美国导弹防御拦截弹红外技术
拦截弹的红外技术
目前，美国采用动能碰撞杀伤弹道导弹的防御拦截导弹，基本上都采用了红外导引技术，其主要包括：宙斯盾“标准”3拦截弹（SM-3）、“战区高空区域拦截系统”（THAAD）、“地基中段拦截弹”（GBI）以及“动能拦截导弹”（KEI）和正在开发的“多拦截弹”（MKV）。这些拦截导弹都采用了基于红外焦平面阵列的红外成像导引头，但由于任务和目标不同，它们的设计方案也不相同。
“标准”3拦截弹（sM-3）主要用于海基中段弹道导弹防御，所拦截的目标主要是中程和中远程的弹道导弹。该拦截弹的第四级采用波音公司在“外大气层轻型射弹”（LEAP）基础上研制的Mk142动能战斗部（KW），也称为动能杀伤器（KKV）。Mk142长550毫米，质量约为23千克，是目前最轻的动能战斗部，主要由导引头、姿轨控系统、制导装置和弹射机构组成。“标准”3的导引头采用远红外凝视焦平面阵列导引头和多目标跟踪装置，对弹道导弹的作战距离大于300千米，跟踪精度达微弧度，制导精度为0.15度。导引头由低温冷却，利用可抛离的头罩进行保护，能以100帧/秒的速度处理128×128元（即像素点）图像，图像处理运算能力达到5亿次/秒。
由于拦截弹弹体是由“标准”2导弹增加助推器改进而成的，弹体直径不大，动能杀伤弹头的直径也仅为254毫米，因此其红外成像导引头的大小、孔径等都受到限制。在“标准”3BlockIA中采用了256×256元单波段长波红外焦平面阵列探测器，视线相对于动能拦截器中线固定前视，对视线的调节是通过姿控系统使整个动能拦截器倾斜来实现的。近年来，为了对付具有对抗措施的弹道导弹，正在为BlocklB和Block2发展双色长波红外焦平面阵列导引头。
“战区高空区域拦截系统”主要用于对中程和中远程弹道导弹进行末段拦截，拦截在大气层内或即将进入大气层内的目标。THAAD拦截弹弹头是KKV，主要由用于捕获和跟踪目标的中波红外导引头、用于制导的电子设备（包括计算机和采用激光陀螺的惯性测量装置）以及用于机动飞行的轨控与姿控推进系统等组成。整个拦截器（包括保护罩）长2325毫米，底部直径370毫米，质量为40-60千克。KKV装在一个双锥体结构内，前锥体用不锈钢制造，后锥体用复合材料制造。前锥体前面有一保护罩，由两块蛤壳式保护板组成。在大气层内飞行期间，保护罩遮在头锥上以减小气动阻力和保护导引头窗口不受气动加热。保护罩在导引头捕获目标前被抛掉。导引头采用了侧窗结构，由一个能承受高超音速气动力和气动加热的透红外的矩形非冷却蓝宝石窗口保护，其原来采用512×512中波红外焦平面阵列，后来改用处理速度更高的256×256阵列，而且256×256阵列已满足探测要求。
“地基中段拦截弹”（GBI）用于拦截处于飞行弹道中段的洲际弹道导弹目标，携载“大气层外动能杀伤器”（EKV）。EKV长约110厘米，最大直径约为61厘米，重约50千克。由于中段拦截必须从较复杂的目标群中识别、选择要攻击的目标弹头，EKV导引头采用了一种三镜面不散光望远镜系统，将图像聚集到1个由2个波束分离器和3个256×256元焦平面阵列组成的光具座上。为了保证冗余度，每个焦平面阵列都有独立的电子器件和信号处理信道，但三个信道都馈入一个数据处理器。据称，当光进入第一个波束分离器后，部分能量被反射到一个硅CCD焦平面阵列上，部分光通过该分离器。在通过第二个波束分离器时，部分能量被反射到碲镉汞焦平面阵列上，剩余的光继续前行，最后撞在第二个碲镉汞焦面阵上。这样，光所通过的每个光反射部件其波段依次变短，物体被三种不同的探测器成像，而且每个探测器是在同一时间看同一物体，只是带宽不同而已。这种方案有很多优点。第一，消除了在不同时间由不同波段对一个物体成像所带来的问题。第二，采用三个单独的焦平面阵列，万一一个或两个焦平面阵列出现故障，仍能继续执行任务。第三，这种系统的光学部分无需冷却。目前仍在进行EKV导引头的改进，正在采用多色红外焦平面阵列成像和激光雷达复合的多模导引头和基于多传感器信息融合的识别算法来识别诱饵和目标。
“多拦截弹头”（MKV）为应对多弹头或众多伴随诱饵，美国导弹防御局正在推进开发MKV概念，发展成本低、质量轻（千克级）的微型动能拦截弹头，让一枚拦截弹携带多个甚至大量的微型动能拦截弹头，去拦截每一个可能有威胁的目标，回避假目标识别困难的问题。美国导弹防御局正在支持洛马公司和雷锡恩公司发展两种拦截弹头，即MKV-L和MKV-R。洛马的MKV-L由一个载运器和一些小的拦截弹头组成，载运器上载有大口径望远镜的远距离红外传感器，采用512x512双色红外焦平面阵列的“探路者”导引头。美国导弹防御局也正在为其开发多色红外焦平面阵列技术。雷锡恩公司开发的MKV-R载运器只用来安放和释放多个MKV，每个MKV都具有自主跟踪和直接命中杀伤的能力，其红外成像导引头继承了EKV和“标准”3红外成像导引头的技术，但进行了低成本、模块化、小型化的改造。
实际上，以红外焦平面阵列为核心的红外成像导引技术在美国“空间监视与跟踪系统”（sTSS）中也得到了广泛应用。此外，像以色列的“箭”式导弹拦截弹等也采用了红外成像导引技术。
采用红外技术的原因
美国弹道导弹防御从“战略防御计划”时代的以定向能武器为主，演变为目前的以动能拦截武器为主，系统的规模也更加务实，但红外探测跟踪系统与动能拦截弹红外导引头以及关键的支撑技术——红外焦平面阵列始终是重点。
体积小、重量轻、功耗低红外成像系统工作原理简单，不需要较大功率电源和较大器件，采用被动方式的系统更小更轻，功耗更低，非常适合装在导弹上。在GBI、THAAD以及SM-3等拦截导弹中，红外导引头与姿态控制系统和动力系统相比，其质量微不足道。这与雷达等制导方式比更适合拦截弹使用。
适宜识别太空高速小目标红外识别主要是靠目标和背景之间，目标各部分的温度和发射率差形成的红外辐射差进行探测，能同时测量物体表面各点温度，把物体表面的温度场以图像形式显示出来。如果将探测器光谱响应从短波红外扩展到长波红外，红外热图像对比度就会变高，使分辨细节能力变强，就可以实现更小温度差目标或部位的探测与识别。此外，这种探测基本不受强光影响，因此识别伪装目标的能力优于可见光。由于太空背景温度较低，较高温度的高速弹头较为突出，因此其较为适宜探测和识别高速运动的空间目标。
探测距离远、抗干扰能力强利用红外热成像技术进行探测，可在较远距离上发现并识别目标，这使与目标相对高速飞行的拦截弹弹头可在较远距离锁定目标，留下较充分的时间进行真假甄别和末段机动，以实施拦截。此外，由于红外热成像技术不受电磁干扰，能远距离精确跟踪热目标，精确制导打击。
原理与分类
大家知道，所有温度在绝对零度即-273℃以上的物体，都会不停地发出热红外线。虽然这些人眼看不见，但物体的热辐射能量的大小，直接和物体表面的温度相关。热辐射的这个特点使人们可以利用红外热成像技术对物体进行无接触温度测量和热状态分析，并可采用多种方式显示出来。红外导引技术就是感应和还原这种现象，并发出相应的引导信号的技术。
红外导引的核心是红外焦平面探测器，其在焦平面上排列着感光元件阵列，从无限远处发射的红外线经过光学系统成像在系统焦平面的这些感光元件上，探测器将接收到的光信号转换为电信号并进行放大、采样保持，通过输出缓冲和多路传输系统，最终送达监视系统形成图像。红外导引技术可分多种类型。
按成像方式，红外焦平面阵列分为扫描型和凝视型两种。凝视型比扫描型成像速度快，但是其成本高，电路也很复杂。现在的红外成像引导系统大部分采用的是凝视红外焦平面阵列探测器，无需光机扫描成像，结构简单、紧凑、工作可靠，非常适合作为小型战术导弹的红外成像导引头。由于凝视成像技术探测到的目标是一个图像而不是一个点，就大大提高了拦截导弹识别真假目标的能力。由于其所使用的探测器是红外焦平面阵列而不是单个器件，不仅提高了导引头的灵敏度，还延伸了探测距离。
根据致冷方式，红外焦平面阵列可分为致冷型和非致冷型。设备本身的热噪声会降低与探测温度之间的对比度，影响探测器分辨率，所以为提高探测精度，必须大幅降低设备温度。当前致冷型与非致冷型探测器的探测能力相差两个数量级。不仅如此，它们的其它性能也有很大差别，前者的响应速度是微秒级而后者是毫秒级。因此目前导弹拦截弹的红外导引头多带有致冷系统。
红外导引能力评估
目前，美国部署的各种动能拦截弹如EKV、SM-3、THAAD，都是一枚拦截弹携带一个动能拦截弹头。
区别小间距目标能力有限由于红外焦平面阵列规格的限制，角度分辨率有限，尚未解决对多个小间距物体的分辨和识别真假目标的问题，因此美国许多科学家对拦截效果产生了质疑。尽管美国在多次导弹拦截试验中有几次采用EKV、海基“标准”3及THAAD拦截弹成功地拦截了弹头靶标，但拦截效果并不理想，尤其是从诱饵中识别目标。对多个弹头目标的拦截性能一直没有进行飞行验证。
目前，对美国导弹防御拦截弹红外导引争议较大的是地基中段拦截系统（GMD）中的大气层外杀伤器（EKV）。美国麻省理工学院庞斯特教授于2000年曾通过试验发现，在EKV传感器测量信号中不能发现任何区别弹头与诱饵的稳定特征。EKV导引头采用可见光、短波红外、中波红外、长波红外等4个波段探测目标，其角分辨率大约150～300微弧度，这意味着在l000千米范围内对目标的空间分辨率约是150-300米，在10千米范围内，分辨率只能达到大约1.5～3米。而由于EKV必须在自动寻的前几十秒内捕获目标，即必须能在几百千米范围内区分出弹头和诱饵，因此这很难支持EKV的机动拦截。
目标轨迹区分方法易受干扰EKV在区分真假目标时，探测到的所有目标信号只是一些光点，而这些点目标信号将随着EKV传感器视角所对应的目标投影面积而变化。随着每个目标飞行过程中的旋转、翻滚运动，EKV所观测到的投影面积也在变化，同时，如果目标表面具有不同发射率，即使球形目标，其红外辐射信号也将随时间而变化。因此EKV在识别过程中所观测到的目标只是一个随时间变化的点信号，信号的波动取决于目标温度、表面材料以及投影面积大小等，所有这些特性都可以被对手控制和改变，因此唯一期望EKV区分弹头和诱饵的方法是弹头与诱饵的运动轨迹是否不同。如果将诱饵设计成与弹头有相同的运动惯性，例如将诱饵与弹头连接在一起，甚至将弹头包裹在诱饵中，将直接导致EKV不能观测到弹头的稳定红外信号，识别将变得异常困难。例如，美国专家曾提出，如果敌方导弹在白天攻击（弹头飞行弹道处于太阳可以照射的区域），充当诱饵的气球表面颜色深度不同的涂层可以在气球上产生不同的温度。在没有大气遮挡的太空中，这一效应非常明显，很快就可以将气球的温度提高。如果在夜晚攻击，可在气球内安装电池供电的小型加热器，对气球内空气加热，使其与弹头温度接近。
区别诱饵红外特性难度很大在导弹防御对抗方法中，如果给弹头降温就可以达到干扰拦截弹红外导引头的目的。这就是在弹头外包裹一个与弹头完全吻合的薄金属层（底面直径约1米，高约3米的圆锥），在包络底部安装一个减压阀门，在弹头火箭分离后，打开减压阀，将液态氨充入包络与弹头之间的缝隙中，液氨在-196℃时会发生汽化现象，这样可以急剧降低弹头的温度。不过弹头与包络层间应该选用特氟隆等低导热材料，防止低温对弹头内部的影响。计算结果表明，当弹头直接暴露在阳光下时，冷却包络层时每分钟需要200克液氮，而洲际弹道导弹飞行30分钟就需要6千克液氨，如果弹头飞行弹道在地球阴影内，液氮就只需要1千克。经过冷却的真弹头红外信号几乎消失，KKV或EKV在接近弹头时也会失去目标。
红外导引技术的发展
红外导引探测技术的发展可分三个阶段。一是初级阶段，即提高探测信号的强度，得到目标的“黑白照片”。二是中级阶段，提高探测信号的强度和波长，得到目标的“彩色照片”。三是高级阶段，提高探测信号强度、波长和相位，得到目标的“全息照片”。目前美国红外导引技术正在向中级阶段发展，其标志是研制出了双/多色红外导引探测器，得到了目标的“彩色照片”。其趋势有几个。
发展大型红外焦平面阵列
在向更大规模的凝视型面阵焦平面探测器、双色探测器发展的历程中，长波器件已达到640×480单元的规模，中波器件达到了2048×2048，长线阵的扫描型焦平面因其在空间对地观测方面的需求受到高度重视。由于多年来的军用需求集中在中波和长波红外波段，因而1～3微米的短波红外焦平面阵列技术受到忽略，近几年美国加快了发展步伐，目前阵列规模已达2048×2048。
开发双色或多色探测器目标红外辐射信号通常是在多个窗口内传输，如果一个热成像系统能同时在其中两个或多个波段获取目标信息，就可对复杂的背景进行抑制，提高对目标的探测效果，明显降低虚警率，显著提高拦截弹头的导引能力。燃色探测器将向更多的光谱波段发展，既包括拓宽光谱波段，也包括将光谱波段划分成更为细致的波段，以获得目标的“彩色”热图像。近年来，美国海军开始探索一种将在未来的中段弹道导弹防御拦截器中采用的基于先进的高帧频、三波段红外焦平面阵列的先进导引头概念，采用超分辨率和色分离处理算法，实现在目标群中识别弹头，期望能在较远的距离上区分小间距物体，并能完成光谱识别。
拦截弹在作战中需要尽可能早地截获目标，然而系统设计师面临许多权衡问题。例如，导引头采用宽视场成像系统可减少捕获目标所需的搜索时间，但宽视场光学系统会降低系统检测到暗弱目标的概率，而且由于牺牲了系统角度分辨率，难以区分出小间距目标。而如果导引头采用较小的探测器敏感单元或较长的焦距，将系统设计为具有较小瞬时视场的系统，则会增加导引头捕获目标所需的搜索时间。多帧超分辨率处理可使导引头既具有足够大的视场又具备足够的角度分辨率，但前提是红外焦平面阵列具有足够高的帧频，这就需要更大芯片，更快的运算速度和能存储和利用探测器转换所有的光电子的处理器。
提高导引头温度从红外制导技术原理可看出，导引头在较低温度下达到较高工作能力，但这严重制约了红外导引技术的应用。雷锡恩公司和美国陆军正发展的双色和多色焦平面阵列目前的工作温度尚不到-196℃，同时探测器像元要求两种工作电压，特别是长波敏感区需极高的额外电压实现长波红外探测。一种供电模块只能调节电压，不能同时为两个波段供电，因此要提高导引头效率就需要发展无需双电压系统的非致冷型红外焦平面阵列。美国在EKV上已开始试用较高温度的红外导引头。
实现传感器微型化为扩大红外导引头的应用范围，必须缩小传感器的体积并减轻重量，这需要克服在光学设计和加工、信号处理和显示等方面的困难。目前美国非致冷微型焦平面探测器像元集成度仅有160×120-320×240元，像元尺寸50微米×50微米～25微米×25微米，实现了轻小及低成本，但工作稳定性仍需提高。
开发主/被动红外成像技术这已成为红外制导技术的重要方向。最典型的就是激光雷达导引头，可实现对目标的精确识别和跟踪。对于弹道导弹拦截弹来说，激光雷达导引头必须足够轻小，能和被动红外成像导引头复合后装在拦截弹头部空间内，其激光雷达接收机还必须与红外导引头焦平面阵列共孔径。此外，对弹头目标的截获距离必须达到与被动红外成像相当的水平（对中段防御要求500千米以上，对末段防御必须在50千米以上）。这对激光雷达导引头接收机的灵敏度提出了很高要求，因为拦截弹可装载的激光器的功率受体积、质量限制，不能太高。激光雷达采用多个激光脉冲照射多个可能的威胁物体，以快照方式对所成的圈像采样，并产生三维角-距离信息，对多个脉冲期间的数据进行处理就能区分出小间距物体并抽取各物体的速率、形状信息、温层和发射率用于目标识别。因此美国多年来一直在发展用于中段或末段拦截的主/被动红外成像复合导引头。
作者：徐萍
来源：《兵器知识》2013年第09期
