黑体炉在红外制导上的应用

AIM-9M连体导引头

飞机本身既反射来自太阳的红外，又从它是热部件，尤其是加力燃烧室喷嘴。排气羽流 温度曲线通过相等区域表示截面 温度，上半部分点燃加力燃烧室，下半部分干燥 推力。加力燃烧的较低温度（cca 100 度）曲线 模式延伸到飞机后方 100 米以上的距离。涡轮喷气发动机在干推力下的羽流比这更窄、更热 用于涡轮风扇，将冷旁路空气与涡轮排气混合气体。

尽管设计师努力对现代军用飞机进行设计，防止红外辐射，但是风机依然是丰富的红外能量来源。主要热源是 推进，由于喷气发动机的效率远低于100%，因此 大量的能量被用于发热浪费掉。

喷气式飞机中最强烈的红外源是排气管 （加力燃烧室关闭）。典型废气温度 （EGT） 涡轮喷气发动机，即J79，大约是950摄氏度，较新的发动机如F100 EGT在1300摄氏度左右。因此，最高强度是 波长约为 2 至 3 微米（对于面向物理的， 排气管被建模为黑体，或者更确切地说是灰体散热器）。

离开排气管的废气形成羽流，因为它们 展开和冷却。在干推力下，排气管是最强的散热器， 羽流较冷，特别是在高旁路的情况下 涡轮喷气发动机（F404）或涡轮风扇（F100），其中涡轮排气 气体与来自风扇的旁路空气混合。羽流形状和温度随发动机和运行情况而变化 条件，图 2。说明了 涡轮风扇点燃加力燃烧室会导致进一步的红外辐射，在 事实上，排气羽流，大约 2000 摄氏度，然后主导 飞机的 签名，比尾管更热，物理上更大。（注：在速度超过2.5M时，羽流辐射将由于 降低发动机整体压力比）。

除了排气管/羽流排放外，发动机发热部分例如加力燃烧室喷嘴的外部，也辐射。高速 飞行会加热飞机的蒙皮，发动机通常会加热 向上 机身的一部分.

另一个排放源是反射阳光/红外线， 传统涂料显然反射率约为60%，尽管较新的 低红外灰度（美国海军F-14，F-4，F-18等）反射约5%至15%。抛光的顶篷也可能反射足够的能量被红外导弹锁定。

从实用的角度来看，飞机的热辐射是不可能消除的，最好的要求是 减少。涡轮风扇的使用降低了整体EGT的可能，机身的一部分可用于屏蔽排气，因为 在 A-10，尾部表面屏蔽了相对凉爽的 TF34 的排气（注意：发动机的位置使其 不可能用肩部发射的 SAM（例如 SA-7）锁定， 直到飞机覆盖了相对较远的距离，假设 这 飞机经过发射场。） 使用低反射率 油漆和平坦的顶篷（helos）可以有一些用处。

大气传播 红外辐射

大气基本上影响三种不同的红外能量 方式 - 吸收，散射和闪烁。红外波长的光子主要被大气吸收 二氧化碳和水分子，近红外中最重要的窗口集中在1.6 微米、2.2微米和3.75微米，最后一个是 最宽约1微米，海拔5000米，水位低 蒸汽浓度允许在范围内高达95%的透射率 CCA 30公里（16.5海里）。如果水蒸气浓度增加， 散射变得明显。当波长 IR的大小与散射粒子相当。云和 雾含有大约 1 微米大小的液滴 - 这导致 在大部分红外波段的透射率极低。

另一方面，雨滴要大得多，与 看似令人惊讶的结果是，通过雨水的红外传输是 好多了。雨水容易使系统退化 性能 但仍允许其运行（在 1.8 公里/1 NMI 透射率为 光 雨是CCA 90%，大雨是CCA 65%）。大气的局部变化 折射的 由温度变化引起的指数（例如可观察到的闪烁 在加热良好的沥青路上的远处图像）。这种效果不是 对于制导系统尤其重要，因为 随着武器的接近，目标的位置变得越来越小目标，一旦目标的角度尺寸大于 大小位置的明显变化，可以忽略不计。

大气的影响可以概括为降低 目标在一定距离内的强度，并引入小 远距离位置误差。这两种效果基本上是有作用的 自 限制制导系统可以检测、跟踪的最大范围 和 锁定目标。

热寻的导弹

飞机作为红外能量的内在来源，对于获取红外特征相对简单、准确的短程导弹制导。飞机作为目标，本身发出了红外制导导弹所需的检测和引导所需的所有能量，因此红外制导导弹不需要复杂和繁琐的工作，及火控控制和照射雷达。作为一个相对简单的系统， 武器可能更小更轻，红外制导导弹非常适合作为混战武器，补充大炮的作用。在此类武器的广泛使用中，例如 AIM-9J/L 和 F-16， R.550 Magic/Mirage III/F1或以色列的Rafael Shafrir。

导弹可以分为三个系统：制导和控制，弹头和推进器，全部安装在 机体内。推进通常由燃烧的固体推进剂火箭提供 秒量级的时间。此类武器的弹头通常很小， 因为假设导弹将在目标上引爆或 在其中，弹头通常是高爆炸/破片类型。大多数武器采用近距离和冲击引信的组合。

导弹的制导和控制系统占据了它的 鼻子部分，引导感应目标的位置和问题 命令控制部分中的伺服器，然后驱动 控制面以实现所需的飞行路径校正。大多数作战红外制导导弹采用鸭翼控制 表面/尾部稳定器配置，采用的鸭翼类型 通常背叛了设计过程中的特别强调，例如 R.550 鸭翼前部的稳定鳍片用于防止 在高迎角下失速。

制导系统本身通常由 武器机头的窗口/过滤器组件，用于选择 只有特定波长的红外，然后进入光学器件 调制系统，标线或斩波器，可实现检测器 元件接收来自目标的红外辐射，同时滤除杂波。检测器的输出由信号检测处理 将携带信息的目标位置，然后计算机采用比例导航来 生成引导命令。

红外滤光片

滤光片是一种装置，通过某些特定的 机制，允许传输某些波长，而 压制他人。使用过滤器的主要原因 制导系统是抑制背景红外辐射的必要条件， 如反射的太阳能，或来自地球的热辐射 表面并使引导能够区分各种部件目标。

这些应用中使用的滤光片分为两种 广泛 分组、吸收滤光片和干涉滤光片。吸收 滤波器的特点是带宽宽（传输宽度 乐队） 并且通常用于抑制大面积区域，通常是阳光。干涉滤光片可以设计为极窄的带宽 （小于波段中心波长的0.1）并且良好 透射率，它们具有反射不需要的进一步优势 能量而不是吸收它。

在这种情况下利用的物理现象是 干涉，当我们向它自己的波中添加波时发生的一种效应反射。考虑一系列透明材料层， 具有交替折射率的层。如果我们通过光波 通过这些层，它将部分反映在每个接口上 层之间，交替界面反射进相和异相。现在 如果波的波长比厚度长四倍 之 层，发生了一件有趣的事情，即来自 连续的接口都是同相的，导致非常高 该波长的反射率。过滤器采用不同的层 厚度，以达到一定程度的反射率，特别是 波长。

精确的过滤器使用多达一百层，每个层都必须有 非常精确定义的厚度（对于小于 1 微米的 IR），在 以满足带传输规范。

光调制器

可能是导弹制导系统是它的光学调制器或标线。它 执行两项极其重要的任务，为系统提供 定向目标信息与抑制背景红外辐射， 原则上，标线是一种具有特定 其表面上不透明和透明区域的图案。

在操作中，标线放置在滤光片/光学器件之间 和探测器，它相对于光学器件的运动导致探测器上的红外入射，使 电子设备处理探测器的输出以分离以下信息 来自背景图像（通常是阳光照射的云）的目标方向。

图 3A 说明了一个简单的旋转标线 背景抑制。考虑标线以 恒定速率，然后可视化它经过其字段中的图像 之 视图， 斩波动作将导致不同的检测器输出 点目标和云。对应于 目标（我们假设目标足够远，可以被视为 点 源）可以很容易地与纹波脉冲分离 通过电子滤波（窄带通）对应于云 在脉冲频率下进行滤波），从而使所需的 目标和云之间的区别。

图 3B 说明了为结果配置的标线 之 目标的方向。再次考虑恒定的旋转速率 并将其越过目标。每次旋转时都会产生脉冲 的标线，然而脉冲开始的瞬间 取决于目标的角度位置。时间滞后或领先 脉冲或相位携带有关目标角度的信息 位置，这些信息可以通过简单的电子手段提取。

图3中的第三个标线。结合了的功能 标线 A 和 B，提供方向信息和背景。上半部分由不透明的扇形组成 段，下半部分是半透明的，透射率等于 到上半部分的平均透射率。当分段的一半 越过目标，输出将包含一系列脉冲和 一些不同的输出由背面给出，当半透明时 部分通过 -目标 输出对应于平均值 目标和背景的亮度。输出类似于 B， 但脉冲脉冲而不是单个脉冲。

通过电子过滤掉这些突发，我们可以分离 目标信息来自杂波，突发的阶段产生 角度方向。目标的径向距离可以通过以下方式找到 检查脉冲的振幅，作为 标线上的目标是圆而不是点。的宽度 标线上的线段小于圆的直径，如果 圆圈靠近标线边缘 大量光线通过 通过 如果它靠近中心，则通过的很少，导致观察到的 振幅变化。了解 的角度分量和径向分量 这 目标的方向，我们可以很容易地找到 X 和 Y 分量 相对于导弹的控制轴，计算机可以找到 目标拦截所需的控制偏转。可能很明显 对于许多读者来说，该系统无法提供目标方向 如果光罩轴（导弹轴）直接指向的信息 目标，实际操作系统采用复杂的机械 用于光学元件和标线旋转和章动的系统 避免。

使用的标线模式也相当复杂，必须 要非常准确。确定目标方向的另一种方法 将涉及一系列探测器元件，但是电子设备 将目标与杂乱分开所需的内容将大大增加 更多 复杂。

红外探测器

探测器是一种将红外能量转换为一些 电信号，然后由导弹的 电子学。作为器件，探测器包括一块半导体材料 （光敏元件），带抗反射和/或滤光片 涂料 和一个反射器，它通过反射任何 IR 来提高灵敏度 可能已经通过探测器回到其中。

使用的探测器元件的两种主要类型是 光电导和光伏，前者改变其电 电阻在点亮时，后者产生输出电压 照明。深入了解负责这些的机制 效果超出了这种治疗的范围，但一些理解可能会 从下面看固体物理学中获得。

量子物理学的基本结论之一是， 绕原子运行的电子可能只有某些离散 能量 与给定轨道相对应的能量以外的能量 禁止。如果我们检查多电子的电子结构 原子，我们发现占据最外层轨道的电子是 最容易通过某种外力从原子中去除。如果我们然后 拿 大量的这些原子并开始将它们一起移动， 轨道开始相互干扰，结果是 以前明确定义的能级开始涂抹，导致 形成能量带而不是大量 原子。

最上面的两个层次，即所谓的价带和 导带是最令人感兴趣的。电阻 一个 材料取决于材料中自由电子的数量， 自由电子越多，电阻越低。在能源方面 乐队 电子必须从下价带跃迁到上价带 导带，然后才能作为自由导带 电子。两个波段之间的能量差称为 能隙（Eg），下频带的电子必须至少接收 这个能量向上过渡并变得自由传导。发生这种情况的一种方式是当电子吸收光子时 之 能量hf大于Eg的辐射。

这基本上是探测器中使用的效果。能量 所用半导体材料的间隙通常小于1 电子伏特，接近红外光子的能量 波长短于10微米。进入 探测器与电子碰撞，使它们变得自由和 改变探测器的电气特性。然而探测器 必须冷却到-200°C左右，否则热量 振动原子的能量将释放足够的电子来淹没 检测到的 IR 的影响。冷却由封闭式提供 回路低温冰箱，焦耳汤普森气体膨胀 冰箱或由热电冰箱（早期的AIM-9J）， 可用温度越低，灵敏度越高 探测器。

探测器材料的选择取决于所需的 给定波长下的灵敏度，由温度 目标。使用的大部分材料都属于硒化物， 锑化物和碲化物，典型的红外敏感材料是 碲化镉汞（HgCdTe）或锑化铟（InSb）。

早期的制导系统因缺乏 可在 2.5 微米波段工作的探测器材料 - AS 结果武器很容易被强烈的阳光、云层迷惑 边缘或耀斑，如果正面向目标发射时无效， 因为他们宁愿引导羽流而不是飞机。后 系统在更方便的 4 微米波段运行，该波段落下 进入合理的透射窗口和背景红外的区域 相当低。

GD毒刺等新武器采用组合红外线 和紫外波段传感器（开机自检导引头），这使导引头能够 不过，区分目标和对策，例如耀斑 它能够处理红外干扰系统，例如闪烁的红外信标 （铯灯）可能会受到质疑。（延伸阅读：Hudson R.D. - 红外系统工程，陶氏R.B.-高级基础 导弹）。

热寻求导弹制导是，经过二十五多次 使用，新技术扩大发布 每一代新产品的包络和扩展范围的武器。一些 电子学的发展（考虑最近制造的30 x 30 单个安装芯片上的 HgCdTe 元素阵列）可能导致 未来武器的完全不同的配置， 对于改进是非常大的。