关键词：军事应用；红外焦平面阵列；机载战术侦察；反巡航导弹；夜视；吊舱；多功能头盔；精确制导；拦截弹；全景
中图分类号：TP212.14 文献标识码：A
一、前言
刚 结束的伊拉克战争再次显示了现代战争中高技术的重要性，敌对双方的力量对比再一次突显在投入军事装备的技术含量上，由此决定了谁取得了战争中的优势地位。 毫无疑问，这一特点在未来战争中将更加明显，并会成为不可阻挡的发展趋势。美英联军一是靠高性能的空间侦察卫星、U-2高空侦察机和“食肉者”武装侦察机 等获取伊拉克地面的目标信息，二是靠先进的导弹、炸弹对所定目标精确打击（包括两次“斩首”行动），三是靠新一代的夜视装备夜间行军作战，迅速而轻易地取得了这场战争的胜利。在这场战争的高技术装备中，红外热成像设备是非常突出的一种。而且，因为使用了新一代的红外焦平面阵列热成像技术，美军现在的这一技术装备已比以前的“沙漠风暴”和“沙漠之狐”行动以及在南联盟科索沃战争时更为先进，优势也更为突出。
显 然，红外焦平面阵列技术必将成为评估未来战争中取得胜利的重要参数。我们根据目前世界上红外焦平面阵列技术的发展现状与趋势评述了红外焦平面阵列技术在信 息获取、夜视装备、光电子对抗—反巡航导弹和精确打击等方面的最新应用，着重于介绍了国外先进国家，特别是美军相关新军事装备的研制、发展和应用情况。
二、满足军事应用的红外焦平面阵列技术进展
军 事应用对装备提出了苛刻的条件要求：重量轻、体积小、稳定性好、适应不同的工作环境温度、全天候特别是黑夜条件下的应用，可靠性高等。红外探测器技术一直 在围绕着上述要求不断完善自身，而今天的红外焦平面阵列技术已基本满足了上述的苛刻要求，并极大地提高了军事装备在战争中的威力和作用。
目前的红外焦平面阵列技术已具备了以下的特点：
<!--[if !supportLists]--> 1、 <!--[endif]--> 在高温下工作
从 军事应用的角度来讲，不受环境温度变化影响和制约的装备易于获得稳定的性能，因而极受欢迎。目前的光量子类红外焦平面阵列，如PtSi、Nibs、 HgCdTe和GaAlAs/GaAs量子阱等都是已投产和准备投产的品种。为获得良好的系统性能，它们都要求在低温致冷状况下工作，用杜瓦瓶液氮致冷或 小型斯特林致冷
2、高像素分辨率
高像素分辨率是军用系统中最优先要考虑的重要因素，因为这涉及到系统一系列性能参数的好坏。目前的红外焦平面阵列像素分辨率极高，不但有第二代TDI工作 模式的阵列，而且像640×480、1024×1024和2048×2048元的凝视阵列业已投产，如PtSi、InSb和HgCdTe与GaAlAs阵 列；同时，分辨率为320×240、640×480的非致冷红外焦平面阵列已投产或准备投产，1024×1024元阵列已在发展中，非致冷阵列在制作工艺上已趋于成熟。
3、高的NETD性能
焦平面阵列的NETD值是评价系统性能的关键性能参数。目前，光量子类红外焦平面阵列的NETD值范围通常在0.1K ~0.01K，使用f/2光学透镜时，InSb、GaAlAs和HgCdTe的第Ⅱ代320×256元阵列和第Ⅲ代1024×768元阵列的NETD值都可达到0.01K，适合于高性能的系统应用，而非致冷热型红外焦平面阵列NETD为0.1℃，满足了中低档的军用装备应用。
4、双波段和多波段阵列
双色和多色红外焦平面阵列是该技术发展的一个重要方向，这种技术属于下一代的阵列技术，在军事方面具有极为重要的意义。GaAlAs/GaAs量子阱红外 光电探测器焦平面就是该技术的代表，其双波段的阵列规模已达到640×512单元，而目前一些大公司和研究所正在合作研发1024×1024 单元阵列，如NASA的喷气推进实验室（JPL）和麻省理学院林肯实验室合作研发的1024×1024元水平集成四色QWIP阵列，目前工作温度约为 77K，未来将有可能达到120K，像素尺寸20mm~25mm。这个项目起初是JPL和林肯实验室研制的，后来一些大型军火商集团和军方研究所也迅速介 入，如雷声、洛克希德·马丁和洛克威尔科学中心等以及陆军、空军和海军的研究实验室，组成了一个强大的研制、发展和生产集团，并取得了显著的成果。
三、红外焦平面阵列技术的军事装备应用新动向
随着近几年来红外焦平面阵列技术飞速的发展，其在军事装备中的应用从中低级向高级方向发展，从过去不是很受欢迎的“烫手山芋”发展成开始大批量装备军队的廉价小型化系统。
1、双波段和多波段红外焦平面阵列机载战术侦察系统[1、2]
今 年伊拉克战争的结局再一次证明，从空中昼夜获取战场情报信息，对获取战场的主动权，夺取战争的胜利是极为重要的。采用机载光学成像技术直接从空中获取地面 上的信息，对地面目标进行侦察监视这种方法已有有几十年的时间，美国军方一直强烈地依赖于这一手段获得准确的情报，其U-2、P-3和近几年出现的“食肉 者”侦察机就是这种应用的典型实例。U-2飞机上装有高分辨率的摄像系统，可获得地面目标的高分辨率清晰图像，其侦察范围沿飞行航线纵深可达数十公里的大 面积地区，为指挥机关和作战部队提供了极为直观的准确情报。美、英、法等国军队一直很重视发展这种先进的战术机载成像侦察监视系统，从越南战争到波斯湾战 争，仅美国海军就有500多架RF-4侦察机，迄今为止仍有100多架RF-4鬼怪式侦察机在世界各地服役，特别是最近几年美军发动的几场战争中，如南联 盟科索沃、阿富汗和这次中东伊拉克战争，美军的机载战术侦察技术发挥得淋漓尽致，在夺取战争的主动权方面起了至关重要的作用。
美 军已成功研制出机载战术双波段监视侦察系统，其优点是能在存在杂乱回波的情况下识别和分辨出目标。现代战争中，己方为对抗红外探测往往采用施放烟雾、伪装 和发射照明弹等措施，而双波段成像技术能有效地对付这些对抗措施，分辨出真目标和假目标或诱饵。美国陆军研究实验室、空军研究实验室和海军研究实验室、 Recon-Optical公司、Eastman柯达公司、洛克希德-马丁、喷气推进实验室和巴恩斯（Barnes）工程公司等都在加紧发展这种红外双波段摄像传感器及其整机和系统技术，并已取得了极大的进展。
目前为止，在实现双波段红外摄像方面采取的途径中最为成功的是GaAlAs/GaAs量子阱红外光电探测器（QWIP）阵列，许多机构都把目光投向这种技 术，已研制出256×256、320×240、640×512等类型，目前正在研发的是1024×1024型，这种阵列的工作温度将高达120K。
图1是用GaAlAs/GaAs双波段MWIR/LWIR QWIP阵列摄取的M60坦克图像，左图为长波图像，而右图为中波图像，坦克排放气体和混凝土在中波图像中分辨得更清楚，而对泥路和车体用长波分辨能力更强。 
另外，用大型可见光CCD摄像阵列与PtSi或InSb红外焦平面阵列研制出的双波段摄像机也具有很好的性能。Recon/Optical公司及其合作伙 伴柯达公司为美军研制的CA-270双波段摄像机采用1968×1968像素PtSi肖特基硅红外焦平面阵列，其量子效率高达7%，NETD为0.1℃， 并在2001年间由海军研究实验室在华盛顿进行的飞行测试中获得了令人满意的效果。2001年10月用装在F/A-18C/F飞机上的该装置摄取了五角大 楼的照片，图2就是这次拍摄获得的照片。
不仅如此，海军实验室2001年12月再次把CA-270机安装在P-3飞机上进行测试，飞行高度10000英尺，摄得的华盛顿可见光和红外图像都极为清晰，如图3所示。
CA-270采用了2500万像素的CCD阵列和3mm-5mm波段的400万像素红外焦平面阵列，能实现可见光和红外图像融合。目前，更为先进的CA-295双波段机载战术侦察系统正在研制当中，表1为CA-295系统的主要设计性能指标。图4为CA-295的设计图。[JF:Page]
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GaAlAs QWIP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SOFRADIR 288×4元的HgCdTe TDI IRCCD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HgCdTe TDI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AS TRID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兵部队都装备了新的轻型头盔，如 特种兵司令部的特种部队、空军特种部队、海军特种部队侦察队，82空降师的一个旅和海军“海豹”突击队等，共计约20万顶。由于美军非常重视部队的夜间作 战能力，第三步兵团中每个连甚至配备了三种夜视仪，其中大多数夜视仪都是最新研制和生产的AYPVS-14型夜视仪[10]，其每套价格为3000美元，既可供步兵使用，又可用于装甲车辆。
美国凯泽电子公司为美陆军RAH-66科曼契侦察直升飞机研制的头盔集成显示瞄准系统（HIDSS）是现有HIDSS中最典型的头盔，带固体高分辨率矩阵LCD显示器（1280×1024像素），响应时间9ms，视场35°×52°，已于2002年10月进行了飞行试验。该头盔还带有通信装置。图6是Kaiser电子公司为美军驾驶员研制的多功能头盔夜视仪。
瑞 典的Saab与美DIOP公司一同研制的CybtrDisplay640M型头盔集成了热摄像仪，用于Bill2反坦克导弹夜间瞄准器。此外，DIOP还 在生产HH750手提式热像仪和TADS850热瞄准器，这两种产品均采用320×240像素的长波非致冷微测热辐射计焦平面阵列。
目前，Saab Bill红外摄像机（BIRC）采用320×240单元探测器阵列，带14.1°和4.7°的双视场望远镜，对目标探测距离为15km以上，识别距离4km，分辨距离2km。正在研制的双色QWIP红外焦平面阵列摄像机，其NETD高达0.016K(f/1.5光学)，可把其光谱响应波段调得很窄避免10.6mm工作的CO2激光器致盲。
四、结语
显 然，红外焦平面阵列技术将会对未来战争产生十分重要而深远的影响。美、日、俄、英、法、德、加拿大、荷兰等国家正在加紧红外焦平面阵列技术的升级工作，以 实现用新技术装备军队的目标。因此，了解、掌握和开发出自己的红外焦平面阵列技术，将是我国科技工作者担负的重要责任。
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Application Of IRFPA Technology in the New Military Equipment
Abstract: The developing IRFPA technology is found great interest in the field of military affairs and munition. Now, the effect of IRFPA technology on renewal of the military equipments is changing the operational features and concept of the modern battlefield. The development of IRFPA technology and the important application in the military equipments are reviewed.
Keywords: military application; IRFPA; airborne tactical reconnaissance; anti-cruise missile; multifunctional helmet; precise guidance; intercept missile; panoramic scanning
作者简介：
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刘俊刚，研究员，副所长，1982年毕业于四川大学半导体物理专业，获理学学士学位。长期从事红外焦平面阵列和CCD技术研究及管理工作。
欧代永，硕士，高级工程师，主要从事科技情报信息管理、研究和计算机应用等方面的工作。
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