國外凝視型艦載紅外搜索與跟蹤系統綜述*

朱 耘

（華中光電技術研究所-武漢光電國家實驗室 武漢 430223）

1 引言

艦載紅外搜索跟蹤系統（IRST）的主要作戰使命是探測和跟蹤低空和海面威脅，能夠提供全景監視能力，憑借被動工作的特點不會受到射頻雜波和電磁對抗措施的干擾，還能夠與雷達和電子戰傳感器等其他艦載傳感器互為補充，因為IRST 角分辨率高，而雷達的距離分辨率高，對這些傳感器的輸出進行融合能夠對提高目標跟蹤精度，縮短目標建航時間［1］。

20世紀70年代紅外搜索與跟蹤系統開始裝備艦船平臺，第一代系統是基于掃描紅外探測器，其傳感器頭部旋轉，更新率為1Hz～2Hz，尺寸大，虛警率高，穩定性不夠，作用距離有限。第二代艦載IRST 系統仍然采用掃描體制，但采用長線列的紅外焦平面陣列，利用時間延遲積分處理技術對單獨的探測器單元的多個串行輸出進行延遲和積分，提高了信噪比。

但這種基于掃描體制的系統仍存在一些無法克服的局限性，首先是每個像素上駐留的時間僅為幾十微秒，故信噪比低，造成探測與航跡判決間存在顯著的延遲。另外是更新率低，無法發揮高分辨率成像的優點。再者，單一的桅桿上安裝掃描傳感器頭部的視場會受到安裝位置和甲板上其它附屬物的限制，存在盲弧區。另外，使用單一傳感器時，如果出現關鍵的系統故障就喪失冗余性［2］。

到了21 世紀，海軍艦船執行沿海任務的需求增多，遭遇非對稱恐怖威脅的風險日益加劇，快速逼近的攻擊飛機、無人機以及一些非常規的目標對戰艦構成的威脅增大，尤其是小型船只或摩托艇等恐怖威脅，因此，新一代的艦載IRST 系統需要具有更大的俯仰角（通常需要達到10°左右）和作用距離（通常在18km 左右），解決的方案就是采用基于分布式凝視紅外傳感器的新型搜索與跟蹤系統，即采用多個傳感器頭實現更靈活的艦上安裝，并以高速率提供連續的全景警戒，增大俯仰角覆蓋范圍，提高數據刷新率，能夠更迅速地建立目標航跡。

2 國外典型凝視IRST系統及技術特點

目前典型的凝視型IRST 系統主要有英國的凝視IRST 演示器、德國的SIMONE 系統、荷蘭的Artemist Gatekeeper 系統以及以色列的Sea Spotter 系統等。

2.1 英國的凝視IRST演示器系統［3］

2.1.1 系統概述

這種凝視型IRST 演示器系統是由QinetiQ 和Thales UK 公司為英國國防部研制的一種演示器，其組成包括切分視場光學系統、傳感器頭部、傳感器頭部與遙控臺之間的接口、探測與跟蹤處理系統、數據記錄系統等。

傳感器頭部具有兩臺中波紅外MWIR 攝像機，均采用640×512 的焦平面陣列（FPA），水平視場40°，垂直視場4°，采用切分視場光學系統，輸出數據通過光纖接口傳輸到信號處理器，據報道也有可能采用BAE Systems 公司開發的第三代ALBIO 3μm～5μm 1024×786 探測器。采用四個這樣的穩定傳感器頭部安裝在桅桿上或上層建筑的頂部以提供連續360°的覆蓋范圍。產品型系統計劃用于Type 23 艦船性能升級、Type 45 艦船目標捕獲性能增強計劃以及成為未來航母的候選設備。

艦載IRST 傳感器頭部模塊由焦平面陣列（FPA）探測器、探測器電子組件、致冷器、熱管、光學系統、光纖通道電路板、FPGA 電路板、光束轉向機構掃描器、BSM 的伺服電子、慣性測量裝置、前窗、能量調節器以及結構外殼等組成。探測器電子組件包括讀出電子線路、模數轉換、非均勻性校正（NUC）、壞像素替代、模擬視頻以及相關的電源模塊等，都裝在攝像機模塊內，如圖1所示。

圖1 英國艦載凝視IRST傳感器頭部模塊

多臺攝像機安裝在一個框體結構內，攝像機瞄準線間的夾角為17°。如果使用1024×768 探測器的話需要更換該框架才能適用于更大的視場。靠近探測器輸入窗口處的濾光機構能實現濾光器的三選一。

光束轉向是通過傾斜光學鏡片來實現的，光學鏡片裝在與中間圖像接近的轉像光學系統內。每個方位一個光學鏡片。完成基于場景的非均勻性校正（NUC）時，需要進行光束轉向使圖像從一個位置移至下一個位置讀出。光束轉向步長為10 像素，相當于在不到16ms 的時間內掃描板傾斜6.7°。在探測器積分時間期間，該機構還提供鋸齒或斜坡波形用于艏搖穩定。

光學系統由一個外部窗口進行保護。每個物鏡組有兩個鍺窗口，鍍有適當的耐磨膜層。選擇鍺的主要原因是其良好的抗電磁干擾性能。

2.1.2 結構及光學系統技術特點

由于選用商用（COTS）攝像機實現全景覆蓋范圍，使用了切分視場光學系統，這樣就將一個640×512像素探測器的視場轉換為5∶1的縱橫比。這種技術可有效地將覆蓋艦船周圍整個水天線所需的焦平面陣列探測器數量減半。

傳感器頭部包括一個光束轉向機構，實現基于場景的非均勻性校正和后掃描能力，以便對長積分時間內艦船的運動進行補償。光束轉向機構還能實現微掃描以提高圖像的銳度。

焦平面陣列探測器通過光學系統接收來自場景的輻射，光學系統由物鏡組和轉像組組成，如圖2 所示。光學系統還能改變目標空間探測器的上下方向，使得水平視場有效地增加一倍而垂直視場減半。采用一對菱形反射鏡的這種技術也被稱為“切斷折疊”（cut and stack）方法。第一個45°的反射鏡在中間像位置將垂直視場切開，第二個反射鏡使俯仰視線偏離并通過單個物鏡組將單獨的視場折疊起來。然后這些單獨的視場在水平方向上偏離，通過棱鏡使它們在方位方向上毗連。每個物鏡組是一對消色差的光學熱不敏硅或鍺棱鏡。盡管在直線方向上，轉像和物鏡都有一個共用的光軸，但這并不能確定探測器上或目標空間里的零俯仰，因此使用的視場是非對稱的。探測器上的真零值是在探測器一半高度的中點上。這就意味著第二個切斷和折疊反射鏡不是呈45°，使該點在目標空間是水平的。整個系統的方位視場為36°，俯仰視場為3.8°。

圖2 切分視場光學系統

圖3 SIMONE系統在F125艦上的配置方案

圖4 SIMONE多傳感器模塊的模型圖

圖5 Gatekeeper的傳感器監視警戒范圍示例，艦上基本配置包括3個-4個傳感器組件

圖6 產品型Gatekeeper傳感頭部組件

圖7 圍繞艦船頂部桅桿安裝的三個Artemis IRST傳感器組件

該IRST 演示器設計為使用640×512 像素探測器，但不需要做大的改裝也能夠使用面陣1024×768 像素探測器，需要改變探測器格式和光機接口。由于探測器格式會影響視場以及瞄準方向，故反射鏡和方位棱鏡也需要改變。

2.2 德國的SIMONE系統［4］

2.2.1 系統概述

SIMONE 是由Diehl BGT 防御公司研制的紅外監視、觀察和導航系統，具有360°搜索能力，用于對潛在的非對稱威脅目標提供自動早期探測，包括特種部隊、恐怖襲擊以及海盜等來自海面、海岸和空中的威脅目標。系統只采用被動凝視紅外傳感器，是一個“安靜型”系統，不發射任何聲信號或電磁信號，而且沒有移動部件。

2017 年首套SIMONE 系統就服役到德國海軍新型的F125 護衛艦上。在F125 艦載配置中，SIMONE包括兩個多傳感器模塊（每個模塊中有五個傳感器），分別安裝在直升機庫的左舷和右舷；四個單傳感器模塊（兩個位于艦橋頂上，前向觀察，另外兩個位于舷側突出處的艦尾桅桿上，向艦尾方向觀察）；信號處理裝置；視頻服務器以及與作戰管理系統的接口等。將所有傳感器的輸出圖像進行拼接后生成360°全景圖像。具有SIMONE 人機接口的操作員終端可以布置到艦船不同的位置，如艦橋上、作戰信息中心、與艦船作戰系統數據總線聯接的個人筆記本電腦等。人機接口軟件上可顯示出SIMONE 全景觀察圖像，還可實現很多其它功能，如數據錄取等。SIMONE 的還可引導其它光電傳感器對目標進行觀察。

2.2.2 技術特點

每個傳感器都采用640×512 非致冷測微熱輻射計探測器，工作于8μm～12μm。單傳感器模塊的方位覆蓋范圍為40°，俯仰范圍為50°，五傳感器模塊的方位覆蓋范圍為196°，俯仰范圍為50°。傳感器鏡頭鍍有高性能的紅外光學膜層。該系統能夠提供艦船周圍360°方位50°俯仰范圍的紅外監視能力，目標探測能力為數公里，系統軟件能夠對1000多個目標實現實時全自動非對稱威脅優先排序、跟蹤啟動和告警。

SIMONE 傳感器的熱分辨率為30mK，空間分辨率高，能夠探測到低對比度的小目標，空間分辨率1mrad。系統還具有高更新率，能即時探測到快速、靈活的目標。對泳者的探測距離為300m～400m，對橡皮艇的探測距離為1000m～2000m，對小型飛機的探測距離為2000m～3000m。

2.3 荷蘭Gatekeeper光電傳感器系統［5～6］

2.3.1 系統概述

Thales Nederland 公司的Gatekeeper 是一種360°警戒與告警系統，目前系統裝備到荷蘭海軍的“荷蘭”級巡邏艦和比利時海軍的M-級巡邏艦，成為安裝在新型封閉式整合傳感器桅桿的I-Mast 的傳感器系統之一。Gatekeeper 傳感器頭部安裝在I-Mast桅桿塔四個邊緣的斜切面上，每個斜切面上傳感器頭部內裝有三臺高分辨率性能的320×240像素或640×480 像素的非致冷紅外攝像機和三臺高分辨率的彩色電視攝像機（1600×1200 像素或4000×2600像素），可360°監視艦體四周態勢并跟蹤特定的目標，在夜間或不良氣候條件下可有效對海面或沿岸探測。系統依靠定期向窗口表面噴射清洗液然后用壓縮空氣吹干窗口表面的方法來保持攝像機窗口的清潔。

采用640×480 像素的熱像儀，系統對水面上泳者的探測距離為500m 遠，對水面小船的探測距離為4000m～5000m遠。

2.3.2 技術特點

作為一種凝視非轉動式傳感器系統，Gatekeeper 能為港口內、陸上、錨停在海面或沿海航行的船只提供360°×36°的全景晝夜紅外與彩色電視監視能力，自動探測與跟蹤目標，輔助目標分類，并提供事件記錄視頻圖像。其處理機柜重300kg，尺寸約606 mm×811mm×1820mm。其典型的艦載配置由三或四個傳感器模塊組成，每個模塊重30kg 左右，尺寸約600mm×500mm×400mm，非致冷8μm～12μm紅外攝像機視場為48°×36°，且共軸安裝了彩色電視攝像機，視場為48°×36°。每個傳感器模塊在電子機柜內有一個單獨的基于PC的處理器以及一個用于跟蹤的PC 裝置。Gatekeeper 的人機接口可與作戰管理系統和/或艦橋系統組合在一起。另外，Gatekeeper 圖像可顯示在綜合情報顯示屏上或顯示在遍布艦上任何位置的個人手持式計算機。周視觀察的視頻更新率為5Hz，可同時觀察四個5°×5°的扇區。采用了最新的Gigabit Ethernet（GigE）攝像機接口。其圖形處理功能強大，Gatekeeper 系統采用與Sirius紅外搜索與跟蹤系統中相同的成熟算法對水面目標進行探測。

據文獻報首道，試驗用樣機采用的是FLIR Systems 公司的8μm～12μm 紅外攝像機以及Imperx Incorporated公司的Lynx系列彩色電視攝像機。

2.4 法國Artemis 系統

2.4.1 系統概述

Artemis 系統由法國的Thales Land& Joint Systems公司研制，被設計為全凝視非旋轉式電氣穩定傳感器組件，其典型組成包括三個傳感器頭，每個傳感器頭具有三個焦平面陣列（FPA），水平覆蓋360°，俯仰范圍25°（水天線以上15°，水天線以下10°），刷新率為10Hz。紅外凝視攝像機采用極高分辨率的FPA，具有大范圍的空間覆蓋、遠距離探測、反應時間短、虛警率低、數據和圖像質量高等特點。

Artemis 既能夠作為一個單獨的裝置使用也可組合到艦上作戰管理系統，能夠通過實時全景視頻圖像和超高分辨率變焦來進行目標跟蹤、分類和認清。已有17 套艦載型產品裝備到法國海軍的新型Aquitaine級FREMM護衛艦上，已提議將Artemis以及Gatekeeper 系統裝備到了法國海軍的第二艘航母上［7］。

2.4.2 光學空間多路處理技術［8］

Artemis 紅外搜索與跟蹤系統采用了一種新穎的光學設計方法，即光學空間多路技術（如圖8）。多路空間分割是由一個連續繞成像器瞄準線（LOS）轉動的斜方鏡（潛望鏡）實現的。在潛望鏡的輸出處，由于潛望鏡是光學固定式的，成像器的瞄準線和出瞳在一個圓上連續變換，對于無窮遠處的物體沒有像移。基于這個原理，成像器的瞄準線移至六個轉向鏡的前面，這些轉向鏡的作用是將成像器的視場確定到一個傳感器視場的特定的扇區，位于中央位置的第七個扇區不必使用轉向鏡就能獲取。在轉向前瞄準線掃描過程中，當成像器的輸出光瞳無遮蔽時進行每個作用扇區的圖像采集。

圖8 光學多路分割原理圖

位于光學多路器前面的單個成像儀完成光學圖像的生成，成像器將場景發出的紅外輻射聚焦到像面上，并保證在一定的環境距離具有適當的圖像清晰度。

2.5 以色列的Sea Spotter艦載凝視紅外搜索與跟蹤系統［9］

Sea Spotter 是以色列的拉斐爾（Rafael）裝備開發局研制的一種的艦用凝視紅外搜索與跟蹤（IRST）系統，能夠對已艦上方或者周圍區域從水天線到天頂的水面和空中目標、超音速和慢速小目標進行探測，采用兩個3μm～5μm InSb 紅外凝視陣列傳感器，利用圖像處理算法分析目標運動并對探測的目標進行敵我判斷，虛警率僅為每24h 內一次虛警。系統由兩套傳感器組件組成，每套傳感器組件的重量為100kg，凝視覆蓋范圍為180°×20°，系統360°方位探測，俯仰范圍為100°。該系統能夠定位的目標包括地對地導彈、超音速和亞音速掠海導彈、戰機、滑翔炸彈、反雷達導彈、直升機、艦船、小型目標如潛艇潛望鏡或者噴氣式滑行器等恐怖威脅。

Sea Spotter 的組成結構如圖9 所示。系統由兩套穩定凝視裝置（SSU）組成。每套裝置采用高分辨率中波紅外（MWIR）傳感器，覆蓋180°的觀察范圍。由于主要的威脅是剛出現在水天線的低對比度點目標，亞像素級的穩定精度是一個重要的性能指標，SSU達到了優于瞬時視場（IFOV）亞像素級的穩定精度，可消除由艦船運動造成的目標拖尾，保持系統高分辨率的優勢。雙SSU 在艦上的安裝靈活，只需要考慮瞄準線限制，騰出了艦船桅桿頂部寶貴的空間。

圖9 “Sea Spotter”組成結構圖（上）

兩套SSU 提供的紅外數字視頻傳送到任務中心處理裝置（MCP）進行目標探測和跟蹤，并將目標信息分配給艦載作戰管理系統，同時也將全景視頻輸出和目標數據傳送到操作控制臺。Sea Spotter的操作員能夠獲取疊加了被跟蹤目標信息的艦船環境360°全景顯示。艦載慣性導航系統輸出的數據用于將目標方向坐標相對于所有艦載系統通用的慣性參考系統坐標進行校準。

3 重點技術分析

以往的艦載IRST 都是主要用于對付掠海導彈威脅，隨著艦載IRST 系統面臨新的使命任務需求，盡管凝視技術具有更長的積分時間（達到毫秒級，而以往為微秒級），IRST 系統仍然要在探測距離和視場大小間進行權衡和折衷。新一代系統必須解決提高對弱小目標的探測距離、增大水天線附近的俯仰覆蓋范圍，同時還要兼顧紅外探測器陣列數量帶來的采購成本和全壽命周期費用方面的考慮，解決這些問題的主要途徑是采用全凝視和步進凝視技術。

3.1 全凝視方案

全凝視配置帶來的優點是結構簡單，圖像刷新率高，美、英、法等國已經將全凝視陣列技術應用到了各自的艦載紅外搜索與跟蹤項目中。經這些國家海軍進行的系統分析表明，采用高穩定傳感器和大口徑光學系統的全凝視型艦載IRST 系統有望獲得最佳的性能。但同時在海軍艦載紅外搜索與跟蹤系統中采用凝視焦平面陣列技術也會遇到一個棘手的技術障礙，即與雷達和機載導彈逼近告警系統相比，艦載紅外搜索與跟蹤系統僅有分辨率這一個設計參數幫助處理器從雜波中辨別出威脅目標，因此必須很好地利用分辨率。對于給定探測單元尺寸的紅外焦平面陣列而言，如果要以高角分辨率覆蓋所需的區域，總的探測器的長度會很長。例如，如果空間分辨率φ為100μrad，探測單元尺寸ω為25μm，則探測器長度為2πω/φ=1.57m。因此，將凝視陣列技術運用于需要360°水平監視的紅外搜索與跟蹤系統中還需要采用廣角觀察技術，綜合利用對稱光學系統、切分視場光學系統、視線步進技術以及先進的光學設計。

美國海軍研究辦公室資助研制的基于分布孔徑傳感器的全凝視艦載紅外搜索與跟蹤系統就采用了三個5∶1 縱橫比的中波紅外焦平面陣列和2.56∶1縱橫比的非對稱光學系統，總的非對稱比為1.28∶1，采用這樣的方案達到對亞音速導彈的探測靈敏度。當然，如果要探測到剛超出水天線的弱小目標，需要增強俯仰方向上的分辨能力。

英國艦載凝視型IRST 演示器采用了切分視場光學系統來提供對水天線的全景監視，該技術有效地將覆蓋艦船四周的水天線需要的焦平面探測器數量減少一半，但代價是增加了光學系統的復雜程度。而且，由于視場的光學疊加，很大一部分的FPA 像素會損失，事實上配準也是一個棘手的問題，特別是當溫度變化較大的情況下。

法國的Artemis采用的了獨特的光學空間多路技術這種全凝視理念，所以僅使用三個傳感器就達到了全凝視高性能水平。

3.2 步進凝視方案

由于IRST 的成本與紅外攝像機的使用數量、相關的光學系統以及處理所有視頻信號所需的計算能力成正比，所以全凝視紅外搜索與跟蹤系統在實現高性能的同時也帶來了過高的成本，因此對這些彼此沖突的變量進行折衷和權衡是極其重要的。如果要限制傳感器的規格和數量來達到降低成本的目的，則每個成像傳感器就必須覆蓋一個較大的區域，這樣勢必會降低傳感器的分辨率，除非采用某種形式的區域掃描技術，于是步進凝視技術也就應運而生。采用步進凝視技術的IRST 系統的缺點很難作為目標識別系統，而且“時分”掃描也降低了圖像刷新率。

目前640×512 紅外矩陣及其讀出積分電路（ROIC）已能實現超過100Hz 速率的拍攝操作，但在IRST 應用中回訪觀察獲取場景通常并不要求這樣高的刷新率，如果采用某種形式的機構使成像傳感器的瞄準線在水天線范圍移動，達到360°覆蓋范圍需要的傳感器的數量可大大降低。

盡管傳統的常平架式系統憑借其慣性大的特點是實現穩定性的理想方案，但并不適于實現步進步進凝視工作方式，于是出現了使用需要復雜的固定式或移動式光學部件的“光學多路”技術。

為了更進一步地簡化系統結構，還有一種方案就是將紅外攝像機放置在一個安裝在雙常平架上的水平平臺上。該伺服控制平臺能完成與圖像采集同步的步進運動。例如，法國的SAGEM 防御系統公司就采用了COTS 部件，其成像傳感器對12°視場的刷新時間可以達到4s，這種圖像刷新率非常適于操作員在非對稱威脅對抗中進行目視操控，但對于空中目標的自動探測和跟蹤，由于掃描之間存在較大的角運動，這種刷新率就過低了。

為了充分利用紅外陣列攝像機的高幀頻（通常為100Hz）實現全景掃描，采用了一種快速步進技術。例如在第二代線陣紅外攝像機的經驗基礎上，法國SAGEM 防御公司研制的VAMPIR NG 艦載IRST 系統使用焦平面陣列致冷型3μm～5μm 紅外攝像機，其小型掃描器采用了一些高質量的反射鏡對瞄準線在傳感器積分時間內的運動進行補償，VAMPIR NG 系統的光學系統設計中采用了以下四個電動軸：

1）瞄準軸，承裝紅外攝像機和實現所有傳感器光學元件的頭部的全景掃描；

2）俯仰軸，當艦船存在橫搖和縱搖運動時，支持俯仰反射鏡將紅外傳感器的中心保持在一個恒定的俯仰角度上；

3）瞄準和俯仰掃描器軸系。

在圖10 中，紅外光透過外部窗口進入傳感器頭部。運動俯仰反射鏡對其進行第一次反射，采用#1 折疊反射鏡后，僅使用較小的俯仰反射鏡就可實現較大的俯仰角范圍。第一個透鏡組形成了一個望遠系統，可用于減小入瞳尺寸。#2 折疊反射鏡優化了系統的緊湊型設計。接下來就是瞄準和俯仰掃描器，然后是紅外攝像機的物鏡。這些掃描器為傳感器頭的連續掃描提供了“消旋”作用。這種經改進的快速步進凝視方案是一種效費比較高的技術方案，能同時達到較高的分辨率和靈敏度，可以同時用于遠距離小目標和非對稱威脅的探測和識別。

圖10 法國VAMPIR NG系統光學設計

4 結語

現代海軍使命任務的新需求和面臨的新挑戰給新一代的艦載紅外搜索與跟蹤系統帶來了發展的契機，為此，美、英、法以及一些其它的歐洲國家海軍都運用凝視艦載IRST 技術在逐漸取代采用線陣紅外探測器和基于時間延遲積分的焦平面陣列與光機掃描體制的傳統艦載紅外搜索與跟蹤系統，以實現高速率連續的全景警戒、寬俯仰角覆蓋、高刷新率以及快速的航跡確認，近年來已陸續出現了一些新型的凝視紅外搜索與跟蹤系統的艦載裝備應用，從中我們不難看出，這種新技術能為我們的裝備研究工作增加一些新思路，以研制出適合我國軍情新一代艦載紅外搜索與跟蹤系統來滿足海軍裝備的需求。