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导弹的抗干扰能力指的是,在对抗环境下完成导弹精确制导要求的能力。因此,首先,红外成像空空导弹智能化抗干扰的应用场景应是复杂对抗环境。
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当前空中对抗作战过程中,没有背景或人工干扰的净空作战条件已经不复存在。红外成像空空导弹要实现在多种攻击态势和各类人工干扰等条件下仍然能够对目标进行精确打击,是一个具有挑战意义的课题。
从空空导弹的实际作战场景出发,复杂对抗环境的构成主要包括背景、目标、红外人工干扰源和导弹四个要素。其中,各构成要素之间又存在内在关联与相互作用,如:目标的飞行高度决定了背景类型及特性,其运动特性会影响投放干扰的初始运动特征,其机动动作与姿态也将直接影响弹目相对态势;人工干扰源会影响近距目标以及云雾背景的红外特征等,具体如图4所示。
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红外成像空空导弹面临的干扰源主要包括自然背景干扰与人工干扰,后者根据干扰机理的不同又可分为欺骗式、压制式及消光式等。
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空空导弹的自然背景主要是蓝天、太阳、云层和地物等。蓝天的红外辐射很弱,其干扰在高空一般可以忽略不计,因此主要考虑其他三类干扰源。
(1)太阳干扰:太阳是一个极强大的红外辐射源,其巅值辐射波长约为0.45 μm,比一般航空目标的巅值波长短,而且约90%的辐射能量分布在0.15~4 μm范围内。太阳干扰对工作在近红外波段的导引系统影响较大,对工作在中、远波段的红外导引系统也有一定影响。
(2)云层、云团干扰:云层、云团的干扰主要是它们对太阳光的散射,有些亮云的散射非常强烈。散射波段主要在2 μm以下的短波范围,其对3 μm附近中波探测的干扰也不容忽视;在4 μm以上的红外波段,云自身的温度辐射又开始显现。然而,从对导弹红外探测系统影响的程度来看,云对太阳的散射要大于自身的辐射。另外,云背景辐射的亮度或强度与其尺寸、厚度、浓度以及太阳的方位等也有极大关系。
(3)地物背景干扰:地物背景在白天的红外辐射类似于云层,由于它的吸收系数较大,因此受太阳照射升温后自身的热辐射较强,而对太阳光的散射较弱;在冬季,地物背景中的白雪对太阳光的散射很强,会对短波红外探测系统产生较大影响。
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如上所述,根据干扰机理的不同人工干扰可以分为欺骗式、压制式与消光式三种。其中,欺骗式干扰源主要包括各种红外诱饵弹如点源、多点源、空气动力/推进式、光谱自适应与面源诱饵等,以及红外干扰机;压制式干扰指的是激光定向干扰;消光式干扰主要包括红外隐身与红外烟幕干扰等。
(1)传统MTV干扰弹
由于结构简单、成本低以及可大量携带等优点,传统MTV(镁/聚四氟乙烯/氟橡胶)干扰弹仍是目前装备量最大、使用最广泛的机载干扰源。
MTV干扰弹具有与目标重叠的红外辐射波段、但辐射能量更高,其主要通过高能量压制将来袭导弹诱偏,达到干扰目的。按照投放方式的不同,MTV干扰弹又可分为点源干扰与多点源干扰两种,如图5所示,后者是前者在调整药体结构、投放方向、投放时序等内容后的另一种应用形式,主要是为了在空间形成多辐射源分布,干扰导弹对目标的正常跟踪等[9]。
然而,MTV干扰弹具有以下两个缺点:(1)发射即减速,与作战飞机分离过快;(2)光谱不能完全覆盖作战飞机的红外辐射波段,干扰能力有限。因此,在大多数对抗态势下,MTV干扰源对红外成像空空导弹的干扰效果较差。
(2)空气动力/推进式干扰
为了解决MTV干扰弹与载机分离速度过快导致的干扰性能下降问题,空气动力/推进式干扰弹应运而生。
空气动力式诱饵弹投放后,可以通过弹簧翼片与气动式外形的弹筒减小飞行阻力,进而降低其与载机的分离速率,达到抗干扰的目的。然而,由于空气动力效果有限,成像导引头仍能在一定时间内通过航迹差异区分出目标与干扰。
推进式干扰弹除具备传统MTV干扰源的结构外,还将部分化学燃料放置于一个带有喷嘴的燃烧室内。投放燃烧后,热能从喷嘴喷出推动干扰弹继续沿着与被保护目标相似的航迹运动,诱骗导弹跟踪干扰弹自身。随后,在重力影响下,推进式干扰的飞行高度逐渐下降并远离载机,从而达到干扰目的。
空气动力/推进式干扰弹能够较好对抗成像导引头的运动特征识别策略,但仍存在与被保护目标辐射能量、光谱分布差异较大的问题。
(3)光谱自适应干扰源
光谱自适应干扰源是通过模拟与被保护目标相似的光谱分布对抗来袭导弹的人工干扰源。一种实现方法是改变传统MTV干扰弹的化学组成,但干扰弹的辐射强度会有所降低。另一种实现光谱干扰的方法是使用固体或液体自燃型材料作为干扰弹原料,如图6所示。自燃型干扰弹投放后,一经接触空气即可点燃,液体自燃干扰源还具备辐射面积较大的优点。然而,自燃型干扰源也存在辐射能量较低且受投放高度影响较大的问题。
(4)分布式干扰源
分布式干扰源指的是针对红外成像制导导弹设计、生产的面干扰源。
如上所述,液体自燃干扰能在空间形成一定面积的分布式红外辐射。更为先进的箔片式固体自燃材料被投放于载机尾后的涡流场中时,能够产生面积更大的红外辐射云。其形成速度快,燃烧时间长,光谱特性与目标相似且具备一定的形状特征,主要通过遮挡或将来袭导弹诱偏达到干扰目的。然而,由于面积/体积比值较大,面源干扰的减速比传统MTV干扰弹更快,甚至成为静态的红外辐射源,这也为红外成像空空导弹提供了一种可能的对抗途径。典型面源干扰的红外图像如图7所示。
(5)红外干扰机
红外干扰机安装在载机平台上,通过发射辐射波段与目标相似、频率与导引头调制频率相近的红外脉冲信号,使来袭导弹产生虚假跟踪信号而偏离目标。其多列装在直升机或军用运输机上,且主要用于对抗非成像体制的红外导引系统,对红外成像导引头的干扰效果有限。
(6)激光定向干扰
激光定向干扰通常采用相干激光作为光源,如图8所示。当机载告警系统探测到来袭导弹的方向时,干扰机向此方向较小的立体角内发出高能量的窄激光波束,致眩、致盲甚至摧毁红外探测器,从而破坏导弹对目标的稳定跟踪造成脱靶等。
激光定向干扰比传统的红外干扰机的作用距离更远,能量大、方向性好,即使模式不匹配也能具备较好的干扰效果,是对红外成像导引头很有威胁的一种干扰手段。
(7)红外隐身
作战飞机的红外隐身主要是通过尽可能降低飞机与背景的温度差异,降低发动机尾气的红外辐射梯度,尤其是降低飞机超音速飞行时由气动加热导致的机翼前缘的红外辐射等实现的。例如,F-22整个机身表面被涂以波音公司研制的用于抑制红外辐射的伪装涂层,同时其采用了二元喷管、尾翼遮挡与主动冷却等技术,能够在持续超音速飞行条件下,具有很低的全方位红外辐射特征[10]。
(8)红外烟幕
红外烟幕主要通过降低探测器信噪比或覆盖目标的红外辐射来实施干扰:一方面,目标发出的红外辐射入射到烟幕中时,大量烟幕粒子将对其进行吸收和散射,减弱红外探测器的接收能量;另一方面,烟幕面积较大时,在一定方位可以对目标实施红外遮挡或覆盖。但其主要适用于地面或低速平台的防护,在主战飞机等高速飞行目标中应用较少。
综上所述,除激光定向干扰通过能量压制对抗来袭红外成像导弹外,其他干扰源均通过“隐真”或“示假”的方式干扰红外成像导引系统。其中,“隐真”指抑制或消除目标的红外辐射特征,使其与背景相似或对其进行遮挡、覆盖等;“示假”指通过生成与被保护目标某种或某些红外特征相似的假目标,诱骗导弹对其进行跟踪,达到干扰的目的。
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由上述内容可知,除背景干扰外,各人工干扰源均是根据红外导引系统的目标探测方式、信号/信息处理及跟踪方法等有针对性地进行设计和发展的,其所利用的干扰特征如表1所示。
Flare type IR Feature used MTV Energy Aerodynamic/Propelled Energy, movement Spectrally adapted Energy, spectral distribution Spatially distributed Energy, spectral distribution, shape IR jammer Energy, spectral distribution DIRCM Energy IR stealth Energy IR smoke Energy, shape Table 1. Infrared feature used by artificial interference sources
相应地,红外成像空空导弹抗干扰方法的设计、实现也是通过背景干扰与表1中各人工干扰源的自身特征进行的。
对于太阳干扰,红外成像导弹在发射时都要求偏离太阳一定的夹角,但制导过程中是否能保持光轴与太阳之间的夹角大于一定角度,是一个尚未确定的问题。
对于云层与地物背景干扰,如1.2.2节中的内容所述,成像导引系统一般采用光谱滤波、空间滤波等方式进行一定程度的抑制。
红外成像空空导弹对抗人工干扰源,以传统MTV干扰弹为例:(1)点目标阶段:可用灰度梯度和像素值梯度作为诱饵弹出现的标志,随后利用灰度或位移变化等区分出干扰与目标;(2)亚成像阶段:可利用像素数、平均灰度、最大灰度以及位移变化等识别目标;(3)成像阶段:可以利用目标与诱饵在灰度(均值、最大值、方差等)及形状(长宽比、圆度、面积等)特征进行目标识别;(4)图像溢出阶段:目标面积很大,诱饵弹的图像一般不会落在图像处理区域内,不会干扰对目标的跟踪。
当前,红外成像空空导弹对抗其他人工干扰源的具体策略、方法国内外研究较少,或者是由于涉密原因没有进行公布。但从其干扰机理与相关资料中分析可知,主要采用的抗干扰方法如表2所示。
Flare type IRCCMS MTV Abrupt energy or LOS rate, 2-color Aerodynamic/Propelled Abrupt energy, 2-color Spectrally adapted Abrupt energy or LOS rate Spatially distributed Abrupt LOS rate Table 2. Part of the current common CCMS
表2中并未涉及红外干扰机、激光定向干扰及消光性干扰的对抗方法,其主要原因是其对红外成像导引系统的干扰效果较差、研究较少或者还需要通过提升成像探测系统性能等措施才能达到较好的抗干扰效果等。
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针对已公布参考文献对红外成像空空导弹抗干扰方面研究的不足,文中从制导控制、图像处理、深度学习等“广义智能化”角度,面向具体问题,对拟采用的抗干扰方法简要介绍如下:
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当前防止太阳干扰红外导引系统的方法是,与之偏离一定角度发射导弹。但在制导过程中红外成像空空导弹的光轴也可能出现与太阳夹角较小的情况,进而严重影响导弹对目标的正常跟踪,甚至导致脱靶。因此,考虑通过实时控制导弹的制导过程,使光轴与太阳光线的夹角始终保持大于一定角度,从而避免其对探测系统造成影响。
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当前,成像导引头主要通过空间滤波、时域滤波的方法抑制云背景,减小其对目标检测的影响。此方法具有简单、高效的优点,但在环境亮度变化较大时效果较差,且未考虑背景亦在运动的实际情况。
高斯混合背景减除法虽然也是一种面向静态背景的动目标检测方法,但其能根据场景变化对背景模型进行自适应更新,因此可以考虑用于对抗云层、云团干扰。另外,背景运动补偿法、光流法等面向动态背景的目标检测方法也是一种较好的选择[11]。
文中拟通过将传统的混合高斯背景建模改进为有学习能力的“智能化”检测方法,在消除动态背景条件下目标“鬼影”的同时,对不同成像阶段的目标进行自适应检测。
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由参考文献[2]可知,当成像导弹进入末制导的末端时,若被攻击目标投放干扰,将会使导弹的制导精度下降,甚至脱靶。以尾追作战态势为例:其影响是,在飞机尾后形成了一个俯仰、偏航角度约为15°~25°的抗干扰低概率锥体区域。
类似于无人机的航迹规划,文中考虑通过在线规划导弹弹道对低概率区进行规避的方法应对上述问题[12]。
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由表2可知,传统MTV干扰弹及空气动力/推进式干扰源仍与其被保护目标之间存在较大的光谱分布差异,因此考虑通过双色技术对目标进行抗干扰识别。
双色红外成像导引系统可以获取目标、干扰在两个波段的红外辐射信息。因此:(1)可以利用双色比的不同对二者进行区分;(2)在成像阶段可以采用同时融合双色比、能量与形状等特征的方法进行目标识别。
国内对红外双色抗干扰技术的研究多集中在点源导引系统,其采用的方法与上述(1)的内容基本相同。文中将利用采集到的中、远红外图像数据,在提取出目标与干扰双色比的基础上,对二者进行像素与特征级的融合,所融合特征包括双色比特征与形状特征等。
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光谱自适应干扰与分布式干扰源起燃后会在空间形成面积较大的红外辐射云,可能会部分或完全遮挡导弹的攻击目标,造成制导信息缺失,从而导致制导精度下降、甚至脱靶。
面对这种情况,考虑设计用两枚红外成像空空导弹对目标进行协同攻击的制导律,其特点如下:
(1)两枚导弹基本同时到达,保证对目标的双重打击;
(2)两枚导弹的末端弹道成一定夹角,至少保证一枚导弹具备完整的制导信息;
(3)可采用非“领−从弹结构”的双层协同制导架构[13]。
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自2006年Hinton等人提出深度学习的概念以来,其在语音识别、图像分类、目标检测及自然语言处理等方面都取得了一定突破[14],如常用于目标检测的YOLO系列单阶段检测算法及以R-CNN为代表的两阶段检测算法;常用于目标跟踪的GOTURN、SiameseFC及MDNet算法等。
然而,当前上述深度学习算法在图像方面的应用和测试仍主要集中在可见光波段的日常生活物体,且场景中出现相似干扰或遮挡的情况很少。因此,以现有深度学习在目标检测、跟踪方面的已有技术为基础,文中拟针对特定红外场景设计用于成像空空导弹抗干扰的深度学习网络,研究其在各类干扰源条件下的目标检测、识别能力。
综上所述,本节从智能化角度对拟采用的红外成像空空导弹抗干扰技术进行了简要介绍与分析。借鉴参考文献[15]对智能化导弹的特征描述,上述内容形成了红外成像空空导弹抗干扰的智能感知与导引技术、智能制导与控制技术以及智能协同等三个方面 (如图9所示),且三者基本都是为了达到“智能突防”的战术目的。
Study on intelligent counter-countermeasures of infrared imaging air-to-air missiles
doi: 10.3788/IRLA20200240
- Received Date: 2020-06-17
- Rev Recd Date: 2020-08-10
- Available Online: 2021-05-12
- Publish Date: 2021-04-30
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Key words:
- infrared imaging guidance /
- counter-countermeasures /
- background interference /
- artificial interference sources /
- intelligent missile
Abstract: After four generations of development, the infrared air-to-air missile has developed from the attack mode of trailing pursuit to a high-performance tactical weapon with omnidirectional attack, over-the-shoulder launch and interception after launch, and its guidance system has also gone through the development process from unit, multiple to IIR at present. On account of the infrared imaging air-to-air missile anti-jamming problems, the composition of imaging guidance system, the principle of the angle tracking of the target in the imaging stage was introduced firstly, and the relevant anti-jamming methods that usually used at this time. Second, on the analysis of the application of intelligence technology requirement for air-to-air missiles in the course of actual combat, current complex air combat environment composition and infrared imaging counter-countermeasures against natural background as well as artificial interference sources, six anti-jamming methods, each dealing with a specific interference problem, were proposed from intelligent perception and guidance, intelligent guidance and control and intelligent cooperation, and the brief introduction was carried on. Some part of the simulation results show that above methods can achieve good effects on their respective anti-jamming problems.