红外技术的军事应用

美军双色和多色传感器技术的进展极快，目前已从Si、HgCdTe或QWIP焦平面阵列分离器件的组合过渡到了单片式阵列，其中GaAlAsQWIP焦平面阵列的双色、三色、四色等多色传感器发展尤为突出。除了雷声、洛克威尔科学中心等机构已研制出的640×512像素的双色阵列和陆军通信电子司令部夜视和电子传感器管理局已在准备评估3mm～5mm波段和8mm～14mm波段的1024×1024元双色传感器阵列外，美国海军研究实验室正投资一个耗资1100万美元的三年研发计划，计划开发HgCdTe中波双色凝视红外焦平面阵列，复盖波段为4.5mm～5.0mm和4.0mm～4.5mm；美国国防高级研究规划局（DARPA）也已出资1600万美元，让QWIP技术公司为其发展同时可在可见光、二个中波红外和长波红外波段工作的四色焦平面阵列。2、反巡航导弹舰载防御技术—红外搜索、跟踪和拦截系统[3,4,5,6]（1）海军面临的严重威胁巡航导弹是一种主要以巡航姿态飞行的精确制导打击武器。它问世于第二次世界大战，经过数十年的发展，已成为目前战场上的主要精确打击武器，在近年几次局部战争中都发挥了重要作用，法国飞鱼式（EXOCCT）掠海面飞行导弹和美军舰载“战斧”式巡航导弹都就是其中的代表。反舰掠海面飞行的巡航导弹是迄今为止水面舰船最为严重的威胁，1987年5月17日，二枚飞鱼式导弹击中和击伤了美国战舰斯特克号驱逐舰，由于其没有有效的防犯掠海面飞行巡航导弹攻击的能力，导致37名士兵丧生；英-阿马岛战争中，阿根廷超级军旗式战机发射的二枚这种巡航导弹也使英军战舰遭受严重损失—英皇家海军军舰谢菲尔德号被击沉。目前，世界上拥有这种掠海面飞行反舰巡航导弹的国家已多达35个以上，很快具有这种能力的国家和地区将增加到60多个，而且这一趋势还在快速扩大。毫无疑问，海军水面舰船生存面临着从小型巡逻艇到大型护卫舰、潜艇、直升机、海上巡逻机和战斗轰炸机发射的这种巡航导弹越来越严重的威胁。（2）反舰巡航导弹（ASSM）的特点反舰巡航导弹有二种：超音速巡航导弹和亚音速巡航导弹，其设计的主要目的是必须避开下列武器系统：·搜索雷达和火控雷达：ASSM的迎头探测截面要尽可能小，飞行轨道尽可能低。·电子扫描微传感器：ASSM采用了惯导巡航系统和末导雷达或红外寻的器。·硬杀伤反导弹武器，如近距武器、火炮或短程防空系统的攻击：ASSM的高度机动性，可使上述武器系统的攻击命中率大为下降。·泊条之类的软杀伤诱饵反导弹措施：ASSM采用先进的寻的器，具有识别真假目标再攻击的能力；·舰船自防御系统：ASSM有飞行修正能力，而且超音速ASSM将大大缩短战斗管理系统的反应时间，使舰船的自防卫能力大为降低。（3）红外电光传感器系统的特性有矛即有盾。ASSM是一种小翼面的小目标物体，其发动机及其维持系统都要产生一定的热量，其排放的气体也会与周围大气混合产生一种较大气环；另外，超音速导弹的外壳温度升高到250℃～300℃时会产生一种迎头清晰热图像，这就为先进的红外搜索和跟踪系统提供了捕获ASSM导弹的可能。当传统雷达失效后，红外光电子传感器系统将会因具有以下优点，而发挥重大作用。·作为一种被动式光电子传感器的红外焦平面阵列，其探测的目标是温度特征，对于外界干扰不敏感；·能在复杂的条件下提供单独的杀伤评估和清晰的目标辨别能力；·具有极佳的目标识别能力，能提供极为精确的目标跟踪和目标参数。（4）红外焦平面阵列红外搜索跟踪探测系统——现代海战胜利的关键[3]早在七十年代初，西方国家已开始发展舰船的自防卫能力，而随着红外探测器技术的不断发展，红外探测器技术已从单元经过多元线阵列、时间延迟与积分（TDJ）阵列发展到了目前的640×480、1024×1024乃至2048×2048像素的大型凝视阵列，这为发展舰船自防卫能力提供了很大的帮助。舰船自防卫能力包括对ASSM的早期搜索与跟踪和拦截实施。按照工作方式可把这种搜索与跟踪系统分为红外搜索与跟踪系统（IRST）和前视红外系统（FLIR）。A、IRST系统红外搜索与跟踪系统是一种采用一维时间-延迟与积分红外探测器或焦平面阵列的机械扫描光学系统，可在远距离、大范围、多视场角和各种背景条件下自动搜索跟踪多个目标，目标一般为点源，是迄今为止海军主要对抗掠海面飞行反舰巡航导弹的搜索与跟踪手段。法国海军的IRST研制工作由SAGEM的子公司SAT承担，1973年开始做可行性研究，1977年第一台陆基系统问世，1980年~1986年发展出可见光、声、磁、压、红外传感器（VAMPIR），1993~1996年发展出第二代IRST系统—VAMPIR多波段（MB）系统，1997年通过法海军测试船试用后装备反潜护卫舰和高尔航母的查尔斯号舰。与第1代IRST相比，VAMIR重量轻得多（仅160kg），可靠性更佳，易于维护，采用了SOFRADIR288×4元的HgCdTeTDIIRCCD焦平面阵列，系统转速更高，成本大幅度降低。荷兰和加拿大海军的远距离红外搜索跟踪系统发展计划开始较晚，1995年1月1日才起动，目的是使现代护卫舰能探测掠海面飞行的导弹，特别是超音速导弹。该系统由二台红外摄像机组成，一台为长波红外摄像机，另一台为中波红外摄像机，均采用GEC-马可尼公司的HgCdTeTDI红外焦平面阵列，分别为300×10单元的中波红外阵列和300×8单元的长波红外阵列，由斯特林制冷到80K，仰角3.8°，方位角复盖范围360°，每一台摄像机都能独立瞄准仰角，同时复盖6°视场，具有跟踪高仰角目标能力和监视水平方向的能力。美国海军的IRST计划：1987年5月17日，美海军战舰斯塔克驱逐舰被二枚飞鱼式导弹击毁后，美国国会指令建立舰船自防卫计划实施办公室，加紧发展IRST系统。1996年，美国海军确定了极具竞争性的设计、制造和测试IRST系统的合同。合同分为二阶段实施：第一阶段是提供早期技术和作战评估的IRST演示系统，第二阶段是在第一阶段取得的进展基础上提高技术水平、确保获得最佳性能。美国海军研究实验室研制的IRST系统被称为红外传感器系统（IRSS），于1995年研制成功，在1995~1996年进行了广泛的实验测试和性能定型，其中，于1996年进行了二次重要测试，一次使用了海上自防卫测试船，另一次则是北约（NATO）低空点目标搜索与跟踪实验。该计划后改为海军海上指挥工程和生产发展计划，以便为进入生产阶段作准备。B、舰载监视和威胁探测凝视红外全景传感器系统（SIRPS）[5]前文介绍的IRST系统采用的红外焦平面阵列通常是线阵或TDI阵列，这种系统都离不开机械扫描机构，要改变扫描速度极为困难，与之相比采用面阵、大面阵红外焦平面阵列传感器的红外搜索与跟踪系统具有明显的优点，具体表现为：虚警率极低、扫描速度可变和闭路目标跟踪。由于目前红外焦平面阵列技术的发展已达到2048×2048像素的集成水平，使开发高分辨率的探测、监视巡航导弹的凝视红外全景扫描器系统成为可能。洛克威尔公司和波音北美公司自动化与导弹系统部合作，早在九十年代末就已为美军研制出了这种凝视红外全景传感器。洛克威尔的凝视红外全景传感器（SIRPS）系统用于支撑海军水面舰只对付视界内的各种威胁，包括巡航掠海面飞行导弹。这种传感器能探测到360°全景视场界内雷达无法探测的目标，以连续凝视模式工作提供潜在威胁的位置，对目标的探测和识别距离为400m。该系统使用了4个工作在3.8mm～4.8mm中波红外波段的640×480元HgCdTe红外焦平面阵列，具有高分辨率的全方位复盖能力。C、精确制导拦截导弹世界各国既在发展巡航导弹，也在寻找和发展对抗这种导弹的有效措施。由于巡航导弹技术的发展，制服巡航导弹是一种很困难的事。世界上在巡航导弹方面最具实力的国家，如美国（最有名的是“战斧”式巡航导弹）俄罗斯（AS-X-15C）、法国和英国等，研制的巡航导弹都采用了惯导、地形匹配、数字景象区域相关匹配、GPS导航和雷达/红外精确末制导等多模式复合制导技术，命中精度极高，精度在6m～26m范围内。但是这种飞行器在飞行期间不可避免地会产生气动加热，其红外特征明显，这就为红外探测系统捕捉巡航导弹的飞行轨迹和目标提供了可靠依据，从而可对其进行探测、识别、跟踪、判断、预警、瞄准和拦截。软措施可采用隐身技术、干扰措施，用红外搜索与跟踪系统（IRST）和前视红外（FLIR）系统提供足够的预警时间；硬杀伤摧毁措施除发射密集阵火炮对导弹进行拦截外，还包括使用红外精确制导导弹摧毁巡航导弹。巡航导弹已成为当今战争的主要打击武器，各国都已投入大量的人力物力加紧发展对付巡航导弹的拦截导弹，相信这一发展趋势将会加快。3、新一代夜视和瞄准装备在这次的伊拉克战争中，美英联军之所以在战场上处处主动，除了拥有空中优势和精确制导打击能力之外，夜视技术上的优势是另一重要原因，许多重要的军事行动都是在夜间进行的，伊军没有这一装备，因而在战场上十分被动。新一代夜视装备通常包括前视红外仪（FLIR）、武器瞄准器和夜视头盔。因为这种装置会大量的装备部队，这就要求其价格不能太高，同时性能还要适中，可靠性高且易于携带。而新一代红外系统已具有了全凝视无光扫描系统，特别是非致冷红外热摄像阵列的成熟进一步简化了光子低温工作红外焦平面阵列探测器的致冷机构，使其价格适中，便于携带，同时性能可靠。毫无疑问，这一技术的发展是新一代夜视装备发展的主要原动力和基础。（1）能提高昼夜精确打击能力的FLIR吊舱[7,8]过去十年间，目标瞄准系统方面取得的进展导致了空—地作战出现了剧烈的变化，空-地作战已从低高度的攻击向中等高度和远距离投掷武器的方向发展，其目的在于把己方的损失减到最小，因此要求武器投掷高度精确。早期的几代目标瞄准吊舱通常都体积大、笨重、价格昂贵，随着红外探测器阵列技术的发展，后来出现的吊舱通常在性能方面要比早期几代系统高4倍，可靠性提高了3倍，而且价格便宜了一半以上，维修费用明显低。九十年代中后期，以色列飞机工业公司与美国萨尔诺夫公司合作为以军成功研制了多用途光电子稳定吊舱（MOSP），它是为无人驾驶飞行器、直升机和轻型飞机研制的，采用萨尔诺夫公司的640×480像素PtSi凝视红外焦平面阵列热摄像机，能昼夜监视目标，可提供高质量和高分辨率的图像；其跟踪速度高达35km/h，最小分辨率为3m×3m，万向接头扫描方位角为360°，迎角-15°～+15°，尺寸为直径356mm，高548mm，重量24kg。虽然兰盾（LANTIRN）吊舱一直是西方优选的军用吊舱，但许多国家已经在制定下一代设计方案，如挪威、葡萄牙、中欧和东欧的部分国家，西亚的阿曼、新加坡以及加拿大和南美的几个国家（特别是阿根庭、巴西和智利等）。BAE和Thales二公司正在实施机载导航与攻击（JOANNA）技术演示计划（TDP），这一计划中的ASTRID是第四代机载目标和识别吊舱，其2003年2月开始研发，计划2009～2010年开始装备欧洲的旋风式拉法尔（Rafale）战机，英军的皇家空军RAFC-130K也将装备这种设备以提高其夜视能力。洛克希德C-130K大力神机群安装的Titan385热摄像机使用SiGMA的3mm～5mm和8mm～14mm的热红外焦平面阵列，功耗仅20W。美军正在引进新一代的导航和目标瞄准吊舱，这种吊舱装备有AN-ASQ-228目标指示FLIR仪，并分别于去年和今年装备美海军F/A-18F战机、空军的F-16和A-10机载低空兰盾系统[7]。图5是洛克希德·马丁公司生产的兰盾导航与目标瞄准吊舱系统，安装在F-16引擎下。（2）多功能头盔[9,10]夜视头盔包括头盔夜视观察仪和头盔夜视火炮瞄准器。目前的头盔夜视仪已在向多功能集成的方向发展，特点是高分辨率、小型和轻便，其采用了大面积集成非致冷红外焦平面阵列，具有红外焦平面阵列图像融合技术，配备了具有超薄型固态高分辨率（如1280×1024像元）的液晶显示器（LCD）或有机发光二极管（OLED）显示屏，全球定位系统（GPS）通信部件以及可见光CCD。这次伊拉克战争中，美军的特种部队和精锐的陆军步