軍用紅外技術(shù)

日期：2013-10-30 點(diǎn)擊數(shù)：729

應(yīng)用于軍事領(lǐng)域的一項(xiàng)新興光學(xué)技術(shù)。主要研究物體紅外輻射的產(chǎn)生和傳輸特性、探測(cè)和識(shí)別規(guī)律及其應(yīng)用。

簡(jiǎn)史

1800年，英國(guó)天文學(xué)家F.W.赫歇耳發(fā)現(xiàn)了紅外線。紅外技術(shù)在軍事上的實(shí)際應(yīng)用始于 第二次世界大戰(zhàn) 期間。當(dāng)時(shí),德國(guó)研制和使用了一些紅外技術(shù)裝備,其中有紅外通信設(shè)備和紅外夜視儀，它們都屬于主動(dòng)式紅外系統(tǒng)。戰(zhàn)后，由于紅外光子探測(cè)器和透紅外光學(xué)材料的迅速發(fā)展，紅外技術(shù)的應(yīng)用引起軍事部門的重視。此后，紅外技術(shù)的發(fā)展方向集中在被動(dòng)式系統(tǒng)上。50年代，紅外點(diǎn)源制導(dǎo)系統(tǒng)應(yīng)用于 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈 上。60年代，紅外技術(shù)的軍事應(yīng)用已相當(dāng)廣泛，如已應(yīng)用于制導(dǎo)、火控、瞄準(zhǔn)、偵察和監(jiān)視等。60年代中期，出現(xiàn)了光機(jī)掃描的紅外成像技術(shù)。70年代，紅外成像技術(shù)獲得迅速發(fā)展，熱成像系統(tǒng)和電荷耦合器件的應(yīng)用是這一時(shí)期的重要成果。80年代,紅外技術(shù)進(jìn)入研制鑲嵌焦面陣列（CCD陣列）系統(tǒng)的新時(shí)期。

基本概念

自然界中, 一切溫度高于絕對(duì)零度攝氏-273.16 的物體都不斷地輻射著紅外線, 這種現(xiàn)象稱為熱輻射。紅外線是一種人眼不可見的光波，它是由物質(zhì)內(nèi)部的分子、原子的運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的電磁輻射，是電磁頻譜的一部分,其波段介于可見光和微波波段之間(0.76～1000微米)。通常按波長(zhǎng)把紅外光譜分成4個(gè)波段:近紅外（0.76～3微米）、中紅外（3～6微米）、中遠(yuǎn)紅外（6～20微米）和遠(yuǎn)紅外（20～1000微米）。

一切物體都有其自身的紅外輻射特性。為研究各種不同物體的紅外輻射，人們用理想輻射體──絕對(duì)黑體（簡(jiǎn)稱黑體）作基準(zhǔn)。能吸收全部入射的輻射而沒有反射的物體稱為黑體。良好的吸收體必然也是良好的輻射體,因此黑體的輻射效率最高，其比輻射率定為1。任何實(shí)際物體的輻射發(fā)射量與同一溫度下黑體的輻射發(fā)射量之比,稱為該物體的比輻射率，其值總是小于1。物體的比輻射率，與物體的材料種類、表面特性、溫度、波長(zhǎng)等因素有關(guān)。黑體的輻射特性可用普朗克定律描述，該定律給出了黑體輻射作為溫度函數(shù)的光譜分布。對(duì)某一溫度，輻射量最大的波長(zhǎng)與其溫度的乘積為常數(shù)，這個(gè)關(guān)系稱維恩定律（適用于在溫度較低，波長(zhǎng)較短的范圍內(nèi)）。對(duì)所有波長(zhǎng)積分所得到的總輻射量與溫度的四次方成正比，這個(gè)關(guān)系稱為斯蒂芬－玻爾茲曼定律。

物體發(fā)出的輻射，大都要通過大氣才能到達(dá)紅外光學(xué)系統(tǒng)。由于大氣中二氧化碳、水汽等氣體對(duì)紅外輻射會(huì)產(chǎn)生選擇性吸收和其他微粒的散射，使紅外輻射發(fā)生不同程度的衰減。人們把某些衰減較小的波段，稱為大氣窗口。在0.76～20微米波段內(nèi)有3個(gè)大氣窗口:1～2.7微米,3～5微米，8～14微米。目前紅外系統(tǒng)所使用的波段，大都限于上述大氣窗口之中（大氣窗口還與大氣成份、溫度和相對(duì)濕度等因素有關(guān)）。由于紅外系統(tǒng)所探測(cè)的目標(biāo)處于各自的特定背景之中，從而使探測(cè)過程復(fù)雜化。因此，在設(shè)計(jì)紅外系統(tǒng)時(shí)，不但要考慮紅外輻射在大氣中的傳輸效應(yīng)，還要采用抑制背景技術(shù)，以提高紅外系統(tǒng)探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)的能力。

分類

紅外系統(tǒng)按工作原理，可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類。主動(dòng)式系統(tǒng)需自帶紅外光源照射目標(biāo)；被動(dòng)式系統(tǒng)則直接探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射。后者是占主導(dǎo)地位的軍用紅外系統(tǒng)，如熱成像系統(tǒng)、搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外輻射計(jì)和警戒系統(tǒng)等。按信息提供方式，可分為成像和點(diǎn)源系統(tǒng)。按工作方式，還可分為掃描和非掃描系統(tǒng)，掃描系統(tǒng)又分為光機(jī)掃描和電子掃描系統(tǒng)。

組成和工作原理

紅外系統(tǒng)一般由紅外光學(xué)系統(tǒng)、紅外探測(cè)器、信號(hào)放大和處理、顯示記錄系統(tǒng)等組成。

紅外光學(xué)系統(tǒng)把目標(biāo)的紅外輻射集聚到紅外探測(cè)器上，并以光譜和空間濾波方式抑制背景干擾。紅外探測(cè)器將集聚的輻射能轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。微弱的電信號(hào)經(jīng)放大和處理后，輸送給控制和跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)或送往顯示記錄裝置。紅外光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，一般可分為反射式、折射式和折反射式三種，后兩種結(jié)構(gòu)需采用具有良好紅外光學(xué)性能的材料。

紅外探測(cè)器一般有光子探測(cè)器、熱釋電探測(cè)器、熱敏探測(cè)器、電荷耦合器件和紅外電真空器件等。有些探測(cè)器要在低溫下工作，需采用致冷器。致冷器有輻射致冷器、熱電致冷器和冷凍劑致冷器等。采用何種致冷器，需視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、所用探測(cè)器類型和使用環(huán)境而定。置于紅外探測(cè)器前的光學(xué)調(diào)制器，將目標(biāo)輻射進(jìn)行調(diào)制編碼，以便從背景中提取目標(biāo)信號(hào)或目標(biāo)的空間位置信息。前置放大器將探測(cè)器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行初級(jí)放大，并給探測(cè)器提供合適的偏置條件。它的噪聲指數(shù)很低，從而使探測(cè)器的噪聲有可能成為系統(tǒng)的極限噪聲。信號(hào)處理系統(tǒng)把前置放大器輸出的信號(hào)進(jìn)一步放大和處理，從信號(hào)中提取控制裝置或顯示記錄設(shè)備所需的信息。一般非成像系統(tǒng)視目標(biāo)為點(diǎn)輻射源，相應(yīng)的信號(hào)處理、顯示記錄系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單。紅外成像系統(tǒng)，通常需將目標(biāo)紅外輻射轉(zhuǎn)換成黑白照片和假彩色照片或電視圖像。這種圖像不象可見光照相機(jī)所得的圖像那樣直觀，它反映的是目標(biāo)的輻射溫度分布。

軍事應(yīng)用

由于紅外系統(tǒng)比雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率高，隱蔽性好，且不易受電子干擾，較之可見光系統(tǒng)具有能識(shí)別偽裝、可晝夜工作、受天氣影響較小等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍事上得到廣泛應(yīng)用。其主要應(yīng)用是：

紅外夜視

50年代前期所用的紅外夜視設(shè)備，都是主動(dòng)式紅外夜視儀，一般采用紅外變像管作接收器，工作波段在1微米左右,在夜間可看見100米處的人，1公里內(nèi)的坦克、車輛和10公里遠(yuǎn)的艦船?，F(xiàn)代紅外夜視設(shè)備主要有紅外熱像儀（亦稱紅外前視系統(tǒng)）、紅外電視和改進(jìn)的主動(dòng)紅外夜視儀等。其中紅外熱像儀是具有代表性的紅外夜視裝置。美國(guó)于60年代后期研制的一種光機(jī)掃描式紅外成像系統(tǒng)，為飛機(jī)夜航和在惡劣氣象條件下的飛行提供觀察手段,工作在8～12微米波段，一般采用碲鎘汞光子探測(cè)器接收，液氮致冷。它的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能，比主動(dòng)式紅外夜視儀提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)，夜間可觀察到1公里處的人，5～10公里遠(yuǎn)的坦克和車輛，視距內(nèi)的艦船。這種紅外熱像儀幾經(jīng)改進(jìn)，到80年代初，許多國(guó)家已出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、組件化系統(tǒng)，設(shè)計(jì)者可按要求選用不同的組件，組裝所需的紅外熱像儀，為軍隊(duì)提供了一種簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、互換性好的夜視裝備。紅外夜視設(shè)備已廣泛應(yīng)用于陸、海、空三軍。如用作坦克、車輛、飛機(jī)、艦船等的夜間駕駛用觀察設(shè)備，輕武器的夜瞄儀，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈和火炮的火控系統(tǒng)，戰(zhàn)場(chǎng)前沿的監(jiān)視和觀察設(shè)備，以及單兵偵察設(shè)備等。今后將發(fā)展用凝視型焦面陣列組成的熱成像系統(tǒng)，它的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)性能將進(jìn)一步提高。

紅外制導(dǎo)

50年代中期，美、英、法等國(guó)相繼研制成功“響尾蛇”、“火光”和“馬特拉”等第一代紅外制導(dǎo)的空空戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈。 導(dǎo)彈 的紅外導(dǎo)引頭采用非致冷硫化鉛探測(cè)器，工作波段1～3微米。它只能對(duì)敵機(jī)作尾追攻擊，易受陽光干擾。隨著紅外技術(shù)的發(fā)展，紅外制導(dǎo)系統(tǒng)日益完善。60年代以后，在三個(gè)大氣窗口都相繼有了可供實(shí)用的紅外系統(tǒng)，攻擊方式從尾追發(fā)展到全向攻擊，制導(dǎo)方式也有了全紅外制導(dǎo)(點(diǎn)源制導(dǎo)和成像制導(dǎo))和復(fù)合制導(dǎo)（紅外/電視、紅外/無線電指令、 紅外/雷達(dá)）。

紅外點(diǎn)源制導(dǎo)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于空空、地空、岸艦和艦艦導(dǎo)彈等數(shù)十種戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上。預(yù)計(jì)到90年代初，點(diǎn)源制導(dǎo)系統(tǒng)仍將是上述戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的主要制導(dǎo)方式之一。

紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的研制工作始于70年代中期，它比紅外點(diǎn)源制導(dǎo)系統(tǒng)提供的信息豐富，具有更強(qiáng)的識(shí)別能力和更高的制導(dǎo)精度。80年代初，已在“小牛” 空地導(dǎo)彈 上使用。隨著焦面陣列器件的研制成功，紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)將進(jìn)一步提高識(shí)別能力，并使導(dǎo)彈具有自主攻擊能力。

紅外偵察

用于地（水）面、空中和空間的紅外偵察設(shè)備，有紅外照相機(jī)、紅外掃描儀、紅外望遠(yuǎn)鏡、紅外熱像儀和主動(dòng)式紅外成像系統(tǒng)等。地面紅外偵察設(shè)備主要是紅外熱像儀和主動(dòng)式紅外夜視儀。潛艇使用的紅外潛望鏡，已具有伸出水面迅速掃描一周，收回后再顯示觀察的功能。水面艦船可借助紅外探測(cè)跟蹤系統(tǒng)，監(jiān)視敵方飛機(jī)和艦船的入侵。80年代初多數(shù)采用點(diǎn)源探測(cè)系統(tǒng)， 迎頭探測(cè)飛機(jī)的距離為20公里，尾追約100公里；觀測(cè)主動(dòng)段 戰(zhàn)略導(dǎo)彈 的距離大于1000公里。紅外跟蹤頭與電影經(jīng)緯儀和激光雷達(dá)配合，還可用于靶場(chǎng)測(cè)量。第二次世界大戰(zhàn)中，軍用 偵察機(jī) 采用紅外假彩色照相取得了明顯的偵察效果。但紅外膠片僅能敏感0.9微米以下的紅外輻射,且保存困難。60年代以來,機(jī)載紅外偵察設(shè)備主要采用紅外掃描照相機(jī)，以后又采用熱像儀。紅外掃描照相機(jī)是一種將目標(biāo)和背景的圖像通過光機(jī)掃描－光電-電光轉(zhuǎn)換后,使其照在可見光膠片上成像的設(shè)備。60年代,這類設(shè)備的角分辨率僅為0.5毫弧度（即在1000米高空可區(qū)分開0.5米的間距)?，F(xiàn)代紅外掃描照相機(jī)的分辨率已提高一個(gè)數(shù)量級(jí)。

空間紅外偵察設(shè)備已用于導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、陸地衛(wèi)星和照相偵察衛(wèi)星上。導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星可利用星上的紅外望遠(yuǎn)鏡實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)飛出大氣層的來襲戰(zhàn)略導(dǎo)彈，并監(jiān)視其飛行。軍用氣象衛(wèi)星可利用星上的雙通道行掃描儀拍攝全球云圖。陸地衛(wèi)星可利用星上的中遠(yuǎn)紅外波段設(shè)備進(jìn)行 戰(zhàn)略偵察 。照相偵察衛(wèi)星可利用星上的高分辨率的紅外成像設(shè)備，晝夜偵察和監(jiān)視對(duì)方的軍事目標(biāo)和軍事活動(dòng)。

紅外對(duì)抗

應(yīng)用紅外對(duì)抗技術(shù)可使對(duì)方紅外探測(cè)和識(shí)別系統(tǒng)的功能大大下降，甚至不起作用。對(duì)抗措施可歸結(jié)為規(guī)避和欺騙兩類。規(guī)避是利用偽裝器材，將軍事設(shè)施、武器裝備等隱蔽起來，使對(duì)方探測(cè)不到己方的紅外輻射源。偽裝器材主要有紅外偽裝網(wǎng)和防紅外涂料，80年代初期，它們僅能在1～3微米波段起作用，可對(duì)付某些紅外照相機(jī)和掃描儀，但對(duì)紅外熱像儀卻無能為力。欺騙是用與自身紅外輻射波長(zhǎng)相似但更強(qiáng)烈的輻射源，誘開對(duì)方的紅外探測(cè)系統(tǒng)，這種主動(dòng)對(duì)抗裝置有紅外誘餌和干擾機(jī)。前者如曳光彈、燃油箱等；后者是一種加調(diào)制的強(qiáng)紅外源。它們多裝在飛機(jī)和軍艦上，用以引開來襲的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈。這種主動(dòng)對(duì)抗裝置，直到80年代中期還難以對(duì)付在 8～12微米波段工作的紅外系統(tǒng)。對(duì)抵消紅外對(duì)抗技術(shù)的作用，現(xiàn)代紅外系統(tǒng)又采取了反對(duì)抗措施，如采用雙色技術(shù)和多模跟蹤技術(shù)等。

此外，紅外技術(shù)在軍事上還可用于通信、報(bào)警、毒氣監(jiān)測(cè)、彈藥引爆和區(qū)域警戒等方面。

綜觀紅外技術(shù)在軍事上的應(yīng)用，可歸結(jié)為：為部隊(duì)提供夜間行動(dòng)和作戰(zhàn)能力,為部隊(duì)提供軍事情報(bào),提高武器系統(tǒng)的命中精度，改善武器系統(tǒng)抗電子干擾能力。紅外技術(shù)將日益對(duì)戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)和軍隊(duì)的作戰(zhàn)行動(dòng)產(chǎn)生影響。

展望 　紅外技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)是：在研制具有信號(hào)處理能力的鑲嵌焦面陣列（CCD陣列）成像系統(tǒng)的同時(shí),重視室溫長(zhǎng)波紅外系統(tǒng)的研制，以滿足軍事上的多種要求。成像技術(shù)與模式識(shí)別、微處理機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將出現(xiàn)具有自適應(yīng)能力的凝視型實(shí)時(shí)空間偵察監(jiān)視系統(tǒng)和具有自主攻擊能力的武器系統(tǒng)。遠(yuǎn)紅外（20～1000微米）波段的開拓，將為軍事應(yīng)用帶來新的前景。