軍用紅外技術

日期:2013-10-30 點擊數:393

應用于軍事領域的一項新興光學技術。主要研究物體紅外輻射的產生和傳輸特性、探測和識別規律及其應用。

簡史

1800年,英國天文學家F.W.赫歇耳發現了紅外線。紅外技術在軍事上的實際應用始于 第二次世界大戰 期間。當時,德國研制和使用了一些紅外技術裝備,其中有紅外通信設備和紅外夜視儀,它們都屬于主動式紅外系統。戰后,由于紅外光子探測器和透紅外光學材料的迅速發展,紅外技術的應用引起軍事部門的重視。此后,紅外技術的發展方向集中在被動式系統上。50年代,紅外點源制導系統應用于 戰術導彈 上。60年代,紅外技術的軍事應用已相當廣泛,如已應用于制導、火控、瞄準、偵察和監視等。60年代中期,出現了光機掃描的紅外成像技術。70年代,紅外成像技術獲得迅速發展,熱成像系統和電荷耦合器件的應用是這一時期的重要成果。80年代,紅外技術進入研制鑲嵌焦面陣列(CCD陣列)系統的新時期。

基本概念

自然界中, 一切溫度高于絕對零度攝氏-273.16 的物體都不斷地輻射著紅外線, 這種現象稱為熱輻射。紅外線是一種人眼不可見的光波,它是由物質內部的分子、原子的運動所產生的電磁輻射,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)。通常按波長把紅外光譜分成4個波段:近紅外(0.76~3微米)、中紅外(3~6微米)、中遠紅外(6~20微米)和遠紅外(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──絕對黑體(簡稱黑體)作基準。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。任何實際物體的輻射發射量與同一溫度下黑體的輻射發射量之比,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、波長等因素有關。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的光譜分布。對某一溫度,輻射量最大的波長與其溫度的乘積為常數,這個關系稱維恩定律(適用于在溫度較低,波長較短的范圍內)。對所有波長積分所得到的總輻射量與溫度的四次方成正比,這個關系稱為斯蒂芬-玻爾茲曼定律。

物體發出的輻射,大都要通過大氣才能到達紅外光學系統。由于大氣中二氧化碳、水汽等氣體對紅外輻射會產生選擇性吸收和其他微粒的散射,使紅外輻射發生不同程度的衰減。人們把某些衰減較小的波段,稱為大氣窗口。在0.76~20微米波段內有3個大氣窗口:1~2.7微米,3~5微米,8~14微米。目前紅外系統所使用的波段,大都限于上述大氣窗口之中(大氣窗口還與大氣成份、溫度和相對濕度等因素有關)。由于紅外系統所探測的目標處于各自的特定背景之中,從而使探測過程復雜化。因此,在設計紅外系統時,不但要考慮紅外輻射在大氣中的傳輸效應,還要采用抑制背景技術,以提高紅外系統探測和識別目標的能力。

分類

紅外系統按工作原理,可分為主動式和被動式兩類。主動式系統需自帶紅外光源照射目標;被動式系統則直接探測目標的紅外輻射。后者是占主導地位的軍用紅外系統,如熱成像系統、搜索跟蹤系統、紅外輻射計和警戒系統等。按信息提供方式,可分為成像和點源系統。按工作方式,還可分為掃描和非掃描系統,掃描系統又分為光機掃描和電子掃描系統。

組成和工作原理

紅外系統一般由紅外光學系統、紅外探測器、信號放大和處理、顯示記錄系統等組成。

紅外光學系統把目標的紅外輻射集聚到紅外探測器上,并以光譜和空間濾波方式抑制背景干擾。紅外探測器將集聚的輻射能轉換成電信號。微弱的電信號經放大和處理后,輸送給控制和跟蹤執行機構或送往顯示記錄裝置。紅外光學系統的結構,一般可分為反射式、折射式和折反射式三種,后兩種結構需采用具有良好紅外光學性能的材料。

紅外探測器一般有光子探測器、熱釋電探測器、熱敏探測器、電荷耦合器件和紅外電真空器件等。有些探測器要在低溫下工作,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,需視系統結構、所用探測器類型和使用環境而定。置于紅外探測器前的光學調制器,將目標輻射進行調制編碼,以便從背景中提取目標信號或目標的空間位置信息。前置放大器將探測器輸出的微弱信號進行初級放大,并給探測器提供合適的偏置條件。它的噪聲指數很低,從而使探測器的噪聲有可能成為系統的極限噪聲。信號處理系統把前置放大器輸出的信號進一步放大和處理,從信號中提取控制裝置或顯示記錄設備所需的信息。一般非成像系統視目標為點輻射源,相應的信號處理、顯示記錄系統比較簡單。紅外成像系統,通常需將目標紅外輻射轉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所得的圖像那樣直觀,它反映的是目標的輻射溫度分布。

軍事應用

由于紅外系統比雷達系統的分辨率高,隱蔽性好,且不易受電子干擾,較之可見光系統具有能識別偽裝、可晝夜工作、受天氣影響較小等優點。因此,在軍事上得到廣泛應用。其主要應用是:

紅外夜視

50年代前期所用的紅外夜視設備,都是主動式紅外夜視儀,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公里內的坦克、車輛和10公里遠的艦船。現代紅外夜視設備主要有紅外熱像儀(亦稱紅外前視系統)、紅外電視和改進的主動紅外夜視儀等。其中紅外熱像儀是具有代表性的紅外夜視裝置。美國于60年代后期研制的一種光機掃描式紅外成像系統,為飛機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器接收,液氮致冷。它的戰術技術性能,比主動式紅外夜視儀提高了一個數量級,夜間可觀察到1公里處的人,5~10公里遠的坦克和車輛,視距內的艦船。這種紅外熱像儀幾經改進,到80年代初,許多國家已出現標準化、組件化系統,設計者可按要求選用不同的組件,組裝所需的紅外熱像儀,為軍隊提供了一種簡便、經濟、互換性好的夜視裝備。紅外夜視設備已廣泛應用于陸、海、空三軍。如用作坦克、車輛、飛機、艦船等的夜間駕駛用觀察設備,輕武器的夜瞄儀,戰術導彈和火炮的火控系統,戰場前沿的監視和觀察設備,以及單兵偵察設備等。今后將發展用凝視型焦面陣列組成的熱成像系統,它的戰術技術性能將進一步提高。

紅外制導

50年代中期,美、英、法等國相繼研制成功“響尾蛇”、“火光”和“馬特拉”等第一代紅外制導的空空戰術導彈。 導彈 的紅外導引頭采用非致冷硫化鉛探測器,工作波段1~3微米。它只能對敵機作尾追攻擊,易受陽光干擾。隨著紅外技術的發展,紅外制導系統日益完善。60年代以后,在三個大氣窗口都相繼有了可供實用的紅外系統,攻擊方式從尾追發展到全向攻擊,制導方式也有了全紅外制導(點源制導和成像制導)和復合制導(紅外/電視、紅外/無線電指令、 紅外/雷達)。

紅外點源制導系統已廣泛應用于空空、地空、岸艦和艦艦導彈等數十種戰術導彈上。預計到90年代初,點源制導系統仍將是上述戰術導彈的主要制導方式之一。

紅外成像制導系統的研制工作始于70年代中期,它比紅外點源制導系統提供的信息豐富,具有更強的識別能力和更高的制導精度。80年代初,已在“小牛” 空地導彈 上使用。隨著焦面陣列器件的研制成功,紅外成像制導系統將進一步提高識別能力,并使導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備,有紅外照相機、紅外掃描儀、紅外望遠鏡、紅外熱像儀和主動式紅外成像系統等。地面紅外偵察設備主要是紅外熱像儀和主動式紅外夜視儀。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跟蹤系統,監視敵方飛機和艦船的入侵。80年代初多數采用點源探測系統, 迎頭探測飛機的距離為20公里,尾追約100公里;觀測主動段 戰略導彈 的距離大于1000公里。紅外跟蹤頭與電影經緯儀和激光雷達配合,還可用于靶場測量。第二次世界大戰中,軍用 偵察機 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,機載紅外偵察設備主要采用紅外掃描照相機,以后又采用熱像儀。紅外掃描照相機是一種將目標和背景的圖像通過光機掃描-光電-電光轉換后,使其照在可見光膠片上成像的設備。60年代,這類設備的角分辨率僅為0.5毫弧度(即在1000米高空可區分開0.5米的間距)。現代紅外掃描照相機的分辨率已提高一個數量級。

空間紅外偵察設備已用于導彈預警衛星、氣象衛星、陸地衛星和照相偵察衛星上。導彈預警衛星可利用星上的紅外望遠鏡實時發現飛出大氣層的來襲戰略導彈,并監視其飛行。軍用氣象衛星可利用星上的雙通道行掃描儀拍攝全球云圖。陸地衛星可利用星上的中遠紅外波段設備進行 戰略偵察 。照相偵察衛星可利用星上的高分辨率的紅外成像設備,晝夜偵察和監視對方的軍事目標和軍事活動。

紅外對抗

應用紅外對抗技術可使對方紅外探測和識別系統的功能大大下降,甚至不起作用。對抗措施可歸結為規避和欺騙兩類。規避是利用偽裝器材,將軍事設施、武器裝備等隱蔽起來,使對方探測不到己方的紅外輻射源。偽裝器材主要有紅外偽裝網和防紅外涂料,80年代初期,它們僅能在1~3微米波段起作用,可對付某些紅外照相機和掃描儀,但對紅外熱像儀卻無能為力。欺騙是用與自身紅外輻射波長相似但更強烈的輻射源,誘開對方的紅外探測系統,這種主動對抗裝置有紅外誘餌和干擾機。前者如曳光彈、燃油箱等;后者是一種加調制的強紅外源。它們多裝在飛機和軍艦上,用以引開來襲的紅外制導導彈。這種主動對抗裝置,直到80年代中期還難以對付在 8~12微米波段工作的紅外系統。對抵消紅外對抗技術的作用,現代紅外系統又采取了反對抗措施,如采用雙色技術和多模跟蹤技術等。

此外,紅外技術在軍事上還可用于通信、報警、毒氣監測、彈藥引爆和區域警戒等方面。

綜觀紅外技術在軍事上的應用,可歸結為:為部隊提供夜間行動和作戰能力,為部隊提供軍事情報,提高武器系統的命中精度,改善武器系統抗電子干擾能力。紅外技術將日益對戰略戰術和軍隊的作戰行動產生影響。

展望  紅外技術的發展趨勢是:在研制具有信號處理能力的鑲嵌焦面陣列(CCD陣列)成像系統的同時,重視室溫長波紅外系統的研制,以滿足軍事上的多種要求。成像技術與模式識別、微處理機技術相結合,將出現具有自適應能力的凝視型實時空間偵察監視系統和具有自主攻擊能力的武器系統。遠紅外(20~1000微米)波段的開拓,將為軍事應用帶來新的前景。

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