红外成像制导技术发展现状与展望

收稿日期：2008-10-08； 修订日期：2008-12-05 作者简介：罗海波(1967-)，男，江西吉安人，研究员，主要从事成像制导、图像处理与模式识别、并行信号处理器体系结构等方面的工作。 Email：luohb@sia.cn 第 38 卷第 4 期 红外与激光工程 2009 年 8 月 Vol.38 No.4 Infrared and Laser Engineering Aug. 2009 红外成像制导技术发展现状与展望 罗海波 1,2，史泽林 1 (1.中国科学院沈阳自动化研究所，辽宁 沈阳 110016； 2.中国科学院研究生院，北京 100039) 摘 要： 随着信号处理、半导体技术的飞速发展，近几年红外成像制导技术取得了长足的进展 。 为了对该领域相关技术进行总结， 为未来的研究工作提供参考， 首先介绍了红外成像制导技术的概 念， 分析了红外光学系统、 红外焦平面探测器以及图像处理等红外成像制导中的关键技术的发展现 状。 参考国内外红外成像制导领域的发展趋势，结合作者多年从事可见光、红外成像制导技术研究积 累的经验以及对该领域关键技术的理解，预测了未来红外成像制导技术的发展方向。 关键词： 红外成像制导； 红外光学系统； 宽频头罩； 多面锥/窗口头罩； 红外焦平面探测器 中图分类号： TN21 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2009)04-0565-09 Status and prospect of infrared imaging guidance technology LUO Hai蛳bo1,2,SHI Ze蛳lin1 （1.Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China; 2. Graduate School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China ） Abstract: With the development of signal processing and semiconductor technology, the infrared imaging guidance technology has made considerable progress recently. In order to make a summary of the relevant technologies in this field and provide the reference for the future research, the concept of the infrared imaging guidance technology was introduced and the status of the key technology of the infrared imaging guidance was analyzed, including the infrared optical system, the infrared focal plane array (IRFPA) detector, and the image processing technology. Based on the development trends of infrared imaging guidance technology at home and abroad , combining the author′s engineering experiences for imaging guidance technology research in visible and infrared wave band for many years and the understanding of the key technologies in this field,the future development trend of the infrared imaging guidance technology was predicted. Key words: Infrared imaging guidance; Infrared optical system; Multi 蛳spectral dome; Faceted/window dome; Infrared focal plane detector 0 引 言 自海湾战争以来，精确制导武器在军事打击行动 中的使用量越来越大，而且在未来战争中还有逐渐增 大的趋势。红外成像制导技术是利用目标和景物的热 辐射成像进行目标识别与跟踪，并引导导弹或制导炸 弹 (统称制导弹药）准确攻击目标的集光 、机 、电及信 红外与激光工程 第 38 卷 息处理于一体的一项专项技术，因其全天时、对气象 条件要求低等特点，近年来在精确制导领域占据着越 来越重要的位置。 红外成像制导武器作战效能的不断提高是以红 外成像制导技术的不断发展为基础的。 首先，红外成 像制导技术的高精度导引信号是其制导精度的重要 保证；其次，近年发展起来的自动目标识别 (ATR)、自 动目标捕获 (ATA)技术为增大导弹的射程提供了有 力的技术保障， 这些技术降低了导弹对数据链的要 求，解决了导弹射程受数据链限制的问题；再次，相对 于可见光成像制导而言，红外成像制导技术具有全天 时工作能力，同时，红外成像的穿雾、霾能力远远高于 可见光成像，这使得红外成像制导武器在复杂气象条 件下的作战能力得以大大提高 ；最后，红外成像导引 头的高带宽、高数据率为红外制导武器系统提高其机 动能力提供了技术保障。 基于以上原因，欧、美、俄等 军事强国无不为之投入大量的人力和物力，科技界也 在该领域展开了深入研究，取得了显著成果。 1 红外成像制导技术的发展现状 红外成像制导技术诞生于 20 世纪70 年代， 经过 几十年的发展，取得了长足的进展。以下对光学系统、 红外焦平面探测器以及图像处理技术等关键单元技 术进行分析 ,这些技术可以体现出当前红外成像制导 技术的发展水平。 1.1 红外光学系统 头罩是红外导引头光学系统的一个关键元件，它 不仅保护导引头系统不受恶劣的气流环境影响 ,而且 还必须对特定波段的红外辐射透明。头罩技术包括多 面锥/窗口整流罩、多频谱头罩和多透镜头罩。 头罩的 斜率误差是影响导引头跟踪精度的一个主要因素，长 期以来，由传统头罩的斜率误差所造成的导引头跟踪 误差一直是红外成像导引头面临的难题，多面锥头罩 可减小斜率误差，因而制导精度高，典型的应用有“西 北风”和“SA蛳16”地空/空空导弹；SLAM蛳ER 精确打击 导弹在平面窗口的基础上采用了类似的方法。多面锥 头罩与平面窗口头罩的光学特性一样，具有较宽的视 场角。 与传统头罩相比，多面锥/窗口头罩的斜率误差 几乎可以忽略不计。 多面锥/窗口头罩的另一优势在 于可以提高导引头的隐身能力和抗电磁辐射能力，这 是因为利用窗口上的网格或开槽薄膜可以选择传输 的波长或频率，这样一方面可以减小导弹的雷达反射 面积 (RCS)，另一方面可以屏蔽外界电磁波对导引头 的干扰。 多频谱头罩可以透过多个波段的红外能量， 适用于双色或多色红外以及多模导引头。多透镜头罩 多用于高光滑度头罩中，用以校正高光滑度头罩的斜 率误差，使头罩的斜率误差降低；另一方面，在超音速 飞行时，多透镜头罩受到的空气阻力比传统的半球形 头罩要小得多 [1]。 红外光学镜头是光学系统的一部分，也是红外导 引头的一个重要部件。 由于红外导引头的高灵敏度、 高性能的要求 [2]，光学系统须具备以下特点： (1) 100%冷光阑效率 冷光阑是为了限制探测 器视场以外的不必要热源干扰而设置的， 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 用于制 冷型探测器的红外光学系统必须考虑出瞳与冷光阑 的匹配， 保证 100%的冷光阑匹配效率。 要实现该目 标，目前常采用的方式有两种：一种是将冷光阑直接 作为光学系统的孔径光阑，该方式适用于焦距较短的 光学系统；另一种是采用二次成像的方式 ，该方式适 用于焦距较长的光学系统，其缺点是由于增加了转向 镜组及场镜，降低了系统的透过率。 (2) 高成像质量 为使导弹能远距离发现并稳定 跟踪目标，需获得更多的目标信息，对细节的分辨力 要求也越来越高，这就要求光学系统像质能接近衍射 极限。 (3) 高透过率 透过率是红外导引头光学系统的 一个重要指标， 它直接影响导引头的作用距离和图像 的信噪比。 因此，要求红外光学系统的透过率尽量高， 提高光学系统透过率的技术途径有镀增透膜和减少透 镜数量两种。 目前，镀膜技术已经趋于成熟，因此，采用 二元光学元件、非球面镜等措施减少透镜数量。 (4) 无热化 红外导引头工作环境的温度变化范 围比较大 , 温度变化时光学元件的曲率、厚度和间隔 都发生变化 , 元件基体材料的折射率及周围介质的 折射率也将发生变化 , 多数红外透镜材料的折射率 随温度变化显著 , 这些变化导致红外光学镜头的像 面发生变化从而引起像质的变化。因此 , 必须对红外 成像系统进行无热化设计 , 以补偿温度变化造成的 像面漂移。 (5) 结构尺寸小及质量轻 通常， 红外导引头的 566 第 4 期 罗海波等：红外成像制导技术发展现状与展望 空间都比较小， 特别是对直接稳像的导引头而言，光 学系统就是需稳定的负载，受导引头动态品质因数指 标以及回转空间的限制， 要求光学系统的尺寸尽量 短，质量尽量轻。 (6) 后工作距短且稳定 后工作距的长短影响整 个成像系统的尺寸，其稳定性则影响图像质量的稳定 性，因此，红外导引头要求光学系统在满足结构要求 的条件下，后工作距尽量短，且对环境条件不敏感。 围绕以上几个要求，目前光学镜头设计中一般采 用高次非球面设计技术， 最大可能地减少镜片数量、 提高透过率，满足像质的要求 [3]。 近年随着加工工艺 的不断完善， 一种新的采用衍射光学元件与传统折 射、 反射元件混合使用的折/衍混合红外光学镜头逐 渐走向成熟。已有很多设计者利用衍射光学元件在色 差校正方面的优势将其用于红外镜头设计中 [4-8]，衍 射元件为提高系统性能、简化系统结构、减轻系统质 量提供了新的可能性。 无热化设计是红外光学系统设计方面的另一项 重要内容。典型的无热化设计技术大致可以分为 3 大 类，分别是：(1) 机械被动式无热技术；(2) 机械(电子) 主动式无热设计；(3) 光学被动式无热技术 [9]。 3 种无 热化设计技术各有优缺点，早期受光学设计工具的局 限，多采用机械主动和被动式系统。但综合起来看，光 学被动式技术的综合效率最高 , 而且由于具有质量 轻、不需供电、可靠性好等特点，尤其适用于红外成像 制导系统 [10]。 随着计算机技术及仿真技术的不断发 展，特别是衍射元件制造工艺逐步走向成熟，目前，已 具备设计光学被动式无热化红外光学镜头的条件，参 考文献[11-12]介绍了一种采用光学被动补偿方法的 折/衍混合无热化红外光学镜头设计方法。 实验结果 表明：该方法获得了很好的结果。 1.2 红外焦平面探测器 红外探测器技术在 20 世纪 90 年代取得了飞速 发展 ，红外焦平面阵列成像技术进入了成熟期 ，高性 能大规格焦平面阵列已应用于产品研制。 另外，新型 非制冷红外焦平面技术的涌现使第三代红外技术逐 步趋于成熟 [13]。 以下简要介绍几种用于红外成像制导 的红外焦平面阵列(IRFPA)器件技术的最新进展。 1.2.1 碲镉汞红外焦平面器件 通过调整碲镉汞(MCT)材料的组分，可以方便地 调节其材料的禁带宽度，从而使器件可以响应多个红 外波段范围，因此，MCT 受到了各国的高度重视。 MCT 焦平面阵列器件在短波(1～3 μm)、中波(3～5 μm)、长波 (8～12 μm )和甚长波(12～18 μm)各个波段都得到了全面 的发展。 Rockwell 使用 MBE 技术在 CdZnTe 衬底上制备的 1 024×1 024元中波器件已大量生产和应用， 该器件焦 平面截止波长为 4.8 μm， 像元尺寸为 17 μm ×17 μm， 采用 p蛳on蛳n 结构，SFD 读出。 在工作温度 78 K 的条件 下，平均量子效率为 77%，暗电流小于 60 e-/s，已成功应 用于美国海军“凝视红外全景传感器” 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 中。2003年法 国 LETI/LIR报道的 640 ×512元焦平面是在 CdZnTe 衬 底上液相外延生长的 MCT晶片上制备的。 其截止波长 为 5 μm，像元中心距为 15 μm，采用 B离子注入 n+/p 结 构，快照式电荷放大(SCA)读出，电荷容量为 4.45×106～ 6.5×106 e-。 在 F 数为 2、帧频为 120 Hz 时，平均噪声等 效温差达到 17 mK，非均匀性约为 5%，有效像元率高达 99%，动态范围为 80 dB。 长波 MCT 焦平面阵列是一个最受关注也是资金 和人力投入最多的波段 ， 现在已经能够大量提供 320×240 元和 256×256 元的器件。 Hushes蛳SBRC 最早 报道过做在 Si 衬底上的 MCT 长波 640×480 元焦平 面器件， 第一幅热像发布于 1994 年。 法国 LETI/LIR 报道的商品化 320×256 元长波组件的像元中心距为 30 μm，电荷容量为 1.2×107～3.7×107 e -，在 F 数为 2 时，噪声等效温差为 20 mK，动态范围为 80 dB，非均 匀性约 5%，失效率约 1%。 1.2.2 InSb 红外焦平面阵列器件 InSb 探测器在 3～5 μm 波段响应 ，77 K 截止波 长为 5.5 μm。 由于是本征吸收，所以量子效率高。 在 20 世纪 90 年代 ，InSb 红外焦平面阵列器件发展成 熟，在凝视军用系统中占据着主导地位。 在制导应用方面，代表 InSb 探测器当前水平的是 Lockheed蛳Martin 下属的 Santa Barbara Focalplane 公司 研制的灵活型 640×512 元 InSb 焦平面阵列。 所谓灵活 型是指这种阵列还可用作 512×512 元，640×480 元或者 400×400 元，在工作中甚至可以从帧频 120 Hz、窗口为 640×512 的大视场模式突然切换到帧频 1 000 Hz、窗 口为 128×128 的小视场模式。 其量子效率为 85 %，像 元有效率大于 99.5%，功耗小于 105 mW 。 1.2.3 量子阱光导体焦平面阵列器件 1985 年首次发现 GaAs/GaAlAs 超晶格量子阱结 构的红外吸收现象后 ，量子阱红外探测器 (QWIP)的 567 红外与激光工程 第 38 卷 发展十分迅速 。 之后 ，由于观测到 GaAs/GaAlAs QWIP 阵列存在较大的串音，并需要较低的工作温度 (60～65 K)，其发展势头曾一度减缓。 近年来，随着低 背景空间和战略应用需求的增大和技术的进步 ， QWIP 焦平面阵列的发展出现了新的势头。 QWIP 焦平面器件存在的一个问题是入射辐射 在衬底表面和光栅面之间的多次内反射造成了较大 的光学串音。该问题直到近年采取适当减小芯片厚度 的工艺后才得以解决。 研究表明： 在互连后 GaAs 芯 片减薄到 25 μm 以下时，即可消除串音。 现在，通过 工艺改进，响应光谱很宽的 QWIP 焦平面器件也已问 世，典型代表有 JPL 研制的 10～16 μm、640×512 元的 QWIP 红外焦平面器件。 与传统的 HgCdTe 红外探测 器相比，QWIP 具有以下优点： (1) 波长连续可调 通过调节量子阱宽度和势垒 高度即可方便地获得 3～20 μm 的响应， 尤其在大于 14 μm 的超长波领域，HgCdTe 红外探测器漏电流很 大，器件性能差。而采用 ц 型超晶格能带结构的 InAs/ InGaSb 本征半导体材料可实现截止波长长达 30 μm 的超长波红外焦平面。 (2) Ⅲ蛳Ⅴ族材料生长和器件制备技术成熟 可获 得大面积、均匀性好 、低成本 、高性能的大面阵Ⅲ 蛳Ⅴ 族量子阱红外焦平面阵列。 (3) 光谱响应带宽窄 可控制在 Δλ/λ≈10%（约 1 μm），不同波段之间的光学串音小 ，因此 ，特别适 宜制备双色、多色焦平面探测器。 对应的材料生长工 艺成熟， 多数情况下通过调节厚度即可获得不同的 响应波段，通过 MBE 生产设备非常容易控制。 (4) 抗辐照 特别适于天基红外探测及其应用。 目前 QWIP 红外焦平面器件主要向大面阵 、高 温、双色或多色方向发展，中等规模的 320×240 元(包 含 256×256 元 ，384×288 元格式 ) 和全电视制式的 640×512 元(包含 640×480 元)的单色和双色焦平面器 件在美国和德、 法等欧洲部分先进国家都已产品化。 其中， 能代表当前最高研究水平的当属美国 NASA/ ARL 联合研制的大面阵 1 024×1 024 元焦平面以及 NASA/JPL 研制的 640×512 元四色焦平面。 1.2.4 非制冷红外焦平面阵列器件 20 世纪 90 年代成功发展了硅微热辐射计和热释 电探测器阵列两种非制冷焦平面器件。 近年来，非制 冷硅微热辐射计焦平面取得了重大突破，Raytheon IR 研制成功了像元尺寸为 25 μm 的高灵敏度 320×240 元 微桥 IRFPA， 在 F 数为 1、 频率为 30 Hz 的工作条件 下，其噪声等效温差优于 35 mK。 下一步的目标是研制 出噪声等效温差优于 20 mK 的 640×480 元器件。 参考文献[14]介绍了一种新颖的非制冷焦平面成像 技术—光学读出微光-机红外接收器， 又称为 “幻镜” (MIRROR)。 “幻镜”是制作在硅衬底上的双层异质薄膜 悬臂阵列。 每一个悬臂的尺寸为 100 μm×200 μm，由两 层不同材料组成 ，下层为 1 μm 厚的 SiNx，上层为 0.5 μm 厚的 Au。 SiNx和 Au 的热导率和线热膨胀系数 相差很大。当红外辐射照射到 SiNx蛳Au悬臂上，使其温度 升高时，悬臂发生弯曲。 悬臂阵列的正上方对准覆盖了 一块刻有针孔阵列的光学滤光片。一束平行光通过光学 滤光片照射到悬臂阵列上，通过光学滤光片的衍射可被 肉眼、CCD或 CMOS 光电阵列接收，并以图像方式显示 出悬臂弯曲的响应。 “幻镜”焦平面阵列的特点是：(1) 可 在室温条件下工作；(2) 无需读出电路，光学读出；(3) 不 需要电学连线，像元的漏热小，由热力学起伏决定的像 元热噪声约为 50 μK，对应的噪声等效温差为 1 ～ 3 mK；(4) 制造工艺和微电-机系统(MEMS)工艺完全兼 容；(5) 电功耗为零。 这些特点使得 “幻镜 ”具有很大的发展潜力 ，较 成功的例子是最近报道的规格为 300×300、像元大小 为 65 μm×65 μm、噪声等效温差小于 200 mK 的“幻 镜”器件。 1.3 图像处理技术 在成像制导技术中，图像处理技术主要完成目标 的探测和跟踪功能，对于中、远程空地导弹而言，图像 处理技术还可用于实现基于图像的导航 (IBN)功能 。 对于空中目标而言，目标和背景特性相对简单 ，图像 处理算法主要关注目标的探测、跟踪能力以及干扰检 测与抑制能力 ，任务相对较简单；而地面目标的自然 属性差别很大，有从汽车到坦克等交通工具、机动式 的大炮、建筑物、大桥、碉堡、地下掩体、机场、雷达站 和防空基地等。除了这种多样性外，各种气候条件、温 度和目标表面的变化、目标与背景的对比度 、战场上 的烟、火及人为干扰都增加了任务的难度。因此，图像 处理器结构和算法的开发是一大挑战。 幸运的是，与 防空导弹不同， 空地/空面导弹对导引头图像处理器 568 第 4 期 硬件的体积限制相对较宽松，因此，可以采用较复杂 的图像处理器结构和算法。 目标捕控/跟踪策略： 红外成像导引头的作战使 用方式不同， 其目标捕控/跟踪策略也略有不同。 目 前，防空导弹均采用“发射后不管”作战模式，而空地 导弹则有 “发射后不管”、“人在回路中 ”、“锁定后发 射”3 种作战模式。 “发射后不管”作战模式主要采用 ATR/ATD 目标捕控策略和质心、 高鲁棒性相关等目 标跟踪策略；“人在回路中”作战模式对图像处理技术 的要求则相对较低，只需采用最大对比度、相关等能 适应复杂背景下目标跟踪的跟踪算法即可 ；“锁定后 发射”作战模式对图像处理技术的要求则介于二者之 间，要求导引头能在人工干预下快速而准确地捕获目 标，发射后能保证跟踪点稳定。 图像处理方法：经过 40 多年的发展，图像处理方 法已从过去的模拟处理发展到现在的全数字处理，提 高了跟踪精度、探测能力以及智能化水平。 目前，图像 处理方法有基于处理器的体系结构 、基于处理器 +ASIC 的体系结构以及基于并行处理器的体系结构， 具体采用哪种方法主要取决于任务需求。 图像处理算法：红外成像制导中图像处理的主要 任务是目标捕控和目标跟踪。 在目标跟踪方面，目前 主要采用最大对比度跟踪和相关跟踪等经典算法。相 关跟踪主要是通过用目标模板在实时图像中进行匹 配运算，完成对目标的跟踪。 依据参与匹配运算的数 据结构的不同，目前的匹配算法可以分为基于区域的 匹配算法和基于特征的匹配算法；近年来，神经网络、 进化算法等智能优化算法在目标匹配中也得到了应 用。 在目标捕控方面，主要研究内容是自动目标识别 / 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 (ATR/ATD)，它主要用于解决“发射后不管”制导 武器的目标捕获问题，目前，国内外针对 ATR 算法的 研究还处于比较初级的阶段，在算法方面主要采用如 下技术。 (1) 多分辨率分析技术 实现复杂背景的建 模 ， 目标检测和识别 ；(2) 几何方法 首先对目标建 模，得到目标的形状信息，再利用位置边缘和方向边 缘来识别目标；(3) 多算法、多传感器以及多频谱的融 合技术 利用人工目标的频谱与自然背景频谱的不 同来检测识别目标，单一方法或传感器很难提供高的 识别率，将其融合可在减小误识别率的同时保持高的 检测率 ；(4) 基于模型的序列图像处理 在已知传感 器运动参数的情况下，利用一系列的单目图像解决在 三维场景中三维模型的定位问题，再利用物理和数学 理论对目标建模。 随着半导体技术及计算机技术的高速发展，用于 成像制导技术的图像处理方法也取得了长足的进步， 目前，很多被认为无法实时实现的较为复杂的目标跟 踪算法以及 ATR 算法已经在制导武器系统中得以应 用 。 较为典型的有美国的战斧 Block 4 巡航导弹 ， AGM 蛳154 JSOW、AGM 蛳158 JASSM 防区外联合攻击 导弹 ，SLAM/SLAM 蛳ER 反舰导弹 ； 法国和英国的 Strom Shadow 远程防区外通用武器系统以及德国的 KEPD 350 等。 战斧 Block 4 巡航导弹采用了美国计算机传感器 技术公司(CST)开发的一种集成式导弹导引头信号处 理器(MSSP)，这种处理器是基于 CST 现有的一种以李 导数为基础的景像匹配算法。 李导数法可以通过求解 一个具有 6 个变量(仿射参数)的线性方程组对图像变 化进行快速补偿， 这样就可以确定一个图像中某个景 物的某个点与该景物另外一个图像的哪个点相对应。 MSSP 利用从前视光学或红外成像仪获得的数据实现 导弹的末制导。 它可以对飞行末段之前的导航数据以 及来自常规导航系统的输入信号加以利用 , 从而能够 与红外成像探测器同步捕获目标并且精确跟踪目标。 参考文献[15-16]介绍了该算法的基本原理。 KEPD 350 导弹作为一种远距离防区外发射导 弹，是一种基于侦察数据按预先计划飞行的导弹。 任 务规划子系统产生为导航更新设置的地标和目标的 三维线状模型。 这些模型在导弹发射前存入。 导弹的 近似实际位置由惯性测量单元 (IMU)、全球定位系统 (GPS)以及用雷达高度计数据和三角测量得到的地形 数据综合产生。 基于这一知识，航路点和目标的模型 被转换为二维的，并与实际导引头图像的线状表示进 行匹配。匹配将产生地标或目标相对导弹的坐标和角 度。 在巡航阶段，这些数据同其他导航传感器 (IMU、 GPS、TRN 等 )的数据进行融合，以减小由于传感器失 效、干扰等因素引起的导航误差，提高导航精度。在最 后接近阶段，可以自动识别目标并转入跟踪 ，引导导 弹攻击目标。 如果看不见目标(例如缺乏对比度或经 过精心伪装)，则可通过跟踪目标附近的结构，引入导 引头瞄准线与弹轴的偏离角以达到准确攻击目标的 罗海波等：红外成像制导技术发展现状与展望 569 红外与激光工程 第 38 卷 目的。 KEPD 350 导弹导引头图像处理器采用了复合 型结构，非均匀校正和线段提取在像素级上用数字信 号处理器(DSP)进行，其余部分在标准处理器上进行。 采用了基于 VME 总线的模块化设计以及高性能智能 数字处理技术。 2 红外成像制导技术的发展展望 可以预见，在未来相当长的一段时间内 ，红外成 像制导技术在许多精确打击任务中的重要地位不会 动摇。进入 21 世纪后，对红外成像制导技术的要求将 作大的调整。 未来成像制导技术的发展趋势主要包 括多用途、智能化、低成本等。 (1) 多用途 早期红外成像制导技术大多围绕某 一战术、战略目标而设计，功能、使命单一；未来成像 制导导引头将会肩负更多的使命，如中制导、末制导、 侦察以及打击效果评估等；导引头的多用途还包括采 用多色、多模复合制导技术实现 ATR 功能，提高导引 头的抗干扰能力以及导引头的使用灵活性等； (2) 智能化 未来红外成像制导导引头需要具备 多任务、 集群协同作战能力以及实时任务装订功能。 多任务是指导引头具备跟踪多种目标的能力；集群协 同作战是指在使用多种 /枚制导弹药进行集群攻击 时，导引头具有战场态势感知并根据战场态势调整攻 击任务和自动任务分配的能力；实时任务装订功能则 是指导弹发射后可通过导弹与载机之间的数据链实 时为导引头装订任务数据，一方面可以缩短导弹发射 前的准备时间，另一方面飞行员可以根据战场态势临 时更改导弹的任务使命。 (3) 低成本 未来武器系统除了对性能的高要求 以外，还要求经济上可承受。 这就要求组成武器系统 的各单元部件尽量降低制造成本。红外成像导引头低 成本化的技术途径主要有：1) 采用非制冷或 J蛳T 制冷 红外成像探测器 ；2) 采用电子消旋技术隔离弹体横 滚的扰动，变三轴稳像平台为两轴稳像平台；3) 采用 半捷联视线稳定体制，借助武器系统惯导信息完成视 线稳定， 这样就可取消导引头内的惯性测量元件，进 而降低导引头的制造成本 ；4) 导引头和武器系统的 其他电子设备一体化设计，降低整个武器系统的设备 数量，进而降低制造成本。 这样做的另一个优点是由 于压缩了电子设备的体积和质量，可以增加战斗部的 当量，提高武器系统的作战效能。 综上所述，在未来的武器型号研制进程中 ，红外 成像制导技术将会发生很大的变革，随之带来的是组 成红外成像导引头的各单元技术的变革，以及包括仿 真、测试等总体技术的发展。 以下将分别对它们的发 展方向进行介绍。 2.1 光学系统的发展展望 在头罩技术方面，双色、多色以及多模复合制导 技术的应用会越来越普遍，因此，头罩技术将成为红 外成像制导技术中的一个研究热点。这是因为在选择 复合制导的工作波段时一般都遵循一个基本 原则 组织架构调整原则组织架构设计原则组织架构设置原则财政预算编制原则问卷调查设计原则 ，那 就是各传感器工作波段的距离要尽量远，因此，头罩 技术的发展水平对复合结构的选择往往起决定性作 用，如果头罩不能兼顾各传感器的工作波段，便只能 选择分口径复合结构，该结构不但会增加导引头的体 积和质量，而且增加了导引头的设计难度和制造成 本，所以共口径复合结构始终是复合制导的首选方 案。 综上所述，以下技术将是头罩技术的发展方向： (1) 宽频段头罩技术 开发诸如“金刚石”一类在 红外、微波、毫米波等频段均有较好适用性的新材料， 使其尽快走向工程化应用。 (2) 共形技术 该技术适用于红外和微波、毫米 波的复合体制，是指采用“赋形天线”设计技术将微 波、毫米波天线内嵌到导引头壳体内，避开宽频段头 罩研制的难题。 在红外光学镜头方面，二元光学和微光学技术是 一个很值得关注的研究方向，利用二元光学和超分辨 技术可简化光学系统结构，减轻光学系统质量 ，提高 图像质量，在保证高像质情况下获得大视场 ；采用微 镜技术可缩小探测器受光面积 ，增加填充因子 ，提高 探测率，改善均匀性，降低噪声。 同时，进一步开拓研 究光学系统无热化设计技术，利用不同光学材料膨胀 系数补偿或抵消温度变化引起的光学系统焦距的变 化，保证红外成像系统在较大的温度范围内都能获取 高质量的目标图像。 2.2 红外成像探测器的发展展望 红外成像探测器技术是整个红外成像制导技术 中发展最快的技术领域之一， 其趋势是体积更小、功 能更强、智能化水平更高以及更加集成化。 未来用于 红外制导的红外成像探测器将以凝视红外焦平面阵 570 第 4 期 列为主。 其发展主要包括以下 3 个方面：一是发展高 性能的制冷型焦平面阵列探测器，其高性能主要反映 在大面阵(640×480 以上)、双色或多色、NETD 达到 1～ 5 mK、焦平面上具有更多的处理和操作控制功能上， 另外还具有如高帧频、低功耗、更高的工作温度等特 点；二是发展中低性能的阵列，规格在 640×480 以上， NETD 在 20 mK 左右；三是发展成本更低的非制冷焦 平面阵列探测器，以扩展到要求不高而需要大量装备 的军事应用场合。 凝视红外焦平面阵列探测器相对扫描型探测器， 技术更为复杂，难度更大。 尽管碲镉汞探测器具有灵 敏度高、噪声低和 1～15 μm 波段的响应范围等优点， 但要使其进一步发展，必须克服其固有的缺点，德国 AIM 公司就一直致力于这方面的研究 [17]，而关于该公 司的整个第三代 FPA 技术水平可参见参考文献 [18]。 以色列的半导体设备公司开发了一系列数字化红外 焦平面阵列探测器，其最新推出的产品是 480×384 元 的锑化铟探测器 [19]。 和传统的 320×256 元模拟的红外 焦平面阵列探测器相比， 它具有非常明显的优势，例 如探测距离增加了 22%～35%， 更容易集成和进行功 能定制等。 量子阱红外焦平面阵列探测器以其响应均匀性 好、制造成本低、容易制备大面阵焦平面阵列、在一个 芯片上可同位制备多色焦平面阵列探测器等特点成 为未来红外成像传感器的一个重要发展方向，预计它 将主要向几个方向发展：(1) n 型量子阱红外焦平面 器件的大面积化及性能的进一步提高 ；(2) 高温化 。 进一步提高工作温度 ，以降低器件对制冷的要求，降 低成本、功耗及系统体积；(3) 双色及多色焦平面。双 色及多色焦平面探测器的采用使红外导引头可同时 获得不同波段的红外辐射响应 ， 所带来的最大好处 是可利用不同目标的不同红外辐射特性抑制红外诱 饵等主动干扰，还可提高对深隐藏目标的探测能力 。 (4) 甚长波红外探测器及其他低维结构 (量子点或 量子线 ) 的量子器件；(5) 正入射红外光响应的 p 型 量子阱红外焦平面 [20]。 非制冷红外成像探测器是未来红外传感器的另 一个重要发展方向，由于它无需制冷器，所以，结构简 单、轻便、价廉，更适合于导引头这种“一次性消费”的 应用场合。 特别是当卫星导航、惯导精度提高到一定 水平后，对红外成像导引头的作用距离要求不再那么 苛刻，非制冷红外成像探测器可以满足作战使用要求 时，它将取代制冷型红外成像探测器 ，成为红外成像 制导的首选。 但是，非制冷红外成像导引头的性能目 前还不足以与制冷型的相媲美 [19]，已有的非制冷型红 外探测器多为热探测器，响应速度慢、灵敏度低、不能 满足高速高灵敏度探测的需求，但这种探测器探测波 段宽、无选择性。 可以预见，在不久的将来，比制冷型 红外成像探测器成本更低、寿命更长的非制冷红外成 像探测器将会大量应用， 它们的性能将会得到提高， 最终用于需要高性能探测器的任务。 2.3 图像处理技术的发展展望 为保证系统的实时性，导引头的图像处理是建立 在高速硬件和高效算法的基础之上的。 首先，需要在 场周期之内完成场成像积分 、 场图像传输和图像处 理；其次，自动目标识别是实现智能寻的制导的关键， 涉及到预处理、图像处理、目标特征提取和分类处理 等技术；最后，由于弹载空间的限制，要求处理器必须 轻、小型化。 2.3.1 目标捕控策略 如前所述， 未来战争将赋予红外成像导引头更多 的任务使命，作战使用方式也更加灵活；随着半导体、 图像处理、模式识别与人工智能等技术的不断发展，基 于 ATR/ATD 的目标捕控方法将更加完善，除了现有的 捕控方式外，以下模式将走向成熟并更具实用性。 (1) 吊舱锁定模式 通过机载吊舱远距离锁定目 标 ，将目标模板实时加注到导引头中 ，导弹发射后导 引头依据该模板采用 ATR/ATD 技术自动捕获目标。 (2) 目标实时加注模式 通过卫星将侦察到的目 标模板实时加注到已发射导弹的导引头中，导引头依 据该模板采用 ATR/ATD 技术自动捕获目标。 (3) 任务重置模式 用多枚导弹攻击同一目标 时，可在导弹发射前装订多个任务，导弹发射后，导弹 之间进行实时通讯及任务调度，如既定目标已被摧毁 或不满足攻击条件，则可根据战场态势转为攻击其他 备选目标，这就要求导引头具有任务重置功能。 2.3.2 图像处理方法 为了实现自动目标识别和较复杂的跟踪算法，硬 件方面需要选用高性能的弹载信号处理机，即选用具 有高速、大存储容量和小型化的信号处理机。 速度是 罗海波等：红外成像制导技术发展现状与展望 571 红外与激光工程 第 38 卷 实时处理的保证；大存储容量则可保证存储足够的目 标信息，以进行识别和跟踪；小型化是弹载处理机的 必然要求。 提高弹上计算机性能一般有两条途径：一 是发展高速度的大规模集成电路技术 ， 采用高速器 件；二是在系统结构上采用并行处理技术 ，提高系统 的整体处理能力，但这要求修改算法以支持这种硬件 结构。 美国马丁·玛丽埃塔公司就为新型自动目标识 别系统研制了“几何算法并行处理机 (GAPP)”。 人们 总希望同一个图像信号处理机能适用于尽可能多的 目标检测、识别和跟踪，目前流行的可动态重构硬件 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 是一种有效的途径， 即采用高速 DSP+ FPGA 技 术来构建图像信号处理机。 2.3.3 图像处理算法 随着图像信号处理机处理能力和处理速度的提 高，将会有越来越多的图像处理、模式识别及人工智 能技术应用于红外成像制导。 在红外成像制导技术 中， 图像处理的任务主要包括目标跟踪技术和 ATR 技术，因此，图像处理算法的研究工作也将围绕这两 项任务展开。 在目标跟踪方面，主要采用各种目标匹配算法，目 标匹配算法经过几十年的发展已经取得了很大的进 步，各种算法相继提出，但是由于目标场景复杂多变， 现有算法在某些方面都存在不尽人意的缺陷， 而且没 有一种算法能解决所有的目标匹配问题。 因此，在以下 几个方面值得我们对其进行更深入地研究： (1) 复合匹配算法。 综合利用多种匹配算法的优 点，取长补短，以取得更好的匹配结果。 (2) 目前大多数算法都是利用图像的全局特征 ， 是基于图像之间存在刚性变换的前提下提出的，但是 物体的全局特征一般不容易获取，而且当目标存在遮 挡时，提取的全局特征是不可靠的，局部特征能较好 地解决这一问题，因此，很有必要研究基于图像的局 部特征以及图像之间存在非线性变换时的匹配算法。 (3) 在计算机视觉领域中， 传统的边缘检测和目 标匹配算法等都遵循自主的自底向上的原则，这一原 则不依赖于高层知识，所以低层处理结果的误差将传 播到高层而没有修正的机会；另外，在很多基于特征 的图像匹配中，都是假设图像分割问题已经解决或者 是不存在图像分割的问题， 但这些假设是不合理的。 基于模型的方法为边缘检测、图像分割以及图像匹配 等问题的研究提供了一个新的思路，现有的结果也展 现出了该方法的优越性 ， 但是对它的研究还不够深 入，比如变形模型对于噪声比较敏感 ，初始轮廓及模 板的选取因难，最优化过程易陷入局部最小以及计算 量大等都是需要进一步研究和克服的问题。 在 ATR/ATA 方面，算法研究将主要围绕解决以 下几个问题寻求技术突破 ：(1) 目标特性的多样性问 题；(2) 由于背景的千变万化导致识别概率不高和误识 别问题；(3) 目标和背景辐射特性随天气、 太阳辐射等 环境条件变化而变化导致影响自动目标识别算法识别 结果的难题；(4) 异源图像的匹配方法问题，即，由卫星 图片提取的模版图与导引头拍摄的实时图的匹配方 法；(5) 导弹中制导误差的适应能力问题， 要解决对导 弹中制导精度具有低约束的目标识别问题； 可以预见 的技术途径主要有两条： 一是采用搜索方式完成目标 捕获， 这种方法需要解决搜索策略和目标识别判据的 制定问题；二是采用大视场覆盖目标的终点散布范围， 实现自动目标捕获， 此时需要解决的问题主要是算法 的低对比度和小目标的探测、识别能力问题。 2.4 仿真、测试技术 仿真与测试技术在红外成像导引头论证和研制 过程中扮演着越来越重要的角色。仿真技术不但可在 红外导引头设计之初对导引头的大部分性能指标进 行仿真、评估，尽早发现设计上的缺陷，还可在导引头 样机研制完成后，在实验室对其进行全面的技术验证 和指标测试，以节省试验费用。近年来，面向作战应用 的红外成像导引头的对抗仿真技术成为红外成像制 导技术领域的一项重要研究内容，引起了世界各国的 高度重视，将成为红外成像制导仿真技术领域的一个 新的发展方向。 系统测试不仅包括导引头研制过程中的指标测 试，还包括研制完成后为了维修保障而进行的各种故 障诊断测试，其目的是使系统具有高的可靠性和快速 的故障排除能力，是导引头可靠性、可维修性设计的 一项重要内容。 最近，在传统的 BIT(Build in Test)技 术基础上发展起来的自测试技术引起了人们的广泛 关注。 它更加智能化，可以快速、有效地定位故障，从 而进行组件替换，迅速恢复系统的正常功能。 随着对 导弹“不开箱检测”呼声的日益提高，对导引头的测试 技术也提出了新的要求，需要解决的关键问题是如何 在不打开包装箱的情况下对导引头的性能指标进行 全面的测试。这是红外成像制导技术中一个新的技术 572 第 4 期 命题，也是其测试技术的一个新的发展方向。 3 结束语 红外成像制导技术研究是一项艰巨而富有挑战 性的工作，在该领域的研究方兴未艾，可以预计，在未 来很长的一段时间内将会持续取得新的技术进步。随 着非制冷红外焦平面探测器、 双色/多色红外焦平面 探测器、半捷联视轴稳定、ATR/ATA 以及仿真与测试 等技术的不断发展，红外成像制导技术也将越来越完 善，在精确制导领域将占据更重要的位置 ，依托该技 术的红外成像导引头也将占有越来越大的市场份额。 我国在红外成像制导技术方面的研究与国外先进水 平还有较大差距，特别是基础技术的落后严重制约着 国内目前的应用和今后的发展，在该领域展开深入的 技术研究，紧跟国外的发展趋势，对提高我国红外成 像制导的技术水平进而提高我国精确制导武器的发 展水平具有十分重要的意义。 因此，有必要在我国对 其展开更深入的研究。 参考文献： [1] FREEMAN E L,BERGLUND E,LICATA W H.Technologies for future precision strike missile systems[R].ADA-387602,2000. [2] LI Gang,ZHANG Heng 蛳jin.Design of the infrared switch 蛳 zoom optic system[J].Infrared and Laser Engineering (李刚 , 张恒金 .红外两档变倍光学系统设计 ．红外与激光工程 ), 2006,35(4):472-475 ． [3] XU Yan,LI Shan 蛳wu,YANG Xin 蛳hua,et al. Fabrication techniques of IR Si lenses[J]. Infrared and Laser Engineering (徐岩 ,李善武 ,杨新华 ,等 ．红外材料硅透镜加工工艺研究 ．红外 与激光工程),2006,35(3):359-361． [4] LI Rong 蛳gang, ZHANG Xing 蛳de,HE Yi 蛳liang. Diffractive optical elements used in high relative aperture infrared lenses [J]．Laser ＆ Infrared(李荣刚 ，张兴德，贺谊亮 .用于大相对孔 径红外镜头的衍射光学元件 .激光与红外 )，2004，34(6)：464- 466． [5] LIU Li 蛳ping,WANG Yong 蛳tian, LI Rong 蛳gang,et al ．Infrared diffractive optical element fabricated on aspheric substrate [J]. Journal of Infrared and Millimeter Waves (刘莉萍 ,王涌天 , 李荣刚 ，等 .制作在非球面基底上的红外衍射光学元件 . 红外 与毫米波学报 ),2004,23(4):308-312. [6] WOOD A P.Design of infrared hybrid refractive 蛳diffractive lenses[J].Applied Optics ,1992,31(13):2253-2258. [7] SWANSON G I,VELDKAMP W B.Infrared applications of diffractive optical elements [C]//Proceedings of SPIE ,1988, 883:155-158. [8] ZHAO Cun 蛳hua,WANG Jin 蛳yan,ZHU Jing 蛳cheng,et al.Design of hybrid refractive 蛳diffractive infrared lenses with large relative aperture [J].Laser & Infrared (赵存华 ,王金艳 ,朱景 成 ,等 .折衍混合大相对孔径红外物镜设计 .激光与红外 ), 2007,37(8):756-758. [9] XI Xiao,CEN Zhao 蛳feng,LI Xiao 蛳tong.Application of athermalisation in optical systems [J].Infrared and Laser Engineering (奚晓 ,岑兆丰 ,李晓彤 .无热技术在光学系统中的 应用 .红外与激光工程 ),2005,34(4):388-390. [10] LI Lin,WANG Xuan.Current status and prospects for thermal effects on optical systems and athermalisation techniques [J]. Optical Technology (李林 ,王煊 .环境温度对光学系统影响的 研究及无热系统设计的现状与展望 . 光学技术 ),1997(5):26- 29. [11] LIU Xiao 蛳bo,YANG Hong 蛳bo,SUN Qiang,et al.Design on athermal infrared refractive/diffractive hybrid optical system [J]. Optoelectronic Technology(刘小波 ,杨洪波 ,孙强 ,等 .红外折 /衍 混合光学系统无热化设计 .光电子技术 ),2008,28(2):120-122. [12] YANG Chang 蛳cheng,LI Sheng 蛳hui. Athermalization of MWIR optical system[J]. Optics & Optoelectronic Technology (杨长 城 ,李升辉 .中波红外光学系统无热化设计 .光学与光电技术 ), 2006,4(6):28-31. [13] CHEN Bo 蛳liang.Development state of IRFPA imaging device [J].Infrared and Laser Engineering(陈伯良 .红外焦平面成像 器件发展现状 .红外与激光工程 ),2005,34(1):1-7. [14] ZIEGLER J, BRUDER M, FINCK M,et al.Advanced sensor technologies for high performance infrared detectors[J].Infrared Physics & Technology,2002,43:239-243. [15] TSAO T, KANAL L.A scene registration method based on a dynamical receptive field model of biological vision[J].Pattern Recognition Letters ,1999,20(11-13):1423-1430. [16] TSAO T, WEN Zhiqing.Image 蛳based target tracking through rapid sensor orientation change [J].Optical Engineering ,2002, 41(3):697-703. [17] CABANSKI W, BREITER R,MAUK K 蛳H,et al. Status of third generation focal plane array IR detection modules at AIM [C]//Proceedings of SPIE,Infrared Technology and Applic 蛳 ations XXIX ,2003,5074: 201-209. [18] NESHER O,ELKIND S, NEVO I,et al.480 ×384 element InSb detector w