引言

紅外熱成像技術(shù)在軍事上有著重要的應(yīng)用，已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的關(guān)鍵技術(shù)。國(guó)內(nèi)外都非常重視紅外成像技術(shù)的發(fā)展，半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，紅外成像技術(shù)在偵察、監(jiān)視、瞄準(zhǔn)、射擊指揮和制導(dǎo)等方面的應(yīng)用要求越來(lái)越高，許多國(guó)家為加強(qiáng)自身防御能力和提高夜戰(zhàn)水準(zhǔn)，不僅把熱成像技術(shù)作為現(xiàn)代先進(jìn)武器裝備的重要技術(shù)納入國(guó)防發(fā)展戰(zhàn)略，而且加大研制經(jīng)費(fèi)。紅外熱成像技術(shù)在軍事和民用上都得到了迅猛發(fā)展。

一、紅外熱成像技術(shù)

1、概念：

紅外熱成像技術(shù)是以接收景物自身各部分輻射 的紅外線(xiàn)來(lái)進(jìn)行探測(cè)，利用景物自身各部分輻射的差異獲得圖像的細(xì)節(jié)，其實(shí)質(zhì)是一種波長(zhǎng)轉(zhuǎn)換技術(shù)，即把紅外輻射圖像轉(zhuǎn)換為可視圖像的技術(shù)，同時(shí)，由大氣透紅外性質(zhì)和目標(biāo)自身輻射所決定，紅外熱成像技術(shù)通常采用3～5 μm和8～14 μm兩個(gè)波段內(nèi)工作。

2、特點(diǎn)：

熱成像技術(shù)既克服了主動(dòng)紅外夜視需要依靠人工熱輻射，并由此產(chǎn)生容易自我暴露的缺點(diǎn)，又克服了被動(dòng)微光夜視完全依賴(lài)于環(huán)境自然光和無(wú)光不能成像的缺點(diǎn)；紅外熱成像儀器和系統(tǒng)具有透過(guò)煙、霧、塵、雪以及識(shí)別偽裝的能力，不受戰(zhàn)場(chǎng)上強(qiáng)光、眩光干擾

而致盲，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離、全天候觀(guān)察。這些特點(diǎn)使它特別適合于軍事應(yīng)用，正因?yàn)槿绱�，一些技術(shù)發(fā)達(dá)的國(guó)家，特別是美、英、法、俄等國(guó)競(jìng)相研究熱成像技術(shù)，以巨大的人力、物力進(jìn)行開(kāi)發(fā)，發(fā)展十分迅速。

二、紅外探測(cè)器

熱成像技術(shù)的發(fā)展過(guò)程是與紅外探測(cè)器的發(fā)展密切相關(guān)的，可以說(shuō)紅外探測(cè)器是熱成像技術(shù)的核心，探測(cè)器的技術(shù)水平?jīng)Q定了熱成像的技術(shù)水平。

1、典型規(guī)模：

目前，紅外探測(cè)器通常被分為三代：  第一代以分立型為主，元數(shù)在103元以下。有線(xiàn)列和小面陣結(jié)構(gòu)，代表產(chǎn)品有：美國(guó)的60元、120元、180元光導(dǎo)HgCdTe器件；法國(guó)5×11元光伏HgCdTe器件；英國(guó)4條(或8條)掃積型HgCdTe器件等；  第二代為掃描型和凝視型焦平面結(jié)構(gòu)，在美國(guó)出現(xiàn)LADAⅠ、LADAⅡ、LADAⅢ型陣列應(yīng)用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的焦平面陣列，規(guī)模在103～106元，其代表產(chǎn)品有4×240元，4×480元和256×256元，320×240元等；  第三代以凝視型為主，規(guī)模在106元以上，且強(qiáng)調(diào)雙波長(zhǎng)(雙色)或多波長(zhǎng)(多色)響應(yīng)和更強(qiáng)的智能化邏輯處理功能，以及價(jià)格較低的非制冷焦平面陣列等。  30多年來(lái)，紅外探測(cè)器技術(shù)經(jīng)歷了第一代向第二代的演變，目前，正在由第二代陣列技術(shù)向第三代微型化高密度和高性能紅外焦平面陣列技術(shù)的方向發(fā)展。國(guó)內(nèi)外各有關(guān)公司廠(chǎng)家研究機(jī)構(gòu)著眼于未來(lái)的市場(chǎng)需求，現(xiàn)已把注意力轉(zhuǎn)向第三代紅外焦平面陣列探測(cè)器的發(fā)展上。

2、第三代紅外探測(cè)器：

從以上規(guī)�？梢钥闯觯�探測(cè)器發(fā)展到先進(jìn)的第三代成像探測(cè)器，其性能指標(biāo)都要求高，按照西方第三代成像傳感器系統(tǒng)的概念，紅外探測(cè)器按戰(zhàn)技術(shù)性能可大致分為3類(lèi)：

A、微型探測(cè)器：

(1) 像素尺寸：320×240像元時(shí)為25 μm，640 x512像元時(shí)為17um；

(2) 陣列規(guī)模：320×240像元，可發(fā)展到640×512像元與1024 x768像元；  

(3) 噪聲等效溫差：<50 mK；

(4) 輸入功率：<10 mW；

(5) 質(zhì)量：<28 g；

(6) 尺寸：<32.8 cm3；

(7) 成本：一次性使用。

B、高性能非制冷探測(cè)器：

(1) 像素尺寸：25 μm×25 μm；  

(2) 陣列規(guī)模：1 000×1 000像元；  

(3) 噪聲等效溫差：<10 mK (F/1時(shí))，<60 mK (F/2.5時(shí))。

C、兆像素級(jí)、多色制冷探測(cè)器：

(1) 譜帶：短波/中波紅外，中波/中波紅外(熱電制冷到180 K)；短波/長(zhǎng)波紅外，中波/長(zhǎng)波紅外，長(zhǎng)波/長(zhǎng)波紅外(制冷到120 K)；短波/中波/長(zhǎng)波紅外(制冷到120 K)；

(2) 像素尺寸：18 μm×18 μm；

(3) 陣列規(guī)模：1 000×1 000像元，1 000×2 000像元，2 000×2 000像元；

(4) 噪聲等效溫差：<1 mK (F/2，長(zhǎng)波紅外)，<5 mK (F/2，中波紅外)；

(5) 109的電子阱容量；

(6) 自適應(yīng)幀速(最高480 Hz)；  

(7) 芯片上A/D轉(zhuǎn)換和非均勻修正，空間非均勻性<0.5×噪聲等效溫差。

3、新型探測(cè)器：

從以上第三代探測(cè)器的性能指標(biāo)可以看出：兆像素級(jí)、多色制冷探測(cè)器，高性能非制冷探測(cè)器，以及低成本微型非制冷探測(cè)器是重要的發(fā)展方向。

A、制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探測(cè)器

制冷型HgCdTe(MCT)焦平面探測(cè)器已出現(xiàn)1 024×1 024像素的器件，目前發(fā)展的重點(diǎn)是多色(或多波段)焦平面探測(cè)器，多色陣列采用單片二維陣列，每個(gè)紅外像素都由兩個(gè)或多個(gè)相互重疊或相鄰的光敏元組成，正在開(kāi)發(fā)的多色焦平面探測(cè)器由MCT紅外探測(cè)器和由GaAs/AlGaAs等Ⅲ-Ⅴ族材料制作的量子阱紅外探測(cè)器(QWIP)。  

多波段焦平面探測(cè)器的有利之處在于提高系統(tǒng)探測(cè)真假目標(biāo)的能力，減輕探測(cè)器的質(zhì)量，減少光學(xué)系統(tǒng)以及復(fù)雜的精密穩(wěn)定校準(zhǔn)系統(tǒng)，但多波段的成本也是目前應(yīng)用的問(wèn)題之一。

B、非制冷焦平面探測(cè)器

非制冷焦平面探測(cè)器的發(fā)展非常迅速，且在多個(gè)國(guó)家均取得了技術(shù)的突破，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，目前的技術(shù)發(fā)展表現(xiàn)出以下幾個(gè)特點(diǎn)：

(1) 320×240像元非制冷焦平面。通過(guò)提高探測(cè)器靈敏度和減小探測(cè)器尺寸，對(duì)于在輕武器瞄具、紅外尋的器、手持紅外觀(guān)察儀等單兵設(shè)備的推廣應(yīng)用上具有重要的作用；

(2) 160×120像元非制冷焦平面。目前多個(gè)公司均推出了自己的小陣列非制冷焦平面探測(cè)器，其重要應(yīng)用是制導(dǎo)傳感器以及分布式傳感器系統(tǒng)，由于價(jià)格的減低，可以擴(kuò)展系統(tǒng)的應(yīng)用面，但目前表現(xiàn)出與320×240像元非制冷焦平面的價(jià)格差未達(dá)到預(yù)期的目的；  

(3) 640×480像元非制冷焦平面。更細(xì)小目標(biāo)或更遠(yuǎn)目標(biāo)的探測(cè)和識(shí)別，可探測(cè)約3900 m處的行人，可裝備未來(lái)戰(zhàn)斗系統(tǒng)的高端瞄準(zhǔn)具。

三、紅外熱成像的軍事應(yīng)用

隨著熱成像技術(shù)的發(fā)展，使它在國(guó)民經(jīng)濟(jì)、生產(chǎn)建設(shè)、科學(xué)研究以及國(guó)防軍事等眾多方面有著廣泛的應(yīng)用，其在軍事上應(yīng)用也已涉及到紅外警戒、跟蹤、瞄準(zhǔn)以及制導(dǎo)的各個(gè)方面，以下就紅外焦平面列陣器件在世界先進(jìn)軍事技術(shù)中的重要應(yīng)用作一簡(jiǎn)述。

1、彈道導(dǎo)彈防御：

美國(guó)的彈道導(dǎo)彈防御（BMD）計(jì)劃是當(dāng)前國(guó)際上廣泛關(guān)注的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題，BMD計(jì)劃針對(duì)敵方導(dǎo)彈在發(fā)射助推段、大氣層外彈道飛行段和再入大氣層段這三個(gè)階段的不同特點(diǎn)，采取不同的方法，建立多層次的、全程的攔截體系。在這種攔截體系中，紅外焦平面列陣成像技術(shù)扮演著一種核心的角色，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面。  

A、全球性監(jiān)視。在敵方導(dǎo)彈發(fā)射的初始階段，就探測(cè)到其位置和數(shù)量，主要依靠部署在空間的預(yù)警衛(wèi)星進(jìn)行。  

B、跟蹤和鑒別。在敵方導(dǎo)彈發(fā)射的初始階段和彈道飛行階段，鑒別真、假目標(biāo)并跟蹤其軌跡。

C、識(shí)別和制導(dǎo)。在己方發(fā)射的攔截導(dǎo)彈上，以紅外成像方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別和精確的導(dǎo)，命中摧毀敵彈。

2、常規(guī)導(dǎo)彈武器：

采用紅外成像制導(dǎo)可使導(dǎo)彈獲得更遠(yuǎn)的全向探測(cè)距離和識(shí)別，對(duì)抗紅外誘餌等人工干擾的能力，大大提高導(dǎo)彈威力，而且也使其成為對(duì)付隱形飛機(jī)等的“殺手锏”，也是熱成像技術(shù)在軍事應(yīng)用中的重中之重。

A、典型的紅外熱成像制導(dǎo)導(dǎo)彈

隨著紅外成像技術(shù)的快速發(fā)展，世界各國(guó)相繼研制了多種紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈。如美國(guó)的毒刺改進(jìn)型 (Stinger Post和Stinger RMP)，斯拉姆AGM284E遠(yuǎn)程攻擊型導(dǎo)彈，蘇聯(lián)的SAM213和法國(guó)的西北風(fēng)改進(jìn)型, 美國(guó)幼畜AGM265D /F空地、空艦導(dǎo)彈，法國(guó)MICA導(dǎo)彈（紅外型），英國(guó)ASRAAM導(dǎo)彈，德國(guó) IRIS-T導(dǎo)彈，美國(guó)AIM-9x導(dǎo)彈，其中，美國(guó)的AIM-9x近距空空導(dǎo)彈是美國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的最新型空空導(dǎo)彈。

應(yīng)用凝視紅外焦平面陣列成像技術(shù)的典型代表有德、英、法合研的遠(yuǎn)程崔格特導(dǎo)彈、美國(guó)的標(biāo)槍便攜式反坦克導(dǎo)彈以及戰(zhàn)區(qū)高空防空導(dǎo)彈THADD等。

B、先進(jìn)反裝甲導(dǎo)彈系統(tǒng)：

在紅外焦平面技術(shù)發(fā)展初期，最先成功應(yīng)用的領(lǐng)域是反裝甲導(dǎo)彈系統(tǒng)的熱瞄準(zhǔn)器和精確制導(dǎo)尋的器，美國(guó)和歐洲的一些主要先進(jìn)反裝甲導(dǎo)彈計(jì)劃，現(xiàn)已處于裝備、服役階段，主要有美國(guó)“標(biāo)槍”Javelin導(dǎo)彈系統(tǒng)，歐洲第三代遠(yuǎn)程反坦克導(dǎo)彈（TriGAT-L，又名ATGW-3），美國(guó)“獄火”導(dǎo)彈（Hellfire）。

3、軍用紅外熱成像儀

紅外熱成像儀是應(yīng)用最廣泛的紅外裝置，而在熱成像技術(shù)的發(fā)展初期，只能研制出基于單元器件的熱像儀，場(chǎng)頻較低，只限于小范圍應(yīng)用。直到20世紀(jì)70年代中長(zhǎng)波碲鎘汞(MCT)材料與光導(dǎo)型多元線(xiàn)列器件工藝成熟之后，熱像儀才開(kāi)始大量生產(chǎn)并裝備軍隊(duì)，發(fā)展很快，種類(lèi)繁多。第一代軍用紅外熱成像儀大都采用MCT的60、120和180元線(xiàn)列“通用組件”制造的前視紅外系統(tǒng)，即FLIR，它占紅外軍事應(yīng)用的50％以上，而到90年代，性能更高的第二代熱成像儀SADA應(yīng)運(yùn)而生，即美國(guó)陸軍標(biāo)準(zhǔn)先進(jìn)杜瓦組件，SADAⅠ為240×2長(zhǎng)波MCT TDI掃描焦平面，SADAⅡ?yàn)?480×6（以及480×4）長(zhǎng)波MCT TDI掃描焦平面，使用SADAⅡ的第二代熱成像儀比使用180元通用組件的第一代熱成像儀的探測(cè)距離提高了一倍，且如果是凝視型焦平面熱像儀具有更多的優(yōu)點(diǎn)，小巧、堅(jiān)固、可靠、省電、靈敏度更高，640×480元InSb凝視焦平面熱成像儀探測(cè)距離是通用組件的4倍。  

SADAⅡ已廣泛用于各種機(jī)載，艦載和車(chē)載的熱像儀和搜索跟蹤系統(tǒng)中，如Bradley戰(zhàn)車(chē)，Abrams M1坦克，Comanche裝甲，而美國(guó)的超級(jí)戰(zhàn)機(jī)F-22，V-22和F-18都使用了凝視型的焦平面熱成像儀。

4、空間紅外熱成像

目前，紅外熱成像的空間應(yīng)用主要有3方面：環(huán)球表面監(jiān)測(cè)，行星和空間探索以及軍事事件的監(jiān)視。自1960年第一顆氣象衛(wèi)星上天，到美國(guó)最為先進(jìn)的空間紅外望遠(yuǎn)鏡Spitzer發(fā)射，紅外熱成像技術(shù)在空間的應(yīng)用也是發(fā)揮的淋漓盡致。

四、紅外熱像儀的發(fā)展趨勢(shì)

紅外熱成像技術(shù)的發(fā)展以紅外探測(cè)器的發(fā)展為標(biāo)志，可以從紅外探測(cè)器的發(fā)展來(lái)推斷其發(fā)展趨勢(shì)： 近期應(yīng)以“二代”焦平面陣列的實(shí)用化，批量生產(chǎn)，大量裝備為重點(diǎn)，解決各種不同功能要求的圖像處理和智能化、自動(dòng)化問(wèn)題，提高非制冷焦平面陣列規(guī)模和水平，與應(yīng)用密切配合，解決應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題；發(fā)展應(yīng)圍繞“第三代”焦平面陣列，著重基本技術(shù)問(wèn)題的研究解決，包括外延材料生長(zhǎng)大規(guī)模高密度器件工藝、非均勻性校正、可低溫工作的信號(hào)處理電路、互聯(lián)耦合技術(shù)、測(cè)試評(píng)價(jià)技術(shù)、圖像處理和智能化等技術(shù)關(guān)鍵問(wèn)題，以縮小整機(jī)體積，并增強(qiáng)功能；進(jìn)一步應(yīng)探索新型材料器件的研究開(kāi)發(fā)，從能帶工程出發(fā)，設(shè)計(jì)研究新型焦平面陣列材料和器件；竭力提高成品率，降低價(jià)格，擴(kuò)展紅外熱成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域及應(yīng)用價(jià)值。

總之，熱成像技術(shù)將會(huì)借助探測(cè)器技術(shù)發(fā)展的東風(fēng)迅猛發(fā)展。

五、結(jié)束語(yǔ)

紅外熱成像技術(shù)歷經(jīng)多年的發(fā)展，已從當(dāng)初的機(jī) 械掃描機(jī)構(gòu)發(fā)展到了今天的全固體、小型化、全電子、自?huà)呙枘�視攝像，特別是非制冷技術(shù)使紅外熱成像技術(shù)從長(zhǎng)期的主要軍事目的擴(kuò)展到諸如工業(yè)監(jiān)控測(cè)溫、執(zhí)法緝毒、安全防犯、醫(yī)療衛(wèi)生、遙感、設(shè)備先期性故障診斷與維護(hù)、海上救援、天文探測(cè)、車(chē)輛、飛行器和艦船駕駛員用夜視增強(qiáng)觀(guān)察儀等廣闊的民用領(lǐng)域，紅外熱成像技術(shù)正走向輝煌，同時(shí)，我們應(yīng)清醒的認(rèn)識(shí)到，紅外熱成像技術(shù)，也即第三代紅外探測(cè)器已經(jīng)走上了一條充滿(mǎn)挑戰(zhàn)的發(fā)展道路，要想發(fā)展，必須解決許多問(wèn)題，以提高靈敏度，增加識(shí)別距離，降低成本，為未來(lái)的戰(zhàn)斗部隊(duì)提供新的優(yōu)勢(shì)。