红外热成像技术在军事领域中的应用

引言

红外热成像技术在军事上有着重要的应用，已成为现代战争中的关键技术。国内外都非常重视红外成像技术的发展，半个世纪以来，红外成像技术在侦察、监视、瞄准、射击指挥和制导等方面的应用要求越来越高，许多国家为加强自身防御能力和提高夜战水准，不仅把热成像技术作为现代先进武器装备的重要技术纳入国防发展战略，而且加大研制经费。红外热成像技术在军事和民用上都得到了迅猛发展。

一、红外热成像技术

1、概念：

红外热成像技术是以接收景物自身各部分辐射 的红外线来进行探测，利用景物自身各部分辐射的差异获得图像的细节，其实质是一种波长转换技术，即把红外辐射图像转换为可视图像的技术，同时，由大气透红外性质和目标自身辐射所决定，红外热成像技术通常采用3～5 μm和8～14 μm两个波段内工作。

2、特点：

热成像技术既克服了主动红外夜视需要依靠人工热辐射，并由此产生容易自我暴露的缺点，又克服了被动微光夜视完全依赖于环境自然光和无光不能成像的缺点；红外热成像仪器和系统具有透过烟、雾、尘、雪以及识别伪装的能力，不受战场上强光、眩光干扰

而致盲，可以进行远距离、全天候观察。这些特点使它特别适合于军事应用，正因为如此，一些技术发达的国家，特别是美、英、法、俄等国竞相研究热成像技术，以巨大的人力、物力进行开发，发展十分迅速。

二、红外探测器

热成像技术的发展过程是与红外探测器的发展密切相关的，可以说红外探测器是热成像技术的核心，探测器的技术水平决定了热成像的技术水平。

1、典型规模：

目前，红外探测器通常被分为三代：  第一代以分立型为主，元数在103元以下。有线列和小面阵结构，代表产品有：美国的60元、120元、180元光导HgCdTe器件；法国5×11元光伏HgCdTe器件；英国4条(或8条)扫积型HgCdTe器件等；  第二代为扫描型和凝视型焦平面结构，在美国出现LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ型阵列应用的基础上发展起来的焦平面阵列，规模在103～106元，其代表产品有4×240元，4×480元和256×256元，320×240元等；  第三代以凝视型为主，规模在106元以上，且强调双波长(双色)或多波长(多色)响应和更强的智能化逻辑处理功能，以及价格较低的非制冷焦平面阵列等。  30多年来，红外探测器技术经历了第一代向第二代的演变，目前，正在由第二代阵列技术向第三代微型化高密度和高性能红外焦平面阵列技术的方向发展。国内外各有关公司厂家研究机构着眼于未来的市场需求，现已把注意力转向第三代红外焦平面阵列探测器的发展上。

2、第三代红外探测器：

从以上规模可以看出，探测器发展到先进的第三代成像探测器，其性能指标都要求高，按照西方第三代成像传感器系统的概念，红外探测器按战技术性能可大致分为3类：

A、微型探测器：

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

(2) 阵列规模：320×240像元，可发展到640×512像元与1024 x768像元；  

(3) 噪声等效温差：<50 mK；

(4) 输入功率：<10 mW；

(5) 质量：<28 g；

(6) 尺寸：<32.8 cm3；

(7) 成本：一次性使用。

B、高性能非制冷探测器：

(1) 像素尺寸：25 μm×25 μm；  

(2) 阵列规模：1 000×1 000像元；  

(3) 噪声等效温差：<10 mK (F/1时)，<60 mK (F/2.5时)。

C、兆像素级、多色制冷探测器：

(1) 谱带：短波/中波红外，中波/中波红外(热电制冷到180 K)；短波/长波红外，中波/长波红外，长波/长波红外(制冷到120 K)；短波/中波/长波红外(制冷到120 K)；

(2) 像素尺寸：18 μm×18 μm；

(3) 阵列规模：1 000×1 000像元，1 000×2 000像元，2 000×2 000像元；

(4) 噪声等效温差：<1 mK (F/2，长波红外)，<5 mK (F/2，中波红外)；

(5) 109的电子阱容量；

(6) 自适应帧速(最高480 Hz)；  

(7) 芯片上A/D转换和非均匀修正，空间非均匀性<0.5×噪声等效温差。

3、新型探测器：

从以上第三代探测器的性能指标可以看出：兆像素级、多色制冷探测器，高性能非制冷探测器，以及低成本微型非制冷探测器是重要的发展方向。

A、制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探测器

制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探测器已出现1 024×1 024像素的器件，目前发展的重点是多色(或多波段)焦平面探测器，多色阵列采用单片二维阵列，每个红外像素都由两个或多个相互重叠或相邻的光敏元组成，正在开发的多色焦平面探测器由MCT红外探测器和由GaAs/AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料制作的量子阱红外探测器(QWIP)。  

多波段焦平面探测器的有利之处在于提高系统探测真假目标的能力，减轻探测器的质量，减少光学系统以及复杂的精密稳定校准系统，但多波段的成本也是目前应用的问题之一。

B、非制冷焦平面探测器

非制冷焦平面探测器的发展非常迅速，且在多个国家均取得了技术的突破，实现了产品化，目前的技术发展表现出以下几个特点：

(1) 320×240像元非制冷焦平面。通过提高探测器灵敏度和减小探测器尺寸，对于在轻武器瞄具、红外寻的器、手持红外观察仪等单兵设备的推广应用上具有重要的作用；

(2) 160×120像元非制冷焦平面。目前多个公司均推出了自己的小阵列非制冷焦平面探测器，其重要应用是制导传感器以及分布式传感器系统，由于价格的减低，可以扩展系统的应用面，但目前表现出与320×240像元非制冷焦平面的价格差未达到预期的目的；  

(3) 640×480像元非制冷焦平面。更细小目标或更远目标的探测和识别，可探测约3900 m处的行人，可装备未来战斗系统的高端瞄准具。

三、红外热成像的军事应用

随着热成像技术的发展，使它在国民经济、生产建设、科学研究以及国防军事等众多方面有着广泛的应用，其在军事上应用也已涉及到红外警戒、跟踪、瞄准以及制导的各个方面，以下就红外焦平面列阵器件在世界先进军事技术中的重要应用作一简述。

1、弹道导弹防御：

美国的弹道导弹防御（BMD）计划是当前国际上广泛关注的一个热点问题，BMD计划针对敌方导弹在发射助推段、大气层外弹道飞行段和再入大气层段这三个阶段的不同特点，采取不同的方法，建立多层次的、全程的拦截体系。在这种拦截体系中，红外焦平面列阵成像技术扮演着一种核心的角色，主要表现在以下3个方面。  

A、全球性监视。在敌方导弹发射的初始阶段，就探测到其位置和数量，主要依靠部署在空间的预警卫星进行。  

B、跟踪和鉴别。在敌方导弹发射的初始阶段和弹道飞行阶段，鉴别真、假目标并跟踪其轨迹。

C、识别和制导。在己方发射的拦截导弹上，以红外成像方式实现目标识别和精确的导，命中摧毁敌弹。

2、常规导弹武器：

采用红外成像制导可使导弹获得更远的全向探测距离和识别，对抗红外诱饵等人工干扰的能力，大大提高导弹威力，而且也使其成为对付隐形飞机等的“杀手锏”，也是热成像技术在军事应用中的重中之重。

A、典型的红外热成像制导导弹

随着红外成像技术的快速发展，世界各国相继研制了多种红外成像制导导弹。如美国的毒刺改进型 (Stinger Post和Stinger RMP)，斯拉姆AGM284E远程攻击型导弹，苏联的SAM213和法国的西北风改进型, 美国幼畜AGM265D /F空地、空舰导弹，法国MICA导弹（红外型），英国ASRAAM导弹，德国 IRIS-T导弹，美国AIM-9x导弹，其中，美国的AIM-9x近距空空导弹是美国重点发展的最新型空空导弹。

应用凝视红外焦平面阵列成像技术的典型代表有德、英、法合研的远程崔格特导弹、美国的标枪便携式反坦克导弹以及战区高空防空导弹THADD等。

B、先进反装甲导弹系统：

在红外焦平面技术发展初期，最先成功应用的领域是反装甲导弹系统的热瞄准器和精确制导寻的器，美国和欧洲的一些主要先进反装甲导弹计划，现已处于装备、服役阶段，主要有美国“标枪”Javelin导弹系统，欧洲第三代远程反坦克导弹（TriGAT-L，又名ATGW-3），美国“狱火”导弹（Hellfire）。

3、军用红外热成像仪

红外热成像仪是应用最广泛的红外装置，而在热成像技术的发展初期，只能研制出基于单元器件的热像仪，场频较低，只限于小范围应用。直到20世纪70年代中长波碲镉汞(MCT)材料与光导型多元线列器件工艺成熟之后，热像仪才开始大量生产并装备军队，发展很快，种类繁多。第一代军用红外热成像仪大都采用MCT的60、120和180元线列“通用组件”制造的前视红外系统，即FLIR，它占红外军事应用的50％以上，而到90年代，性能更高的第二代热成像仪SADA应运而生，即美国陆军标准先进杜瓦组件，SADAⅠ为240×2长波MCT TDI扫描焦平面，SADAⅡ为 480×6（以及480×4）长波MCT TDI扫描焦平面，使用SADAⅡ的第二代热成像仪比使用180元通用组件的第一代热成像仪的探测距离提高了一倍，且如果是凝视型焦平面热像仪具有更多的优点，小巧、坚固、可靠、省电、灵敏度更高，640×480元InSb凝视焦平面热成像仪探测距离是通用组件的4倍。  

SADAⅡ已广泛用于各种机载，舰载和车载的热像仪和搜索跟踪系统中，如Bradley战车，Abrams M1坦克，Comanche装甲，而美国的超级战机F-22，V-22和F-18都使用了凝视型的焦平面热成像仪。

4、空间红外热成像

目前，红外热成像的空间应用主要有3方面：环球表面监测，行星和空间探索以及军事事件的监视。自1960年第一颗气象卫星上天，到美国最为先进的空间红外望远镜Spitzer发射，红外热成像技术在空间的应用也是发挥的淋漓尽致。

四、红外热像仪的发展趋势

红外热成像技术的发展以红外探测器的发展为标志，可以从红外探测器的发展来推断其发展趋势： 近期应以“二代”焦平面阵列的实用化，批量生产，大量装备为重点，解决各种不同功能要求的图像处理和智能化、自动化问题，提高非制冷焦平面阵列规模和水平，与应用密切配合，解决应用中出现的问题；发展应围绕“第三代”焦平面阵列，着重基本技术问题的研究解决，包括外延材料生长大规模高密度器件工艺、非均匀性校正、可低温工作的信号处理电路、互联耦合技术、测试评价技术、图像处理和智能化等技术关键问题，以缩小整机体积，并增强功能；进一步应探索新型材料器件的研究开发，从能带工程出发，设计研究新型焦平面阵列材料和器件；竭力提高成品率，降低价格，扩展红外热成像技术的应用领域及应用价值。

总之，热成像技术将会借助探测器技术发展的东风迅猛发展。

五、结束语

红外热成像技术历经多年的发展，已从当初的机 械扫描机构发展到了今天的全固体、小型化、全电子、自扫描凝视摄像，特别是非制冷技术使红外热成像技术从长期的主要军事目的扩展到诸如工业监控测温、执法缉毒、安全防犯、医疗卫生、遥感、设备先期性故障诊断与维护、海上救援、天文探测、车辆、飞行器和舰船驾驶员用夜视增强观察仪等广阔的民用领域，红外热成像技术正走向辉煌，同时，我们应清醒的认识到，红外热成像技术，也即第三代红外探测器已经走上了一条充满挑战的发展道路，要想发展，必须解决许多问题，以提高灵敏度，增加识别距离，降低成本，为未来的战斗部队提供新的优势。