[轉(zhuǎn)載]紅外探測(cè)技術(shù)在軍事航空領(lǐng)域的發(fā)展 [復(fù)制鏈接]

　　在軍事航空領(lǐng)域，對(duì)目標(biāo)的探測(cè)定位能力的更高要求已成為航空電子系統(tǒng)不斷擴(kuò)展的需求牽引之一，而現(xiàn)代隱身技術(shù)、對(duì)地攻擊武器技術(shù)的不斷發(fā)展逐步使光電探測(cè)設(shè)備的地位不斷上升。   目前隱身技術(shù)主要是針對(duì)電磁微波雷達(dá)而設(shè)計(jì)的，而對(duì)可見光或紅外光波段只能降低其可探測(cè)水平，要做到真正意義上的隱身，在短期內(nèi)技術(shù)上的難度很大。任何物體，只要其溫度高于絕對(duì)零度，就會(huì)發(fā)出紅外輻射，其他部位溫度不同，輻射率不同，就會(huì)形成物體的紅外圖像，經(jīng)過(guò)大氣傳輸，就能被紅外探測(cè)設(shè)備所探測(cè)，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換，成為人眼可觀察的圖像，這完全是被動(dòng)探測(cè)的過(guò)程。   紅外探測(cè)技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于符合隱身飛機(jī)自身高度隱蔽性的要求，即被動(dòng)探測(cè)、不輻射電磁波，而且由于工作波長(zhǎng)較微波雷達(dá)短3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，可以形成高度細(xì)節(jié)的目標(biāo)圖像，目標(biāo)分辨率高。隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，紅外探測(cè)系統(tǒng)正逐步成為新一代戰(zhàn)斗機(jī)的主要傳感器之一，與電磁微波雷達(dá)處在了同樣重要的位置。 J-~:W~Qx4N  
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　　到目前為止，紅外探測(cè)技術(shù)已發(fā)展到第四代，現(xiàn)已大批裝備的主流產(chǎn)品是采用掃描焦平面4N或6N陣列的第二代前視紅外系統(tǒng)。掃描焦平面陣列（FPA）是碲鎘汞多元線列并聯(lián)掃描技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。它不僅增加線列的單元數(shù)量，而且增加線列（行）數(shù)，形成串并掃描，同時(shí)采用多級(jí)時(shí)間延遲和積分（TDI）技術(shù)把串聯(lián)掃描同一行單元的光電信號(hào)依次延遲并相加。它采用阻抗低的光伏型碲鎘汞材料，能與硅電荷耦合器電路低耗耦合。碲鎘汞多元焦平面陣列與硅電荷耦合器中間由銦柱連接形成夾層結(jié)構(gòu)從而制成混成雙片焦平面陣列紅外探測(cè)器。 qmbhx9V   
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    目前美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、英國(guó)等已經(jīng)研制出48×4、288×4、480×4、和960×4元光伏型碲鎘汞掃描焦平面陣列，美國(guó)主張?jiān)诘诙�代前視紅外中采用480×4元，歐洲則采用288×4元。掃描焦平面陣列已經(jīng)成熟并列入RAH－66"科曼奇"直升機(jī)等計(jì)劃，開始在第二代前視紅外以及紅外成像導(dǎo)彈尋的器和紅外搜索跟蹤系統(tǒng)中應(yīng)用。其分辨率較第一代前視紅外增加了 50％～60％，探測(cè)距離更遠(yuǎn)，在惡劣氣象條件下的工作也更有效。掃描焦平面陣列的優(yōu)點(diǎn)在于降低了噪聲等效溫差（NETD）和最小可分辨溫差（MRTD），因而使前視紅外的探測(cè)距離增大了50％甚至一倍。但是，它的探測(cè)單元數(shù)量仍然不夠多，滿足不了全視場(chǎng)成像的要求，屬于掃描線列與凝視焦平面陣列之間的過(guò)渡型。　　 ;VPYWss  
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    第三代前視紅外的標(biāo)志是凝視焦平面陣列。與前一代產(chǎn)品相比，增加了探測(cè)單元的數(shù)量，取消了光機(jī)掃描器；利用微電子技術(shù)把探測(cè)陣列和各種信息處理電路集成在一個(gè)芯片或混成在兩個(gè)芯片上，消除大量從杜瓦瓶?jī)?nèi)向外的引線；以新型中、長(zhǎng)波紅外探測(cè)材料，替代難加工且昂貴的碲鎘汞。凝視焦平面陣列被認(rèn)為是熱成像（包括前視紅外）技術(shù)的一次革命，成為第三代熱成像器的標(biāo)志。在最新的機(jī)載光電探測(cè)系統(tǒng)中，已經(jīng)開始大范圍地采用第三代凝視型前視紅外，如LANTIRN2000、LITENINGⅡ等項(xiàng)目中，都采用了3～5微米的紅外焦平面器件。 l gTw>r   
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機(jī)載光電探測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是多光譜多波段的綜合以及全面的數(shù)據(jù)融合，它主要表現(xiàn)在： /m+.5Qz9)@  
　　 ● 多光譜多波綜合，隨著雙色甚至三色紅外成像器件大規(guī)模的應(yīng)用，多個(gè)波段同時(shí)工作已成為可能，也為進(jìn)一步的圖像融合、自動(dòng)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別、自動(dòng)攻擊與防衛(wèi)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。 S| l%JM^  
　　 ● 光電探測(cè)系統(tǒng)受其工作原理的限制，在某些戰(zhàn)場(chǎng)條件如塵埃、煙霧等情況下，工作性能下降，而目前電磁微波雷達(dá)的技術(shù)進(jìn)步也同樣是日新月異的，將兩種不同類型、不同工作原理的探測(cè)技術(shù)互相綜合，在信息處理上實(shí)現(xiàn)真正地融合，是大幅度提高機(jī)載探測(cè)能力的必由之路。 -KiI&Q  
　　 ● 光電探測(cè)系統(tǒng)如何在隱身飛機(jī)上實(shí)現(xiàn)是目前急需突破的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，在光學(xué)窗口的構(gòu)形、光窗材料與加工工藝等方面還有大量的工作。   機(jī)載光電探測(cè)系統(tǒng)的主要戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用范圍包括：對(duì)空目標(biāo)探索、跟蹤，對(duì)地目標(biāo)搜索、跟蹤，戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知、導(dǎo)彈來(lái)襲告警、輔助導(dǎo)航與起飛著陸等。   近期的發(fā)展趨勢(shì)是將以上各種分立系統(tǒng)綜合到一個(gè)系統(tǒng)中，共享通光口徑和信息處理資源。要實(shí)現(xiàn)光電探測(cè)的全方位、全動(dòng)態(tài)過(guò)程，一個(gè)很重要的概念是分布孔徑紅外系統(tǒng)（DAIRS）。   分布孔徑系統(tǒng)是軍用被動(dòng)光電系統(tǒng)研究領(lǐng)域的一個(gè)新概念，是21世紀(jì)軍用光電系統(tǒng)發(fā)展的新方向。DAIRS采用一組精心布置在飛機(jī)上的傳感器陣列實(shí)現(xiàn)全方位、全空間敏感，并采用各種信號(hào)處理方法實(shí)現(xiàn)地面、空中目標(biāo)探測(cè)、跟蹤、瞄準(zhǔn)，威脅告警，戰(zhàn)場(chǎng)殺傷效果評(píng)定，夜間與惡劣氣候條件下的輔助導(dǎo)航、著陸等多種功能，從而能夠用一個(gè)單一的系統(tǒng)完成目前要多個(gè)單獨(dú)的專用紅外傳感器系統(tǒng)完成的功能。DAIRS所采用的紅外傳感器使用了二維大面陣紅外焦平面陣列，直接固定在飛機(jī)結(jié)構(gòu)上，可以輸出多個(gè)波段的高幀頻圖像，取消了現(xiàn)有的前視紅外瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、紅外搜索跟蹤系統(tǒng)等所采用的高成本的穩(wěn)定瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，重量、體積、功耗和成本大大降低，而且具有高可靠性、高生存性、高可支持性的特征，完全符合新一代軍用航空電子綜合系統(tǒng)的要求。近年來(lái)美國(guó)諾斯羅普·格魯門等公司正在全力發(fā)展這種采用全新信息處理設(shè)計(jì)理念的DAIRS，已經(jīng)取得了一定進(jìn)展。 !]!J"!xg*  
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    但目前紅外探測(cè)器在分辨率等上還無(wú)法滿足對(duì)地攻擊所要求的性能，因此，仍然保留了一個(gè)單獨(dú)的瞄準(zhǔn)用前視紅外系統(tǒng)與分布孔徑紅外系統(tǒng)并列。該系統(tǒng)與激光等其他光電傳感器綜合，以實(shí)現(xiàn)目前各類機(jī)載瞄準(zhǔn)吊艙的功能。例如，在波音的JSF計(jì)劃中，安裝了雷神公司的兩個(gè)紅外傳感器系統(tǒng)，一個(gè)系統(tǒng)是分布式紅外傳感器（DIRS），用于對(duì)空目標(biāo)探測(cè)、威脅告警和戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知。第二個(gè)紅外系統(tǒng)是瞄準(zhǔn)前視紅外系統(tǒng)（Tflir），用于探測(cè)、識(shí)別和精確指示地面目標(biāo)。DIRS采用6個(gè)相同的傳感器，每個(gè)具有90度的視場(chǎng)，是圍繞JSF聯(lián)合攻擊機(jī)設(shè)置的，以提供其整個(gè)的球形覆蓋。DIRS系統(tǒng)探測(cè)導(dǎo)彈的發(fā)射，跟蹤其飛行、給出飛機(jī)受威脅的指示，并對(duì)彈著時(shí)間進(jìn)行預(yù)測(cè)。系統(tǒng)還可用作IRST傳感器提供狀態(tài)感知功能，并對(duì)系統(tǒng)球形覆蓋范圍內(nèi)的任何飛機(jī)進(jìn)行跟蹤。除狀態(tài)感知外，DIRS還為飛行員提供晝夜圖像，這些圖像被送到頭盔顯示器（HMD）顯示。第二個(gè)系統(tǒng)瞄準(zhǔn)前視紅外系統(tǒng)，采用中波凝視焦平面?zhèn)鞲衅�，并與一個(gè)激光指示／光斑跟蹤器實(shí)現(xiàn)綜合。為實(shí)現(xiàn)隱身的目的，采用了可伸縮的光學(xué)窗口。當(dāng)需要時(shí)，可伸縮的光學(xué)窗口從機(jī)腹下伸出，并迅速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)和跟蹤，還能對(duì)制導(dǎo)武器進(jìn)行引導(dǎo)。使用完之后，光學(xué)窗口縮回，保護(hù)門關(guān)閉，對(duì)雷達(dá)截面沒有影響。 }j|YX&`p  
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    諾斯羅普·格魯門公司正在為洛克希德·馬丁的JSF研制光電傳感器系統(tǒng)，它也由兩個(gè)紅外系統(tǒng)組成，一個(gè)用于周圍狀態(tài)感知，第二個(gè)主要用于瞄準(zhǔn)，但它不是僅在目標(biāo)捕獲和武器投放時(shí)工作的Tflir，而是可在執(zhí)行任務(wù)期間連續(xù)工作，還被用于監(jiān)視戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，其關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)了符合隱身要求的光學(xué)窗口。在另一個(gè)用于狀態(tài)感知的紅外系統(tǒng)中，6個(gè)紅外傳感器組成了分布式孔徑系統(tǒng)（DAS），以覆蓋空域中一側(cè)的90度的部分。 4tFnZ2x  
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    第四代前視紅外體現(xiàn)在中波和長(zhǎng)波波段的同時(shí)工作能力，最近出現(xiàn)的多量子阱紅外探測(cè)器為這種雙波段探測(cè)器提供了一種方法。具有不同光譜靈敏度的多量子阱層可以在縱向集成的結(jié)構(gòu)中生長(zhǎng)，通過(guò)在多量子阱疊層的中波紅外和長(zhǎng)波紅外部分產(chǎn)生分開的接觸層，實(shí)現(xiàn)了精確的像元匹配。多量子阱技術(shù)為人們提供了一種容易生產(chǎn)的多色焦平面陣列。這種技術(shù)允許人們對(duì)兩種或者更多的顏色同時(shí)進(jìn)行積分和讀出，每一種顏色都在同一個(gè)焦平面陣列上得到像元配準(zhǔn)。這種像元配準(zhǔn)多色焦平面陣列提高了系統(tǒng)的性能，同時(shí)也大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)其他元件的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了現(xiàn)有多色設(shè)計(jì)中的多個(gè)焦平面陣列、掃描器、致冷器等，可降低系統(tǒng)的成本，減輕系統(tǒng)的重量，縮小體積，并能減輕計(jì)算機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，從而可以應(yīng)用于更多的軍事領(lǐng)域。

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