红外技术的应用刘永昌

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陈刚 钱芸收

红外热成像技术在军事领域中的应用

2004年10月18日

红外热成像技术在防空武器领域中的应用

1. 前言

红外技术具有四大优点: (1) 环境适用性优于可见光，尤其是在夜间和恶劣天候的工作能力;(2)隐蔽性好, 一般都是被动接受目标信号，比雷达和激光探测安全且保密性强，不易被干扰;(3)由于是靠目标与背影之间的温差和发射率差形成的红外辐射特性进行探测，因而识别伪装目标的能力优于可见光;(4)与雷达系统相比，红外系统的体积小、重量轻、功耗小。 红技术的发展己经有了革命性的变化，最重要的表现在:

(1) 探测器的光谱响应从短波扩展到长波;

(2) 探测器从单充发展到多元，从多元发展到焦平面，从焦平面发展到凝视焦平面;

(3) 发展了种类繁多的探测器和系统;

(4) 从单波段探测向多波段探测器发展;

(5) 从常温探测器发展到致冷型探测器，再从致冷型探测器发展到常温探测器;

(6) 从简单的信息处理技术发展到功能复杂而强大的信息处理技术, 并向着小型化、微型化方向发展;

在军事需求的牵引和相关技术发展的推动下，作为高新技术的红外技术在未来军事技术中的应用将更加广泛。

(1) 红外技术是国家安全依赖的主要探测手段;

(2) 红外技术是未来高技术局部战争使用的主要技术之一;

(3) 热成像系统与数据链结合形成信息网

卫星、侦察机、无人机、舰船、坦克、车辆等各种平台上的热成像系统与数据链(无线与有线、无线电与光通信) 结合后，形成热图像网络, 实时将热图像传递到有关单位，可解决大气层内红外系统的效能受作用距离限制的问题。

(4) 红外技术的军事领域的应用非常广泛。

红外技术己从过去的战术地位发展到今天的战略地位，从过去的局部的、少数的应用发展到今天全面的、大规模的应用。红外热成像制导防空导弹、新一代的光电防空火控系统、舰船近程的防空武器系统、新新型坦克夜间驾驶及夜视热成像瞄准系统、式的战场监视系统直升机飞行员夜间飞行和着陆及红外予警边海防哨所夜间观察士兵手携式热像仪等，均使用了新型红外热成像夜视仪，大大提高了军队的夜间作战能力。

2. 凝视红外成像探测器的主要类型

2.1致冷型红外焦平面阵列(IRFPA)探测器

早期制作的多元阵列探测器是镶嵌式的，每一个探测器单元均有一根导线引出，因此引线数量多，结构复杂，尺寸大，不易致冷，并且信息处理困难，限制了阵列中探测器单元的数量。由于电荷耦合器件可以将平面的并行信息转换成时间的串行信息，加之具有信息记忆和多路读出功能，能够对探测器单元的信号进行存储和处理，故把红外探测器阵列与电荷

耦合器件联结在一起，构成新型的红外焦平面阵列探测器。红外焦平面阵列探测器实现了由机械扫描向电子扫描的转变，可得到高灵敏度、高分辨率和大视场的红外导引头系统，且能使导引头的体积小、重量轻、功耗小，具有较大的探测、识别距离和多目标捕获能力。目前的红外焦平面探测器主要有两种结构：一种是单片式的，它是在同一种材料上制备光敏元件和信号处理元件；另一种是混合式的，它是将探测器与信号处理电路芯片分别制备，使各自的性能达到最佳，然后进行互连。在军事应用中较广的红外焦平面阵列主要有下列四种：

（1）碲镉汞焦平面阵列

（2）锑化铟焦平面阵列

（3）肖特基势垒电荷耦合器件

（4）非本征硅焦平面阵列

2.2 非致冷型红外焦平面阵列( U FPA )探测器

基于光电效应的光子探测器和基于热电效应的热电探测器一直是红外热成像技术的两大支柱，长期以来，由于HgCdTe 、InSb 和PtSi 探测器的发展，使光电探测器类热成像技术得到迅速发展，并在军事领域和部分工作领域中得到应用。但由于需要致冷以及高昂成本等原因，而一直阻碍它的拓展，除军用以外的其它市场领域的应用。而热电探测器类热成像技术由于灵敏度和响应速度方面的限制，只有采用热释电摄像的热成像系统（或称热电视系统）获得应用，并被认为只能在要求较低的民用领域里有一定市场。但90年代后，非致冷红外焦平面技术的突破和实用化，使其与致冷型红外成像仪相比所具有的低成本、低功耗、长寿命、小型化和可靠性等优势得到很好发挥，成为当前热成像技术中最引人注目的突破之一，在军事和民用领域的应用前景将使红外成像传感器领域发生变革。目前非致冷红外探测器主要有两种不同的技术途径，即微测辐射计焦平面阵列和热释电焦平面阵列。目前研制非致冷焦平面阵列（UFPA ）的主要有美国的得克萨斯仪器公司（TI 公司）为首的热释电和霍尼威尔公司为首的微测辐射计UFPA 以及法国的SOFRADIR 公司的多晶硅型探测器。

美国联合技术系统公司的非制冷红外技术已应用于一些军事项目中，如精确制导弹药和子母弹系统，微测辐热器与雷达传感器组成的具有探测、捕获和跟踪功能的先进双模寻的器、远距离警戒系统及目标单独作战武器计划中的武器瞄准系统上，并认为其技术对于向21世纪步兵提供先进能力具有积极意义。

3. 红外热成像技术及在防空精确制导武器中的应用

精确制导是红外探测技术最早也是最成功的应用领域。在近程导弹中红外制导单独使用。在远程导弹中，则作为末制导使用。随着红外探测器技术的发展，红外寻的制导经历了从点源制导到亚成像和成像制导的发展阶段。第一代红外寻的制导是光机扫描方法获得目标图像，美国红外光机扫描成像制导“幼畜”导弹是第一代红外成像寻的制导的典型代表，它采用16元光导HgCdTe 小面阵红外探测器件，用20面的内转鼓反射镜实现对地面目标的扫描成像寻的。

第二代红外成像寻的制导是采用凝视红外焦平面阵列成像，用电子自扫描实时获取图像。凝视红外焦平面阵列成像寻的制导系统是最具有发展前途的红外寻的制导方式，它给发展小型战术导弹的红外成像导引头带来了生机。目前已被应用于地-空、空-空、空-地、地-舰、空-舰、舰-舰制导导弹的开发研制中，当前，这类红外成像寻的制导系统仍处在研制、开发和试验阶段，并日趋实用化。目前红外成像寻的制导在防空导弹研制、开发和应用中的典型型号产品(部分) 有下列几种：

1）美国的EFOG-M 光纤制导导弹(增强型) ，是美国波音军用飞机公司军用系统部和休斯飞机公司导弹系统部从美国陆军导弹司令部接受合同，研制准备用于美国陆军前沿防空系统(FAADS)的全尺寸非视线光纤制导导弹(NLOS FOG-M) ,主要用于反直升机，其次用于反

坦克和地面目标。其红外成像导引头采用3～5μm 的244×400元或256×256元硅化铂FPA 探测器，其特点是人参与捕获目标，具有发射后识别、锁定目标的能力，有记忆功能；

2）德国MBB 公司和法国航空航天公司联合组建的欧洲导弹集团联合研制的“独眼巨人”(Polypheme)光纤制导武器是防空导弹系统，以反低空直升机为主，还可用于反坦克和地面装甲车等地面目标。图像导引头采用电视/红外成像导引头，工作波段为3～5μm 的640像素/行PtSi FPA探测器;

3) 巴西导弹和火箭制造厂A VIBRAS 研制的 MAC-MP 光纤制导防空导弹系统, 是反低空直升机武器系统，主要用于反低空直升机目标, 并且还可用于反坦克和地面装甲车等地面目标。图像导引头采用电视/红外成像导引头;

4）美国战区高空防空导弹（THAAD ）系统，采用红外成像导引头, 红外探测器采用256×256元中波PtSi 和512×512元PtSi FPA探测器；

5）日本防卫厅授权它的技术研究和发展研究所研制的一种“凯科”(KeiKo) Type 91现代型便携式地对空导弹系统，用于取代进口美国的“毒刺”导弹装备地面部队和航空自卫队。主要对付各种低空和超低空飞机和武装直升机。采用可见光CCD 电视和凝视红外成像导引头。

由于红外焦平面热成像技术的快速发展，过去有许多采用红外寻的制导(单元或多元红外探测器) 的防空导弹, 正在或将要被红外热成像制导取代。从国外发展趋势来看，凝视红外焦平面成像导引头是今后主要发展方向，随着凝视红外焦平面阵列探测器件的日益成熟和实用化，到2010年前后，将会有更多的用于防空的凝视红外焦平面成像制导导弹陆续问世和装备部队。

4. 几点意见

红外成像制导是当代红外探测技术的主要军事应用之一。在过去的二三十年间，红外寻的制导技术伴随着红外探测技术的发展，特别是红外焦平面探测器的工程应用、计算机信息处理以及超大规模集成电路的飞速发展，使红外寻的制导技术由点源发展到成像寻的制导，目前红外成像寻的制导已广泛应用于精确制导武器系统，并被广泛应用于现代战争中。因此，美国和西欧发达国家，不惜投入大量的人力和物力，研制和开发凝视红外焦平面探测技术及红外寻的精确制导防空武器，而且研究、发展和应用的竞争更加激烈。

从国外红外技术军事应用的发展趋势来看，凝视红外焦平面阵列技术的成熟应用和最新进展，使人们能设计出作用距离更远、精度更高、体积小和重量轻的第三代红外热成像系统，极大的推进了性能先进、低成本的红外热成像系统的应用步伐。可以预测，到2010年前后，将是凝视红外焦平面热成像系统走向完善并广泛投入使用的新时期。

1） 加快凝视红外热像系统（包括致冷型和非致冷型）的发展步伐，尽快实现组件的小

型化、实用化，为提高热像仪的性能和更新换代做准备；

2） 加强凝视红外焦平面探测器的配套支撑技术的研究，尤其是信号处理电路的研究，

实现在焦平面上逻辑处理的多功能化，发展智能化、功能化器件，加快实用化的发展步伐；

3） 积极探索研究各种新材料和新器件，并且不失时机的把新型材料推向应用；

4） 加强不同行业和不同部门之间的大协作，为推动凝视红外热成像系统技术的新发展

做出贡献。