红外制导的导弹，听到最多的就是响尾蛇导弹（AIM-9X）,导弹的外观是这样：
可以看到导弹的最前方（导引头）有一块镜片，这块镜片是用来接收并追踪红外信号，实现对目标的攻击。什么是红外信号？
红外信号就是红外辐射或者说是红外电磁波。大自然中一切高于0K的物体都在向外辐射电磁波，有人问0K是多少度？是零下273℃，大多数的人都没体验过零下二百多度的温度（冻碎了）。所以，自然界中的一切物体，都在无时无刻的向外辐射红外电磁波，只是我们人眼无法识别这种现象。人眼能识别的波长区域实质上很狭窄，区间大概在0.3-0.7um，在光谱范围内就是下面灰色这个区域。可见光往左，波长更短的方向是紫外、X射线、伽马射线；可见光往右是波长更长的红外、微波…
前面关于X射线篇幅讲解了X射线的特点，这一节，我们来了解一下红外线的特点。红外线的光谱跨度从1um到1000um都属于红线光谱的范畴，因为跨度太宽，为了更仔细的分析红外线，人们又把红外光谱进行了细分：1、 短波红外：0.76-2um；
2、 中波红外：2-6um;
3、 长波红外：6-1000um;
可以通过下面的图片直观了解一下：
(一)为什么军事上会用红外制导？
为什么军事装备中会用到红外相关的探测器呢？红外探测器有两大优点在军事用途中得到体现：一是昼夜全天候工作。不论是白天还是黑夜都可以正常工作，这是基于红外探测是基于温度的探测，而不是基于可见光，也就是一切有温度的物体都可以通过它探测，而且它对温度的要求特别低，只要是0K（不是0℃）以上的物体都可以探测到，也就是在只要高于零下273℃的物体都可以探测到。前面提到了人眼对光线的识别范围，因为红外的波长不在人眼识别范围内，所以人眼是看不见红外线的，但人体的皮肤可以感受到红外辐射（温度）。温度越高的物体辐射越强。二是被动探测。什么是被动探测呢？就是红外探测器是接受外界的光线，而探测器本身不发出信号，也就是在战争中观察到敌方信号后，敌方是察觉不到的。这两点在军事用途上的优势就特别明显了。在实际应用中，导弹飞到几万米的高空，从空中往地面看的时候，中间有很多云层，比如在中东作战时，地面起了沙尘暴怎么办？导弹已经发射在空中了，收也收不回来，怎么办呢？有一群聪明的人，通过对天空中的云层和沙尘进行研究，发现云层和沙尘对一部分波段有吸收，而留了一部分波段不吸收，那部分可以穿过云层和沙漠的波段，人们称作“大气窗口”。下面来张图了解一下：
图片中横坐标为波段的分布，纵坐标为波长透过率，透过率为1则是可以完全透过，波长透过率为0就是这段波长完全被云层或沙尘吸收。比如在波段5.5um-7.6um，波段14-15um等区间，这些区间红外波段无法穿越大气层主要是由于水蒸气和CO2对红外波段的吸收。根据大气窗口的划分，人们就把红外的波段划分为三类：短波红外SWIR：（1-2.5μm）
中波红外MWIR：（3-5μm）
长波红外LWIR：（8-14μm）
坐过飞机的人可以感受到，飞机飞行的高度越高，气温越低，空气越稀薄。如果再高，到了太空，空气就更稀薄了，云层也更少了。既然云层少了，那岂不是红外探测没有云层的影响，可以看的更远。是的，人们也测量了不同海波高度下红外波长的透过率，证实了海拔越高，红外波长透过率越好。
图中ALTITUDE代表海拔高度，右侧坐标代表红外波长透过率。既然大气层对红外波段具有吸收作用，人们进一步对大气的组成成份对红外波段进行分析，大气中的氮气、氧气、水蒸气等，对红外波段具有较强吸收的大气成份主要为水蒸气和CO2。
由于不同的天气情况下，云层的厚度和能见度不同，比如在大雨瓢泼的天气，人的视线会受到很大的影响，红外波段的传播也会受到一定的影响。下图是不同的海拔高度不同云层的状态，在海拔较低的状态有层云（Stratus）、积云（Cumulus）,在海拔较高的上空，主要是卷云（Cirrus）。
云层在空中不仅会吸收红外波段，还会辐射红外波段，辐射波长覆盖长波区域。
（二）有关红外基础知识一旦讲到这部分，对于非专业的人来说，就开始变得生涩难懂了，大部分定义不是专有名词太多，就是各种数学公式，有人看到公式就头疼，希望下面的这些定义在描述时，我能尽量简单一点。辐照度（Irradiance）
红外探测器的工作原理是可以接收外部辐射过来的红外波段。辐照度描述的是辐射入射到物体表面的功率密度。体现的是单位面积内红外辐射的强度，有点像物理课里学习的压强。辐照度的单位是瓦特每平方厘米。
辐射强度（Intensity）
辐射强度表达的是目标物体，比如飞机、坦克等被探测到的度量。辐射强度类似于雷达领域中雷达横截面（RCS）的概念。辐射强度与立体角相关，比如一辆坦克停留在地面上，从空中来看坦克就是一个点，这个点向四周辐射热量。因为和立体角相关，辐射强度的单位是瓦特/球面度。来张直观的图片了解一下：
Point
source代表点光源（坦克等），向某些方向辐射红外。顺便提一下，什么是立体角？立体角（Ω）是球体表面积和半径平方的比值。通过图片了解一下：
辐照度与辐射强度存在一定换算关系，换算关系中加入了探测距离的因素，距离越近越容易探测，越远越不容易探测到。
反射（Reflectance）
反射表明物体对光线的反射。反射可分为两种，一种叫镜面反射，就是光线按照入射的角度全部反射走。另一种叫漫反射，光线按照不同的角度反射走。物体表面的反射通常是这两种反射的组合。如果反射的物体比入射的物体温度低，那么反射出的温度会偏高。同样的道理，如果反射的温度比入射温度高，则反射出的温度会偏低。
辐射（Emissivity）
在自然界中，大多数物体都不能将自身温度100%辐射出去，在向外界辐射温度时都存在一定程度损耗。而有一种物体被称作黑体，可以将自身温度100%辐射出去。下图中左边是黑体对外辐射的情况，右边是大多数物体在向外辐射时的情况。因为物体在向外辐射是存在一定的能量损耗，物体便存在发射率的差异，发射率可以用0到1的系数的表示。
物体的发射率很大程度是有物体的材质和颜色决定的，比如浅色的金属材料比深色的有机材料发射率更低。而且发射率高的物体不仅红外发射率高，而且红外吸收率也高。下图是不同颜色物体红外吸收及辐射示意图：
正是因为不同材料及不同颜色对辐射强度存在差异，那么在军事装备上，人们在选择材料是会尽量避免高辐射的材质。下图澳大利亚国防部发布的一款防红外辐射涂层材料的介绍：
普朗克定律
普朗克在1909年推导出了普朗克定律，能量是通过不同的形态相互转化，温度可以转化为红外辐射。
维恩定律
维恩发现了温度与波长之间的关系，就是温度越高的物体向外界辐射的波长越短。
用一张图来直观了解一下维恩定律，横坐标表示波长，纵坐标表示辐射能量，在温度越高的情况下，辐射曲线会左移，表明温度越高，辐射出的波长越短。
虽然温度越高，物体辐射的波长越短，并不表明短波红外只能看到高温的物体。实际上短波红外可以接收到来自太阳、月球照射到物体后反射的光线。采用短波红外探测器观察到的物体更接近可见光相机成像的效果，同时兼有红外相机的特点。下面两张照片是可见光相机与短波红外探测器成像效果的对比：
相比于中波和长波红外探测器，短波红外探测器需要更高的红外辐射，所以在军事领域，短波红外探测器相对使用较少。中波红外和长波红外探测器被称作为“热红外”，因为热量是由物体本身发出，然后被探测器探测到，也称作被动探测。中波红外与长波红外相比，中波红外探测器对湿度高的环境穿透性更好，因此中波红外探测器常用在航空和海军领域。而长波红外探测器可用于观察极冷的目标，比如平流层中期的洲际弹道导弹。因此在导弹的制导方面，选择长波红外探测器较多。下图对不同波长红外探测器成像效果进行对比：
长波红外探测器相比其它两个波段，在物体燃烧和烟雾天气情况下有更好的成像效果。下图是中波红外探测器和长波红外探测器观察燃烧物体所呈现的状态，在物体燃烧时，长波红外可以观察到更多物体的细节：
量子效率（Quantum
Efficiency）：
量子效率是表示光子撞击在探测器芯片表面，芯片产生电荷载流子的百分比。由于光子的能量与波长成反比，因此量子效率通常在不同波长范围内进行测量来表征芯片每个光子能级下的效率。探测率（Specific
Detectivity）：
探测率表征的是探测器的灵敏度。
噪声等效功率Noise
Equivalent Power (NEP)
用来表示可检测到的最微弱光信号的度量。这个指标类似尺的精度，比如米尺，能测量的精度是毫米；游标卡尺能测量的精度是微米。这个指标越低表示探测器精度越高。红外探测器
用来探测红外辐射的探测器，其工作原理是，红外光学窗口接收红外辐射，通过光学镜片对红外辐射进行聚焦，中间滤光片对一些不需要的红外波段进行滤波，最后指定波长的红外辐射照射到探测器的芯片表面。红外芯片是有特殊材质做成的光学器件，在接收光电子后，电子形成电流，最后通过电路运算后输出红外图像。
窗口
飞机或导弹的红外传感器在接收红外线的最外端有个光学窗口，可以保护红外探测器免受空气压力、空气热力学的影响。红外窗口的外观是这样的：
在红外探测器选择窗口材料时，要考虑几个因素：（1）红外透过率
传统玻璃会阻止波长长于3um的红外辐射，因此红外窗口并不采用传统透明玻璃进行制作，根据不同材料对红外波段的透过率不同，可选择的红外窗口材料有下面这些：
红外窗口材料基本选择的是半导体材质，包括硅、锗、硫化锌等…当然，没有哪款材料的透过率是100%，不同材料总会吸收部分红外辐射，不同窗口材料对红外辐射吸收率不同，窗口材料吸收率如下图：
(2)空气动力学
当飞机/导弹高速飞行时，空气摩擦会使红外探测器窗口温度上升，随着窗口温度的升高，红外窗口的吸收边缘将向短波移动（维恩定律），此时窗口的透过率会下降。
当探测器窗口通过空气动力学加热后，窗口温度上升，也会向外界辐射红外，如果窗口本身的红外辐射很高，掩盖了外界红外辐射，则探测器无法探测器外部信号，出现红外探测器失效的情况。因此使用红外探测器时，需了解飞机或导弹在飞行过程中的温度情况：
通过验证发现，窗口的温度离导弹顶端越远则温度越低，因此人们对导弹进行了不同结构的设计。整流罩（Aerospike）:
整流罩安装在导弹的前端，可以用来迎接空气的阻力。整流罩比导弹主体宽，最前端和红外探测器有一定距离，可以降低红外探测器窗口的温度。整流罩的缺点是它会阻挡红外探测器的视线，在一定的迎角下，红外探测器存在盲区。
侧窗模式（Side
flat window）
因为窗口的温度会沿着导弹的尖端下降，距导弹顶端越远的位置温度越低。因此，减少空气热阻力的另外一个方式就是在导弹的侧面开一个窗口，将红外探测器安装在导弹侧面，与导弹尖端保持距离。这种设计模式最要的缺点是导引头的视线非常有限，只能有局部的视场。
金字塔窗口模式（Pyramidal
domes）
金字塔窗口是由耐高温金属尖端和侧面红外窗片组成。这种设计的优点是通过金属尖端吸收热量，降低侧面窗片的温度。同时，窗口在导弹顶端，视野也好。这种设计的缺点就是，由于窗片是由不同方向的窗片组成，在一定角度的阳光照射下，窗片会产生内部反射，影响探测效果。折射率（Refractive
index）
在选择红外探测器的窗口材料时，材料折射率是一个需要考虑的因素。材料折射率n是一个无量纲数，描述了辐射如何在介质中传播。物理上的定义是：折射率是真空中的光速与光在物体中传播的速度之比。它是量化光从低折射率介质进入高折射率介质时“减速”的效应的方法。比如金刚石的折射率为2.42，这意味着光在真空中的传播速度比在金刚石中传播快2.42倍。
折射率很重要，因为它表示光从空气传播到介质时的弯曲程度。折射率越高，则光线弯曲越明显。
常见的红外窗口材料的折射率可以见下图：
散射（Dispersion）：
散射是衡量材料折射率相对于波长变化程度的指标。简单的理解就是，散射表示不同波长的光穿过材料时呈现出的不同弯曲角度。常见的例子是，当白光通过三菱镜时，会出现不同的颜色。
散射是选择窗口材料非常重要的参数，因为散射的存在便出现了色差。什么是色差呢？当不同波长的光线通过透镜时，光线在透镜的聚焦点出现了不同的位置。这种光线在不同位置聚焦的情况是由色差导致的。
梯度系数（Index
Gradient）
物质的折射率随温度变化的指标。有的物质在温度不同时出现了不同的折射率，梯度系数可以用(dn / dT)表示。通常在设计时，会选择梯度系数低的材料。热膨胀系数Coefficient
of thermal expansion ( CTE )
表示材料随温度变化而出现膨胀和收缩的程度。
对于红外材料的选型来说，通常会选择低膨胀系数的材料。下面是红外窗口或透镜材料的性能比较：
红外镜头
在红外系统中，红外镜头用来透过或者反射红外辐射。红外镜头会进行一定尺寸的设计在聚焦或者整形红外光线。
最常见的两种透镜时凹透镜和凸透镜：其中凸透镜可以用来对入射光线进行聚焦，凹透镜可以对入射的光线进行发散。
镜头的焦点用字母“F”表示，从镜头到焦点F的距离成为焦距。通过对凹镜和凸镜的不同设计，有不同的应用：
镜片系统在设计时，可以采用反射式或折射式设计：
在使用单镜头设计时，系统的焦点是固定的。为了看到不同的成像效果引入了变焦设计。比如采用广角可以大范围内的搜索目标，在搜索到目标后，对指定的目标进行放大观察，了解更多细节，因此需要设计变焦光学镜头。在设计变焦光学系统时，部分镜头是可以移动的：
上图是一个变焦光学系统的示例。当凹透镜靠近物镜（外层光学镜片），来自目标的更多辐射发散到镜头壁上，只有透镜中心的辐射照射到传感器芯片上，目标局部放大。放大有助于更清晰的看到物体。当凹透镜向探测器传感器移动时，来自目标的更多辐射照射到传感器芯片上，芯片视野增加，目标缩小。对于成像系统来说，可以选择广视角或者小视野，无法将两种成像效果同时呈现。下图是一款红外探测器的技术指标，指标中FOV表示探测器的视场角：
滤波器Filter
（1）光学滤光片Spectral
filter
为了增强目标信号与背景信号（比如太阳辐射）的对比度，在红外探测器会采用光学滤光的方式。光学滤光片是在半导体基材（硅或锗）表面镀光学膜，对不需要的红外信号进行截止，让制定的红外波段透过，起到过滤红外波段的作用。下图是红外波段通过滤光片后的典型图谱。
下图是典型的红外波段（长波和中波）滤光片的应用，最右是红外窗口的透过率图谱。
（2）空间滤波器（Spatial
filter）
空间滤波器也可以称为斩波器，它可以通过大小和位置等特征分离场景中的图像信息，斩波器还可以确定目标方向。常规的斩波器是一个圆形透镜，透镜上面有透明和不透明的部分，下图中的Reticle是一种常规的斩波器：
图中的斩波器有两部分组成，一半透光，另一半不透光。当斩波器旋转时，照射到不透光的目标辐射被阻挡，所以不产生信号。落在透光部分的目标图像最后照射到传感器芯片上，产生辐射信号。当斩波器旋转时，来自外界的红外辐射出现周期性通过和阻挡，这种现象为调制模式（amplitude modulation (AM)），这种调制模式是通过中心坐标来分辨目标方向。下图是斩波器在旋转时，产生的辐射信号波形图：
寻找目标并不是斩波器的唯一功能，斩波器还可以帮助导弹导引头将目标信号和背景辐射分开。将斩波器分为微透光和全透光光学镜片组成，这种设计称为全辐条斩波器（full spokes reticles）。这种设计是考虑到，当红外探测器观察极远处的飞机目标时，目标信号通常是一个点，而远处的云层反射信号通常是大面积辐射信号。当斩波器旋转时，斩波器可以将大面积辐射进行切割。如果目标辐射面积非常大，例如大片云层，辐射能大量通过透光镜片，在进行探测时，信号波动不大。如果目标辐射很小，在通过透光斩波器时，会产生方形脉冲信号。采用这种设计原理，导弹在寻的的过程中可以区分云层和飞机等目标信号。下面是斩波器在探测到云层和飞机信号时产生的波形图：
为了使导弹导引头既确定目标方向，又区别背景辐射，可以将上述的两种设计进行整合，合在一起的设计称为旭日斩波（ rising sun reticles）。旭日斩波器的设计方式是一半透光，另一半由扇形组成，扇形区域设计为透光与不透光部分。通过下面图片直观了解一下：
采用上述的设计可以既确定目标方向，也可以确定大小。在早期的导弹设计中，通常把目标信号与斩波器中心重合。在目标与斩波器中心重合的情况下，红外信号不受调制结果的影响，导弹可以确定准确飞行方向。设计方式如下图所示：
上述的设计存在一个缺陷，就是导引头总是正对着目标飞行攻击，在这种情况下，导弹容易收到诱饵的影响。（比如飞机丢下一个诱饵弹，导弹便直接跟随诱饵飞行。）为了解决上述问题，对上述设计又进行了进一步优化，采用锥形扫描(spin scan)和全辐条斩波(rising sun reticle)相结合的方式。 
在锥形扫描时，导弹的瞬时视场围绕目标旋转。目标位于旋转光束的中心，目标辐射位于斩波器边缘的某个点上。
改善后的斩波器工作原理与前面相似，不透明的光学镜片将红外信号进行隔离。目标位于旋转镜片中心，探测器可以输出固定宽度的脉冲信号，通过脉冲信号可以计算出斩波频率。如果目标不在旋转镜片中心，探测器将输出不同宽度的脉冲信号。
锥形扫描导引头的优势是，它不会一直盯着目标飞行，因此抵抗诱饵的能力增强。除了上述几种斩波方式外，还有一些特殊的斩波器设计方式，在此不再赘述。如果大家对红外探测及红外制导感兴趣，可以继续关注本公众号！这一章节就介绍到这儿，后续会介绍其他相关内容！
