞄准点选择和杀伤效果评估，真正实现发射后不管的要求。ATR是实现智能寻的关键。正在发展的先进的目标识别技术有：光谱鉴别技术、单色多波段鉴别技术、多色传感器技术和空间滤波技术等。
传感器技术、高精度稳定系统技术、实时目标识别
与信息融合处理等关键技术基础上而实现实用化，这是实现精确复合寻的制导成功与否的关键。 从目前国外复合制导技术发展的趋势可以大致看出，国外在对空武器中由微波雷达/红外复合为主转向毫米波雷达/红外复合，
对地武器中则以毫米波雷达/红外复合为主。
德国Diehl BGT防御公司也研制了一种用于扩展防空和弹道导弹防御的小型双模导引头，由红外（IR）和激光雷达（LADAR）组成，这种导引头具有自主制导、目标探测和分类/识别等功能[3]。IR传感器探测作战场景，识别REV，并且把LADAR引向选择的目标。LADAR传感器采用高功率激光脉冲照射选择的目标，反射的激光通过接收器光学设备在焦平面上成像。然后，对图像高速取样，并且产生3D信息（角－角－距离）[3]。图1为导引头集成方案。
3 红外成像制导技术未来发展趋势
根据红外成像导引头的各项关键技术，其未来将向着智能化、通用化等方面发展。值得指出的是，红外成像导引头技术的发展也有向一体化方向发展的趋势。相应地，它的组成除探测器和信息处理机之外，还将控制系统的部分功能集成在导引头中，但这并不影响探测器和信息处理机所执行的功能和任务。
3.1 积极重视和推进多模复合寻的制导技术的开
发研究
战争的形态的变化对精确制导兵器提出了更高的要求，要求制导系统在较恶劣的气候条件下和复杂的战争环境（雾、雨、雪、烟、尘埃等）中能正常工作，即目标自动识别能力、对付多目标能力、抗干扰、快速反应、命中要害部位和全天候等，实现打了不用管。从长远来看，单一模式的导引系统将难以适应新的局部战争的要求，而发展和采用复合寻的制导将是唯一的选择。复合寻的制导兼有两种或多种频谱的性能优点，即可以充分发挥各自模式的优势，而又可相互弥补对方的劣势。在战术使用上将大大提高寻的制导系统的抗干扰性能，全天候性能。在众多种复合形式中，红外成像/毫米波复合技术性能最佳，该系统光电互补，克服了各自的不足，综合了光电制导的优点，是当前世界各国研究的重点。复合寻的制导要在突破集能传感器复合
图1 导引头集成方案
Fig.3 Integration concept of the missile seeker
3.2 发展智能化红外成像寻的制导技术
随着人工智能、成像制导、微型计算机和自适应控制技术的发展和突破，人们已经探索研究使精确制导武器实现完全自动化和智能化的智能制导技术。智能化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（ATR）、自动捕获和跟踪，并进行瞄准点选择和杀伤效果评估。智能化寻的制导系统的核心是智能导引头，具有很高的探测灵敏度和空间分辨率。
智能化寻的制导技术的发展的关键技术包括以下几方面：智能探测技术、智能搜索技术、智能信息处理和跟踪技术及智能控制和命中技术[4]。
为了适应未来高技术条件下复杂的战场环境，精确制导武器的高度精确化、自动化和智能化必将成为21世纪世界各国追求发展的伟大目标。
690 红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术 第37卷
3.3 重视“多用途化”“多制导类型”兼容制导体制
的发展
新的精确制导体应遵循多用途化的发展原则，也就是通常所说的“一弹多用”的发展原则，使得武器系统适用于不同的战场目标环境，以提高杀伤效果和自我生存能力。既要能反坦克，又能反直升机和反舰。导引系统、制导系统应根据多功能要求进行兼容性设计。多制导类型可互换的“一弹多头”的兼容性发展体制是当今世界精确制导兵器发展的趋势。
美国的马伐瑞克导弹、海尔法导弹、“铜斑蛇”精确制导炮弹等，都配有四种以上不同制导体制的结构上基本兼容的导引头（激光、电视、雷达/红外、红外成像等），而马伐瑞克导弹还正在研制毫米波导引头。在新的精确制导兵器的制导体制的设计中，导引系统应考虑继承性、发展性的兼容设计，为新的制导体制的快速更新发展奠定基础。
模块化设计方法是实现“一弹多用” 、“一弹多头”的制导体制的重要技术途径，它对于缩短不同制导类型的制导兵器的更新换代的研制周期，降低研制成本等具有显著的重要意义。因此要把发展模块 化设计技术放在不同制导体制研究的重要位置。
4 结束语
文中对红外成像制导技术的原理、关键技术和
发展趋势进行了讨论，可以看出，由于技术的发展和进步,红外成像制导技术的应用越来越广，红外成像制导武器已成为制导武器家族中的重要成员。同时，由于红外成像导引头具有技术密集程度高、投资力度大、研制周期较长等特点，因此,有必要集中各优势单位，分工协作，联合攻关，使我国的红外成像制导技术尽快实现工程化应用，并达到较高的程度，,走国产化、强军兴国之路。
参考文献：
[1] [2]
杨卫平, 沈振康. 红外成像导引头及其发展趋势[J]. 激光与红外, 2007,(11):1130-1132.
COUTURE M E. Challenges in IR Optics[C]//Proc of SPIE, 2001, 4369: 649-661.
[3] BARENZ J, BAUMANN R, THOLL H D. Eyesafe Imaging
LADAR/Infrared Seeker Technologies[C]//Proc of SPIE, 2005, 5791: 51-60. [4]
DERENIAK E L. Infrared Detectors and Systems[M]. John Wiley & Sons Inc, 1996.
第37卷，增刊 红外与激光工程 2008年6月 Vol.37 Supplement Infrared and Laser Engineering Jun. 2008
发展中的红外成像制导技术
辜 璐
（中国航天科工集团二院208所，北京 100854）
摘要：介绍红外成像制导的原理、特点和关键技术，指出了在现代战争中发展红外成像制导技术的重要性，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(2008)增(红外)-0686-05
Development of the infrared guidance technology
GU Lu
(No.208 Institute, the Second Academy of CASIC, Beijing 100854, China)
Abstract: Guidance principle, characteristics and the key technique of infrared imaging guidance technique are described. The properties of the infrared imaging guided are discussed and their development tendency are analyzed.
Key words: Infrared imaging; Guided technology
0 引 言
目前，远程精确打击武器正在向高精度、高速度、高突防能力和高毁伤能力的方向发展，使“不接触作战”打击成为可能。寻的末制导技术是实现远程精确打击的最有效的途径之一。在寻的末制导技术中红外成像制导技术十分活跃，在国外新一代防空导弹中，如美国海基标准-3、THAAD均采用了红外成像末制导技术。
红外成像制导技术国外已发展了两代，目前正在向第三代转变。第一代红外实时成像系统是光机扫描成像系统，国外已经实用化，如发射前锁定目标的AGM - 65D /F幼畜导弹，发射后锁定目标的AGM - 84斯拉姆导弹，台湾的雄风2舰舰导弹采用的被动红外机械扫描也属于第一代红外成像制导；第二代是采用凝视红外焦平面阵列成像，是电子自扫描成像，无需光机扫描。目前，美国、日本处于领先地位，已实用化的有：德、英、法三国联合研
收稿日期：2008-06-20
制的“崔格特”导弹，美国的AN - 9X响尾蛇改进型导弹。
在美国空军中期（2010年前）的制导技术计划中，将利用MEMS和ASIM技术把大规模探测单元和多波段复合探测器集成在一个基片上，研制高级红外成像导引头，这种导引头类似蜻蜓复眼，可以大幅度提高制导精度，其目标分辨率高、抗干扰性强，从而实现由第二代红外成像制导向第三代高级成像制导转变。
1 红外成像制导的原理与特点
采用红外成像制导技术可以提高导弹的抗干扰能力和命中精度。红外成像方式分为光机扫描和凝视两种类型。光机扫描成像系统体积大，灵敏度低，在使用时有很大局限性。凝视成像系统与光机扫描成像系统相比，具有体积小，灵敏度高等特点，是精确制导武器应该采用的比较理想的制导方式。
作者简介：辜璐（1981-），女，江西抚州人，工程师，主要从事精确制导武器与技术的研究。Email：[email protected]
增刊 辜 璐：发展中的红外成像制导技术 687
1.1 红外光机扫描成像
红外光机扫描成像是利用机械运动驱动光学元件对景物进行扫描来获得被测景物的温度分布图像，扫描的目的是扩大系统的视场。光机扫描成像系统的扫描机构的复杂程度取决于所使用的红外探测器数目和相应的结构形式。
光学系统将目标和背景的红外辐射聚集起来照射到处于焦平面的红外探测器上，光机扫描机构放置在光学系统和探测器之间。光机扫描机构有并扫描和串扫描两种基本的扫描方式。
在光机扫描成像中用得最多的是并扫描机构。它是采用一列红外探测器复盖俯仰方向所要求的视场，而水平方向采用光机扫描来实现所要求的视场。并扫描分为两大类型：单向并扫描和双向并扫描。单向并扫描是指在一个方向完成一帧的扫描。单个反射镜的线性扫描和具有不同倾角的多面反射镜鼓的扫描都属于这种类型的扫描。采用反射镜的线性扫描结构简单，扫描线性度好，成本低，但是运动不平稳。采用具有不同倾角的多面反射镜鼓的扫描，运动平稳，扫描线性度好，但是多面反射镜鼓复杂，体积大，扫描效率低[1]。
双向并扫描指的是摆镜往返运动对景物的扫描和用两个相互之间有一定倾角、同速共轴反向运动的双光楔对景物的扫描。双向并扫描的优点是运动平稳，容易实现，扫描效率高。它的缺点是与单向并扫描相比，传递性能较差，此外图像边缘产生的锯齿现象和扫描非线性都可以没法减小。总之，并扫描是光机扫描成像方式中最简单和最常用的一种方式。从提高红外成像的像质考虑，采用单向并扫描较好，最好采用双列红外探测器结构。并扫描成像的缺点是体积大，灵敏度低，在制导导弹上应用不够理想。
1.2 红外成像系统的基本参数
（1）光学系统的入瞳口径D。和焦距f ′，它们是决定红外成像系统性能和体积的重要因素。
（2）瞬时视场（IFOV）ω
瞬时视场是光学系统（包括扫描机构）静止不动时，系统所能观察到的空间范围。它是探测器线性尺寸对景物空间的两维张角，它由探测器的形状、尺寸和光学系统的焦距所决定。若矩形探测器尺寸为a×b，则瞬时视场的平面角α、β为：
α=β=
a
′fb f′
而ω=αβ。瞬时视场一般以弧度或毫弧度为单位，它基本上表示系统的空间分辨能力。
（3）总视场（TFOV）Ω
总视场是系统所观察到的景物空间的两维视场角。总视场由所观察到的景物空间的大小和光学系统的焦距所决定。对于矩形探测器，若A、B为相互垂直方向的视场平面角，则Ω=AB。A、B的单位为弧度。
（4）帧周期Tf和帧频fP
系统扫过一幅完整画面所需要的时间称为帧周期，或帧时，单位为秒。系统一秒钟内扫过画面的帧数称为帧频，或帧速，Hz。fP和Tf的关系为：
1fP=
Tf
（5）扫描效率ηse
扫描机构对景物扫描时，实际所扫过的空间范围往往比景物所张开的空间角要大。系统扫过完整的景物所张开的空间角范围一次所需要的时间与扫描机构实际扫描一个周期所需要的时间之比称为扫描效率。通常空间扫描都是由水平扫描和垂直扫描两者合成的，所以扫描效率也分为水平扫描效率ηH和垂直扫描效率ηV，而总扫描效率：
ηse=ηHηV
（6）驻留时间τd
系统瞬时视场扫过探测器所经历的时间称为驻留时间。在采用单元探测器的情况，若扫描机构扫过的景物空间为Ω=AB，单元探测器所对应的瞬时视场ω=αβ，则整个景物画面的像元数为N。
ΩABN==
ωαβ
则采用单元探测器时的驻留时间为τd1： Tωαβτd1=fηse=Tfηse=Tfηse
ΩNAB对于采用n元一列探测器的并扫机构，驻留时间为τd：
τd=nτd1=
nαβTfAB
ηse
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设计时要让探测器的驻留时间τd大于探测器的时间常数。 1.3 红外凝视成像
在并扫描成像时，在俯仰方向所要求的视场是用一列红外探测器来复盖，而在水平方向的视场是依靠扫描来实现的。如果在水平方向改用成行的红外探测器来复盖所要求的视场，那么这种用红外探测器阵列复盖所要求的俯仰和水平视场的成像方式
就是红外凝视成像。
在并扫描成像时，沿俯仰方向放置一列nυ个探测器，恰好覆盖所要求的俯仰视场，而在水平方向扫描。当帧频一定时，并扫描成像系统探测器的驻留时间增加到单元探测器时的nυ倍，即τd=nυτd1，通道频带压缩到单元探测系统的1/nv，从而使通道
红外凝视成像系统是指系统在所要求覆盖的范围内，对目标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。这也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。如果在水平方向是用成行的nH个探测器来覆盖所要求的水平视场，也就是说现在的红外焦平面阵列是nυnH，这个时候红外凝视系统探测器的驻留时间为
探测器时间常数的限制，而不再受光机扫描机构扫
描速度的影响，它所能够达到的快速响应能力是红外光机扫描成像系统所无法比拟的。采用红外凝视成像系统自然就成为红外精确制导武器发展的必由之路。
2 红外成像制导关键技术
红外成像制导关键技术包括以下5个方面。 （1）侧面窗口和窗口制冷技术
由于导弹的超声速运动，弹头上将产生严重的气动光学（AO）效应和气动热学（AT）效应，要采用侧面窗口、窗口制冷和其它有关的补救措施。窗口材料应该尺寸大，透过率高，强度高。致冷方式基本上已经从外部制冷转向内部制冷。内部制冷在材料选取和加工技术方面有很高的要求。
（2）红外焦平面阵列（IRFPA）
目前由硅化铂、碲镉汞、锑化铟等材料制造IRFPA的技术已经成熟，但是由这几种材料制造的IRFPA的性能还不太理想。人们继续寻找更好的材料，并且在多量子阱（MQW）IRFPA和高温超导IRFPA的研制方向已经取得很大进展，并且还在研制非制冷IRFPA。为了进一步提高热灵敏度和分辨能力，IRFPA的像元数目越来越大，像元尺寸越做越小，占空因子越来越接近1，探测器的调制传递函数越来越接近1。
（3）导引头光学系统新技术
随着IRFPA、二元光学和微光学的发展，新一代大视场、轻结构的凝视红外成像（IIR）系统已经形成，其光学特点为：
1）利用超分辨技术和二元光学简化系统结构和进行像质修正，在保证高成像质量情况下获得大视场；
2）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，增强抗核辐射能力；
3）利用微扫描技术实现导引头的光学自适应，有利于克服AO效应和AT效应。此外，多孔径光学可以形成双色或多色导引头，对于缩小、减轻导引头，改善导引头性能是有益的[2]。
（4）图像和信号的高速处理技术
首先，要求帧成像积分时间、帧图像传输时间
τd=nνnHτd1
而通道频带宽度压缩了n
υnH倍，即凝视系统的通道频带宽度∆fs与单元探测系统的通道频带宽度
∆f之间的关系为
∆fs
=
1
∆f nνnH
倍。
综上所述，与单元探测系统相比，采用光机并倍，而采用倍。因为热灵敏度和系统的通道信噪比是成正比的，所以红外凝视成像系统的热灵敏度最高。显然，只要红外凝视成像系统采用大规模的红外焦平面阵列，即包含大数目的探测元，它就可以获得很高的热灵敏度。红外凝视成像系统不需要光机扫描机构，不仅简化了结构，缩小了体积，能够在焦平面内部完成信号预处理功能，提高了系统的可靠性，而且能够最大限度地发挥探测器快速响应的特性。因为从理论上说，红外凝视成像系统对景物辐射的响应时间只受
增刊 辜 璐：发展中的红外成像制导技术 689
和帧图像处理时间在帧周期之内完成；其次，采用侧面窗口探测，要进行快速坐标变换，对于IRFPA接收到的图像信息要快速读出、快速处理。正在发展把IRFPA读出电路和信号处理结合在一起的智能化系统，称为“灵巧”IRFPA。此外，要发展先进的弹上计算机，从两个方面着手。一是发展高密度、高速度的大规模集成电路；二是在系统结构上采用并行处理技术，提高计算机系统的整体处理能力。
（5）目标识别（ATR）技术
要在自然和人为干扰的复杂背景中自主和自动地完成搜索、捕获、识别和跟踪目标，进行瞄准点选择和杀伤效果评估，真正实现发射后不管的要求。ATR是实现智能寻的关键。正在发展的先进的目标识别技术有：光谱鉴别技术、单色多波段鉴别技术、多色传感器技术和空间滤波技术等。
传感器技术、高精度稳定系统技术、实时目标识别
与信息融合处理等关键技术基础上而实现实用化，这是实现精确复合寻的制导成功与否的关键。 从目前国外复合制导技术发展的趋势可以大致看出，国外在对空武器中由微波雷达/红外复合为主转向毫米波雷达/红外复合，
对地武器中则以毫米波雷达/红外复合为主。
德国Diehl BGT防御公司也研制了一种用于扩展防空和弹道导弹防御的小型双模导引头，由红外（IR）和激光雷达（LADAR）组成，这种导引头具有自主制导、目标探测和分类/识别等功能[3]。IR传感器探测作战场景，识别REV，并且把LADAR引向选择的目标。LADAR传感器采用高功率激光脉冲照射选择的目标，反射的激光通过接收器光学设备在焦平面上成像。然后，对图像高速取样，并且产生3D信息（角－角－距离）[3]。图1为导引头集成方案。
3 红外成像制导技术未来发展趋势
根据红外成像导引头的各项关键技术，其未来将向着智能化、通用化等方面发展。值得指出的是，红外成像导引头技术的发展也有向一体化方向发展的趋势。相应地，它的组成除探测器和信息处理机之外，还将控制系统的部分功能集成在导引头中，但这并不影响探测器和信息处理机所执行的功能和任务。
3.1 积极重视和推进多模复合寻的制导技术的开
发研究
战争的形态的变化对精确制导兵器提出了更高的要求，要求制导系统在较恶劣的气候条件下和复杂的战争环境（雾、雨、雪、烟、尘埃等）中能正常工作，即目标自动识别能力、对付多目标能力、抗干扰、快速反应、命中要害部位和全天候等，实现打了不用管。从长远来看，单一模式的导引系统将难以适应新的局部战争的要求，而发展和采用复合寻的制导将是唯一的选择。复合寻的制导兼有两种或多种频谱的性能优点，即可以充分发挥各自模式的优势，而又可相互弥补对方的劣势。在战术使用上将大大提高寻的制导系统的抗干扰性能，全天候性能。在众多种复合形式中，红外成像/毫米波复合技术性能最佳，该系统光电互补，克服了各自的不足，综合了光电制导的优点，是当前世界各国研究的重点。复合寻的制导要在突破集能传感器复合
图1 导引头集成方案
Fig.3 Integration concept of the missile seeker
3.2 发展智能化红外成像寻的制导技术
随着人工智能、成像制导、微型计算机和自适应控制技术的发展和突破，人们已经探索研究使精确制导武器实现完全自动化和智能化的智能制导技术。智能化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（ATR）、自动捕获和跟踪，并进行瞄准点选择和杀伤效果评估。智能化寻的制导系统的核心是智能导引头，具有很高的探测灵敏度和空间分辨率。
智能化寻的制导技术的发展的关键技术包括以下几方面：智能探测技术、智能搜索技术、智能信息处理和跟踪技术及智能控制和命中技术[4]。
为了适应未来高技术条件下复杂的战场环境，精确制导武器的高度精确化、自动化和智能化必将成为21世纪世界各国追求发展的伟大目标。
690 红外与激光工程：红外成像系统仿真、测试与评价技术 第37卷
3.3 重视“多用途化”“多制导类型”兼容制导体制
的发展
新的精确制导体应遵循多用途化的发展原则，也就是通常所说的“一弹多用”的发展原则，使得武器系统适用于不同的战场目标环境，以提高杀伤效果和自我生存能力。既要能反坦克，又能反直升机和反舰。导引系统、制导系统应根据多功能要求进行兼容性设计。多制导类型可互换的“一弹多头”的兼容性发展体制是当今世界精确制导兵器发展的趋势。
美国的马伐瑞克导弹、海尔法导弹、“铜斑蛇”精确制导炮弹等，都配有四种以上不同制导体制的结构上基本兼容的导引头（激光、电视、雷达/红外、红外成像等），而马伐瑞克导弹还正在研制毫米波导引头。在新的精确制导兵器的制导体制的设计中，导引系统应考虑继承性、发展性的兼容设计，为新的制导体制的快速更新发展奠定基础。
模块化设计方法是实现“一弹多用” 、“一弹多头”的制导体制的重要技术途径，它对于缩短不同制导类型的制导兵器的更新换代的研制周期，降低研制成本等具有显著的重要意义。因此要把发展模块 化设计技术放在不同制导体制研究的重要位置。
4 结束语
文中对红外成像制导技术的原理、关键技术和
发展趋势进行了讨论，可以看出，由于技术的发展和进步,红外成像制导技术的应用越来越广，红外成像制导武器已成为制导武器家族中的重要成员。同时，由于红外成像导引头具有技术密集程度高、投资力度大、研制周期较长等特点，因此,有必要集中各优势单位，分工协作，联合攻关，使我国的红外成像制导技术尽快实现工程化应用，并达到较高的程度，,走国产化、强军兴国之路。
参考文献：
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