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      紅外探測技術在航空光電技術的發展

      來源: 2009-12-27 訪問:
      ?? 在軍事航空領域,對目標的探測定位能力的更高要求已成為航空電子系統不斷擴展的需求牽引之一,而現代隱身技術、對地攻擊武器技術的不斷發展逐步使光電探測設備的地位不斷上升。??? 目前隱身技術主要是針對電磁微波雷達而設計的,而對可見光或紅外光波段只能降低其可探測水平,要做到真正意義上的隱身,在短期內技術上的難度很大。任何物體,只要其溫度高于絕對零度,就會發出紅外輻射,其他部位溫度不同,輻射率不同,就會形成物體的紅外圖像,經過大氣傳輸,就能被紅外探測設備所探測,經光電轉換,成為人眼可觀察的圖像,這完全是被動探測的過程。?? 紅外探測技術的主要優點在于符合隱身飛機自身高度隱蔽性的要求,即被動探測、不輻射電磁波,而且由于工作波長較微波雷達短3~4個數量級,可以形成高度細節的目標圖像,目標分辨率高。隨著隱身技術的發展,紅外探測系統正逐步成為新一代戰斗機的主要傳感器之一,與電磁微波雷達處在了同樣重要的位置。
        到目前為止,紅外探測技術已發展到第四代,現已大批裝備的主流產品是采用掃描焦平面4n或6n陣列的第二代前視紅外系統。掃描焦平面陣列(fpa)是碲鎘汞多元線列并聯掃描技術的進一步發展。它不僅增加線列的單元數量,而且增加線列(行)數,形成串并掃描,同時采用多級時間延遲和積分(tdi)技術把串聯掃描同一行單元的光電信號依次延遲并相加。它采用阻抗低的光伏型碲鎘汞材料,能與硅電荷耦合器電路低耗耦合。碲鎘汞多元焦平面陣列與硅電荷耦合器中間由銦柱連接形成夾層結構從而制成混成雙片焦平面陣列紅外探測器。   
      ????? 目前美國、法國、德國、英國等已經研制出48×4、288×4、480×4、和960×4元光伏型碲鎘汞掃描焦平面陣列,美國主張在第二代前視紅外中采用480×4元,歐洲則采用288×4元。掃描焦平面陣列已經成熟并列入rah-66"科曼奇"直升機等計劃,開始在第二代前視紅外以及紅外成像導彈尋的器和紅外搜索跟蹤系統中應用。其分辨率較第一代前視紅外增加了 50%~60%,探測距離更遠,在惡劣氣象條件下的工作也更有效。掃描焦平面陣列的優點在于降低了噪聲等效溫差(netd)和最小可分辨溫差(mrtd),因而使前視紅外的探測距離增大了50%甚至一倍。但是,它的探測單元數量仍然不夠多,滿足不了全視場成像的要求,屬于掃描線列與凝視焦平面陣列之間的過渡型。  
      ????? 第三代前視紅外的標志是凝視焦平面陣列。與前一代產品相比,增加了探測單元的數量,取消了光機掃描器;利用微電子技術把探測陣列和各種信息處理電路集成在一個芯片或混成在兩個芯片上,消除大量從杜瓦瓶內向外的引線;以新型中、長波紅外探測材料,替代難加工且昂貴的碲鎘汞。凝視焦平面陣列被認為是熱成像(包括前視紅外)技術的一次革命,成為第三代熱成像器的標志。在最新的機載光電探測系統中,已經開始大范圍地采用第三代凝視型前視紅外,如lantirn2000、liteningⅱ等項目中,都采用了3~5微米的紅外焦平面器件。
      機載光電探測系統的發展趨勢是多光譜多波段的綜合以及全面的數據融合,它主要表現在:
         ● 多光譜多波綜合,隨著雙色甚至三色紅外成像器件大規模的應用,多個波段同時工作已成為可能,也為進一步的圖像融合、自動目標探測與識別、自動攻擊與防衛提供了技術基礎。
         ● 光電探測系統受其工作原理的限制,在某些戰場條件如塵埃、煙霧等情況下,工作性能下降,而目前電磁微波雷達的技術進步也同樣是日新月異的,將兩種不同類型、不同工作原理的探測技術互相綜合,在信息處理上實現真正地融合,是大幅度提高機載探測能力的必由之路。
         ● 光電探測系統如何在隱身飛機上實現是目前急需突破的一項關鍵技術,在光學窗口的構形、光窗材料與加工工藝等方面還有大量的工作。??? 機載光電探測系統的主要戰術應用范圍包括:對空目標探索、跟蹤,對地目標搜索、跟蹤,戰場態勢感知、導彈來襲告警、輔助導航與起飛著陸等。??? 近期的發展趨勢是將以上各種分立系統綜合到一個系統中,共享通光口徑和信息處理資源。要實現光電探測的全方位、全動態過程,一個很重要的概念是分布孔徑紅外系統(dairs)。??? 分布孔徑系統是軍用被動光電系統研究領域的一個新概念,是21世紀軍用光電系統發展的新方向。dairs采用一組精心布置在飛機上的傳感器陣列實現全方位、全空間敏感,并采用各種信號處理方法實現地面、空中目標探測、跟蹤、瞄準,威脅告警,戰場殺傷效果評定,夜間與惡劣氣候條件下的輔助導航、著陸等多種功能,從而能夠用一個單一的系統完成目前要多個單獨的專用紅外傳感器系統完成的功能。dairs所采用的紅外傳感器使用了二維大面陣紅外焦平面陣列,直接固定在飛機結構上,可以輸出多個波段的高幀頻圖像,取消了現有的前視紅外瞄準系統、紅外搜索跟蹤系統等所采用的高成本的穩定瞄準系統,重量、體積、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,完全符合新一代軍用航空電子綜合系統的要求。近年來美國諾斯羅普·格魯門等公司正在全力發展這種采用全新信息處理設計理念的dairs,已經取得了一定進展。?
      ???? ?但目前紅外探測器在分辨率等上還無法滿足對地攻擊所要求的性能,因此,仍然保留了一個單獨的瞄準用前視紅外系統與分布孔徑紅外系統并列。該系統與激光等其他光電傳感器綜合,以實現目前各類機載瞄準吊艙的功能。例如,在波音的jsf計劃中,安裝了雷神公司的兩個紅外傳感器系統,一個系統是分布式紅外傳感器(dirs),用于對空目標探測、威脅告警和戰場態勢感知。第二個紅外系統是瞄準前視紅外系統(tflir),用于探測、識別和精確指示地面目標。dirs采用6個相同的傳感器,每個具有90度的視場,是圍繞jsf聯合攻擊機設置的,以提供其整個的球形覆蓋。dirs系統探測導彈的發射,跟蹤其飛行、給出飛機受威脅的指示,并對彈著時間進行預測。系統還可用作irst傳感器提供狀態感知功能,并對系統球形覆蓋范圍內的任何飛機進行跟蹤。除狀態感知外,dirs還為飛行員提供晝夜圖像,這些圖像被送到頭盔顯示器(hmd)顯示。第二個系統瞄準前視紅外系統,采用中波凝視焦平面傳感器,并與一個激光指示/光斑跟蹤器實現綜合。為實現隱身的目的,采用了可伸縮的光學窗口。當需要時,可伸縮的光學窗口從機腹下伸出,并迅速對目標進行探測和跟蹤,還能對制導武器進行引導。使用完之后,光學窗口縮回,保護門關閉,對雷達截面沒有影響。
      ???? ?諾斯羅普·格魯門公司正在為洛克希德·馬丁的jsf研制光電傳感器系統,它也由兩個紅外系統組成,一個用于周圍狀態感知,第二個主要用于瞄準,但它不是僅在目標捕獲和武器投放時工作的tflir,而是可在執行任務期間連續工作,還被用于監視戰場環境,其關鍵技術是實現了符合隱身要求的光學窗口。在另一個用于狀態感知的紅外系統中,6個紅外傳感器組成了分布式孔徑系統(das),以覆蓋空域中一側的90度的部分。
      ????? 第四代前視紅外體現在中波和長波波段的同時工作能力,最近出現的多量子阱紅外探測器為這種雙波段探測器提供了一種方法。具有不同光譜靈敏度的多量子阱層可以在縱向集成的結構中生長,通過在多量子阱疊層的中波紅外和長波紅外部分產生分開的接觸層,實現了精確的像元匹配。多量子阱技術為人們提供了一種容易生產的多色焦平面陣列。這種技術允許人們對兩種或者更多的顏色同時進行積分和讀出,每一種顏色都在同一個焦平面陣列上得到像元配準。這種像元配準多色焦平面陣列提高了系統的性能,同時也大大簡化了系統其他元件的設計,簡化了現有多色設計中的多個焦平面陣列、掃描器、致冷器等,可降低系統的成本,減輕系統的重量,縮小體積,并能減輕計算機的處理負擔,從而可以應用于更多的軍事領域。

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