红外成像导引头对隐身飞机探测性能提升途径分析

摘 要：隐身飞机的出现对现有雷达和红外制导空空导弹的目标探测能力都提出了挑战。 由于隐身飞机对雷达隐身的效果优于红外， 相对而言， 红外制导空空导弹具有反隐身的优势。 但红外导引头仍需采取一定的措施以提高其对隐身目标的探测识别能力。 本文针对红外成像导引头探测隐身目标能力提升需求， 首先梳理了隐身飞机的红外辐射特征， 之后根据红外成像导引头探测性能的影响因素， 提出了采用双色/多波段成像探测、 优化系统工作参数设计、 提高成像质量和场景自适应性、 采用低信杂比目标检测截获等技术以提高系统对隐身飞机的探测识别能力。

关键词：  红外成像导引头； 隐身飞机； 红外辐射； 目标探测

中图分类号：TJ765.3+33； V249.32+6

文献标识码： A

文章编号：  1673-5048（2024）02-0138-07

DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0109

0 引  言

随着技术的迅速发展和现代化装备的使用， 在21世纪， 隐身飞机将大量出现于战场上， 其最大特点是能降低飞机在航行过程中的目标特性， 提高突防能力和攻击能力， 从而对现有的防空和空空导弹形成较大挑战。 目前， 国外装备和在研的隐身飞机主要有美国的B-2， F-22， F-35， 以及俄国/印度联合研制的T-50和日本的“心神”等。

以美国的F-22飞机为例， 该机具有雷达/红外/可见光和声学隐身性能、 高机动性、 敏捷性等特点， 具备超音速巡航、 超视距作战， 以及在作战过程中先敌发现、 先敌开火、 先敌摧毁的能力［1］。

隐身飞机采用了雷达低可探测性布局和结构， 使得RCS大幅减小， 从而大大降低了雷达制导空空导弹对隐身飞机的探测截获能力。 根据文献［2］， 隐身飞机的RCS约为非隐身同类飞机的1/200～1/1 000， 探测距离理论上下降73%～82%。 按此估算， 假如雷达型空空导弹对非隐身飞机的探测距离为40 km， 则对同类隐身飞机的探测距离会降至7～10 km量级， 这对雷达型空空导弹对抗隐身飞机的作战能力会产生较大的不利影响。 当前空空导弹雷达导引头主要采用增大发射功率以提升对隐身飞机的作用距离， 但受限于有限的弹内空间和能源制约， 在热耗和能耗上都有很大的瓶颈［3］。

红外制导空空导弹作为空空导弹传统上的另一大类， 以往主要应用于近距格斗空战中， 但近年来有向中远距拦截发展的趋势， 这种趋势因雷达型空空导弹的电磁对抗能力较弱而变得非常迫切［4］。 不论是中远距拦截还是传统的近距格斗场景， 都要求红外型空空导弹对隐身飞机有较好的探测能力。

飞行器实现红外隐身的方法一般是利用屏蔽、 低辐射涂料、 热抑制等措施， 降低目标的红外辐射特性。 相较于雷达隐身技术， 红外隐身技术在隐身战机上的应用有较大局限性， 比如二元喷管在降低尾气流红外辐射的同时， 也会降低发动机推力； 在战斗机有限的内部空间装有许多大功率的电子系统和大推力发动机， 低发射率材料热传导性差， 不利于飞机内部散热［3］。 总之， 由于隐身飞机对雷达的隐身性能远胜于红外， 相对而言， 红外制导空空导弹具有反隐身优势。 但要将这一优势转化成切实的能力， 需要有高灵敏度探测、 低信杂比目标检测与截获等技术的支持［4］。

1 隐身飞机的红外辐射特性

1.1 飞机的主要红外辐射

典型飞机目标的红外辐射源主要包括尾喷管、 尾气流和蒙皮辐射等， 其中尾喷管和蒙皮的自身辐射近似为灰体， 尾气流为典型的选择性辐射体。 各辐射源的光谱分布如图1所示［5］。

从红外辐射的光谱分布来看， 飞机在3～5 μm波段的辐射主要由发动机尾喷管和尾气流的辐射组成， 在8～12 μm波段的辐射主要由蒙皮和尾喷管的辐射组成。

飞机各辐射源的特点如下：

（1） 尾喷管的红外辐射航空兵器 2024年第31卷第2期

李丽娟， 等： 红外成像导引头对隐身飞机探测性能提升途径分析

尾喷管是被发动机排出气体加热的金属腔体， 可将其看成一发射率为0.9的灰体辐射源， 用温度和喷管面积来计算其辐射。 尾喷管的温度越高、 面积越大， 其红外辐射强度也越大。

（2） 尾气流的红外辐射

尾气流辐射的主要成分是4.4 μm处二氧化碳的分子辐射， 其辐射亮度与排出气流中气体分子的温度和数目有关， 这些值取决于燃料的消耗， 是飞机飞行高度和节流阀位置的函数。

尾喷管和尾气流中气体分子的温度都与发动机的工作状态有较大关系。 当飞机打开加力燃烧时， 喷管辐射和气流辐射都大幅度增加， 气柱长度也增加了3～5倍。

（3） 蒙皮的红外辐射

由气动加热产生的蒙皮辐射在飞行速度（马赫数）小于10时， 飞机蒙皮辐射温度为

Ts=T01+rγ－12M2（1）

式中： Ts为飞机蒙皮温度； T0为环境大气的温度； r为恢复系数， 其值依赖于附面层中气流的流场。 r=1时， 为临界驻点表面的空气温度； 计算蒙皮表面温度时， 如果气流为层流状， 恢复系数选为0.82； 气流为紊流状， 恢复系数为0.87。 γ为空气的定压热容量和定容热容量之比， 取值1.4； M为飞机的马赫数。

将蒙皮驻点温度与环境温度的关系定义为蒙皮气动加热系数， 利用式（1）可以得到其与飞行速度的对应关系曲线， 如图2所示。

从图2可知， 当飞机飞行速度较低时， 飞机蒙皮辐射温度较低， 蒙皮辐射并不明显； 当飞机飞行速度超过或远大于音速时， 蒙皮温度急剧升高， 蒙皮辐射就很明显了。

飞机的辐射特征与观察的方位有很大关系。 从飞机侧后方可以看到尾气流和尾喷管的辐射之和， 辐射强度大； 随着观察方位向迎头方向变化， 尾喷管和尾气流逐渐被遮挡， 辐射强度大大减少。 某飞机在加力状态下的中波红外辐射方向性分布如图3所示［5］， 其中， 0°为正尾后， 180°为正迎头。

1.2 隐身飞机的主要红外隐身措施

针对飞机发动机尾喷口、 尾气流和蒙皮三大红外辐射源， 隐身飞机常采用的红外抑制措施包括： 通过发动机隔热、 异形喷管、 发动机和喷管结构布局优化、 排气口调整遮蔽、 喷射冷却剂等， 以达到减小、 变向、 遮蔽尾喷管和尾焰红外辐射的目的［6］； 采用隐身涂料， 降低蒙皮的表面发射率， 减小蒙皮的红外辐射。 具体的红外隐身措施如下：

（1） 采用局部冷却或隔热方法， 降低暴露表面的壁温。 用金属石棉夹层材料对飞机发动机进行隔热， 防止发动机热量传给机身［7］。

（2） 采用非轴对称的喷口形状， 促进尾气流同自由流动的外部空气快速混合， 降低尾气流长度， 减小红外辐射强度。 试验表明， 长宽比为7的二元矩形喷管与同样出口面积的圆形喷管相比， 尾气流的红外辐射强度降低61%［7］。 F-22飞机发动机采用二元矢量收敛-扩张喷管， 可在俯仰方向作±20°的偏转。 喷管出口平面向后半球的最大辐射强度位于喷管的偏转方向上， 在远离高低角偏转方向上的辐射强度下降明显。 垂尾、 平尾、 尾撑向后延伸， 可遮蔽部分发动机喷口的红外辐射。 因此， 从飞机前半球方向探测， 产生的辐射易被机身遮挡； 由于矢量喷管的可偏转机动性， 即使不受遮挡， 隐身飞机尾部产生的辐射进入红外探测系统视场也具有一定的随机性［6］。

（3） 在燃油中加入特殊的添加剂以抑制尾气流的红外辐射， 或者将尾气流的红外辐射光谱移到易于被大气吸收的波段［7］。

（4） 采用隐身涂料， 降低飞机的红外辐射。 隐身涂料可降低飞机表面在全光谱段或大气传输窗口波段的发射率， 进而降低飞机蒙皮在红外探测系统波段内的红外辐射［6］。 例如美国F-35飞机的尾喷管通过采用特殊涂层来降低红外特征。

国内相关单位对国外主流隐身飞机的红外辐射特性开展了研究与仿真建模［8］。 文献［9］仿真验证了3～5 μm波段F-35尾后的辐射强度与F16相当， 迎头的辐射强度比F-16低10%， 并认为这是由于隐身飞机的发动机功率大幅提高的结果。 文献［10］中， 当F-22飞行马赫数为1.6， 蒙皮发射率为0.1等情况下， 采用隐身措施后其前半球8～12 μm波段红外特征降低约90%。

虽然目前还没有确切的国外主流隐身飞机的红外辐射特性数据， 但从物理原理分析， 上述红外隐身技术的采用肯定会降低飞机的红外辐射特征， 对目标探测产生不利的影响。 为提高红外成像导引头对隐身飞机的探测性能， 需要分析影响红外成像导引头目标探测的因素， 并采取有利于提升探测距离的措施。

2 红外成像导引头对隐身飞机探测能力提升途径分析

红外成像导引头是一个复杂的光机电系统， 其对目标的探测能力受多种因素的影响， 主要包括： 目标和背景的红外辐射特性， 大气传输特性， 导引头自身各组成部分的参数、 特性以及实际工作中的变化等。 下面对主要影响因素进行分析， 并给出可能的探测能力提升途径。

2.1 采用双色/多波段红外成像探测技术

利用目标、 干扰和大气透过特性在不同波段的差异， 采用双色/多波段红外成像探测技术可以有效提升复杂战场环境下对隐身飞机的探测识别能力。

（1） 由于隐身飞机的红外辐射特性随探测方向、 探测波段的不同而不同， 因此， 可利用不同波段红外探测系统对隐身飞机的不同辐射源进行探测。 对隐身目标进行迎头探测时， 因其主要的辐射源尾气流被较好地抑制， 尾喷管被遮挡， 此时主要的辐射源为机身蒙皮。 蒙皮的峰值辐射在长波段， 利用长波探测系统探测机身比较有利。 对隐身飞机进行侧向和尾后探测时， 未被完全遮挡的尾气流和尾喷管的辐射是主要的辐射源， 其峰值辐射在中波段， 利用中波探测系统探测比较有利。 因此， 利用中长波复合探测系统可以提高对隐身飞机的全向探测能力。 另一方面， 由于点目标的特征相对较少， 对点目标的检测存在虚警高等问题， 通过不同谱段特征的融合利用有可能提高正确检测目标的概率。

（2） 红外空空导弹在作战中不可避免地会面临点源、 多点源和面源等红外诱饵的干扰， 在复杂的人工干扰场景下正确探测识别目标是一个难点， 需要利用目标与干扰在多维度上的特征差异进行鉴别。 目标与干扰除了在能量分布、 形状、 运动等方面有差异外， 二者在光谱分布上也存在显著的差异， 比如目标与干扰在中/长两个波段上的色比不同， 在两个波段上的灰度分布、 形状和大小不同等。 因此， 利用双色/多波段红外成像技术相较于单波段增加了谱段特征差异， 在抗红外诱饵干扰方面具有优势。

（3） 不同地域和气候等条件对红外辐射的大气透过率有影响， 对于干冷大气环境， 长波红外比中波红外谱段透过率高； 对于湿热大气环境， 中波红外比长波红外谱段透过率高； 对于充满雾气、 烟尘的大气环境， 长波红外比中波红外谱段穿透力强。 大气透过率高则红外导引头接收的目标红外辐射多， 有利于提高目标探测距离。 因此， 利用中长波复合探测系统可以提高在不同地域和气候条件下探测隐身飞机的能力。

2.2 优化红外探测系统的参数设计

红外探测系统的工作波段、 光学口径、 信号传输和处理特性等工作参数是决定其探测能力的基础， 因此， 需要根据各工作参数对探测能力的影响， 结合空空导弹系统的总体要求和设计约束， 进行探测系统工作参数的选择和优化。

空空导弹对飞机目标进行远距离探测时， 目标在导引头上所成的像一般为未充满探测器单元的点目标。 红外导引头对点目标的探测距离估算公式如下：