陈 栋 孟 奇 连细南
（陆军炮兵防空兵学院高过载弹药制导控制与信息感知实验室 合肥 230031）
随着现代科学技术的快速发展，人工智能、云计算等技术被不断应用于军事领域，高速飞行条件下高效快速的信息交互成为了该领域研究的重点。通常情况下，物体飞行速度大于1Ma可认为是高速飞行；
飞行速度超过5Ma则为高超声速飞行［1］。处于高速飞行状态下的物体，通常具有体积小、速度快的特点，在与大气层内空气剧烈摩擦后，表面会积累热量，辐射红外信号。对于该类目标的常用探测手段通常包括雷达探测和红外探测，由于地球曲率的存在不利于雷达实现远距离实时探测，这种情况下可利用红外系统探测、捕获高速飞行目标信息；
但当红外探测系统自身处于高速飞行状态时，往往会受到光学窗口自身辐射、周围空气场扰动等因素制约，探测效果会受到很大的影响。因此，开展高速飞行下红外探测关键技术研究有着非常重要的现实意义。
目前，搭载红外探测系统的平台主要包括天基、地基、空基、弹载系统等。天基平台以卫星为载体，通过搭载红外探测设备可对不同飞行阶段的高速目标进行预警探测和监视；
地基平台依托地面或舰船上大口径红外望远镜系统，对高速飞行目标进行观测；
空基平台红外系统常部署在战斗机、平流层飞艇上，目前应用较少，但前景广阔；
弹载平台红外系统能够适应高速飞行条件，满足现代战争中远程精确打击要求，目前广泛应用于各类精确制导导弹探测系统中。
2.1 天基平台
当前，国外只有极少数国家拥有在轨服役的天基红外探测系统，以美俄为例，“SBIRS”和“EKS”系统具有对导弹多个飞行阶段预警跟踪的能力，法国、德国、日本也在积极开展相关技术储备［2～3］。国内对天基红外探测系统也进行了深入研究，我国已成功发射天基红外战略导弹预警卫星，具备相关技术研究能力。
国外天基红外系统卫星平台经历了从单一的地球同步轨道或大椭圆轨道，到双轨道结合使用，再到与高低轨道组网配合使用的发展过程［4］，高轨预警卫星，主要针对弹道导弹早期助推阶段进行侦测预警，低轨卫星则补充了上述卫星平台在导弹助推段结束、尾焰不明显无法持续跟踪的局限性，实现了对导弹长时间跟踪。此外，卫星上搭载的红外探测器件逐步发展为多波段探测、多像元线阵扫描和大面积凝视阵列结合探测，且探测器可在短波、中波、中长波等多波段协同工作，其中红外短波大视场负责扫描发现飞行目标信息，中长波段完成小视场跟踪任务。
但是，由于探测距离远会导致探测分辨率低，天基平台只能对中高空飞行目标进行探测，无法准确探测低空飞行目标，故通常用于早期预警。为提高预警探测能力，可采用多维度轨道布置和更高灵敏度探测器件。也可同其他平台探测器配合使用，进而提升探测能力。
2.2 地基平台
地基红外探测系统主要用于地面或海上对高空飞行目标的探测，比如高速导弹、卫星、火箭等。地基红外探测系统通常部署在地基大口径光学望远镜系统上，探测系统能够探测空间目标的温度及红外辐射特性密度区域，进而获得其运行状态［5］。在实现观测过程中，需要采用滤光片抑制辐射影响；
为进一步减小辐射对探测器的影响，研究多采用冷光学技术降低终端光学元件红外特征，减小内外热量的传递。
国外地基平台技术的使用比较成熟，比较先进的有美国新墨西哥州柯特兰空军基地星火光学靶场探测系统等，国内也开展了对相关领域的研究。由于地基平台系统同样会受到光学望远镜自身因素的限制，使得该类红外探测系统作用覆盖范围有限，与此同时地基平台较其他平台相比机动性差，探测高速飞行的目标存在很大的局限性，光学成像镜的工艺问题仍是亟待解决的技术难点。
2.3 空基平台
空基红外探测系统比较常见的是机载方式，世界各国具备探测能力的作战飞机基本都搭载了红外探测系统，可对空间飞行目标进行实时监测［6］。除此之外，平流层飞艇搭载红外系统逐渐进入人们视野，该平台与空基、地基探测相比，具有工作环境优良、性能稳定、可大区域载荷放置平台等优点。飞艇平台一般停留在20km以上的平流层高空［7］，长度在百米量级。飞艇具备灵活机动的特点，为增大其探测范围，可采用艇腹悬挂方式安装探测系统，设置多个红外载荷并形成三角布局，再辅以艇身的整体转动，以实现宽视场观测；
也可采取多边形覆盖方式组网布局［8］，可有效提高探测效率。
图1 飞艇平台组网示意图
战斗机部署红外探测系统的技术已相对成熟，但由于其飞行距离短等因素，无法远距离长时间工作。随着飞艇探测系统的光学载荷技术和电路承载能力的不断发展，相信未来几年，飞艇红外探测系统将凭借其长时间工作和低成本化的优势得到广泛应用。
2.4 弹载平台
现代军事中，弹载平台的加入在很大程度上会改变信息感知方式，进而影响敌我战场态势。弹载探测系统，能够满足现代武器系统的远程精打要求，能够突破大部分传统武器的攻防局限。目前，部分高速导弹上装备了红外探测系统，具有代表性的是空空导弹，第四代空空导弹上就应用了红外探测技术，使得导弹的目标探测和打击能力得到大幅度提高，如美国的AIM-9X、英国的ASRAAM、德国的IRIS-T、法国的MICA-IR和南非的A-Darter等［9］。对于飞行速度大于5Ma的高超声速飞行器的红外探测系统部署，相关装备应用较少，国内研究重点主要在红外导引头的定性分析、仿真模拟等，相关技术尚处于论证当中。
由于弹载平台的高速飞行环境和小空间体积的限制，探测设备的光电系统常采用集成化、模块化等方式；
对于恶劣的飞行气动环境给红外导引头的正常工作带来严峻的挑战，常采取相关气动光学效应防护技术和各类图像处理算法。如何使红外导引头能够适应弹载平台的复杂工作环境，仍是目前国内外研究的热点内容。
部署在弹载平台上的红外探测系统，当其在大气层内飞行时，导引头光学头罩和周围的扰流场作用，会产生严重的气动光学效应［10］，气动光学效应包括气动热效应、热辐射效应和光学传输效应等。国内外对于气动光学效应研究仍处于发展阶段，可供参考的实验数据很少。
3.1 气动热效应
气动热效应对红外探测系统的影响主要表现为高温会使探测系统材料、结构等失去正常工作能力。由于弹载平台在大气层中高速飞行或高超声速飞行时，系统表面与周围流动空气粘性作用，产生剧烈的高温效应，高温沿着结构由壁面传向内部，容易造成结构变形和热应力失效等。
为减小气动热效应带来的探测系统失效的风险，必须做热防护处理，比较常用的方法有热沉防热、烧蚀防热、发汗和薄膜冷却等［11］。此外，随着我国一体化热防护技术的高速发展［12］，综合防热与承载功能为一体的波纹夹层结构被广泛应用于表面材料设计，该结构可节约材料，提高效率。基于上述热防护机理，如果将表面热防护结构与燃油、蒸发冷却液机构综合设计，可以有效提升探测系统的热防护能力。
3.2 热辐射效应
热辐射效应对红外探测系统的影响主要表现为信号噪声，噪声会干扰或淹没目标信号。高速飞行条件下红外辐射源主要有发动机热部件、高温燃气喷流和飞行器蒙皮。通常采用减少表面热传导和调控热辐射光谱的方式［13］，实现热辐射效应防护。
一些吸热或隔热温控材料［14～15］，如 Al-还原氧化石墨烯（Al@RGO）复合材料、Al-掺锑氧化锡（ATO）、玻璃基底掺铝氧化锌（AZO）薄膜可以涂覆在飞行器表面，降低表面温度和热传导，减弱热辐射对探测系统的影响。此外，选择性波段吸收材料能够抑制辐射发生在红外大气窗口（3μm～5μm和8μm～14μm两个波段）附近，通过调控热辐射光谱，达到热辐射防护目的。
3.3 光学传输效应
光学传输效应对红外探测系统的影响主要表现为光学窗口周围流场密度、压力、空气组分等物理参数剧烈变化，使探测系统成像发生偏折、抖动等。
图2 红外成像导引头瞄视误差示意图［16］
研究发现，光束经过高速运动空气扰流场后，会产生一定角度偏移，高速湍流流场引起的传输效应会使光束产生畸变。而通过对球形、半球形、圆锥形、八棱锥形等导引头整流罩研究［17］，人们发现整流罩构型也会影响光线传输质量和传输效果，合理改变整流罩面型，可以降低光学传输效应对窗口的影响。此外，导引头整流罩前端温度最高，温度由驻点向底端逐渐降低，利用这一点可以将光学窗口安装在导引头侧面，避免其直接暴露在恶劣环境中，但该安装方式存在探测系统结构设计复杂、空间尺寸小、间接成像难等问题，仍待后续进一步研究。
高速飞行条件下图像处理的对象往往是远距离弱小目标，目标信号常淹没于背景中，因此，抑制图像背景噪声，增强目标信号，将目标同背景环境区分开来是成像制导中实现目标特征提取、识别和跟踪的前提。因此需要对红外图像进行预处理，常用方法包括探测器非均匀性校正、图像增强、降噪、分割等。
4.1 探测器非均匀性校正技术
由于探测器红外焦平面阵列材料、工艺等的差异，导致探测单元的响应率和偏置量不一致，进而在采集的图像中出现固定纹理的噪声。国内外现有许多非均匀性校正（NUC）算法，如两点校正法能够在比较窄的动态范围内修正系统噪声；
多点校正法在两点校正法的基础上提高了校正准确率。为解决非均匀噪声随时间和工作环境变化而漂移的问题，可以采用基于场景的非均匀校正算法［18］，但这类方法对低频占优的噪声校正效果不理想。为实现更好的非均匀性校正效果，研究人员提出了基于神经网络和时域高通滤波器等方法［19～20］。目前，各类校正算法能够在FPGA上实现，但校正计算方法复杂度较高，在定标过程、响应漂移、应用实际等方面的问题有待进一步研究。
4.2 背景抑制技术
背景抑制技术，通过抑制图像噪声，增强目标信息，提高目标和背景信号差异性，从而提高目标检测的准确度。目前，国内外提出了多种红外图像的去噪方法，结合实际图像信号与背景的差异及预期的去噪效果，可选择适合的空间域或变换域方法。
传统的空间降噪方法有均值滤波、中值滤波和高斯滤波，这类方法通常使用具有某种特性的模板在灰度域对图像像素点进行操作，降噪处理后往往会使图像变得平滑，丢失一些细节而使图像变得模糊，视觉效果欠佳。为进一步提升图像降噪后的视觉效果，Tomasi率先提出双边滤波算法［21］，目前广泛应用于简单图像处理，但该算法处理复杂噪声的能力较差。
基于传统空间域滤波算法，三维块匹配法、小波降噪算法、Contourlet变换等变换域去噪算法相继被提出，这在一定程度上解决了简单空间域降噪效果不佳的问题。三维块匹配法（BM3D）较早由Dabov［22］提出，通过与当前像素点进行匹配，该算法利用像素点加权取均值，从而去除噪声。小波降噪算法［23～24］能够通过空域和频域之间的变换过程实现信号和噪声的区分，在频率较低时具有更高的分辨率，但对于图像边缘纹理信息处理效果较差，可提供的方向信息较少。Contourlet变换［25］在一定程度上弥补了小波变换的不足，能够体现图像特征的方向性和各向异性，在降噪处理过程中能够更好的区分目标与噪声信息。此外，深度学习算法被应用到图像去噪中［26］，达到了更好的降噪效果。
4.3 红外图像分割技术
图像分割通常是将图像空间划分成若干个具有某些一致性属性的不重叠区域，围绕目标的边缘或区域来实现的，而结合边缘和区域的分割方法，可综合分析局部灰度突变和区域灰度的一致性，进行图像分割优化处理［27］。
区域分割方法中的阈值分割，因其简约高效的特点，长期作为图像分割的研究热点［28］。直方图阈值分割从多种角度分析图像灰度直方图的形状特征，但在噪声干扰的情况下，离散的直方图外观非常不规则，图像分割效果一般。基于“熵”的阈值分割，最早由Kapur［29］提出，该方法可以减少直方图分割造成的信息损失，通过寻找最佳阈值，使分割后的目标和背景的熵总值最大，图像分割效果较好。此外，Komarek［30］在1979年基于最小二乘法原理提出了最大类间方差（Otsu）分割算法，这种典型的聚类阈值分割方法在不断改进中被广泛应用于社会工程实践中。
通常情况下，直接采用灰度阈值分割的方法效果都不理想，往往需要结合合理的预处理方法和图像分割技术。对于该领域的研究多依赖于图像的底层特征、集中于灰度图像的阈值分割。彩色图像和带有时间序列的连续图像有着更加丰富的图像信息，未来结合图像的高层信息和先验知识的算法研究还有待进一步发掘。
本文归纳分析了高速飞行条件下红外探测的一些关键技术研究及其进展，多平台探测系统、气动光学效应防护、图像处理等技术在红外探测研究中日益发挥重要作用；
综合运用多平台探测系统、探索典型图像处理方法是未来相关研究领域技术积累的重要方向。