红外探测技术在航空光电技术的发展

在军事航空领域，对目标的探测定位能力的更高要求已成为航空电子系统不断扩展的需求牵引之一，而现代隐身技术、对地攻击武器技术的不断发展逐步使光电探测设备的地位不断上升。目前隐身技术主要是针对电磁微波雷达而设计的，而对可见光或红外光波段只能降低其可探测水平，要做到真正意义上的隐身，在短期内技术上的难度很大。任何物体，只要其温度高于绝对零度，就会发出红外辐射，其他部位温度不同，辐射率不同，就会形成物体的红外图像，经过大气传输，就能被红外探测设备所探测，经光电转换，成为人眼可观察的图像，这完全是被动探测的过程。红外探测技术的主要优点在于符合隐身飞机自身高度隐蔽性的要求，即被动探测、不辐射电磁波，而且由于工作波长较微波雷达短3～4个数量级，可以形成高度细节的目标图像，目标分辨率高。随着隐身技术的发展，红外探测系统正逐步成为新一代战斗机的主要传感器之一，与电磁微波雷达处在了同样重要的位置。

　　到目前为止，红外探测技术已发展到第四代，现已大批装备的主流产品是采用扫描焦平面4N或6N阵列的第二代前视红外系统。扫描焦平面阵列(FPA)是碲镉汞多元线列并联扫描技术的进一步发展。它不仅增加线列的单元数量，而且增加线列(行)数，形成串并扫描，同时采用多级时间延迟和积分(TDI)技术把串联扫描同一行单元的光电信号依次延迟并相加。它采用阻抗低的光伏型碲镉汞材料，能与硅电荷耦合器电路低耗耦合。碲镉汞多元焦平面阵列与硅电荷耦合器中间由铟柱连接形成夹层结构从而制成混成双片焦平面阵列红外探测器。

　　目前美国、法国、德国、英国等已经研制出48×4、288×4、480×4、和960×4元光伏型碲镉汞扫描焦平面阵列，美国主张在第二代前视红外中采用480×4元，欧洲则采用288×4元。扫描焦平面阵列已经成熟并列入RAH-66"科曼奇"直升机等计划，开始在第二代前视红外以及红外成像导弹寻的器和红外搜索跟踪系统中应用。其分辨率较第一代前视红外增加了 50%～60%，探测距离更远，在恶劣气象条件下的工作也更有效。扫描焦平面阵列的优点在于降低了噪声等效温差(NETD)和最小可分辨温差(MRTD)，因而使前视红外的探测距离增大了50%甚至一倍。但是，它的探测单元数量仍然不够多，满足不了全视场成像的要求，属于扫描线列与凝视焦平面阵列之间的过渡型。

　　第三代前视红外的标志是凝视焦平面阵列。与前一代产品相比，增加了探测单元的数量，取消了光机扫描器;利用微电子技术把探测阵列和各种信息处理电路集成在一个芯片或混成在两个芯片上，消除大量从杜瓦瓶内向外的引线;以新型中、长波红外探测材料，替代难加工且昂贵的碲镉汞。凝视焦平面阵列被认为是热成像(包括前视红外)技术的一次革命，成为第三代热成像器的标志。在最新的机载光电探测系统中，已经开始大范围地采用第三代凝视型前视红外，如LANTIRN2000、LITENINGⅡ等项目中，都采用了3～5微米的红外焦平面器件。

　　机载光电探测系统的发展趋势是多光谱多波段的综合以及全面的数据融合，它主要表现在：
　　● 多光谱多波综合，随着双色甚至三色红外成像器件大规模的应用，多个波段同时工作已成为可能，也为进一步的图像融合、自动目标探测与识别、自动攻击与防卫提供了技术基础。
　　● 光电探测系统受其工作原理的限制，在某些战场条件如尘埃、烟雾等情况下，工作性能下降，而目前电磁微波雷达的技术进步也同样是日新月异的，将两种不同类型、不同工作原理的探测技术互相综合，在信息处理上实现真正地融合，是大幅度提高机载探测能力的必由之路。
　　● 光电探测系统如何在隐身飞机上实现是目前急需突破的一项关键技术，在光学窗口的构形、光窗材料与加工工艺等方面还有大量的工作。机载光电探测系统的主要战术应用范围包括：对空目标探索、跟踪，对地目标搜索、跟踪，战场态势感知、导弹来袭告警、辅助导航与起飞着陆等。近期的发展趋势是将以上各种分立系统综合到一个系统中，共享通光口径和信息处理资源。要实现光电探测的全方位、全动态过程，一个很重要的概念是分布孔径红外系统(DAIRS)。分布孔径系统是军用被动光电系统研究领域的一个新概念，是21世纪军用光电系统发展的新方向。DAIRS采用一组精心布置在飞机上的传感器阵列实现全方位、全空间敏感，并采用各种信号处理方法实现地面、空中目标探测、跟踪、瞄准，威胁告警，战场杀伤效果评定，夜间与恶劣气候条件下的辅助导航、着陆等多种功能，从而能够用一个单一的系统完成目前要多个单独的专用红外传感器系统完成的功能。DAIRS所采用的红外传感器使用了二维大面阵红外焦平面阵列，直接固定在飞机结构上，可以输出多个波段的高帧频图像，取消了现有的前视红外瞄准系统、红外搜索跟踪系统等所采用的高成本的稳定瞄准系统，重量、体积、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，完全符合新一代军用航空电子综合系统的要求。近年来美国诺斯罗普·格鲁门等公司正在全力发展这种采用全新信息处理设计理念的DAIRS，已经取得了一定进展。

　　但目前红外探测器在分辨率等上还无法满足对地攻击所要求的性能，因此，仍然保留了一个单独的瞄准用前视红外系统与分布孔径红外系统并列。该系统与激光等其他光电传感器综合，以实现目前各类机载瞄准吊舱的功能。例如，在波音的JSF计划中，安装了雷神公司的两个红外传感器系统，一个系统是分布式红外传感器(DIRS)，用于对空目标探测、威胁告警和战场态势感知。第二个红外系统是瞄准前视红外系统(Tflir)，用于探测、识别和精确指示地面目标。DIRS采用6个相同的传感器，每个具有90度的视场，是围绕JSF联合攻击机设置的，以提供其整个的球形覆盖。DIRS系统探测导弹的发射，跟踪其飞行、给出飞机受威胁的指示，并对弹着时间进行预测。系统还可用作IRST传感器提供状态感知功能，并对系统球形覆盖范围内的任何飞机进行跟踪。除状态感知外，DIRS还为飞行员提供昼夜图像，这些图像被送到头盔显示器(HMD)显示。第二个系统瞄准前视红外系统，采用中波凝视焦平面传感器，并与一个激光指示/光斑跟踪器实现综合。为实现隐身的目的，采用了可伸缩的光学窗口。当需要时，可伸缩的光学窗口从机腹下伸出，并迅速对目标进行探测和跟踪，还能对制导武器进行引导。使用完之后，光学窗口缩回，保护门关闭，对雷达截面没有影响。

　　诺斯罗普·格鲁门公司正在为洛克希德·马丁的JSF研制光电传感器系统，它也由两个红外系统组成，一个用于周围状态感知，第二个主要用于瞄准，但它不是仅在目标捕获和武器投放时工作的Tflir，而是可在执行任务期间连续工作，还被用于监视战场环境，其关键技术是实现了符合隐身要求的光学窗口。在另一个用于状态感知的红外系统中，6个红外传感器组成了分布式孔径系统(DAS)，以覆盖空域中一侧的90度的部分。

　　第四代前视红外体现在中波和长波波段的同时工作能力，最近出现的多量子阱红外探测器为这种双波段探测器提供了一种方法。具有不同光谱灵敏度的多量子阱层可以在纵向集成的结构中生长，通过在多量子阱叠层的中波红外和长波红外部分产生分开的接触层，实现了精确的像元匹配。多量子阱技术为人们提供了一种容易生产的多色焦平面阵列。这种技术允许人们对两种或者更多的颜色同时进行积分和读出，每一种颜色都在同一个焦平面阵列上得到像元配准。这种像元配准多色焦平面阵列提高了系统的性能，同时也大大简化了系统其他元件的设计，简化了现有多色设计中的多个焦平面阵列、扫描器、致冷器等，可降低系统的成本，减轻系统的重量，缩小体积，并能减轻计算机的处理负担，从而可以应用于更多的军事领域。