應用于紅外成像導引頭的非制冷焦平面探測器

李 煜，白丕績，陶 禹，袁名松

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應用于紅外成像導引頭的非制冷焦平面探測器

李 煜1，白丕績2，陶 禹3，袁名松2

（1. 北方廣微科技有限公司，北京 100089；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 63961 部隊，北京，100012）

隨著非制冷探測器技術的迅猛發展，中大規模、高靈敏度的非制冷焦平面器件實現工程化應用。使用非制冷焦平面器件的紅外成像導引頭具有效費比高、結構緊湊、易維護等優點，已成為紅外成像導引頭的重要成員之一。介紹了國內外幾款采用非制冷紅外成像導引頭的反坦克導彈、精確攻擊導彈、精確炸彈、反艦導彈，以及所使用的非制冷焦平面器件的性能參數，總結了用于紅外成像制導系統的非制冷焦平面器件的特點及發展趨勢。

非制冷紅外焦平面；導彈；紅外成像制導

0 引言

導彈制導系統通常使用電視、毫米波、半主動激光、雷達、紅外成像等制導技術，每種技術都有一定的針對性和適用范圍。其中，紅外成像制導技術具有精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強、全天候作戰，在精確制導武器中備受青睞。隨著雙模、多模導引頭技術的日益發展，紅外成像制導得到更廣泛地應用。

傳統的紅外成像制導系統大多采用制冷型紅外焦平面探測器，而非制冷焦平面探測器受制于較低靈敏度和較長熱響應時間，主要應用于觀瞄及民用領域。隨著非制冷探測器制造技術的快速發展，中大規模、高靈敏度、小像素的非制冷焦平面器件實現工程化應用，并且成本大幅下降；非制冷紅外成像導引頭具有效費比高、結構緊湊（休積小、重量輕）、易使用和易維護等優點，已成為紅外成像導引頭的重要成員之一。經過多年的發展，非制冷紅外成像導引頭已廣泛用于反坦克導彈、精確攻擊導彈、小直徑炸彈、反艦導彈等[1]。

1 非制冷紅外成像導引頭應用情況

1.1 反坦克導彈

為了提高分辨率、降低成本，各國反坦克導彈紛紛采用非制冷紅外成像導引頭，典型型號有：以色列“近程-長釘（Spike-SR）”、“迷你-長釘（Mini-Spike）”反坦克導彈；歐洲MMP中程反坦克導彈，日本“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導彈；中國北方“紅箭-12”輕型反坦克導彈等。各型非制冷紅外成像制導反坦克導彈的具體技術指標如表1所示。

1.1.1 “近程-長釘（Spike-SR）”反坦克導彈

“近程長釘”是以色列Rafael公司開發的一種低成本、發射后不管的便攜式反坦克導彈，主要用于攻擊坦克、裝甲、低空盤旋直升機等移動目標，也可攻擊混凝土工事、掩體等固定目標?！敖涕L釘”采用非制冷紅外成像導引頭，不但分辨率高，而且導引頭系統簡單，以及發射筒和瞄準系統高度集成；導彈長度僅1.0m，重約9.0kg，有效射程在50～800m范圍；圖1為近程-長釘（Spike-SR）反坦克導彈系統[2]。

1.1.2 迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導彈

“迷你長釘”也是以色列Rafael公司根據作戰需求，最近開發的一款更為輕便、靈活、性能優良的便攜式導彈系統。這款導彈系統包括一套重4kg的小型發射控制單元（MICLU）和一個正方形截面的發射筒，以及導彈長0.80m、重4.0kg的導彈?！懊阅汩L釘”導引頭采用非制冷紅外成像+彩色影像傳感器（CMOS）的雙模制導模式，彈頭呈球形。該導彈具有“發射后不管”和“持續制導”兩種工作模式可選，最大射程為1500m；圖2為迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導彈系統[3]。

1.1.3 MMP中程反坦克導彈

MMP中程反坦克導彈系統根據法國陸軍的任務需求，以替換目前服役的“米蘭”反坦克導彈，由歐洲導彈公司（MBDA）為其研制的新一代中程反坦克導彈，預計將于2017年開始裝備法國陸軍。MMP導彈制導采用非制冷紅外傳感器和電視攝像機的雙模制導模式，導彈長1.3m、彈徑140mm、重15kg；以及三腳架重量為11kg。該導彈可實現“發射后不管”模式，以及發射鎖定目標攻擊模式，有效射程為4000m；圖3為MMP中程反坦克導彈[4]。

1.1.4 新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導彈

日本研制的“輕馬特”（XATM-5）反坦克導彈為取代裝備的84mm“卡爾·古斯塔夫”無后坐力炮。該反坦克導彈的導引頭采用非致冷長波紅外焦平面探測器（波長8～14mm），具備發射后不管的能力；同時導彈大量采用復合材料。新“輕馬特”導彈長0.86m、彈徑120mm、重11.4kg；具有成本低、壽命長、高可靠、易維護等諸多優點。導彈系統便于肩扛和單人操作，可隱蔽在掩體中射擊，其生存能力相對較高；圖4為新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導彈[5]。

表1 非制冷紅外成像制導反坦克導彈

圖1 近程-長釘（Spike-SR）反坦克導彈

圖2 迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導彈

圖3 MMP中程反坦克導彈

圖4 新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導彈

1.1.5 “紅箭-12”新型反坦克導彈

2014年，中國北方工業公司（NORINCO）在歐洲薩托利展會上，發布了新型“紅箭-12”肩扛式反坦克導彈系統。該導彈采用非制冷長波紅外焦平面成像和可見光兩種版本的制導模式，使其具備全天候作戰能力?！凹t箭-12”系統全重22kg，其中發射筒、導彈總計17kg，導彈長0.98m、彈徑135mm。導彈可由單兵攜帶，具有“發射后不管”能力的輕型反坦克武器系統。紅外成像引導頭射程可達2000m；圖5為《簡氏防務周刊》網站發布的紅箭-12反坦克導彈[6-7]。

1.1.6 空射型BAT反坦克導彈

智能子彈藥是美國格魯曼公司研制的20kg智能反裝甲子彈藥（BAT）。子彈上裝有主動毫米波雷達和紅外成像傳感器，可自動搜尋鎖定目標。BAT反坦克導彈的十字形翼上裝有4根音響傳感器探針。音響傳感器探測目標車輛的音響信號，并傳回到彈上計算機捕獲目標，控制導彈指向目標車輛。同時，彈上的紅外導引頭（長波非制冷320×240焦平面）進行探測、鎖定目標，并對其末段制導；空射型BAT反坦克導彈如圖6所示[8]。

圖5 紅箭-12反坦克導彈

圖6 空射型BAT反坦克導彈

1.2 精確打擊彈藥

1.2.1 精確攻擊導彈（PAM）

美國雷神公司開發的這款網絡化低成本非視線精確打擊武器精確攻擊導彈（PAM）。PAM導彈有紅外成像/自動目標識、激光提示紅外成像鎖定、激光持續照射半主動跟蹤3種可供選擇工作模式；其導引頭采用非制冷紅外（640×480焦平面探測器）/半主動激光雙模導引頭，中段采用慣性導航＋GPS制導。導彈直徑177.8mm，速度250m/s，射程40km，不僅具有打擊重型裝甲目標和加固的防御工事，它還可打擊低空、慢飛或懸停直升機的能力；圖7為精確攻擊導彈（PAM）導引頭及導彈攻擊坦克頂部過程[9]。

1.2.2 小直徑炸彈（SDB-Ⅱ）

美國雷神公司研制的小直徑炸彈（SDB Ⅱ）重約90.7kg，導引頭采用毫米波、非制冷紅外成像、激光半主動的三模制導模式，使其導彈能在全天候追蹤、打擊目標。SDB Ⅱ導引頭集成的非制冷紅外成像傳感器，使該炸彈能夠追蹤并鎖定目標的熱輻射特征。這款小直徑炸彈能精確打擊既定目標，具有較小的附帶毀傷，可大量裝備各型作戰飛機；圖8為SDB-Ⅱ小型炸彈照片[10]。

1.2.3 聯合空對地導彈（JAGM）

由美國陸軍牽頭，海軍及海軍陸戰隊共同參與研制的聯合空地導彈（Joint Air-to-Ground Missile），用JAGM這款通用型導彈取代現役的陶式（BGM-71）導彈、幼畜（ACM-65）導彈及海爾法（ACM-114）導彈。JAGM導彈將可搭載直升機、戰斗機和無人機等多款戰機。雷神公司的非制冷成像三模導引頭方案不僅滿足指標要求，而且成本更低（采用非制冷640×480焦平面探測器），可以滿足陸軍對成本要求；圖9為美國聯合空對地導彈（JAGM）照片[11]。

圖7 確攻擊導彈（PAM）導引頭及導彈攻擊過程

圖8 SDB-Ⅱ小型炸彈

圖9 聯合空對地導彈（JAGM）

1.3 MASTER隱身巡航導彈

MASTER/LCMCM是洛×馬公司推出一種隱身巡航導彈，以滿足戰場縱深打擊要求。MASTER/LCMCM導彈采用獨特的外形設計，大大降低導彈雷達截面特征，達到隱身的效果。MASTER導彈采用紅外成像/雷達雙模導引頭，導彈子系統采用SELEX低成本的非制冷紅外成像導引頭，能裝備單一戰斗部或多達5個獨立瞄準的子彈藥，整個彈重450kg。該款導彈可直接攻擊目標，也可巡飛后再攻擊移動目標，可在F-35、F-22等戰機內、外掛載；圖10為美國洛×馬公司的MASTER/LCMCM導彈[12]。

1.4 FASGW反艦導彈

FASGW-ANL反艦導彈是歐洲導彈公司（MBDA）研制。此項目在英國被稱為“未來重型反艦制導武器”（FASGW）項目。FASGW反艦導彈將裝備法國海軍的NH90和“黑豹”直升機，英國海軍的“野貓”直升機。導彈采用非制冷紅外成像導引頭，該導引技術也用于FELIN步兵現代化和MMP反坦克導彈計劃；圖11為歐洲FASGW-ANL反艦導彈樣品及海上直升機攻擊效果模擬圖[13]。

2 應用于紅外成像制導系統的非制冷焦平面探測器

SCD公司的BIRD 640-VE非制冷焦平面組件[14]，如圖12和表2所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（25mm）非制冷焦平面組件[15-16]，如圖13和表3所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（17mm）非制冷焦平面組件[15-16]，如圖14所示。

BAE系統公司的MICROIR ?非制冷焦平面組件[17-18]，如圖15和表4所示。

北方廣微公司可用于制導的非制冷焦平面組件[19]，如圖16和表5所示。

圖10 洛×馬公司的MASTER/LCMCM導彈

圖11 FASGW-ANL反艦導彈及攻擊效果模擬圖

圖12 BIRD 640-VE

表2 BIRD 640-VE非制冷焦平面組件典型參數 (@ 25℃, TEC stabilized)

圖13 導引頭探測器及機芯

表3 非制冷焦平面組件典型參數

圖14 雷神非制冷機芯組件及其在PM-FLIR中的結構

圖15 MICROIR? SCC500非制冷標準組件及紅外成像導引頭[17-18]

表4 SCC500成像機芯典型參數

圖16 北方廣微可用于制導的非制冷焦平面組件

Fig.16 UFPA used for guidance in North GuangWei

表5 北方廣微的非制冷焦平面組件典型參數

3 制導用非制冷焦平面探測器特點

1）高可靠性

導彈在存儲、運輸、發射、飛行全過程中，特別是在發射和動力加速、變角時刻，更易受到振動、沖擊等動態力學以及溫度循環沖擊的影響，溫度、力學能量傳遞到紅外成像導引頭上，進一步傳遞給非制冷焦平面探測器，直接影響探測器的性能及可靠性。非制冷焦平面探測器的環境適應性的性能直接影響整個導彈的存儲、工作適應環境[20]。

2）高幀頻

圖像幀頻反映了圖像及運動目標的實時性。達到對一般運動目標跟蹤能力，紅外成像導引頭一般要求幀頻達到50～100Hz，而導彈預警系統紅外圖像則要求100～400Hz。紅外圖像幀頻高，導引頭指向及跟蹤角速度率便可以相對提高，能使系統具有較寬的帶寬。

3）大規格

通常情況，非制冷紅外成像導引頭用的焦平面規格都在320×240及以上，在相同焦距的情況下，探測器陣列規格越大，導引頭的空間分辨率就越高。較高的紅外圖像分辨率高，可更好地對目標進行識別、定位、跟蹤，從而對目標實現精確打擊。因此，在系統功耗、速度、成本允許情況下，非制冷焦平面規格會盡量選用大規格[21]。

4）抗過載

導彈在發射及做大機動飛行時，一般都會產生較大的加速度，即我們通常所稱的常值過載。一般的反坦克導彈，過載能達10（為重力加速度）以上；防空導彈及空空導彈，過載超20，如R-73K紅外導彈的最大過載達50；AIM-9L/M的最大過載26～35。因此，彈用非制冷焦平面需要較大的抗過載能力。

4 發展趨勢

隨著非制冷紅外成像導引頭在反坦克導彈、精確制導導彈、制導炸彈等方面的廣泛應用，非制冷紅外成像導引頭也將向著高分辨率、雙色、智能化、小型化、通用化等方面發展。同時，彈用非制冷紅外焦平面探測器不僅向著大規模、小像素、高靈敏度、高幀頻、大動態范圍等傳統高性能方向發展，同時也出現雙色、數字化、智能化等趨勢，以提高目標辨識、抗干擾以及戰場環境適應能力[22]。

4.1 中/長波雙色非制冷探測器

以色列推出的BIRD 640WB是一款在中波紅外（3～5mm）和長波紅外（8～14mm）同時具有較高響應的640×480非制冷探測器，這種雙色非制冷探測器若用于紅外雙色成像制導，將大大提高辨識、抗干擾等能力[14]，其器件光譜響應如圖17所示。

4.2 全數字非制冷探測器

隨著CMOS工藝及設計技術的飛躍發展，不僅使非制冷焦平面讀出電路片上ADC、DAC成為可能，形成輸入無模擬偏置、輸出全數字的數字化焦平面探測器組件，為小型化、智能化焦平面探測器打下基礎。FLIR、BAE、ULIS等部分產品都實現偏置電壓、視頻信號的數字輸入、輸出。

圖17 器件光譜響應

4.3 智能化非制冷探測器

紅外焦平面陣列、讀出電路和圖像處理相結合的智能化陣列，即靈巧紅外焦平面。焦平面讀出電路上集成了片上非均勻預校正、非均勻空間采樣、智能動態范圍控制等功能。其中以色列SCD的BIRD 640產品，就具有片上非均勻校正、殘留非均勻性預測等功能。

4.3.1 片上非均勻校正

非制冷焦平面讀出電路設計采用非線性輻射補償、襯底溫度補償，以及像素級、列級、行級的非均勻性補償，以實現片上非均勻預校正。提高圖像質量，降低圖像空間噪聲，又不減小動態范圍。

4.3.2 非均勻空間采樣

紅外成像制導的圖像只有在搜索階段，需要整個大的視場內都具備高的空間分辨率。而在識別、跟蹤階段，則需要圖像在目標及相近區域，有更高分辨率、更高幀頻?；诖藨?，焦平面設計者提出一個中間區域像元密、響應快，四周像元疏、響應慢、靈敏度高的漸變陣列布局。這種非均勻空間采樣方式，同時實現大視場、高分辨率和高幀頻設想。MBDA公司的概念武器：CVS-101-137狙擊手（Sniper）導彈，該導引頭是一種類似人眼的系統，視場中心分辨率高，周邊分辨率較低[23]。

4.3.3 智能動態范圍控制

為了提高紅外成像導引頭的探測靈敏度，同時又不損失探測的動態范圍。制冷、非制冷探測器都在尋求智能化動態范圍控制方法，以獲得紅外圖像的高的探測靈敏度和大的動態范圍。非制冷探測器方面，通過高低增益雙幀圖像融合、自適應地調整探測器像元偏置和系統增益，以實現探測靈敏度和動態范圍獲得最佳的折衷[24-25]。

5 結論

隨著紅外成像制導、紅外雙色制導、多模復合制導技術的不斷應用，以及高性能非制冷焦平面的迅猛發展，非制冷紅外成像制導將在末端制導、復合制導、精確制導等領域一展風采；同時，非制冷紅外成像導引頭用的焦平面組件應按系列化、模塊化、通用化進行研制，有利于進一步降低非制冷紅外成像導引頭的成本，擴大應用領域，與制冷型紅外成像導引頭形成優勢互補的發展態勢[26]。

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Uncooled Focal Plane Arrays Detector Applied for Infrared Imaging Seeker

LI Yu1，BAI Piji2，TAO Yu3，YUAN MingSong2

(1.,100089,; 2.,650223,;3. 63961,100012,)

With great progress in fabrication technology, medium（large）scale, high temperature response and small pixel pitch UFPAs（Uncooled Focal Plane Arrays）detectors are produced. For its high cost-effectiveness, compactness and easy maintenance etc, seeker using UFPAs detector has become an important member in the infrared imaging seeker family. Some kinds of domestic and foreign representative weapons such as anti-tank missile, precision attack missile, precision guided bomb, anti-ship missile etc. and specifications of UFPAs used in infrared imaging guidance systems are introduced in detail. Finally, the characteristics and development trend of UFPAs for uncooled infrared imaging guidance systems are summarized.

uncooled focal plane arrays detector，missile，infrared imaging guidance

TN215

A

1001-8891(2016)04-0280-10

2015-09-09；

2016-04-13.

李煜（1975-），男，四川武勝人，研究員級高工，主要從事紅外焦平面探測器及系統信號處理技術研究。E-mail：yu.li@gwic.com.cn。

國防研究專項。