紅外探測系統(tǒng)在軍事海洋中的應(yīng)用

路學(xué)榮，呂曰恒，程明陽

（1.中國空空彈研究院 洛陽市 471009； 2.國家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

紅外探測系統(tǒng)在軍事海洋中的應(yīng)用

路學(xué)榮1，呂曰恒2，程明陽1

（1.中國空空彈研究院 洛陽市 471009； 2.國家海洋技術(shù)中心 天津市 300111）

介紹紅外探測系統(tǒng)的性質(zhì)、特點、主要設(shè)備種類和作用，介紹了紅外前視、紅外搜索跟蹤器、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈、導(dǎo)彈來襲紅外報警器等裝備的功能、特點、基本結(jié)構(gòu)，國外裝備概況，給出了海上應(yīng)用的內(nèi)容，并分析了不同用途和系統(tǒng)參數(shù)的關(guān)系，分析了紅外探測系統(tǒng)在軍事海洋中的應(yīng)用前景。

紅外前視紅外搜索跟蹤器來襲導(dǎo)彈（飛機）紅外報警器紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈

紅外探測系統(tǒng)范圍較廣，凡是利用外界物體自身發(fā)出的熱輻射作為輻射源進(jìn)行探測的均可稱為紅外探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是無需光照，在完全黑暗中進(jìn)行探測。這種探測是被動式的，可以隱蔽地進(jìn)行觀察和監(jiān)視。由于使用的波長比可見光長 10 ～ 20倍，在煙霧中穿透能力要大得多，所以在霧天、有煙的環(huán)境中，可以觀察相當(dāng)遠(yuǎn)的距離。為提高維護海洋安全的戰(zhàn)略能力，捍衛(wèi)國家領(lǐng)海和海洋權(quán)益，紅外探測系統(tǒng)可以滿足在夜間和能見度惡劣的情況下遠(yuǎn)距離觀察、搜索、監(jiān)視、導(dǎo)航等功能的需求。

可在海上應(yīng)用的紅外探測系統(tǒng)有紅外前視、紅外搜索跟蹤器、來襲導(dǎo)彈紅外報警器、紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈等。海面艦船為了對敵攻擊，需要實時觀察或監(jiān)視空中或海面的態(tài)勢、敵方艦船的類型和活動情況；海面艦船為了自身安全，需要實時防范敵方攻擊，特別要防范如掠海導(dǎo)彈、掠海飛機等威脅最嚴(yán)重的攻擊，同時也要防范來自高空的攻擊。紅外探測可以完成觀察場景和搜索發(fā)現(xiàn)威脅的任務(wù)，還可和雷達(dá)搜索探測系統(tǒng)鉸鏈，兼容工作。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)受到電磁干擾或壓制時，紅外系統(tǒng)仍可獨立工作，使整個武器系統(tǒng)免于失效。

1 紅外前視

紅外前視即熱成像觀察系統(tǒng)，輸出以灰度形式顯示的外界物體的熱分布圖像，可以全天候使用，甚至可在能見度不佳的情況下正常工作。熱成像觀察設(shè)備輸出的是視頻圖像，通常和電視制式相同，能實時觀察目標(biāo)的活動情況，將其安裝在艦船上，用途廣泛。

1.1 黑夜和霧中導(dǎo)航

觀察距離從幾十米到上千米，觀察目標(biāo)包括附近的艦船、橋墩、航道中的障礙物、碼頭等，使用目的是保證航行的安全，防止碰撞。這類熱像儀要求15°～50°的寬視場。由于視場較大，也為了降低成本，一般無須穩(wěn)定和回轉(zhuǎn)。熱像儀的體積較小，通常使用非制冷長波熱敏探測器，使用方便，容易推廣使用。

圖1 導(dǎo)航用熱像儀

圖2 夜間導(dǎo)航效果圖

1.2 中距觀察

觀察距離在5 km 左右，用于夜間或霧中監(jiān)視、跟蹤、登陸、反恐、搜救等。觀察目標(biāo)主要是中小型艦艇、登陸岸灘、人員活動等。該熱像儀可使用非制冷探測器，推薦焦距為 33.3 mm～100 mm 連續(xù)變焦的光學(xué)系統(tǒng)，配以規(guī)模為 384× 288 元，元間間隔為 35 μm 的探測器，熱像儀的視場將在 22.8°×17.1°到 7.7°×5.8°間連續(xù)可變，分辨力最小為 0.35 mr。對 30 m 長的小船識別距離超過 6 km ，對人的探測距離約為 1.9 km 。為了全方位搜索或觀察目標(biāo)，可把熱像儀裝在回轉(zhuǎn)云臺上。如果要求在船體搖晃情況下觀察的圖像穩(wěn)定，則需將觀察系統(tǒng)裝在穩(wěn)定平臺上。

圖3 安全警戒效果圖

圖4 救助打撈效果圖

1.3 遠(yuǎn)距觀察

觀察距離在8 km 以上，用于夜間遠(yuǎn)距離觀察、監(jiān)視、搜索、跟蹤等。觀察目標(biāo)主要是大型艦艇和各種艦船，掌握夜間海上艦船活動態(tài)勢。熱像儀可選用制冷型長波或中波探測器。探測器的規(guī)模至少用 320×256 元，640×480元更佳；光學(xué)系統(tǒng)的焦距從 150 mm ～ 600 mm 均可使用；為了滿足監(jiān)視、搜索、跟蹤和瞄準(zhǔn)的不同要求，可設(shè)計成兩擋或三擋變焦的形式，具體的設(shè)計依賴于觀察任務(wù)的性質(zhì)，要求目標(biāo)圖像的清晰度和熱像儀尺寸等因素。

熱像儀本身的組成較為簡單，一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測器組件、電源、圖像形成電路和相應(yīng)的結(jié)構(gòu)件組成。如果要求對目標(biāo)能進(jìn)行識別跟蹤或報警等任務(wù)，則需增加目標(biāo)識別跟蹤電路。為了消除遠(yuǎn)洋艦船晃動對觀察圖像的影響，應(yīng)把熱成像設(shè)備裝到具有穩(wěn)定功能的平臺或密封吊艙中。根據(jù)需求熱像儀還可和可見光攝像機、激光測距器等裝成一體，形成球形轉(zhuǎn)塔（如圖 5 ）。

圖5 某吊艙外形圖

圖6 吊艙安裝在某艦船上

2 紅外搜索跟蹤器

紅外搜索跟蹤器用于搜索、截獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，如飛機、艦船、飛航式導(dǎo)彈、掠海導(dǎo)彈等，距離一般在 5 km 以上。其特點是搜索視場大，往往要求180°～360°的空間范圍。目標(biāo)距離遠(yuǎn)，能發(fā)現(xiàn)和截獲 20 km ～ 30 km 以外的飛機。如此遠(yuǎn)的距離，不可能要求看清目標(biāo)的形狀，甚至不到一個像素，這一點和熱像觀察系統(tǒng)不同，要獲得的目標(biāo)信息不是目標(biāo)形狀的細(xì)節(jié)，而是目標(biāo)的總數(shù)量、空間方位、和飛行方向等。目標(biāo)角速度小，采集信息的頻率沒必要很高，通常幀頻為 0.1 Hz ～ 2.0 Hz 。

圖7 一種艦載紅外搜索跟蹤器和熱成像瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的工作

紅外搜索跟蹤器通常用帶穩(wěn)定功能的回轉(zhuǎn)臺進(jìn)行大范圍搜索，用較高頻的擺鏡進(jìn)行小范圍掃描，邊掃描邊跟蹤。探測器多用中波或長波線列型，規(guī)模使用 288×4 足夠達(dá)到要求，還可專門設(shè)計探測器的尺寸以擴大俯仰方向的視場，把探測器的單元尺寸設(shè)計成 25μm×56μm，使俯仰方向的分辨力增大一倍。一般讓線列方向的探測器覆蓋俯仰視場來確定光學(xué)系統(tǒng)的焦距，通過光機掃描實現(xiàn)方位大角度范圍的搜索，系統(tǒng)的瞬時視場不必太大，有利于保證系統(tǒng)的探測距離更遠(yuǎn)。

在艦船上安裝紅外搜索跟蹤器的必要性在于能及時發(fā)現(xiàn)超低空入侵的飛機和掠海導(dǎo)彈，因為該區(qū)域是雷達(dá)工作的死區(qū)。紅外搜索跟蹤器可單獨安裝在艦船上，多數(shù)是和搜索雷達(dá)鉸鏈安裝，作為雷達(dá)系統(tǒng)的輔助探測裝置。系統(tǒng)還可和高炮或?qū)諏?dǎo)彈發(fā)射架鉸鏈在一起，當(dāng)搜索到目標(biāo)轉(zhuǎn)入跟蹤時，武器發(fā)射系統(tǒng)對準(zhǔn)并不斷跟蹤目標(biāo)，必要時可立即進(jìn)行攻擊，因此，紅外搜索跟蹤器是火力控制系統(tǒng)的一個重要環(huán)節(jié)。

3 紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈

艦船上配備紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈主要用于對付空中的威脅，如超低空飛機、掠海導(dǎo)彈、巡航導(dǎo)彈等，也可用于攻擊海面上艦船類目標(biāo)，其作用距離一般可達(dá) 10 km 。可用的制導(dǎo)方式有調(diào)制盤單元探測器導(dǎo)引頭和多元制導(dǎo)導(dǎo)引頭，為了提高抗干擾能力目前已發(fā)展有熱成像制導(dǎo)的導(dǎo)引頭，使用紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，設(shè)備簡單，操作快，適合于對近距威脅的快速反應(yīng)和攻擊。

目前，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈技術(shù)已相當(dāng)成熟，已有多種國產(chǎn)對空和對艦紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。紅外制導(dǎo)系統(tǒng)多使用中波紅外波段，主要探測目標(biāo)的噴管、排氣管、艦艇煙筒的輻射以及熱排氣流輻射，最先進(jìn)的制導(dǎo)系統(tǒng)可用制冷型凝視焦平面陣列探測器，實現(xiàn)熱成像制導(dǎo)，捕獲視場為 3°～5°。作用距離與目標(biāo)的類型、狀態(tài)有很大關(guān)系，通常近距格斗型多要求在 10 km 左右能可靠地截獲目標(biāo)。穩(wěn)定跟蹤機構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式很多，最好的已突破正交雙框架形式，用極坐標(biāo)三框架平臺結(jié)構(gòu)，實現(xiàn) ±90°大跟蹤場。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈用于海洋艦船上，可用作艦對空和艦對艦近距型導(dǎo)彈，也可把紅外制導(dǎo)用于導(dǎo)彈的末制導(dǎo)階段，實現(xiàn)對艦船和其他固定目標(biāo)的中遠(yuǎn)距離打擊，這種末制導(dǎo)類型是待導(dǎo)彈到達(dá)距目標(biāo)適當(dāng)距離時，制導(dǎo)系統(tǒng)快速搜索并捕獲到目標(biāo)，然后轉(zhuǎn)入自動跟蹤狀態(tài)，直至摧毀目標(biāo)。

4 來襲導(dǎo)彈（飛機）紅外報警器

來襲導(dǎo)彈的紅外報警器主要用于探測導(dǎo)彈和飛機，及時給出報警，便于采取有效措施，或施放干擾，或?qū)彻簦ＷC自己的安全。

來襲導(dǎo)彈（飛機）報警器也要求探測的空間范圍很大，探測距離較遠(yuǎn)，這一點和搜索跟蹤器類似，但由于有威脅的目標(biāo)比較靠近，必須及時給出報警，無需像搜索跟蹤器的結(jié)構(gòu)那么復(fù)雜，也不需要穩(wěn)定平臺，更無需寬范圍的搜索跟蹤機構(gòu)，只要求實時監(jiān)視很寬的空間范圍，一旦探測到來襲的導(dǎo)彈或飛機，能立即發(fā)出報警信號，操作人員可以作出對危險的進(jìn)一步判斷并采取必要的應(yīng)對措施。導(dǎo)彈報警器的結(jié)構(gòu)相對較為簡單、小巧，能覆蓋的視場通常達(dá) 90°×65°，若要在方位方向搜索半球視場，則要安裝兩臺，更大的視場則要安裝更多的設(shè)備。設(shè)計上要考慮對自身威脅最大的空間區(qū)域。探測距離通常應(yīng)能達(dá)到5 km 以上，按照導(dǎo)彈接近的速度，探測到目標(biāo)后應(yīng)有足夠的時間采取應(yīng)對措施。

圖8 兩種紅外型導(dǎo)彈報警裝置外形圖

來襲導(dǎo)彈報警有雷達(dá)型、紫外型和紅外型等。雷達(dá)型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且是主動式的，不利于隱蔽自己；紫外型只能探測導(dǎo)彈發(fā)動機工作時發(fā)出的輻射，一旦發(fā)動機工作結(jié)束，將探測不到目標(biāo)，而一般小型導(dǎo)彈發(fā)動機的工作時間較短，不利于對來襲導(dǎo)彈的全程探測；紅外型除能探測發(fā)動機工作時的輻射外，也能探測高速導(dǎo)彈氣動加熱形成的輻射，可以對來襲導(dǎo)彈進(jìn)行全程探測，保證及時探測到有威脅的目標(biāo)。

如果艦船上裝有紅外搜索跟蹤器，并能對全方位空間進(jìn)行監(jiān)視，則可起到來襲導(dǎo)彈報警的功能，可不必配置專門的報警器。若有對空的監(jiān)視死角或沒有搜索跟蹤器，則設(shè)置來襲導(dǎo)彈（含飛機）報警裝置對保證本身的安全是非常必要的。

5 紅外探測系統(tǒng)在軍事海洋中的應(yīng)用

在突出夜戰(zhàn)、突襲、抗多種干擾、及時掌握對方信息等現(xiàn)代戰(zhàn)爭的要求下，紅外探測技術(shù)有獨到的能力。國外對這幾類產(chǎn)品研制或已批量生產(chǎn)的型號繁多，裝備的艦船也很普遍。國內(nèi)雖然也有裝備，但目前數(shù)量還相當(dāng)少。對這種技術(shù)的特點和應(yīng)用前景需要有更進(jìn)一步的認(rèn)識。

研制各種紅外探測系統(tǒng)的技術(shù)已基本成熟，從探測器的制造、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計以及處理電路的設(shè)計等都已有相當(dāng)?shù)幕A(chǔ)，這些產(chǎn)品國內(nèi)也有生產(chǎn)。今后要解決的問題是如何適應(yīng)實戰(zhàn)的各種要求并能和其他傳感器組成兼容互補的探測系統(tǒng)，以更加適應(yīng)現(xiàn)代作戰(zhàn)的實際需要。

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2010年3月15日