小火箭详聊红外制导导弹的目标辨识与追踪
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
小火箭出品
本文作者：邢强博士
本文共5066字，39图。预计阅读时间：50分钟。
本文是小火箭深度剖析导弹与火箭技术系列文章（业内人称：手把手教你造导弹系列）的第1季的第5篇。
在本季开篇，《导弹的“保质期”有多长？》中，两年前的小火箭与大家一起分析了以S-300为代表的战术导弹和以民兵导弹为代表的战略导弹在定寿、判寿和延寿方面的技术。
本季第2篇，《聊聊固体火箭发动机的推进剂》中，小火箭对导弹与火箭的固体火箭发动机的多种配方进行了较为详细地分析。
本季第3篇，《源自二战！美国标准防空反导导弹的诞生》，小火箭以标准系列导弹的诞生为案例，分析了非线性空气动力学的重要性。
本季第4篇，《撼天动地！小火箭聊固体火箭发动机的材料》，咱们一起对导弹发动机的壳体材料进行了讨论。
本篇，咱们聊一聊导弹的制导。马上就要讲到我年轻时候的老本行，有些莫名兴奋！
我认为，从红外导弹的点源非成像制导这种最为经典的技术聊起比较好。
红外线在工业、医疗和军事上已经得到了非常广泛地应用。在军事方面，红外线夜视仪和红外制导则是最为著名的两个应用。说起红外制导，可能大家马上就会联想到在空对空作战过程中的导弹战。
的确，红外制导以其高精度、小尺寸、低重量和低成本（相对于雷达而言）等优势，使其在很多导弹上都得到了成功地应用。
自上世纪70年代以来的空战当中，有将近80%的飞机是被采用红外制导技术的导弹击落的。
本文将和大家一起，一瞥红外线的发现及其在导弹上的应用。然后我们再详细地讨论一下，红外线是如何通过一个叫做调制盘的小东西使红外制导技术在导弹上大展身手的。
发现
1800年4月24日，曾经用自制望远镜发现了天王星的威廉·赫歇尔在重复1666年的牛顿棱镜分光实验。不同的是，他比牛顿多了一个实验项目，那就是用温度计来测量不同颜色光线的温度。
当他把温度计从紫光到红光移动时，温度计上的示数逐渐增加，可是当温度计放到红光以外的部分时，温度却仍在上升。于是，这种光谱在红光之外的光线便为人所知了。
红外线的波长介于微波与可见光之间（770纳米至1毫米），覆盖了常温下大部分物体所发出的热辐射的波段。其透过云雾能力比可见光强。在通讯、探测、医疗、军事等方面有广泛的用途。
任何温度高于绝对零度的物体都会向外辐射红外线，并且温度越高其辐射的红外线能量越高。
早期的喷气式战斗机都没有考虑降低发动机燃气温度的设计，其喷气温度能够达到1000℃以上，使得飞机成了一个十分“耀眼”的辐射源。
最早的红外制导技术采用的是一种叫做红外点源被动式寻的方式。
导弹利用弹上的探测设备来被动接收目标向外辐射的红外能量。
这种制导技术的研究始于1948年，并最终以一种名为响尾蛇的系列空对空导弹而闻名世界。
响尾蛇是一种主要生活在美洲地区的毒蛇，在其眼和鼻孔之间有一种特殊的热敏感颊窝，可用来测知周围温血动物的红外辐射从而判断猎物或敌人的准确位置。以此种毒蛇为名的导弹同样具有感知红外辐射并探测目标位置的能力。
响尾蛇导弹是第一种有正式记载的在空对空作战中击落过飞机的导弹。
上图为一枚响尾蛇导弹在测试过程中，命中一架由F-4鬼怪战斗机改装而成的QF-4无人驾驶靶机。
能力
对于采用红外制导技术的导弹，如果要想打中目标，那么有两个能力是必须具备的：空间滤波能力和空间定位能力。
稍微形象一点儿地描述这两个能力，便是：
第一，导弹是如何分辨敌方飞机和一朵云的？
第二，导弹是如何计算目标的相对位置的？
这两个能力都与红外制导导弹中的一个很不起眼的小圆盘有关，这就是——调制盘。
调制盘是电源红外制导导弹上的一个关键部件，看起来像是一个画着国际象棋的黑白棋盘格一般的小圆盘（不同的调制盘有着不同的图案样式），黑色的部分不透光，白色的部分则有着良好的透光性。
调制盘往往很小，以前文提到的响尾蛇导弹为例，在响尾蛇AIM-9B导弹上的调制盘的直径为6.3毫米。
新版人民币一角硬币的直径为19毫米，在这样一枚硬币的一条直径上可以并排放置三个调制盘。
而这样的尺寸在调制盘当中应当算是比较大的了，某些便携式地空导弹的调制盘直径只有1毫米。
调制盘的尺寸虽小，但是它在红外制导的过程中却起着关键性的作用。所有的光线经过红外导引系统的镜头后都要通过这个小小的调制盘进行调制才可以产生能够被导弹的制导系统所识别的目标信息。
在调制盘之前，导弹看到的只不过是个光斑，在调制盘之后，这些光斑才真正变成了能够被导弹理解的导引信号。在这里，调制盘起到了沟通现实物理世界和内部制导算法之间的桥梁作用。
小火箭给出响尾蛇空对空导弹导引头的调制盘的放大示意图。实物直径为6.3毫米。上半圆为调制区，有12个等分扇形区域，中心扇形区域的半径为1.1毫米，边缘各环带分为三组。
从圆心向外缘数，前四个环带为第一组，每条环带的宽度为0.2毫米。第5到第9环带为第二组，每条环带的宽度为0.15毫米。第10到第14环带构成了第三组，每条环带的宽度为0.1毫米。
下半圆为半透明区。由62条宽为25微米，间距也是25微米的不透明同心半圆黑线构成。由于物体在调制盘上的投影大小通常都会大于25微米，这些影像总有一部分被黑线挡住而有一部分从黑线之间的缝隙透过，所以这个半透明区起到了一个类似毛玻璃的效果。
分辨
“我是天空里的一片云，偶尔投影在你的波心。”诗人描述的浪漫场景在制导领域却是个要尽量避开的干扰来源。
如果没有分辨云朵和飞机的能力，那么在空战中，发射出去的导弹就会真的向漂浮的云朵飞去了。
没有空间滤波能力的导弹或许也不会以“响尾蛇”这个名字命名了，而那位分不清风车与魔鬼的“堂吉诃德”先生将会成为其更贴切的名字了。幸好在调制盘的作用下，朵朵白云没能扰乱红外制导导弹的视线。
那么，小小的调制盘又是如何使导弹具有分辨飞机和云朵（或分辨舰船和海浪、车辆和山峦）的能力的呢？
上图为奋进号航天飞机穿过云层进入高空的瞬间。摄于2011年5月16日。这是她的最后一次飞行。
飞机和云朵，在尺寸上有较大差别。以水蒸气等气体和尘埃组成的云朵的尺寸往往在数公里以上，而飞机的尺寸则在百米以下。
于是，如果导弹有了分辨大小的能力，那么也就基本上拥有分辨飞机和云朵的能力。
可是，在上世纪50年代，怎样能够把这样抽象的比较概念教给由很简单的几个电路构成的导引系统呢？
调制盘给我们的解答是：旋转。通常调制盘会放置在光学敏感元件的像平面上，其圆心与光轴重合。
在制导过程中，整个圆盘会绕着光轴旋转，响尾蛇AIM-9B导弹的调制盘的旋转速度为每秒72转。对于飞机这样的小尺寸目标，其在调制盘的影像也会比较小，往往不能够占满调制区的棋盘格当中的一格。
这样，当调制盘旋转起来的时候，飞机的小影像要么会处在透明格子里，要么就会在不透明的格子上。在透明格子里时，影像透过调制盘在导弹的光敏感元器件上引起一个电信号，我们不妨将这个信号定义为1。
随着调制盘的旋转，这个影像马上又会处在不透明的格子里，这时光敏感元器件上便不再有信号，我们将其定义为0。
当飞机的影像转到半透明区的时候，影像给敏感元件的信号介于1和0之间，我们将其定义为0.5。
这样，在导弹的制导系统看来，一架飞机产生的信号是这个样子的：一半时间是1和0的交替出现形成的方波信号，一半时间是维持在0.5左右的恒定信号。
（严格说来，这个信号是梯形波，只有当影像足够小的时候，才更接近于方波，本文在一定程度上进行了简化。）
而此时闯入导弹视野内的如果是一朵云的话，情况则会有所不同。云的尺寸较大，其影像在调制盘上会同时占据好几个棋盘格的位置，在同一时刻既有被不透明的格子挡住的部分又有被透明的格子放行的部分，这样平均下来大概是有一半的信号通过了调制区。
在半透区，同样也是通过了一半的信号。这样，在导弹的制导系统看来，一朵云产生的信号是这个样子的：始终有一个介于0和1之间的起伏变化不明显的一个信号。
通过调制盘上面透光和不透光的图案设计和其旋转运动，导弹便具有了分辨飞机和云朵的能力。
小火箭的好友们，可以把透过调制盘后的信号以声音的形式进行理解。
如果在导弹面前是一架飞机的话，通过调制盘后的信号产生的声音类似于警车，高低音交替，充满动感。而如果前面是一朵云，则听起来就像是一艘轮船上传来的汽笛声，音节单调，绵长悠远。
跟踪
仅仅能够感知目标是否存在以及目标是飞机一类的小物体还是云朵一般的大物体还是不够的，要想使制导系统发挥作用，调制盘还得告诉导弹，目标到底在哪里。
从调制盘上来看，目标相对于导弹的位置信息体现在两个方面：
一是目标的影像相对于调制盘上的某条基准半径来说，相差的角度是多少。
二是目标的影像距离调制盘的圆心有多远。
有了这两个信息，我们便得到了以极坐标的形式给出的目标相对位置，前两个信息分别对应着极坐标的极角和极径数据（这两个数据分别对应着导弹制导理论中的方位角和失调角）。
小火箭仍然以响尾蛇导弹为例，分别说明这两个数据是如何得到的。目标的影像在调制盘上的位置影响着光敏感器件上的方波信号的起始时间。
根据这个起始时间的不同，便能判定目标的方位角。
细心的小火箭好友也许早已发现，响尾蛇的调制盘只有半个圆是调制区，而另半个圆是半透明区域。
按理说，如果要想滤掉云朵的信息，只需要有调制区便可以了，那么为什么要设置一个半透明区域呢？
如果整个圆盘都是调制区，那么由目标产生的方波信号（或者说是敏感器件听到的警笛声）就会没有中断地不停出现，会导致敏感器不知道这个信号到底是从什么位置开始的，这就会使导弹失去了判断目标位置的能力。
半透明区域的出现，使信号有了休止的周期，这种“劳逸结合”的方式能够使导弹快速判定信号起始的时刻，而这个时刻与目标的方位角则是一一对应的。
小火箭在上图给出了三种不同方位角情况下的方波信号，试着蒙住左侧的调制盘图像，仅仅通过方波信息，像导弹的制导系统那样来判断目标的位置吧。
得到了方位角信息，接下来便是失调角信息了，也就是目标影像到调制盘圆心的距离。
调制图案在调制盘上呈中心辐射状，离圆心越近，透明区域的张角越小，影像能够透过的部分也就越少。
因此，实际上光敏感器件感受到的目标信息方波的幅值并不是个恒定值，而是随着失调角的变化而变化的。
本文上图给出了目标影像的三个不同位置和相应的输出方波。我们可以发现，对于处在相同方位角上的三个目标影像而言，离调制盘的圆心越近，其方波的幅值越小。
结束语
实际上，调制盘的图案样式和旋转方式并非只有响尾蛇导弹中使用的那一种。响尾蛇是最早把红外制导技术应用于实战的导弹，随着人们对调制技术的认识的进一步深入，各种各样的调制盘开始出现。
早期响尾蛇导弹的调制盘上的图案属于旋转调幅式。
这种调制图案有一个中心盲区，不易实现高精度制导。之后出现了调频调制盘、阿基米德螺旋线调制盘、有脉宽变换功能的调制盘等多种样式，逐步增加了制导的精度。
但是，作为上世纪50年代兴起的一门技术，调制盘在现代面临着越来越大的挑战。调制盘具有能够帮助导弹分辨目标和云朵的能力，但却不具备分辨小而亮的干扰物体与目标的能力。
针对调制盘的特性，人们已经开发出了多种干扰方式，较为常用的便是投掷式燃烧干扰弹。
喷气式发动机燃气的辐射波长大多在3.5到4微米之间，而干扰弹通过点燃镁粉、硝化棉和聚四氟乙稀的混合物，能够以1000℃以上的高温产生3到5微米的辐射波长，使得调制盘很难分清干扰弹和真正的目标。
图为一枚响尾蛇红外制导导弹命中了一枚干扰弹/诱饵弹。
上世纪70年代起，红外热成像技术逐渐发展成熟并很快应用在了军事领域。很多导弹（如美国的幼畜空对地导弹、新型的响尾蛇AIM-9X空对空导弹等）都改用了红外成像导引技术来替代早期的红外点源制导技术。
这使导弹的导引头成了名副其实的眼睛。导弹已经能够在其成像平面上分辨出目标的轮廓来了，虽然目前的分辨率不足以形成十分清晰的画面，但是对于分辨目标和云朵、分辨干扰弹和目标以及判断目标位置已经足够。
小小的调制盘在把红外技术引入到导弹制导领域的过程中发挥了很大的作用，并在数次空战中屡屡表明了其有效性和可靠性。
随着红外成像技术的发展，调制盘也终将逐渐淡出导弹制导领域的视野。但是，调制盘的高精度和非接触的特点，使其开始在工业测量领域兴起。
越来越多的精密测量仪器中出现了调制盘的身影。虽然从战场的第一线退了下来，但是小小的调制盘在工业生产领域却在发挥着越来越大的作用。
相关阅读：
版权声明：
本文是邢强博士原创文章，腾讯独家内容。欢迎朋友圈转发。
微信号：小火箭
微信ID：ixiaohuojian
欢迎 加入 小火箭 ，进入航空航天大家庭！
针对iOS系统的打赏二维码已经补充↑↑↑。
感谢您对小火箭的支持！