軍用紅外熱成像系統的最新技術進展和應用

安　東

目前，熱成像傳感器在軍用裝備中隨處可見，在大多數戰斗機、無人機、衛星，軍艦和地面車輛上都有它的身影。熱成像傳感器能夠幫助作戰人員在沒有日光的條件下觀察目標或地形，便于24小時連續不間斷地遂行作戰行動。并在空中戰斗中使己方占有明顯優勢。熱成像傳感器無論現在還是將來都是使部隊保持情報。監視和偵察能力的有效手段。

熱成像技術通過探測物體發射的與其溫度和特性相關的紅外熱輻射來實現對觀察場景的成像。紅外熱輻射在電磁波譜上占有很寬的范圍，其波長范圍為0.76～1000微米，但是，僅有三個波段的紅外線在大氣傳播的過程中不會被快速吸收或散射，這三個紅外波段又被稱為紅外大氣窗口：短波紅外波段1—3微米，中波紅外波段3～5微米和長波紅外波段8～14微米。這三個波段就是軍事應用關注的紅外輻射波段。利用短波紅外波段可以探測噴氣式發動機的尾煙，炮管尾煙，彈藥爆炸物和其他熱目標。利用中波紅外波段可探測運行中的渦輪發動機和活塞式發動機以及其他類似溫度的目標。利用長波紅外波段可以探測人體熱量、建筑物結構和其他具有類似溫度的目標。

熱成像傳感器

紅外探測器

熱成像技術的核心是紅外探測器。紅外探測器可分為熱探測器和光電探測器兩大類。

熱探測器在接收入射輻射時，材料溫度發生變化，造成器件某一項物理參數也發生變化，進而產生可度量的輸出。熱探測器通常在常溫下工作，用這類探測器制造的熱成像系統通常不需要使用致冷器。

主要的熱探測器有熱釋電探測器和測輻射熱計等。20世紀80年代后期，美國等國家采用氧化礬做熱敏電阻材料，配合大規模集成電路技術，形成微測輻射熱計焦平面探測器，面陣可達到320×240和640×480像素。熱釋電探測器采用具有優異熱釋電性能的鐵電體晶體材料，如鉭酸鋰(LiTi03)和鈮酸鍶鋇(SBN)等，以及后來開發出的性能更優越、制備和控制更容易的鐵電氧化物陶瓷材料，如鈦酸鍶鋇(BST)等。

光電探測器用半導體材料制造，利用入射光子流與探測材料相互作用產生的光電效應，即由于入射光子數變化引起的探測器材料中自由載流子(電子和，或空穴)數目的變化。典型的光電探測器有光導型探測器，光伏型探測器和量子阱探測器等等。用這類探測器制造的熱成像系統需要使用致冷器，否則探測器的性能會受到影響。

早期的致冷型熱成像系統所采用的主要探測器材料是能夠探測長波紅外的碲鎘汞(MCT或HgCdTe)，目前它仍在長波紅外波段得到使用，尤其是用在紅外搜索跟蹤(IRST)系統中。然而，MCT很難制造，難以實現焦平面陣列的集成。近期紅外探測器產品主要使用的材料是銻化銦(InSb)，它比MCT容易制造得多，但這種材料僅限于中波紅外用途。銻化銦已在焦平面陣列熱像儀中得到廣泛使用，大量的經濟型設備都采用了這種材料的探測器。此外還有一種面向短波紅外應用的探測器材料——硅化鉑(PtSj)。傳統熱像儀和最新型的致冷型熱像儀都采用這三種探測器材料。

量子阱紅外光電探測器(QWlP)的工作原理使其具備相當的性能優勢。在量子阱探測器中，半導體材料(典型材料是砷化鎵合金)生成阱形微孔。電子被束縛在量子阱中，當足夠能量的光子落入阱中時，電子就會發生遷移。光子的能量，也就是紅外波長取決于阱的深度。這是一項意義深遠的技術進展，因為量子阱紅外光電探測器的顏色靈敏度取決于探測器材料的蝕刻幾何結構，而不是材料的基本特性。而且，人們一般采用砷化鎵系列材料制造量子阱紅外光電探測器。目前我們在市場上看到的是基于第一代量子阱紅外光電探測器的熱像儀。

致冷器

熱探測器型熱成像系統能在室溫下工作，光電紅外探測器型熱成像系統則必須致冷。因為要使場景成像獲得理想的靈敏度，探測器就必須冷卻到低溫，對于工作在中波和長波紅外波段的探測器尤其如此。如果不冷卻探測器，探測器材料晶格的熱運動就會使電噪聲淹沒探測器的響應，使圖像埋沒在“雪花”中。目前致冷器采用的致冷方式有三種，第一種是最簡單的方式，即在杜瓦瓶中注入液氮，可以冷卻到77K；第二種是采用焦耳一湯姆遜致冷器；第三種是采用斯特林致冷器。致冷型熱成像系統的成本主要集中在低溫致冷器和探測器絕熱封裝上。

掃描

早期的成像儀利用反射鏡進行機械掃描。最簡單的機械掃描設計是采用單個探測器像素和反射鏡從左到右、從上到下進行機械掃描，生成場景圖像。這與電視圖像的掃描方式完全相同。使用最廣泛的掃描系統是20世紀70年代推出的，目前仍用于一些設備中。這種掃描系統采用線性探測器陣列和反射鏡，反射鏡通過上下點頭運動或旋轉實現掃描。這種線性掃描技術使成像儀每次捕獲一行電視圖像，利用反射鏡的運動決定外部場景成像到哪一行圖像上。

凝視型焦平面陣列探測器可以像CCD一樣成像，無需掃描運動部分，是現代熱像儀廣泛選用的一項技術。這種器件集成了上百萬個探測元(像素)，并與集成電路芯片連接以便讀取圖像。在效果上，這些焦平面陣列類似CCD，可構成單片型熱像儀。

軍用紅外成像技術的新進展

隨著紅外探測器技術的不斷完善和大規模集成電路技術的快速發展，以紅外焦平面陣列技術為代表的軍用紅外成像技術不斷地用于軍事裝備中，并不斷得到發展。現將這項技術的最新進展略述如下：

不斷使用非致冷型熱像儀

軍事應用需要性能穩定，不受環境溫度變化影響和制約的裝備。以氧化礬或非晶硅等探測器材料制造的便攜式熱像儀以其體積小，成本低和能夠在常溫下工作等特點越來越多地用于軍用裝備中。雖然非致冷型紅外探測器與致冷型光電探測器相比，前者的靈敏度較低，但能滿足中，低端的軍用性能要求。而在價格上，兩之間的差距就特別明顯：一般的小型非致冷熱像儀的價格在20多萬、30多萬元不等，與之相比，二代低端致冷型熱像儀的成本要達到100萬元左右，而高端致冷型熱像儀的成本可達200~-元左右(人民幣)。因此，將低成本的非致冷紅外熱像儀用于中、低端軍用和民用系統中應該是目前最好的選擇。

探測器陣列分辨率不斷提高

探測器陣列的分辨率關系到紅外系統一系列性能參數的優劣，因此它是軍用系統優先考慮的重要因素之一。目前，采用MCT的焦平面陣列大部分是128×128到640×512像素的格式，但有一些中波MCT陣列可以達到2048×2048像素。工作在中波紅外波段的銻化銦焦平面陣列探測器普遍是640×512像素的分辨率，但市場上也有分辨率高達2048×2048像素的器件出售。同時，分辨率為320×240、640×480像素的非致冷紅外焦平面陣列探測器業已投產或準備投產1024×1024像素的非致冷探測器陣列已在開發中。

發展雙波段和多波段探測器陣列

量子阱紅外光電探測器可以在單個探測器陣列上實現多波段成像。實際上，采用量子阱紅外光電探測器的熱像儀能夠在短波、中波和長波紅外成像模式之間切換，甚至可以利用單個器件在多個紅外波段上同時成像，并獲得多波段上經幾何配準的圖像。德國的AlM公司是首家生產雙波段QWIP的公司，這種QWIP在中波和長波紅外都可以成像。最近還有報道稱，美國的研究人員正利用一種波紋QWlP制造技術研制四波段QWlP。

使用亞像素微掃描技術改進凝視紅外熱像儀

目前雖然可以做出大規模的紅外焦平面陣列探測器，但成本很高，而且探測器的結構決定了它的填充因子小于100％，也就是在探測器光敏面上存在盲區，不能捕捉到視場內的所有信息。為此，可以在凝視型紅外焦平面陣列探測器中引入微掃描技術，即利用壓電陶瓷的電致伸縮特性驅動光學元件運動，從而通過改變光學元件的空間位置來改變它們所生成圖像的空間位置，得到微掃描圖像，這樣就可以在不增加紅外焦平面陣列探測器探測像素總數的情況下，提高紅外成像系統的分辨率，擴大熱成像系統的作用距離，消除探測器因填充因子帶來的探測盲區，同時這種系統還使探測器具有一定的穩像功能，而且由于微掃描器件的開發成本遠低于高分辨率探測器的制造成本，所以其性價比較高。美國前視紅外系統公司(FLIR)的AN／AAQ－22 Star SAFIRE系統就是利用壓電陶瓷驅動的微掃描技術，提高了系統分辨率和穩定性。

致冷型熱成像技術在軍事應用中的新動向

目前，致冷型熱成像技術已經普遍用于軍用裝備中，在未來的幾十年中，隨著致冷型熱成像技術的不斷成熟，致冷型熱成像系統的性能將會不斷改善，成本會不斷降低。

安裝在現代和傳統軍用裝備中的大多數致冷型熱成像設備都是用于導航和目標瞄準，有一小部分用于特種情報，監視和偵察(ISR)。

使用最廣泛的吊艙式紅外系統可能是美國空軍的LANTIRN吊艙，它由一個采用寬視場前視紅外的AN／AAQ－13導航吊艙和一個AN／AAQ-14瞄準吊艙組成。在ANIAAQ-14瞄準吊艙中，長波碲鎘汞前視紅外與激光指示器，測距機共光軸。AN／AAQ-14現在正被新型AN／AAQ－33“狙擊手”XR／PANTERA先進目標瞄準吊艙(ATP)替代，該吊艙包括銻化銦前視紅外，電視CCD(電荷耦合器件)傳感器和激光指示器／測距機，所有傳感器都采用與中波前視紅外兼容的藍寶石玻璃窗口?！本褤羰帧盭R可能會率先部署在B－2A隱身轟炸機上，同時它也是聯合攻擊機(JSF)內置光電目標瞄準系統(EOTS)的基本裝備。

美國海軍主要依靠F／A－18戰機上的AN／AAS－38 NiteHawk前視紅外，激光吊艙和AN／AAS－50導航前視紅外吊艙，并輔以F-14D戰機上的AAQ－14 LANTIRN吊艙。隨著F-14D戰機的退役和F／A-18ElF戰機部署數量的增加，美國海軍目前正在部署雷聲公司的新型AN／AAS－46 ATFLIR吊艙，該吊艙在技術上與美國空軍的”狙擊手”XR吊艙相似。

目前市場上最為成功的產品是諾格公司的AN／AAQ-28 Litening lI吊艙，這也是一種前視紅外和CCD通道雙波段系統。Litening II不僅被以色列空軍選用，而且用在美國海軍陸戰隊和空軍國民警衛隊中，空軍國民警衛隊將其用于F-16戰機上。此外，它還被用于B-52H轟炸機，完成持續的近距離空中支援和海上打擊任務。它的后續型號AN／AAQ-28(V)4 Litening AT改型采用一臺640×512像素前視紅外，一臺更高分辨率的CCD攝像機(1024×1024)以及一個嵌入式C波段數據鏈終端。美國海軍陸戰隊和澳大利亞皇家空軍都訂購了Litening

AT吊艙，用于F／A-18A戰機。俄羅斯目前正積極拓展Sapsan—E前視紅外，激光目標瞄準吊艙(為蘇霍伊公司“蘇-30”、“蘇-27SM”和“蘇-35M”戰機設計)的市場。該吊艙相當于西方國家的二代吊艙。

目標瞄準前視紅外系統可以具備偵察和監視能力，也能夠提供有效的炸彈損傷評估(BDA)圖像，但由于用于目標瞄準的熱像儀要實時提供電視質量的圖像，分辨率較低、視場較窄，光學質量較低，一旦需要高分辨率大幅寬地形圖像，這些系統就力不從心了，需要專用設備。專用偵察吊艙一般采用紅外行掃描器(IRLS)，它與傳統的條幅式繪圖航空攝像機類似?，F代紅外行掃描器，如BAE系統公司制造的D一500A，能夠在長波紅外波段生成具有8102像素幅寬的圖像，其視場達到70°，搜索場為140°，并且可以大傾角成像。CAI－8601紅外行掃描器具有相似的能力。通過對兩者進行比較發現：將目標瞄準前視紅外系統產生的13幀圖像并排排列才能與采用紅外行掃描器獲得的條幅圖像寬度匹配。

目前還有具備熱成像功能的分幅攝像機，它通常是雙波段設計，同時采用內嵌式CCD和熱像儀。用于先進機載偵察系統(AARS)吊艙的BAE系統公司的F－9120就是一個很好的實例，它采用13英時的穩定孔徑，焦距為120英時，裝有兩個成像傳感器。這類產品還有偵察光學公司的CA－295雙波段分幅攝像機和CA-270雙波段分幅攝像機。這些裝置都采用1－3辛辛那提電子公司的2048×2048像素中波成像陣列。這種裝置與典型的目標瞄準前視紅外系統相比，單幀圖像幾乎可以采集后者13倍的數據。

隨著飛機隱身特性的提出，用于目標瞄準和成像的吊艙式情報，監視和偵察系統由于自身的雷達特征明顯而不再實用。因此，內部安裝系統正成為一種標準，如JSF上的內部光電目標瞄準系統和F-22A上的紅外傳感器(因經費原因暫停)。F-22A戰機上的紅外傳感器安裝在機身下部整流罩內，目前已完成了光學、隱身和空氣動力學試驗。

俄卡莫夫公司研制“卡-135”無人直升機系統

俄羅斯媒體2009年7月28日報道，俄卡莫夫公司目前正在進行“卡-135”無人直升機系統的研制工作。根據研制計劃，2009年底將完成無人直升機的設計草圖。俄稱，該無人直升機系統的研制和其他無人機系統一樣，主要的工作是研制最有效的無人機操控系統?！翱?135”無人機是俄羅斯直升機公司優先發展項目之一，直升機重300千克，可執行偵察、觀測，以及其他更加廣泛的任務，目前已把該項目列入2011～2020年俄武裝力量發展計劃中。

俄軍事運輸航空兵更新25％

俄羅斯“航空港”網站8月13日報道，俄空軍總司令亞歷山大澤林上將稱，2020年前，“伊爾-76”飛機無論是在數量方面，還是在作戰性能方面將構成軍事運輸航空兵的基礎，其中一半以上將進行升

級改造，將對導航和通信設備進行完善。國防部還計劃完成研制并開始購買輕型和中型軍事運輸飛機。特別是要研制輕型運輸機“伊爾-112B”，以及新一代中型軍事運輸飛機。新飛機將具備投送和空降人員、武器和技術裝備的能力，以及提高的燃料經濟性和較低的生命周期。飛機將裝備功能齊備的機載設備。

2050年前俄將打造攻守平衡的導彈核艦隊

俄羅斯“俄新社”7月27日報道，7月26日俄海軍總司令弗拉基米爾·維索茨基宣稱，2050年前俄海軍司令部將打造攻守平衡的國家導彈核艦隊。2050年前俄打造艦隊主要基于以下考慮：第一，艦隊應當是攻守平衡的導彈核艦隊，第二，艦隊應當符合國家利益和國家的經濟能力。不能只側重于建造艦艇和潛艇。應當協調發展。俄不僅要建造艦艇，而且要建立作戰系統，將打造擁有作戰系統、綜合體、艦艇、飛機、反導、水下環境的綜合性艦隊。作戰系統應當無可爭辯地被列入俄聯邦軍隊發展概念。

俄西伯利亞軍區開始首長司令部演習

俄羅斯“國際文傳電訊”網站明11日報道，俄西伯利亞信息和公共關系處處長瓦列里·謝布拉寧上校稱，俄西伯利亞軍區從8月10日開始舉行2009年最大的合成軍團部隊指揮首長司令部演習。演習總指揮由軍區司令亞歷山大‘波斯特尼科夫上將擔任。演習是對軍區轉型過程中組建的戰役戰術指揮機關的首次全面實際檢查。演習想定：清除布里特亞共和國、外貝加爾邊區和伊爾庫茨克州境內經濟和技術災難的后果。軍方稱，采取有效措施抗擊恐怖主義，清除非靜情況后果和處置與運輸烴原料相關問題是此次演習的重頭戲。2009年3月舉行過西伯利亞大規模軍事演習。該演習也是俄軍轉型過程中的首次演習，具有研究性質。

俄空軍將撤銷空軍和防空軍集團軍

俄羅斯“俄新社”網站8月13日報道，俄空軍新體制規定撤銷空軍和防空軍集團軍并組建新司令部。俄空軍司令亞歷山大澤林稱，軍事改革的結果將是組建戰役戰略空中-空間防御司令部，遠程和軍事運輸航空兵戰役司令部，以及空軍和防空軍司令部。新司令部結構將最大限度地接近戰時戰斗指揮群的結構和構成。這將保障有效遂行主要任務：統一制定計劃和對所轄兵力行動實施直接戰役指揮，根據統一意圖和計劃協調使用兵力。

吉爾吉斯建議在離南部邊境更近的地方建立俄羅斯新基地

俄新社網站2009年8月6日報道，吉爾吉斯駐俄羅斯大使拉伊姆霹爾-阿塔庫羅夫稱，吉爾吉斯希望俄駐吉爾吉斯的軍人部署在離共和國南部邊境更近的地方，以阻斷來自阿富汗麻醉品的過境通道。這將有利于打擊恐怖主義和麻醉品走私分子。眾所周知，吉爾吉斯與阿富汗不直接接壤，但經過吉爾吉斯鄰國可以將麻醉品過境至俄羅斯歐洲等地。俄羅斯基地是否會部署在奧什市或巴特肯州的問題目前尚無定論。塔什干表示反對俄新軍事基地部署在吉爾吉斯南部，并認為新基地的出現可能會導致地區形勢不穩定。8月1日俄羅斯與吉爾吉斯總統簽署了在奧什部署俄羅斯1個營的協定，11月1日之前將簽署總協定，協定中將確定部署俄軍事基地的各項數據及其位置。

2010年俄將撥款4700億盧布裝備部隊

俄羅斯“俄新社”8月10日報道，2010年俄將撥款4700億盧布用于購買武器并裝備部隊。這些經費主要用于研制空間裝備和導彈空間防御裝備，完成國防部與軍事工業委員會簽署的長期合同，保持各種力量的技術儲備，支持軍隊現代化建設，其中包括黑海艦隊增購現代化航空技術裝備，通信設備等。比如，2010年俄擬購買“伊斯堪德爾－M”戰術導彈和Kh－102巡航導彈、艦艇和潛艇，以及“蘇－27SK”、“蘇-30MK2”、“蘇-34”和“蘇-35”飛機等。

俄“海豹”號潛艇開始第2次試驗

俄羅斯“俄新社”7月31日報道，“海豹”號核潛艇工廠試驗第2階段將于7月31日開始并持續不少于2周時間。由阿穆爾造船廠建造的“海豹”號核潛艇7月份駛入日本海進行第1階段第2次航行試驗，該試驗已經結束。此前，這艘尚未列裝海軍的潛艇于2008年11月進行了試驗。結果因系統故障造成20人死亡，21人住院。目前潛艇位于大卡緬“東方”廠碼頭。參與“海豹”號建造的莫斯科和圣彼得堡專家也將參加潛艇試驗?！昂１碧柡藵撏?K-152，“狗魚”級)屬于第3代潛艇，于1991年在工廠鋪放龍骨。該艇排水量8140／12770噸，最大航速30節，最大下潛深度600米，自持力100晝夜，載員73人。武器包括4具533毫米魚雷發射管，4具650毫米魚雷發射管。預計今年年底前將以租借的方式轉交給印度海軍。

俄空軍將組建不少于2個“米格－35”航空大隊

俄羅斯“俄新社”8月3日報道，俄國防部負責購買武器的消息靈通人士7月31日透露稱，俄軍事當局正在研究采購“米格－35”多用途殲擊機方案，2015年前將配備不少于2個“米格－35”殲擊機航空大隊。購買“米格－35”殲擊機是國家長遠武器計劃所規定的。今年可能簽署這筆購買戰機的合同。俄國防部與俄聯合航空制造公司正在討論購買計劃的細節問題。俄國防部將購買20～30架“米格－35”。據廠家消息稱，“米格-35”多用途殲擊機屬于4＋＋代飛機，是“米格－29K”和“米格－29M”戰機的發展型。它具有最優良的作戰效能、通用性和使用性能。

2011年俄將在普列謝茨克航天發射場建成“安加拉”火箭發射裝置

俄羅斯媒體8月10日報道，2011年俄將在普列謝茨克航天發射場建成功能完善的“安加拉”火箭發射裝置。盡管減少了對普列謝茨克改造工程的資金投入，但按照今年的計劃將會提前完成“聯盟－2”和“安加拉”設施的工作任務。目前已經開始安裝“安加拉”發射裝置的服務塔。前不久安裝完成了1個主要結構設備——發射臺，同時還完成了航天發射場導航系統的安裝工作。根據政府命令，“安加拉”發射裝置工程將于2011年完成。

俄海軍開始量產數字制圖信息自動化保障系統

俄羅斯“俄新社”7月31日報道，俄海軍數字制圖信息自動化保障系統順利通過國家試驗并開始投入量產。該系統是根據俄國防部導航和海洋志總局訂單研制的。該系統可用于近實時向艦艇和海軍部隊核準、保存、規定和傳送電子制圖數據。數字制圖信息自動化保障系統包括海軍數字制圖信息自動化保障中心自動化設備，艦隊和獨立區艦隊(波羅的海、北方、黑海和太平洋艦隊，堪察加和里海區艦隊)數字制圖信息保障自動化設備，以及艦艇制圖信息保障設備。研制制圖信息自動化保障系統可以保障形成數字制圖、文件導航信息，井將信息與數據直接傳送到需求目標(艦艇、船只和海上指揮所)。該系統將有助于從根本上提升航行導航水文地理保障水平、提高航行的安全性。

俄黑海艦隊進行潛艇試驗

俄羅斯紐帶網站2009年8月7日報道，俄艦隊新聞與公共關系處稱，黑海艦隊唯一一艘潛艇——“阿爾