歐美軍用紅外通用組件技術的發展現狀及趨勢

張坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

紅外技術是典型的軍民兩用技術。二戰后，軍用紅外技術在以美國為代表的西方發達國家得到快速發展。以美國為例，先后投入巨資實施了70 多項軍用紅外項目，裝備范圍包括坦克、車輛、飛機、艦船、輕武器瞄準鏡、戰術導彈、戰略導彈、反導系統、火控系統、戰場監視和觀察設備，以及單兵偵察設備等。在軍用紅外技術發展的早期階段，因為軍方對每一種熱成像系統的采購都是獨立進行的，各系統的主要部分都存在著重復設計、性能大同小異等情況，導致采購數量停留在較低水平，成本和可靠性方面都無法得到批量生產的優勢，為了解決這一問題，產生了通用組件概念。經過幾十年的發展，歐美國家已經形成了高水平的通用組件技術（群）。本文介紹了歐美通用組件技術的發展及趨勢。

1 一代通用組件的產生

1972年，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的研發人員發現，在熱成像系統的大量應用中，前端光學系統和末端顯示器是需要定制的必要部件，約占系統成本的35%，所有熱成像系統都需要使用的探測器、掃描器和信號處理電路等關鍵部件不需要定制，成本約占45%～70%，將關鍵部件標準化，在不同的裝備平臺之間形成通用組件，可降低制造成本。通用組件（Common Module）是標準化的光學和電子學套件，將其作為每一特殊熱成像系統的核心部件，再根據裝備平臺的指定要求，配備所需的前端光學系統和顯示器，組成構形、視場、顯示與性能各不相同的完整熱像儀，其核心思想就是“關鍵部件通用化”[1]。由于組件標準化，可以減少維護、補給、訓練等其它費用支出，滿足系統性能、封裝限制和維護要求，具有較高的有效性、可靠性和可維護性[2]。

根據美國軍方需求，美國第一代通用組件誕生于1976年，共分為探測器/杜瓦瓶、制冷機、掃描器、熱成像儀、發光二級管陣列、可見光準直器、前置放大器、偏置調節器、主放大器/驅動器、掃描/隔行電子學和輔助控制電子學11 個部分[1]。采用并掃模式，低、中、高三級性能，分別使用60 元、120 元和180元碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）探測器。60 元探測器一般用于反坦克導彈火控瞄準鏡，120元探測器一般用于坦克瞄準鏡系統，180 元探測器一般用于機載熱成像系統。

與此同時，英國于1976年批準了通用組件方案，1982年投產。英國熱成像通用組件最初分為3 類，I類用于便攜式熱成像系統，采用雙排23 元MCT 探測器；II 類用于與電視兼容的監視系統；III 類用于較敏感的飛行員輔助觀察系統。20 世紀80年代，英國研究人員研發出基于 8 ～13 μm SPRITE（Signal Processing In The Element）探測器的非直視型熱像儀，可在探測器內完成信號處理，不需要時間延遲積分電路。I 類便攜式直視型熱成像通用組件不能利用SPRITE 探測器的成像優勢。帶有大口徑光學系統的SPRITE 熱像儀具有較好靈敏度，所以更高靈敏度的III類掃描器組件只做了樣機，沒有投入生產。因此，II類通用組件成為基于SPRITE 探測器的非直視型熱成像通用組件（Thermal Imaging Common Modules，TICM II），由遠焦系統、寬角度、雙掃描機構模塊、1 個探測器鏡頭和8 條MCT SPRITE 探測器組成，8 條SPRITE 的性能相當于100 元以上的多元探測器[3-4]。

法國于1975年開始對通用組件進行預研，1980～1981年完成樣機研制和通用組件系統評價，1985年中期投產，國家批準建立生產線，批量生產通用組件、組裝應用系統，其應用平臺和領域則根據法國三軍的各種合同和要求進行。1987年交付第一批通用組件產品。采用串并掃模式，使用5×11 元MCT 光伏型探測器，包括探測器、制冷機、掃描器、LED 顯示器、LED 電子單元、小型CRT 監視器、線性電子單元、信號處理、傳感頭自動測試和電子學自動測試10 個組件[1]。在此基礎之上，著手研發第二代通用組件的同時改進第一代。

2 SADA 組件的應用

20 世紀90年代，美國國防部為了標準化美軍使用的二代前視紅外（Forward Looking Infrared，FLIR）系統，在一代通用組件的基礎上制定了標準的先進杜瓦組件（Standard Advanced Dewar Assembly，SADA）系列，由紅外焦平面陣列、杜瓦、指令/控制電子單元和低溫制冷機組成，分為SADA I、SADA II 和SADA III 三類[5]。SADA I 用于美國Apache 直升機光電火控系統等高性能熱成像系統，SADA II 用于M2A3 Bradley 步兵戰車、M1A2 Abrams 主戰坦克、美國陸軍遠距離目標獲取偵察監視系統（Long Range Advanced Scout Surveillance System, LRAS3）等中性能熱成像系統，SADA III 用于標槍指揮發射裝置、單兵肩扛式標槍導彈等緊湊型或低性能熱成像系統。

2005年12月，Raytheon 公司與DRS 公司簽訂了價值180 萬美元的合同，用于生產安裝在M2A3 Bradley 步兵戰車和M1A2 Abrams 主戰坦克上的SADA II 組件。2008年2月，Raytheon 和DRS 公司又簽訂了另外兩份合同，總價值4880 萬美元，用于生產安裝在M1A2 主戰坦克、M2A3 步兵戰車和LRAS3 系統中的SADA II 組件[6]。

SADA II 使用了480×4 MCT 長波紅外探測器。用于Javelin指揮發射裝置平臺的SADA IIIA和SADA IIIB 分別使用了240×2 MCT 和288×1/240×4 MCT焦平面，SADA IIIB 的探測器張角為44°×51°（水平角×俯仰角）。為了增加靈敏度和作用距離，SADA II在時間延遲積分內用了6 個光伏探測器。SADA IIIB在時間延遲積分內用了4 個光伏探測器。

SADA IIIA 和SADA IIIB 分別被封裝在一個帶有線性驅動斯特林循環制冷機和指令/控制電子元件的集成式杜瓦組件中。單片長波紅外器件由探測器芯片和硅讀出電路芯片集成在一起，包含盲元剔除和自動增益補償功能。表1 為SADA II 和SADA III 系列通用組件的技術參數[6]。

目前，Apache 直升機“箭頭”光電火控系統集成了基于 SADA I 的 M-TADS（Modernized Target Acquisition Designation Sight）/M-PNVS（Modernized Pilot Night Vision Sensor）熱成像接收器。Bradley 步兵戰車安裝了基于SADA II 的增強型Bradley 目標獲取子系統（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2 子系統，IBAS BLOCK2 基于IBAS 產生，主要改進在于能夠高清、高分辨率彩色成像，優于過去的黑白成像。安裝在美軍密集陣火炮系統上的艦載熱像儀（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2 是DRS 公司推出的基于SADA 系列通用組件的TADS/PNVS 接收器、IBAS子系統、IBAS BLOCK2 子系統和PTI 熱像儀的技術參數[7-10]。

表1 SADA II 和SADA III 系列通用組件的技術參數Table 1 Specifications of SADA II and SADA III-series

表2 DRS 公司推出的基于SADA 系列組件的TADS/PNVS 接收器、IBAS 子系統、IBAS BLOCK2 子系統和PTI 熱像儀的技術參數Table 2 Specifications of SADA-series based TADS/PNVS receiver, IBAS, IBAS BLOCK2 and PTI developed by the DRS company

3 二代前視紅外水平技術集成

1993年2月，為滿足將熱像儀批量集成到現有和未來作戰/非作戰車輛的光電瞄準鏡上的需求，美國陸軍提出二代FLIR 的水平技術集成計劃，即二代FLIR通用組件計劃，專用于研發和集成二代FLIR 通用組件，探測器元件為SADA II[6]。通過對比提供相似性能的多種專用系統和應用于多種平臺的單一系統的制造成本，HTI FLIR 實現了制造研發階段的成本節約[11]。為了與坦克炮或導彈系統的有效作用距離兼容，HTI在一代通用組件的基礎上增加了1.5 倍以上的探測距離和2 倍的識別距離。該項目的目標是開發一款名為HTI NV-80 套件B（HTI NV-80 B-Kit，以下簡稱為套件B）的標準熱像儀，通過利用名為套件A（A-Kits）的車輛專用集成部件來實現在M1A2 Abrams 主戰坦克、M2A3 Bradley 步兵戰車和LRAS3 系統中的安裝。安裝在M1A2 Abrams 主戰坦克和XM8 輕型坦克上的套件B 需要對現有車型進行改造。安裝在M2A3 Bradley 步兵戰車和LRAS3 系統中的套件B 是全新開發的二代HTI FLIR 系統。

套件B 可在30 Hz 非隔行掃描和60 Hz 電子交錯掃描兩種模式下工作。縱橫比為16:9，寬視場為7.5°×13.3°，窄視場為2.0°×3.56°，具有2 倍和4 倍的電子變焦能力，提供兩種數字輸出和兩種模擬輸出。與一代通用組件相比，系統性能可將識別距離增加2 倍、確認距離增加約50%。

套件B 分為兩個外場可更換單元：傳感器組件和通用電子單元。傳感器組件由遠焦系統組件、熱像儀組件和探測器/制冷機組件構成。光機組件的第一部分是遠焦系統組件，第二部分是熱像儀組件，其中探測器/制冷機組件使用了SADA II 探測器和線性驅動制冷機。通用電子單元包含視頻處理器電路板、視頻轉換器電路板、接口控制電路板、電源、備用電源、幀積分/對比度增強電路板和未來應用的擴展插槽。

美軍項目管理對低速初期生產（Low Rate Initial Production，LRIP）的定義是指系統（不包括艦船和衛星）以有限數量進行的生產，其目的是為使用試驗和評價提供代表批生產的試件，建立初步生產基地，使生產率有序增長、以便使用試驗成功完成后進入大批量生產。文獻[11]介紹的HTI 項目包括兩個LRIP合同，一個是套件B 的LRIP 合同，另一個是M1A2主戰坦克瞄準鏡的LRIP 合同。具體數量為：9 套用于M1A2 主戰坦克的車長獨立熱像儀；11 套用于M1A2 主戰坦克的炮長主瞄準鏡的熱成像系統；12 套用于M2A3 車長獨立觀察裝置的套件B；6 套用于M2A3 增強型Bradley 目標獲取系統的套件B；9 套用于M8 裝甲火炮系統的炮長主瞄準子系統的熱成像系統；4 套用于LRAS3 的帶有遠距離光學系統的套件B；2 套用于合格性測試的套件B。

1994年7月，HTI 項目獲得“里程碑I/II（Milestone I/II）”許可。第一批套件B 從1994年11月開始交付美國軍方，1997年3月底，共生產完成61 套套件B/瞄準鏡。經過20 多年的發展，HTI 技術已十分成熟，覆蓋范圍包括制冷型和非制冷型探測器，車輛平臺包括作戰和非作戰車輛。例如，DRS 公司基于HTI 技術開發的駕駛員視覺增強器（DVE）的月產能達到2500套，可在30 天內裝備美軍的一個旅級單位[12]。

據公開資料報道，美國陸軍與DRS 公司簽訂了一項總額為6700 萬美元的合同，指定后者為美軍M1A1 Abrams 主戰坦克、Bradley 步兵戰車、Stryker輪式裝甲車提供基于HTI 二代FLIR 技術的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。該合同將于2026年完成[13]。

4 通用組件技術中的制冷機

為滿足二代FLIR 系統不同的制冷需求，美國夜視和電子傳感器部門（NVESD）研發了一系列線性驅動制冷機。與具有相似性能的制冷機相比，成本較低（10000 美元以下）、壽命較短（平均故障時間為4000～8000 h）、冷卻時間較快（在不到15 min 的時間內溫度達到80 K），會受到溫度過高或過低、較大程度的機械沖擊和工作環境中常見的振動等影響[5,14-15]。為了改進旋轉式制冷機可靠性低、多軸振動、噪聲過大、缺少溫度穩定性等缺點，線性驅動制冷機提高了可靠性、降低了成本、改善了平均故障間隔時間。

美國國防部定義的線性驅動制冷機系列的功率有0.15 W、1.0 W、1.5 W 和1.75 W，是斯特林循環、雙對置活塞、線性驅動單元，與SADA 系列的集成通過用于驅動線性電機和冷端溫度控制的外部或者內部控制電子單元來實現。

0.15 W 線性驅動制冷機用于便攜式反坦克導彈系統的Javelin 指揮發射單元。因為便攜式系統由電池供電，制冷機效率較為重要，所以0.15 W 制冷機的設計使膨脹器靠近壓縮機，可通過非常短的傳輸線實現。1.0 W 線性驅動制冷機應用于美國陸軍二代FLIR水平技術集成項目。因為應用范圍較廣，所以1.0 W制冷機主要專注于限定制造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W 制冷機最初用于高性能FLIR 系統，例如，Apache 直升機、現已取消的Comanche 直升機和量子阱熱成像系統。由于重量原因，已被重量更輕的1.5 W制冷機所替代。1.5 W 制冷機用于高性能FLIR 系統，在1.0 W 制冷機的基礎上改進而來，其冷卻或者制冷量的需求都超過了1.0 W 制冷機。重量較輕，是Apache直升機使用的1.75 W 制冷機的替代件。

5 結束語

在軍用紅外技術應用的早期階段，由于需要裝備熱成像系統的武器平臺種類繁多，各有差異，如果每個武器平臺研發一套熱成像系統，將形成數量眾多、功能大同小異的系統組件，導致研發成本上升，產品缺乏通用性和互換性。通用組件符合標準化、規范化和通用化趨勢，預留進一步發展的空間。美軍紅外項目一般以成熟的通用組件技術為基礎實現工程化。通用組件雖然減少了工程上選擇不同方案的余地，但提高了可生產性，降低了工程制造開發的成本。

通用組件的初衷是為了控制成本，它是以犧牲組件的靈活性、先進性、獨特性為代價的。通用組件技術實施以后，紅外技術發展迅速，一方面探測器的規格從通用組件時的幾個線列（例如，288×4、480×4等）逐步發展到半幀、全幀，甚至百萬像元的高清格式焦平面陣列。另一方面，隨著微電子技術的發展，實現同樣功能所需的硬件體積變小、重量變輕，使得原來需要用幾塊電路板實現的功能可在一塊電路板上實現，在控制成本的同時可以實現組件的靈活定制，這種趨勢導致對通用性的需求逐漸弱化，反映在英文文獻中就是 Common Module 的提法逐漸被Module 取代，但是這并不意味著通用化的思想被揚棄，Common 依然深刻地滲透在Module 的設計研發過程中，只是從大Common 變為小Common。