军用红外热成像系统的最新技术进展和应用

安　东

目前，热成像传感器在军用装备中随处可见，在大多数战斗机、无人机、卫星，军舰和地面车辆上都有它的身影。热成像传感器能够帮助作战人员在没有日光的条件下观察目标或地形，便于24小时连续不间断地遂行作战行动。并在空中战斗中使己方占有明显优势。热成像传感器无论现在还是将来都是使部队保持情报。监视和侦察能力的有效手段。

热成像技术通过探测物体发射的与其温度和特性相关的红外热辐射来实现对观察场景的成像。红外热辐射在电磁波谱上占有很宽的范围，其波长范围为0.76～1000微米，但是，仅有三个波段的红外线在大气传播的过程中不会被快速吸收或散射，这三个红外波段又被称为红外大气窗口：短波红外波段1—3微米，中波红外波段3～5微米和长波红外波段8～14微米。这三个波段就是军事应用关注的红外辐射波段。利用短波红外波段可以探测喷气式发动机的尾烟，炮管尾烟，弹药爆炸物和其他热目标。利用中波红外波段可探测运行中的涡轮发动机和活塞式发动机以及其他类似温度的目标。利用长波红外波段可以探测人体热量、建筑物结构和其他具有类似温度的目标。

热成像传感器

红外探测器

热成像技术的核心是红外探测器。红外探测器可分为热探测器和光电探测器两大类。

热探测器在接收入射辐射时，材料温度发生变化，造成器件某一项物理参数也发生变化，进而产生可度量的输出。热探测器通常在常温下工作，用这类探测器制造的热成像系统通常不需要使用致冷器。

主要的热探测器有热释电探测器和测辐射热计等。20世纪80年代后期，美国等国家采用氧化矾做热敏电阻材料，配合大规模集成电路技术，形成微测辐射热计焦平面探测器，面阵可达到320×240和640×480像素。热释电探测器采用具有优异热释电性能的铁电体晶体材料，如钽酸锂(LiTi03)和铌酸锶钡(SBN)等，以及后来开发出的性能更优越、制备和控制更容易的铁电氧化物陶瓷材料，如钛酸锶钡(BST)等。

光电探测器用半导体材料制造，利用入射光子流与探测材料相互作用产生的光电效应，即由于入射光子数变化引起的探测器材料中自由载流子(电子和，或空穴)数目的变化。典型的光电探测器有光导型探测器，光伏型探测器和量子阱探测器等等。用这类探测器制造的热成像系统需要使用致冷器，否则探测器的性能会受到影响。

早期的致冷型热成像系统所采用的主要探测器材料是能够探测长波红外的碲镉汞(MCT或HgCdTe)，目前它仍在长波红外波段得到使用，尤其是用在红外搜索跟踪(IRST)系统中。然而，MCT很难制造，难以实现焦平面阵列的集成。近期红外探测器产品主要使用的材料是锑化铟(InSb)，它比MCT容易制造得多，但这种材料仅限于中波红外用途。锑化铟已在焦平面阵列热像仪中得到广泛使用，大量的经济型设备都采用了这种材料的探测器。此外还有一种面向短波红外应用的探测器材料——硅化铂(PtSj)。传统热像仪和最新型的致冷型热像仪都采用这三种探测器材料。

量子阱红外光电探测器(QWlP)的工作原理使其具备相当的性能优势。在量子阱探测器中，半导体材料(典型材料是砷化镓合金)生成阱形微孔。电子被束缚在量子阱中，当足够能量的光子落入阱中时，电子就会发生迁移。光子的能量，也就是红外波长取决于阱的深度。这是一项意义深远的技术进展，因为量子阱红外光电探测器的颜色灵敏度取决于探测器材料的蚀刻几何结构，而不是材料的基本特性。而且，人们一般采用砷化镓系列材料制造量子阱红外光电探测器。目前我们在市场上看到的是基于第一代量子阱红外光电探测器的热像仪。

致冷器

热探测器型热成像系统能在室温下工作，光电红外探测器型热成像系统则必须致冷。因为要使场景成像获得理想的灵敏度，探测器就必须冷却到低温，对于工作在中波和长波红外波段的探测器尤其如此。如果不冷却探测器，探测器材料晶格的热运动就会使电噪声淹没探测器的响应，使图像埋没在“雪花”中。目前致冷器采用的致冷方式有三种，第一种是最简单的方式，即在杜瓦瓶中注入液氮，可以冷却到77K；第二种是采用焦耳一汤姆逊致冷器；第三种是采用斯特林致冷器。致冷型热成像系统的成本主要集中在低温致冷器和探测器绝热封装上。

扫描

早期的成像仪利用反射镜进行机械扫描。最简单的机械扫描设计是采用单个探测器像素和反射镜从左到右、从上到下进行机械扫描，生成场景图像。这与电视图像的扫描方式完全相同。使用最广泛的扫描系统是20世纪70年代推出的，目前仍用于一些设备中。这种扫描系统采用线性探测器阵列和反射镜，反射镜通过上下点头运动或旋转实现扫描。这种线性扫描技术使成像仪每次捕获一行电视图像，利用反射镜的运动决定外部场景成像到哪一行图像上。

凝视型焦平面阵列探测器可以像CCD一样成像，无需扫描运动部分，是现代热像仪广泛选用的一项技术。这种器件集成了上百万个探测元(像素)，并与集成电路芯片连接以便读取图像。在效果上，这些焦平面阵列类似CCD，可构成单片型热像仪。

军用红外成像技术的新进展

随着红外探测器技术的不断完善和大规模集成电路技术的快速发展，以红外焦平面阵列技术为代表的军用红外成像技术不断地用于军事装备中，并不断得到发展。现将这项技术的最新进展略述如下：

不断使用非致冷型热像仪

军事应用需要性能稳定，不受环境温度变化影响和制约的装备。以氧化矾或非晶硅等探测器材料制造的便携式热像仪以其体积小，成本低和能够在常温下工作等特点越来越多地用于军用装备中。虽然非致冷型红外探测器与致冷型光电探测器相比，前者的灵敏度较低，但能满足中，低端的军用性能要求。而在价格上，两之间的差距就特别明显：一般的小型非致冷热像仪的价格在20多万、30多万元不等，与之相比，二代低端致冷型热像仪的成本要达到100万元左右，而高端致冷型热像仪的成本可达200~-元左右(人民币)。因此，将低成本的非致冷红外热像仪用于中、低端军用和民用系统中应该是目前最好的选择。

探测器阵列分辨率不断提高

探测器阵列的分辨率关系到红外系统一系列性能参数的优劣，因此它是军用系统优先考虑的重要因素之一。目前，采用MCT的焦平面阵列大部分是128×128到640×512像素的格式，但有一些中波MCT阵列可以达到2048×2048像素。工作在中波红外波段的锑化铟焦平面阵列探测器普遍是640×512像素的分辨率，但市场上也有分辨率高达2048×2048像素的器件出售。同时，分辨率为320×240、640×480像素的非致冷红外焦平面阵列探测器业已投产或准备投产1024×1024像素的非致冷探测器阵列已在开发中。

发展双波段和多波段探测器阵列

量子阱红外光电探测器可以在单个探测器阵列上实现多波段成像。实际上，采用量子阱红外光电探测器的热像仪能够在短波、中波和长波红外成像模式之间切换，甚至可以利用单个器件在多个红外波段上同时成像，并获得多波段上经几何配准的图像。德国的AlM公司是首家生产双波段QWIP的公司，这种QWIP在中波和长波红外都可以成像。最近还有报道称，美国的研究人员正利用一种波纹QWlP制造技术研制四波段QWlP。

使用亚像素微扫描技术改进凝视红外热像仪

目前虽然可以做出大规模的红外焦平面阵列探测器，但成本很高，而且探测器的结构决定了它的填充因子小于100％，也就是在探测器光敏面上存在盲区，不能捕捉到视场内的所有信息。为此，可以在凝视型红外焦平面阵列探测器中引入微扫描技术，即利用压电陶瓷的电致伸缩特性驱动光学元件运动，从而通过改变光学元件的空间位置来改变它们所生成图像的空间位置，得到微扫描图像，这样就可以在不增加红外焦平面阵列探测器探测像素总数的情况下，提高红外成像系统的分辨率，扩大热成像系统的作用距离，消除探测器因填充因子带来的探测盲区，同时这种系统还使探测器具有一定的稳像功能，而且由于微扫描器件的开发成本远低于高分辨率探测器的制造成本，所以其性价比较高。美国前视红外系统公司(FLIR)的AN／AAQ－22 Star SAFIRE系统就是利用压电陶瓷驱动的微扫描技术，提高了系统分辨率和稳定性。

致冷型热成像技术在军事应用中的新动向

目前，致冷型热成像技术已经普遍用于军用装备中，在未来的几十年中，随着致冷型热成像技术的不断成熟，致冷型热成像系统的性能将会不断改善，成本会不断降低。

安装在现代和传统军用装备中的大多数致冷型热成像设备都是用于导航和目标瞄准，有一小部分用于特种情报，监视和侦察(ISR)。

使用最广泛的吊舱式红外系统可能是美国空军的LANTIRN吊舱，它由一个采用宽视场前视红外的AN／AAQ－13导航吊舱和一个AN／AAQ-14瞄准吊舱组成。在ANIAAQ-14瞄准吊舱中，长波碲镉汞前视红外与激光指示器，测距机共光轴。AN／AAQ-14现在正被新型AN／AAQ－33“狙击手”XR／PANTERA先进目标瞄准吊舱(ATP)替代，该吊舱包括锑化铟前视红外，电视CCD(电荷耦合器件)传感器和激光指示器／测距机，所有传感器都采用与中波前视红外兼容的蓝宝石玻璃窗口。”狙击手”XR可能会率先部署在B－2A隐身轰炸机上，同时它也是联合攻击机(JSF)内置光电目标瞄准系统(EOTS)的基本装备。

美国海军主要依靠F／A－18战机上的AN／AAS－38 NiteHawk前视红外，激光吊舱和AN／AAS－50导航前视红外吊舱，并辅以F-14D战机上的AAQ－14 LANTIRN吊舱。随着F-14D战机的退役和F／A-18ElF战机部署数量的增加，美国海军目前正在部署雷声公司的新型AN／AAS－46 ATFLIR吊舱，该吊舱在技术上与美国空军的”狙击手”XR吊舱相似。

目前市场上最为成功的产品是诺格公司的AN／AAQ-28 Litening lI吊舱，这也是一种前视红外和CCD通道双波段系统。Litening II不仅被以色列空军选用，而且用在美国海军陆战队和空军国民警卫队中，空军国民警卫队将其用于F-16战机上。此外，它还被用于B-52H轰炸机，完成持续的近距离空中支援和海上打击任务。它的后续型号AN／AAQ-28(V)4 Litening AT改型采用一台640×512像素前视红外，一台更高分辨率的CCD摄像机(1024×1024)以及一个嵌入式C波段数据链终端。美国海军陆战队和澳大利亚皇家空军都订购了Litening

AT吊舱，用于F／A-18A战机。俄罗斯目前正积极拓展Sapsan—E前视红外，激光目标瞄准吊舱(为苏霍伊公司“苏-30”、“苏-27SM”和“苏-35M”战机设计)的市场。该吊舱相当于西方国家的二代吊舱。

目标瞄准前视红外系统可以具备侦察和监视能力，也能够提供有效的炸弹损伤评估(BDA)图像，但由于用于目标瞄准的热像仪要实时提供电视质量的图像，分辨率较低、视场较窄，光学质量较低，一旦需要高分辨率大幅宽地形图像，这些系统就力不从心了，需要专用设备。专用侦察吊舱一般采用红外行扫描器(IRLS)，它与传统的条幅式绘图航空摄像机类似。现代红外行扫描器，如BAE系统公司制造的D一500A，能够在长波红外波段生成具有8102像素幅宽的图像，其视场达到70°，搜索场为140°，并且可以大倾角成像。CAI－8601红外行扫描器具有相似的能力。通过对两者进行比较发现：将目标瞄准前视红外系统产生的13帧图像并排排列才能与采用红外行扫描器获得的条幅图像宽度匹配。

目前还有具备热成像功能的分幅摄像机，它通常是双波段设计，同时采用内嵌式CCD和热像仪。用于先进机载侦察系统(AARS)吊舱的BAE系统公司的F－9120就是一个很好的实例，它采用13英时的稳定孔径，焦距为120英时，装有两个成像传感器。这类产品还有侦察光学公司的CA－295双波段分幅摄像机和CA-270双波段分幅摄像机。这些装置都采用1－3辛辛那提电子公司的2048×2048像素中波成像阵列。这种装置与典型的目标瞄准前视红外系统相比，单帧图像几乎可以采集后者13倍的数据。

随着飞机隐身特性的提出，用于目标瞄准和成像的吊舱式情报，监视和侦察系统由于自身的雷达特征明显而不再实用。因此，内部安装系统正成为一种标准，如JSF上的内部光电目标瞄准系统和F-22A上的红外传感器(因经费原因暂停)。F-22A战机上的红外传感器安装在机身下部整流罩内，目前已完成了光学、隐身和空气动力学试验。

俄卡莫夫公司研制“卡-135”无人直升机系统

俄罗斯媒体2009年7月28日报道，俄卡莫夫公司目前正在进行“卡-135”无人直升机系统的研制工作。根据研制计划，2009年底将完成无人直升机的设计草图。俄称，该无人直升机系统的研制和其他无人机系统一样，主要的工作是研制最有效的无人机操控系统。“卡-135”无人机是俄罗斯直升机公司优先发展项目之一，直升机重300千克，可执行侦察、观测，以及其他更加广泛的任务，目前已把该项目列入2011～2020年俄武装力量发展计划中。

俄军事运输航空兵更新25％

俄罗斯“航空港”网站8月13日报道，俄空军总司令亚历山大泽林上将称，2020年前，“伊尔-76”飞机无论是在数量方面，还是在作战性能方面将构成军事运输航空兵的基础，其中一半以上将进行升

级改造，将对导航和通信设备进行完善。国防部还计划完成研制并开始购买轻型和中型军事运输飞机。特别是要研制轻型运输机“伊尔-112B”，以及新一代中型军事运输飞机。新飞机将具备投送和空降人员、武器和技术装备的能力，以及提高的燃料经济性和较低的生命周期。飞机将装备功能齐备的机载设备。

2050年前俄将打造攻守平衡的导弹核舰队

俄罗斯“俄新社”7月27日报道，7月26日俄海军总司令弗拉基米尔·维索茨基宣称，2050年前俄海军司令部将打造攻守平衡的国家导弹核舰队。2050年前俄打造舰队主要基于以下考虑：第一，舰队应当是攻守平衡的导弹核舰队，第二，舰队应当符合国家利益和国家的经济能力。不能只侧重于建造舰艇和潜艇。应当协调发展。俄不仅要建造舰艇，而且要建立作战系统，将打造拥有作战系统、综合体、舰艇、飞机、反导、水下环境的综合性舰队。作战系统应当无可争辩地被列入俄联邦军队发展概念。

俄西伯利亚军区开始首长司令部演习

俄罗斯“国际文传电讯”网站明11日报道，俄西伯利亚信息和公共关系处处长瓦列里·谢布拉宁上校称，俄西伯利亚军区从8月10日开始举行2009年最大的合成军团部队指挥首长司令部演习。演习总指挥由军区司令亚历山大‘波斯特尼科夫上将担任。演习是对军区转型过程中组建的战役战术指挥机关的首次全面实际检查。演习想定：清除布里特亚共和国、外贝加尔边区和伊尔库茨克州境内经济和技术灾难的后果。军方称，采取有效措施抗击恐怖主义，清除非静情况后果和处置与运输烃原料相关问题是此次演习的重头戏。2009年3月举行过西伯利亚大规模军事演习。该演习也是俄军转型过程中的首次演习，具有研究性质。

俄空军将撤销空军和防空军集团军

俄罗斯“俄新社”网站8月13日报道，俄空军新体制规定撤销空军和防空军集团军并组建新司令部。俄空军司令亚历山大泽林称，军事改革的结果将是组建战役战略空中-空间防御司令部，远程和军事运输航空兵战役司令部，以及空军和防空军司令部。新司令部结构将最大限度地接近战时战斗指挥群的结构和构成。这将保障有效遂行主要任务：统一制定计划和对所辖兵力行动实施直接战役指挥，根据统一意图和计划协调使用兵力。

吉尔吉斯建议在离南部边境更近的地方建立俄罗斯新基地

俄新社网站2009年8月6日报道，吉尔吉斯驻俄罗斯大使拉伊姆霹尔-阿塔库罗夫称，吉尔吉斯希望俄驻吉尔吉斯的军人部署在离共和国南部边境更近的地方，以阻断来自阿富汗麻醉品的过境通道。这将有利于打击恐怖主义和麻醉品走私分子。众所周知，吉尔吉斯与阿富汗不直接接壤，但经过吉尔吉斯邻国可以将麻醉品过境至俄罗斯欧洲等地。俄罗斯基地是否会部署在奥什市或巴特肯州的问题目前尚无定论。塔什干表示反对俄新军事基地部署在吉尔吉斯南部，并认为新基地的出现可能会导致地区形势不稳定。8月1日俄罗斯与吉尔吉斯总统签署了在奥什部署俄罗斯1个营的协定，11月1日之前将签署总协定，协定中将确定部署俄军事基地的各项数据及其位置。

2010年俄将拨款4700亿卢布装备部队

俄罗斯“俄新社”8月10日报道，2010年俄将拨款4700亿卢布用于购买武器并装备部队。这些经费主要用于研制空间装备和导弹空间防御装备，完成国防部与军事工业委员会签署的长期合同，保持各种力量的技术储备，支持军队现代化建设，其中包括黑海舰队增购现代化航空技术装备，通信设备等。比如，2010年俄拟购买“伊斯堪德尔－M”战术导弹和Kh－102巡航导弹、舰艇和潜艇，以及“苏－27SK”、“苏-30MK2”、“苏-34”和“苏-35”飞机等。

俄“海豹”号潜艇开始第2次试验

俄罗斯“俄新社”7月31日报道，“海豹”号核潜艇工厂试验第2阶段将于7月31日开始并持续不少于2周时间。由阿穆尔造船厂建造的“海豹”号核潜艇7月份驶入日本海进行第1阶段第2次航行试验，该试验已经结束。此前，这艘尚未列装海军的潜艇于2008年11月进行了试验。结果因系统故障造成20人死亡，21人住院。目前潜艇位于大卡缅“东方”厂码头。参与“海豹”号建造的莫斯科和圣彼得堡专家也将参加潜艇试验。“海豹”号核潜艇(K-152，“狗鱼”级)属于第3代潜艇，于1991年在工厂铺放龙骨。该艇排水量8140／12770吨，最大航速30节，最大下潜深度600米，自持力100昼夜，载员73人。武器包括4具533毫米鱼雷发射管，4具650毫米鱼雷发射管。预计今年年底前将以租借的方式转交给印度海军。

俄空军将组建不少于2个“米格－35”航空大队

俄罗斯“俄新社”8月3日报道，俄国防部负责购买武器的消息灵通人士7月31日透露称，俄军事当局正在研究采购“米格－35”多用途歼击机方案，2015年前将配备不少于2个“米格－35”歼击机航空大队。购买“米格－35”歼击机是国家长远武器计划所规定的。今年可能签署这笔购买战机的合同。俄国防部与俄联合航空制造公司正在讨论购买计划的细节问题。俄国防部将购买20～30架“米格－35”。据厂家消息称，“米格-35”多用途歼击机属于4＋＋代飞机，是“米格－29K”和“米格－29M”战机的发展型。它具有最优良的作战效能、通用性和使用性能。

2011年俄将在普列谢茨克航天发射场建成“安加拉”火箭发射装置

俄罗斯媒体8月10日报道，2011年俄将在普列谢茨克航天发射场建成功能完善的“安加拉”火箭发射装置。尽管减少了对普列谢茨克改造工程的资金投入，但按照今年的计划将会提前完成“联盟－2”和“安加拉”设施的工作任务。目前已经开始安装“安加拉”发射装置的服务塔。前不久安装完成了1个主要结构设备——发射台，同时还完成了航天发射场导航系统的安装工作。根据政府命令，“安加拉”发射装置工程将于2011年完成。

俄海军开始量产数字制图信息自动化保障系统

俄罗斯“俄新社”7月31日报道，俄海军数字制图信息自动化保障系统顺利通过国家试验并开始投入量产。该系统是根据俄国防部导航和海洋志总局订单研制的。该系统可用于近实时向舰艇和海军部队核准、保存、规定和传送电子制图数据。数字制图信息自动化保障系统包括海军数字制图信息自动化保障中心自动化设备，舰队和独立区舰队(波罗的海、北方、黑海和太平洋舰队，堪察加和里海区舰队)数字制图信息保障自动化设备，以及舰艇制图信息保障设备。研制制图信息自动化保障系统可以保障形成数字制图、文件导航信息，井将信息与数据直接传送到需求目标(舰艇、船只和海上指挥所)。该系统将有助于从根本上提升航行导航水文地理保障水平、提高航行的安全性。

俄黑海舰队进行潜艇试验

俄罗斯纽带网站2009年8月7日报道，俄舰队新闻与公共关系处称，黑海舰队唯一一艘潜艇——“阿尔