紅外熱成像技術在軍事領域中的應用展望

紅外熱成像技術在軍事上有著重要的應用，已成為現代戰爭中的關鍵技術。國內外都非常重視紅外成像技術的發展，半個世紀以來，紅外成像技術在偵察、監視、瞄準、射擊指揮和制導等方面的應用要求越來越高，許多國家為加強自身防御能力和提高夜戰水準，不僅把熱成像技術作為現代先進武器裝備的重要技術納入國防發展戰略，而且加大研制經費。紅外熱成像技術在軍事和民用上都得到了迅猛發展。

一、紅外熱成像技術

1、概念：

紅外熱成像技術是以接收景物自身各部分輻射 的紅外線來進行探測，利用景物自身各部分輻射的差異獲得圖像的細節，其實質是一種波長轉換技術，即把紅外輻射圖像轉換為可視圖像的技術，同時，由大氣透紅外性質和目標自身輻射所決定，紅外熱成像技術通常采用3～5 μm和8～14 μm兩個波段內工作。

2、特點：

熱成像技術既克服了主動紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產生容易自我暴露的缺點，又克服了被動微光夜視完全依賴于環境自然光和無光不能成像的缺點；紅外熱成像儀器和系統具有透過煙、霧、塵、雪以及識別偽裝的能力，不受戰場上強光、眩光干擾

而致盲，可以進行遠距離、全天候觀察。這些特點使它特別適合于軍事應用，正因為如此，一些技術發達的國家，特別是美、英、法、俄等國競相研究熱成像技術，以巨大的人力、物力進行開發，發展十分迅速。

二、紅外探測器

熱成像技術的發展過程是與紅外探測器的發展密切相關的，可以說紅外探測器是熱成像技術的核心，探測器的技術水平決定了熱成像的技術水平。

1、典型規模：

目前，紅外探測器通常被分為三代： 第一代以分立型為主，元數在103元以下。有線列和小面陣結構，代表產品有：美國的60元、120元、180元光導HgCdTe器件；法國5×11元光伏HgCdTe器件；英國4條(或8條)掃積型HgCdTe器件等； 第二代為掃描型和凝視型焦平面結構，在美國出現LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ型陣列應用的基礎上發展起來的焦平面陣列，規模在103～106元，其代表產品有4×240元，4×480元和256×256元，320×240元等； 第三代以凝視型為主，規模在106元以上，且強調雙波長(雙色)或多波長(多色)響應和更強的智能化邏輯處理功能，以及價格較低的非制冷焦平面陣列等。 30多年來，紅外探測器技術經歷了第一代向第二代的演變，目前，正在由第二代陣列技術向第三代微型化高密度和高性能紅外焦平面陣列技術的方向發展。國內外各有關公司廠家研究機構著眼于未來的市場需求，現已把注意力轉向第三代紅外焦平面陣列探測器的發展上。

2、第三代紅外探測器：

從以上規?？梢钥闯?，探測器發展到先進的第三代成像探測器，其性能指標都要求高，按照西方第三代成像傳感器系統的概念，紅外探測器按戰技術性能可大致分為3類：

A、微型探測器：

(1) 像素尺寸：320×240像元時為25 μm，640 x512像元時為17um；

(2) 陣列規模：320×240像元，可發展到640×512像元與1024 x768像元；

(3) 噪聲等效溫差：<50 mK；

(4) 輸入功率：<10 mW；

(5) 質量：<28 g；

(6) 尺寸：<32.8 cm3；

(7) 成本：一次性使用。

B、高性能非制冷探測器：

(1) 像素尺寸：25 μm×25 μm；

(2) 陣列規模：1 000×1 000像元；

(3) 噪聲等效溫差：<10 mK (F/1時)，<60 mK (F/2.5時)。

C、兆像素級、多色制冷探測器：

(1) 譜帶：短波/中波紅外，中波/中波紅外(熱電制冷到180 K)；短波/長波紅外，中波/長波紅外，長波/長波紅外(制冷到120 K)；短波/中波/長波紅外(制冷到120 K)；

(2) 像素尺寸：18 μm×18 μm；

(3) 陣列規模：1 000×1 000像元，1 000×2 000像元，2 000×2 000像元；

(4) 噪聲等效溫差：<1 mK (F/2，長波紅外)，<5 mK (F/2，中波紅外)；

(5) 109的電子阱容量；

(6) 自適應幀速(最高480 Hz)；

(7) 芯片上A/D轉換和非均勻修正，空間非均勻性<0.5×噪聲等效溫差。

3、新型探測器：

從以上第三代探測器的性能指標可以看出：兆像素級、多色制冷探測器，高性能非制冷探測器，以及低成本微型非制冷探測器是重要的發展方向。

A、制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探測器

制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探測器已出現1 024×1 024像素的器件，目前發展的重點是多色(或多波段)焦平面探測器，多色陣列采用單片二維陣列，每個紅外像素都由兩個或多個相互重疊或相鄰的光敏元組成，正在開發的多色焦平面探測器由MCT紅外探測器和由GaAs/AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料制作的量子阱紅外探測器(QWIP)。

多波段焦平面探測器的有利之處在于提高系統探測真假目標的能力，減輕探測器的質量，減少光學系統以及復雜的精密穩定校準系統，但多波段的成本也是目前應用的問題之一。

B、非制冷焦平面探測器

非制冷焦平面探測器的發展非常迅速，且在多個國家均取得了技術的突破，實現了產品化，目前的技術發展表現出以下幾個特點：

(1) 320×240像元非制冷焦平面。通過提高探測器靈敏度和減小探測器尺寸，對于在輕武器瞄具、紅外尋的器、手持紅外觀察儀等單兵設備的推廣應用上具有重要的作用；

(2) 160×120像元非制冷焦平面。目前多個公司均推出了自己的小陣列非制冷焦平面探測器，其重要應用是制導傳感器以及分布式傳感器系統，由于價格的減低，可以擴展系統的應用面，但目前表現出與320×240像元非制冷焦平面的價格差未達到預期的目的；

(3) 640×480像元非制冷焦平面。更細小目標或更遠目標的探測和識別，可探測約3900 m處的行人，可裝備未來戰斗系統的高端瞄準具。

三、紅外熱成像的軍事應用

隨著熱成像技術的發展，使它在國民經濟、生產建設、科學研究以及國防軍事等眾多方面有著廣泛的應用，其在軍事上應用也已涉及到紅外警戒、跟蹤、瞄準以及制導的各個方面，以下就紅外焦平面列陣器件在世界先進軍事技術中的重要應用作一簡述。

1、彈道導彈防御：

彈道導彈防御

美國的彈道導彈防御（BMD）計劃是當前國際上廣泛關注的一個熱點問題，BMD計劃針對敵方導彈在發射助推段、大氣層外彈道飛行段和再入大氣層段這三個階段的不同特點，采取不同的方法，建立多層次的、全程的攔截體系。在這種攔截體系中，紅外焦平面列陣成像技術扮演著一種核心的角色，主要表現在以下3個方面。

A、全球性監視。在敵方導彈發射的初始階段，就探測到其位置和數量，主要依靠部署在空間的預警衛星進行。

B、跟蹤和鑒別。在敵方導彈發射的初始階段和彈道飛行階段，鑒別真、假目標并跟蹤其軌跡。

C、識別和制導。在己方發射的攔截導彈上，以紅外成像方式實現目標識別和精確的導，命中摧毀敵彈。

2、常規導彈武器：

采用紅外成像制導可使導彈獲得更遠的全向探測距離和識別，對抗紅外誘餌等人工干擾的能力，大大提高導彈威力，而且也使其成為對付隱形飛機等的“殺手锏”，也是熱成像技術在軍事應用中的重中之重。

A、典型的紅外熱成像制導導彈

隨著紅外成像技術的快速發展，世界各國相繼研制了多種紅外成像制導導彈。如美國的毒刺改進型 (Stinger Post和Stinger RMP)，斯拉姆AGM284E遠程攻擊型導彈，蘇聯的SAM213和法國的西北風改進型, 美國幼畜AGM265D /F空地、空艦導彈，法國MICA導彈（紅外型），英國ASRAAM導彈，德國 IRIS-T導彈，美國AIM-9x導彈，其中，美國的AIM-9x近距空空導彈是美國重點發展的最新型空空導彈。

美國陸軍“毒刺”單兵地空導彈

應用凝視紅外焦平面陣列成像技術的典型代表有德、英、法合研的遠程崔格特導彈、美國的標槍便攜式反坦克導彈以及戰區高空防空導彈THADD等。

B、先進反裝甲導彈系統：

在紅外焦平面技術發展初期，最先成功應用的領域是反裝甲導彈系統的熱瞄準器和精確制導尋的器，美國和歐洲的一些主要先進反裝甲導彈計劃，現已處于裝備、服役階段，主要有美國“標槍”Javelin導彈系統，歐洲第三代遠程反坦克導彈（TriGAT-L，又名ATGW-3），美國“獄火”導彈（Hellfire）。

3、軍用紅外熱成像儀

紅外熱成像儀是應用最廣泛的紅外裝置，而在熱成像技術的發展初期，只能研制出基于單元器件的熱像儀，場頻較低，只限于小范圍應用。直到20世紀70年代中長波碲鎘汞(MCT)材料與光導型多元線列器件工藝成熟之后，熱像儀才開始大量生產并裝備軍隊，發展很快，種類繁多。第一代軍用紅外熱成像儀大都采用MCT的60、120和180元線列“通用組件”制造的前視紅外系統，即FLIR，它占紅外軍事應用的50％以上，而到90年代，性能更高的第二代熱成像儀SADA應運而生，即美國陸軍標準先進杜瓦組件，SADAⅠ為240×2長波MCT TDI掃描焦平面，SADAⅡ為 480×6（以及480×4）長波MCT TDI掃描焦平面，使用SADAⅡ的第二代熱成像儀比使用180元通用組件的第一代熱成像儀的探測距離提高了一倍，且如果是凝視型焦平面熱像儀具有更多的優點，小巧、堅固、可靠、省電、靈敏度更高，640×480元InSb凝視焦平面熱成像儀探測距離是通用組件的4倍。

SADAⅡ已廣泛用于各種機載，艦載和車載的熱像儀和搜索跟蹤系統中，如Bradley戰車，Abrams M1坦克，Comanche裝甲，而美國的超級戰機F-22，V-22和F-18都使用了凝視型的焦平面熱成像儀。

4、空間紅外熱成像

目前，紅外熱成像的空間應用主要有3方面：環球表面監測，行星和空間探索以及軍事事件的監視。自1960年第一顆氣象衛星上天，到美國最為先進的空間紅外望遠鏡Spitzer發射，紅外熱成像技術在空間的應用也是發揮的淋漓盡致。

四、紅外熱像儀的發展趨勢

紅外熱成像技術的發展以紅外探測器的發展為標志，可以從紅外探測器的發展來推斷其發展趨勢： 近期應以“二代”焦平面陣列的實用化，批量生產，大量裝備為重點，解決各種不同功能要求的圖像處理和智能化、自動化問題，提高非制冷焦平面陣列規模和水平，與應用密切配合，解決應用中出現的問題；發展應圍繞“第三代”焦平面陣列，著重基本技術問題的研究解決，包括外延材料生長大規模高密度器件工藝、非均勻性校正、可低溫工作的信號處理電路、互聯耦合技術、測試評價技術、圖像處理和智能化等技術關鍵問題，以縮小整機體積，并增強功能；進一步應探索新型材料器件的研究開發，從能帶工程出發，設計研究新型焦平面陣列材料和器件；竭力提高成品率，降低價格，擴展紅外熱成像技術的應用領域及應用價值。

總之，熱成像技術將會借助探測器技術發展的東風迅猛發展。

五、結束語

紅外熱成像技術歷經多年的發展，已從當初的機 械掃描機構發展到了今天的全固體、小型化、全電子、自掃描凝視攝像，特別是非制冷技術使紅外熱成像技術從長期的主要軍事目的擴展到諸如工業監控測溫、執法緝毒、安全防犯、醫療衛生、遙感、設備先期性故障診斷與維護、海上救援、天文探測、車輛、飛行器和艦船駕駛員用夜視增強觀察儀等廣闊的民用領域，紅外熱成像技術正走向輝煌，同時，我們應清醒的認識到，紅外熱成像技術，也即第三代紅外探測器已經走上了一條充滿挑戰的發展道路，要想發展，必須解決許多問題，以提高靈敏度，增加識別距離，降低成本，為未來的戰斗部隊提供新的優勢。