Infrardeče vódenje je metoda vodenja orožja, ki za detekcijo in sledenje uporablja infrardeče valovanje, ki ga oddaja tarča. Ker je infrardeče valovanje značilno za topla telesa, se ta način vodenja včasih imenuje tudi toplotno vodenje. Ta metoda vodenja je pasivna, saj deluje izključno na sprejemanju IR valovanja od tarče. Najbolj pogosto je IR vodenje uporabljeno v protiletalskih raketnih izstrelkih, v omejenem obsegu pa tudi za orožja za napadanje ciljev na tleh. Orožja na principu IR vodenja po izstrelitvi tudi ne zahtevajo podpore izstrelitvene platforme, kar razbremeni uporabnika.
Prve poskuse z IR vodenjem protiletalskih raketnih izstrelkov za prestrezanje bombnikov so izvedli že Nemci med 2. svetovno vojno. Načrtovan je bil izstrelek Enzian, vendar do konca vojne ni bil uveden v operativno uporabo. Prvi izstrelki so prišli v operativno rabo šele z razvojem miniaturne elektronike sredi 50. let 20. stoletja, vendar so imeli številne omejitve in zato niso dosegli večjih uspehov. Šele po letu 1970 je razvoj prinesel povečano učinkovitost tovrstnega orožja, ki je z različnimi izboljšavami v uporabi še dandanes. Ocenjeno je, da je bilo v različnih konfliktih več kot 80% vseh izgub v zračnih bojih povzročenih z orožji z IR vodenjem.
Princip delovanja IR vodenja sličica|Tarča v koordinatnem sistemu infrardečega senzorja. Osrednji del IR vodenja je infrardeča glava, ki je nameščena v nosu izstrelka. Sestoji iz infrardečega sledilnega koordinatorja in avtopilota. Sledilni koordinator mora natančno slediti želenemu viru IR valovanja v čim širšem vidnem polju. V želji po čim bolj natančnem lociranju cilja in izločitvi vpliva IR valovanja iz okolice je potrebno vidni kot zožiti toliko, da se doseže potrebna natančnost, vendar ne toliko, da bi bila preveč zmanjšana jakost sprejetega IR valovanja. To je možno doseči s sistemom leč in zrcal, podobno, kot pri daljnogledih. Da pa se ohrani zmožnost sledenja cilju v širokem vidnem kotu, je celoten sklop detektorja IR valovanja in sistema fokusiranja nameščen na kardanski sistem, ki omogoča usmerjanje optične osi IR detektorja v poljubno točko znotraj celotnega vidnega polja, neodvisno od trenutne smeri vzdolžne osi izstrelka. S tem je zagotovljeno sledenje tudi v primeru, ko os izstrelka ni poravnana s smerjo cilja. Navadno je trenutni vidni kot detektorja omejen na 1–2°, celotno vidno polje pa ponavadi dosega nekaj 10° od vzdolžne osi izstrelka. sličica|Viri infrardečega valovanja. Naloga sistema IR vodenja je čim manjša občutljivost na neželene vire IR valovanja iz okolice. Položaj cilja glede na izstrelek je opredeljen z dvema parametroma: kotom med vzdolžno osjo IR senzorja in položajem cilja β, ter faznim kotom glede na ničelni položaj detektorja φ. Prvi kot označuje merilo za oddaljenost cilja od vzdolžne osi detektorja, drugi pa smer proti cilju. Naloga infrardeče glave je določitev smeri cilja glede na izhodiščno os (kot φ) in samodejno usmerjanje optične osi IR detektorja proti cilju (zmanjševanje kota β proti vrednosti nič).
Sledilni koordinator sličica|400x400_pik|Shematični prikaz sledilnega koordinatorja: 1 - primarno zrcalo, 2 - sekundarno zrcalo, 3 - leča, 4 - modulacijski disk, 5 - IR detektor, 6 - trajni magnet rotorja, 7 - senčnik, 8 - tuljava za merjenje kota odmika, 9 - precesijska tuljava, 10 - gonilna tuljava, 11 - detekcijska tuljava Naloga sledilnega koordinatorja je samodejno sledenje cilju znotraj celotnega vidnega polja. Sledilni koordinator določa odmik cilja od optične osi koordinatorja ter na podlagi tega generira krmilne signale, ki usmerijo optično os koordinatorja proti cilju. Obenem koordinator generira tudi krmilne signale za avtopilota, ki usmerja izstrelek.
Sledilni koordinator izkorišča lastnost žiroskopske vrtavke, da brez vpliva zunanjih sil ohranja svojo lego v prostoru. V sledilnem koordinatorju vrtavka sestoji iz primarnega konkavnega zrcala, nanj pritrjenega dvopolnega trajnega magneta in sekundarnega zrcala. Rotor je pritrjen z osjo na eni strani, kar omogoča precesijo. Trajni magnet služi kot rotor elektromotorja ter za zagotavljanje informacije o trenutnem položaju rotorja, s tem pa tudi optične osi koordinatorja.
Za zagon in vzdrževanje vrtilne hitrosti rotorja služijo gonilne tuljave, ki delujejo na enak način, kot pri brezkrtačnih motorjih.
Vrtenje trajnega magneta inducira električno napetost v detekcijskih (referenčnih) tuljavah in tuljavi za merjenje odklona optične osi koordinatorja. Detekcijske tuljave so poravnane s krmilnimi osmi izstrelka in tudi krmilnimi površinami in služijo merjenju trenutnega položaja (kota zasuka) rotorja glede na koordinatni sistem izstrelka. V tuljavi za merjenje odklona rotorja se inducira električna napetost, katere velikost je sorazmerna kotu odklona optične osi koordinatorja od vzdolžne osi izstrelka.
Primarno zrcalo zbira vpadno IR valovanje in ga usmerja na sekundarno zrcalo. To prejeto IR valovanje usmeri skozi sistem leč in modulacijski disk na fotodiodo oz. fotoupor, ki energijo IR valovanja pretvori v električni signal.
Zrcalno – lečni sistem je zasnovan tako, da prejeto IR valovanje fokusira v točko končnega premera, ki naj čimbolje pokrije površino detektorja IR valovanja. Naloga modulacijskega diska je modulacija parametrov IR valovanja v odvisnosti od odmika cilja od optične osi koordinatorja (kot β) in položaja cilja glede na krmilne osi (kot φ).
Modulirani signal iz detektorja IR valovanja po ojačenju in filtriranju napaja precesijsko tuljavo. Naloga te tuljave je obračanje rotorja koordinatorja proti cilju tako, da se optična os koordinatorja poravna s smerjo proti cilju neodvisno od koordinatnega sistema samega izstrelka. Ker je amplituda toka za napajanje precesijske tuljave odvisna od kota napake med smerjo izvora IR valovanja in optično osjo koordinatorja, je tudi hitrost precesije rotorja giroskopa proti cilju premosorazmerna kotu napake. Informacija o amplitudi tega toka je obenem tudi informacija avtopilotu o hitrosti premikanja linije viziranja, kar služi za t.i. proporcionalno vodenje izstrelka proti cilju.
Ob obračanju optične osi sledilnega koordinatorja se manjša signal napake, ob poravnavi optične osi z izvorom IR valovanja pa pade na nič, s tem pa se tudi precesija rotorja koordinatorja ustavi. Med precesijsko tuljavo in tuljavo za merjenje kota odmika rotorja je lahko dodana še tuljava, ki zmanjša magnetni sklop in s tem medsebojni vpliv med tema tuljavama.
Pred izstrelitvijo se precesijska tuljava napaja z ojačenim signalom tuljave za merjenje odklona optične osi koordinatorja, kar povzroči poravnanje optične osi koordinatorja z vzdolžno osjo izstrelka. S tem se definira tudi namerilna točka. Predvsem pri izstrelkih zrak-zrak se precesijska tuljava napaka tudi s pomočjo signala, ki rotor giroskopa usmeri proti točki, kamor gleda nek drug senzor (npr. radar).
Signal iz detektorja IR valovanja se v nadaljevanju primerja s signali iz referenčnih tuljav. Na podlagi dobljenega signala se določi smer tarče glede na vodoravno in navpično os izstrelka, s tem pa krmilni signali za pogon krmilnih površin.
Iskanje cilja in modulacija Ena od nalog sledilnega koordinatorja je določitev položaja cilja glede na optično os IR detektorja, in sicer v polarnih koordinatah. To je možno doseči z modulacijo infrardečega valovanja, ki ga sprejema detektor v odvisnosti od oddaljenosti od središča (optične osi) in polarnega kota.
Amplitudno - fazna modulacija sličica|Osnovna shema modulacijskega diska (skica a) za amplitudno-fazno modulacijo in časovni potek električnega signala iz IR detektorja glede na vodoravno referenčno os x. Skica b) prikazuje izvedbo modulacijskega diska z boljšo zmožnostjo izločanja ploskovnih virov IR valovanja. Amplitudno - fazna modulacija je najzgodnejši način delovanja IR vodenja, ki izvira iz nemških medvojnih poskusov, kasneje je bil uporabljen v prvih izstrelkih zrak-zrak z IR vodenjem. Pri tem načinu je pred detektor IR valovanja nameščen modulacijski disk, ki se vrti skupaj z rotorjem sledilnega koordinatorja in periodično prekinja vpadlo infrardeče valovanje.
Modulacijski disk sestoji iz dveh polovic. Ena polovica je polprosojna in prepušča 50% jakosti vpadlega valovanja. Na drugi polovici se izmenjujejo radialni prosojni in neprosojni odseki (skica a). V primeru točkovnega izvora IR valovanja ima modulirano IR valovanje pri prehodu skozi polprosojni del konstantno polovično jakost, zaporedje prosojnih in neprosojnih odsekov pa povzroči, da je IR valovanje izmenično prekinjeno, zaradi česar detektor generira izmenični električni signal z dodano enosmerno komponento. Večji oziroma ploskovni izvori IR valovanja, kot so na primer vroča tla, sonce in oblaki, prekrijejo več odsekov modulacijskega diska hkrati, zaradi česar se izmenična komponenta zmanjša in nastane samo enosmeren signal. Pri nadaljnji obdelavi signala se enosmerna komponenta izloči, s tem pa tudi vpliv IR sevanja okolice.
Ker se dolžina poti preko prosojnih odsekov spreminja s polmerom, se tudi amplituda signala spreminja glede na odmik izvora IR valovanja od središča (in s tem od optične osi). Če izvor IR valovanja leži na optični osi, je amplituda signala praktično enaka nič, proti obodu pa narašča.
Širina prosojnih in neprosojnih odsekov je odvisna od velikosti slike IR valovanja, ki doseže detektor. Zaželeno je, da je širina odseka na obodu modulacijskega diska enaka, kot je velikost točke. S tem se doseže, da signal doseže maksimalno amplitudo, ko se slika IR valovanja giblje po zunanjem robu modulacijskega diska. V nasprotnem primeru modulacijski disk ni popolnoma izkoriščen.
Pri tem velja omeniti, da jakost sprejetega IR valovanja narašča tudi s približevanjem izvoru IR valovanja, zaradi česar je za ojačevanje signala zaželena uporaba ojačevalnika z reguliranim ojačenjem (angl. Automatic Gain Control).
Signal iz detektorja IR valovanja se filtrira in ojači. V naslednji fazi se odstrani enosmerno komponento signala, da se dobi prekinjeni sinusni signal. Ta signal se uporablja tudi kot zvočna indikacija strelcu, kako dobro detektor razločuje želeni cilj od drugih, neželenih izvorov IR valovanja (glasnejši zvok pomeni večjo moč prejetega IR valovanja). Z uporabo detektorja ovojnice in filtriranja se iz prekinjenega sinusnega signala izloči osnovni sinusni signal s frekvenco, enako vrtilni hitrosti modulacijskega diska. Ta signal se ojači in uporabi za precesijo rotorja sledilnega koordinatorja in s tem poravnavo optične osi koordinatorja z izvorom IR valovanja.
Problem vodenja na principu amplitudno-fazne modulacije je padec izmenične komponente signala na nič, ko je izvor IR valovanja poravnan z optično osjo koordinatorja. Če se izven optične osi koordinatorja pojavi vir IR valovanja, ki je močnejši od IR valovanja cilja (kot je na primer toplotna vaba), bo koordinator zaradi pojava amplitudno moduliranega signala, ki je močnejši od IR valovanja cilja, optično os usmeril proti temu viru. Dodaten problem so bili tudi avtopiloti zgodnjih izstrelkov, ki so delovali po načelu dvopoložajne regulacije. Slednja ima v zadnji fazi vodenja lahko premočan odziv, ki povzroči močnejše zavijanje izstrelka, zaradi česar lahko ta zgreši svoj cilj.
Frekvenčno-fazna modulacija alt=Osnovna shema modulacijskega diska za frekvenčno modulacijo IR valovanja (a) in časovni potek signala za tri različne tarče. Modulacijski disk na skici b) ima v sredini vzorec šahovnice, ki daje drugačno modulacijo v primeru, da slika tarče ni v celoti na modulacijskem disku.|sličica|Osnovna shema modulacijskega diska za frekvenčno modulacijo IR valovanja (a) in časovni diagram signalov za različne položaje izvora IR valovanja. Modulacijski disk na skici b) ima srednji del s kockastim vzorcem, ki daje drugačno modulacijo za sledenje ciljem, katerih slika ni v celoti na modulacijskem disku.