[科普中国]-红外导引头

发展沿革第一代红外导引头

第一代红外导引头以美国AIM-9B空空导弹的导引头为代表。该类导引头采用非制冷的单元硫化铅探测器，响应波长为短波(1um-3um)波段，探测系统工作体制为单元调制盘式调幅系统，采用模拟电路实现信号处理功能。非制冷硫化铅探测器的灵敏度较低，仅能对飞机尾喷口进行探测，最大作用距离为5km左右。采用动力陀螺式跟踪稳定平台，跟踪范围只有±12°左右，跟踪角速度约为11°/s，只能定轴瞄准，不具备与机载雷达等设备随动来扩大搜索范同的能力。1

第二代红外导引头第二代红外导引头以美同AIM-9D牵空导弹的导引头为代表。该类导引头采用制冷单元硫化铅探测器，响应波长为短波(1um-3um)波段，探测系统工作体制为单元调制盘式调幅系统或调频系统。信号处理虽然仍采用模拟电路，但已由电了管电路过渡到晶体管电路。相对于上一代红外导引头，提高了探测灵敏度，对飞机的尾后作用j距离可达8km～10km。此外由于跟踪稳定平台性能有所改善，跟踪范围提升到±20°左右。，导引头的体积也显著减小，气动外形明显改善。1

第三代红外导引头第三代红外导引头以美圈AIM-9L空空导弹的导引头为代表。该类导引头采用制冷锑化铟探测器．减小了探测器光敏元尺寸，响应波长改为中披(3um～5um)波段，增加了对飞机尾气流的探测能力，探测系统工作体制增加了脉冲更先进的体制，信号处理硬件也普遍采用集成电路等，初步具备了抗人工干扰能力。该类导引头探测灵敏度进一步提高，基本实现了对飞机的全向探测，对飞机的最大作用距离可达20km以上。跟踪稳定平台的跟踪范围提升到±30°～±60°，跟踪角速度提升至30°/s～40°/s。导引头可实现与机载雷达、头盔随动。1

第四代红外导引头第四代红外导引头以美困AIM-9X空空导弹的导引头为代表。该类导引头采用线列或面阵探测器，响应波长多为中波(3um~5um)波段，采用红外成像探测体制。信启、处理已实现了全数宁化，采用弹载计算机信息处理能力大大提高。该类导引头具有更高的灵敏度和空间分辨能力，对飞机的迎头探测能力和抗人工干扰能力有很大提高。跟踪稳定平台改为速率陀螺式或捷联稳定式，位标器的跟踪范同提升到±60°～±90°，跟踪角速度60°/s～90°/s，能对载机前半球范同内的目标进行探测，头盔随动范闱进一步加大，导弹具备了“可视即可射”的能力。1

原理红外近距空空导弹的攻击主要依靠红外导引头的制导。红外导弹的杀伤区域集中在目标机的两侧和尾部，而这个范围的大小，和红外导引头的作用距离有直接的关系。

从原理上来讲，红外导引头是透过探测目标发动机喷管、尾焰及蒙皮气动加热的红外辐射，来获取导引信息。其作用距离除与目标的红外辐射强度及辐射光谱特性有关外，也与导引头的灵敏度及外在环境的气象条件有关。而其中影响红外导引头作用距离的最重要因素还是发动机尾管(喷嘴)排气温度和排气离开尾管后所形成的尾焰。其中发动机尾管的影响又比尾焰明显。

之所以有这一结论，是因为金属材料制成的尾管不但辐射的红外线强度较高，而且高温持续时间也较长：而在开加力的状态下，发动机的尾焰长度可达200米，但实际上30米后的尾焰温度就降到了100摄氏度，因此造成强烈红外辐射的部分仅有10到20米左右。尾焰相较下则可以很容易的加以冷却，只要降低推力或是引入冷空气，即可降低发动机排气温度，进而使排出的尾焰温度迅速降低。

一般来说，红外线导引头的探测距离大概与目标发动机的尾喷管的温度的平方成正比，也就是尾喷管的温度如果提高两倍，导引头的探测距离就会提高四倍。典型的涡喷发动机当处于最大加力推力的时候，红外导引头的探测距离是发动机巡航状态下的5倍；而对涡扇发动机而言，这种差距甚至会达到10倍。由此来看，喷气战斗机尾部被敌人咬住是以一件多么危险的事情。

为了在近距格斗空战中生存下来，战机的机动能力不断增强，再想咬住敌机的尾巴进行攻击已经是越来越难了。因此现在的近距红外空空导弹往往强调“全向攻击”，特别是迎头攻击。这时导引头的探测距离将会大大缩小，有效距离还不如正后方的20%。现有以锑化铟为主体的3到5微米波长的红外导引头还会因为红外辐射强度过低而在目标正前方形成限制区，红外导弹在这个区域内根本无法捕捉目标。不过现在的新型近距格斗空空导弹也在更改导引头的覆盖波段，捕捉目标的能力也有了进一步的提高。

分类红外导引头按探测体制主要分为单元导引头、多元导引头和成像导引头。

单元导引头指用一个探测器敏感元对目标进行探测和跟踪，一般采用调制盘式探测系统。这种导引头技术简单、可靠．易于工程实现，但一股不具备抗人工干扰能力。调制盘是一种能透过和遮挡红外辐射的平面光学元件，上面设有调制花纹，放置于光学焦平面上。通过旋转，探测器产生一定规律的电流信号。1

多元导引头采用两个或四个及以上敏感元对目标进行探测。敏感元可为“L”形、“十”字形或“米”字形等，通过像点扫描实现多元脉位调制，提高了对目标的探测距离和空间分辨率，具备一定的抗人工干扰能力。

多元脉位调制的功能和调制盘式系统相同。采用多个条形探测器代替一个大敏感面探测器，取消了调制盘，让倾斜的主反射镜或次反射镜旋转，使像点在多个条形探测器上扫描，产生一定规律的电流信号。1

红外成像导引头主要有线列扫描式和凝视成像式。线列扫描式成像导引头采用线列探测器，需设置光机扫描机构，通过扫描获得一定空域中景物的红外图像。凝视成像导引头采用面阵探测器，直接获得面阵探测器对应的空间景物热图像。红外成像导引头具有更高的空间分辨率，近距离探测可获得目标与干扰的形状信息；具有更高的温度分辨率，可提高目标与背景的对比度，因此具有更强的探测能力和抗干扰能力。1

组成红外导引头通常由光学系统和调制系统(即红外接收器)、红外探测器、信号处理电路、陀螺稳定器和力矩变换器、调制速度控制系统、角度传感器、基准信号发生器和伺服机构等组成。

红外导引头的红外接收器接收目标的红外辐射能量。探测器将光能转变为电信号。信号处理电路把它变成便于传输的形式，并检出有用信号，经功率放大后，根据导引头不同的工作状态将信号输送到不同的地方。2

工作状态导引头有三种工作状态：电锁、搜索和跟踪。

电锁状态：当光轴与弹轴不一致时，由角度传感器将误差信号直接输给功放，力矩变换器将电信号变成力矩，驱动转子带动光轴进动，使光轴与弹轴一致，实现电锁。

搜索状态：信号传送过程与电锁类似。在这种状态中，导引头里应有一个搜索图形发生器，产生所要求的搜索图案，光轴就在空间复现这个图案。

跟踪状态：信号处理电路输出的角误差信号经功放后，分两路输出。第一路加到力矩器，将电信号变成力矩，驱动转子轴，使光轴向减小目标角位置误差方向运动。这就是导引头角跟踪回路。第二路与目标视线角速率成比例的误差信号加到坐标变换器，将前面来的极坐标信号变成直角坐标信号。其相位取决于由基准信号发生器来的基准信号。变换后的信号送自动驾驶仪的两个通道。

如果导弹采用旋转弹单通道控制方式，则不需要坐标变换，直接将功率放大器输出的与导弹一目标视线角速率成比例的误差信号送给自动驾驶仪。

从以上简述的导引头组成和工作过程可见，红外导引头的一个重要功能就是探测目标的红外辐射能量，测定目标的角位置；它的另一个重要功能是输出比例导引规律所需的导弹一目标视线角速率信号。2

优缺点优点红外导引系统具有如下优点：

(1)角分辨率高，导引精度高；

(2)被动探测小易被发现；

(3)可昼夜全天时使用；

(4)体积小、重最轻、结构桕对简单。1

缺点红外导引系统也具有一定的不足：

(1)不具备全天候使用能力；

(2)一般不具备对目标的测速/测距能力；

(3)气动加热限制了导弹速度。1