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军事红外技术应用——苏君红院士访谈录

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发表于 2020-6-18 13:19:46 | 显示全部楼层 |阅读模式
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苏君红院士访谈录

苏君红中国工程院院士,红外技术专家,热成像工程总设计师,1963年毕业于西安交通大学无线电工程系无线电技术专业,长期从事红外技术的研究工作,主要研究地面与空中目标与背景的探测和识别,完成了我国第一代通用组件热成像的工程研究,为我国红外事业做出了重要贡献。曾任中国兵器工业集团第二一一所所长,云南省科协主席。曾获国家科技进步一等奖、中国兵器工业功勋奖、光华基金一等奖、中国工程科技奖、何梁何利基金科学技术进步奖等。




军事需求推动红外技术
记者(以下简称“记”):苏院士,您好!红外技术发展已有200多年历史,它是何时走向战场的?
苏院士(以下简称“苏”):怎样把红外辐射变成人眼可见的图像,一直是人们关心的问题。早在19世纪就有人设计了两种红外热成像系统,它们是利用热辐射加热湿纸或油膜,形成不同的干湿或不同的油膜挥发来产生热图像。军事应用一直是红外技术发展的主要动力,人们早就意识到热成像在军事上应用的潜力很大,到第二次世界大战,巴恩斯公司设计了一种用于探测空中目标的测热辐射计扫描成像系统,虽然性能远远没有达到要求,但成为后来热成像技术发展的重要思路。20世纪50年代初,一些国家投入相当大的人力物力来发展红外技术。1958年,英国皇家信号及雷达研究所发明了碲镉汞(CMT)红外探测器,显著地促进了热成像技术的发展。直到今天,碲镉汞探测器仍是最重要的红外热成像选用探测器。真正实用的红外热成像系统产生于20世纪60年代,美国德克萨斯仪器公司研制出世界上第一台实时显示电视图像的军用红外热成像系统,经过战场的试验和考核,证明红外热成像是一种成功的技术,由于它最先供空军使用,作为对地面目标观察的仪器,所以有时也被称为前视红外系统(FLIR)。红外热成像这种实时显示的成像设备产生的热图像,实际上已与电视的图像质量相当,可以将其看成是一种“工作在红外波段的电视摄像机”。
记:热成像与可见光成像相比,有哪些不同?
苏:在上世纪70年代,一是要制造与可见光CCD一样的高密度二维面阵探测器是很困难的,如果想获得像电视一样的图像质量,就需要用一台光学机械的扫描器;
二是高性能的红外探测器需要在低温条件下工作,因此要配备一个能冷却到80K(约为零下193℃)的制冷器和一个与外界隔热的多引线的真空杜瓦瓶。
三是由于工作在长波红外,所以要用锗材料来制造红外镜头,造价比较昂贵。
四是长波红外波长是可见光的20倍,所以光学衍射口径是可见光的20倍。
五是可见光的对比度很高,而中波红外对比度较低,长波红外对比度更低,热成像要获取的是高背景情况下的低对比度信号,在制作红外探测器时,对均匀性提出很高的要求,成为探测器和材料制造中的一大难题。
记:热成像与可见光探测设备、雷达、激光相比,优势是什么呢?
苏:现在热成像系统已成为重要的夜视器材,能隐蔽、昼夜工作,不受黑夜限制,因为它的工作方式是被动的,不需要用协作光源或自然光照射目标,靠接收目标的自身的热辐射成像,而地球上所有的物体都辐射红外线,特别是军事目标,如飞机、坦克、军舰、导弹等都要消耗能源,其中一部分将转换成热能,是一种温度较高的热辐射体,热成像获得的就是目标与背景之间的温度差别和辐射率差别的图像,所以目标要伪装也很困难,用热成像系统在很远的距离就能将它们探测到。此外,在地球大气中,存在着3~5微米中波红外和8~14微米长波红外两个大气窗口,对红外线有较好的传输特性,探测器的性能、大气传输、目标辐射特性三者相一致的关系,决定了热成像在这两个波段工作是合适的。温度在300K(约为27℃)左右的目标,在这两个波段内会产生较强的辐射,容易被探测到。而且它的工作波长比可见光高10~20倍,透烟雾和尘埃的能力很强,在较恶劣的环境下,尤其是能透过敌方施放的烟幕屏障看清目标。







记:热成像在军事上有哪些应用?
苏:热成像系统有很高的温度灵敏度和空间分辨能力,可以显示出目标的清晰轮廓,并且能识别较远距离上的目标,已作为探测、监视、跟踪、火控、夜视的手段,应用在军事的五大类方面。空间上,主要用于航天侦察、监视告警、空间防卫、天文研究、反导导弹;海空方面,主要应用于空中导航、目标定位、威胁告警、搜索跟踪:地面则用在车辆夜视、火控系统、搜索跟踪、安全防卫、便携侦察等方面;同时还被应用于常规导弹如地空导弹、反坦克导弹、空空导弹等的精确制导。
铿锵三步曲
记:军用红外热成像技术经历了哪几个阶段?
苏:近40年来热成像发展装备了三代产品,20世纪七八十年代装备的是第一代,九十年代装备了第二代,现在开始向第三代发展。
记:每一代热成像的发展特点是什么?
苏:第一代热成像技术开始于20世纪60年代,多元的锑化铟、碲镉汞探测器等相继出现,发展了第一个前视红外系统(FLIR),但它的探测器需要一个二级制冷器来保证在36K以下的温度工作,因此很难在常规武器上推广。70年代初,发展了碲镉汞长波红外多元线列探测器,这是工作在80K温度的第一代红外热成像技术,具有高灵敏度、高分辨率、实时显示等特点,经验证系统可靠有效,受到许多国家的关注。
第一代红外热成像系统可选择长波红外和中波红外两个工作波段,但各国无一例外地都选用碲镉汞长波红外探测器,因为当目标和背景温度在300K左右,近距离(4千米)时,长波红外热成像系统的温度灵敏度要比中波的好3倍,即长波红外探测器的性能与10倍中波红外探测器元数系统的性能相当。
第一代热成像系统的探测器元数一般不超过200元,因此必须用一个光学扫描机构对景物进行二维扫描,以获取接近于电视质量的图像。美国第一代热成像系统采用60元、120元、180元线列光导碲镉汞系统,来实现120线、240线、360线3种热成像系统。法国采用11×5的光伏碲镉汞探测器,用串并扫的方式实现与电视兼容的格式。1980年,英国发明了一种称为SPRITE的碲镉汞探测器,外接的TDI电路全部省去,杜瓦瓶引线大大减少,结构简化,性能远远超过200元的器件。因此,有人把含有SPRITE探测器的热成像称为“一代半”的系统。
对于热成像系统而言,大多数的应用要求都是相似的,众多的武器平台都需要采用热成像系统,针对每一用途独立发展专用的热成像系统是很不划算的。于是,20世纪70年代开始展开热成像通用组件计划,重点是把热成像系统的主要部件,即探测器、制冷器、扫描器、信号处理电路分解成若干组件,使其标准化、模块化、通用化。而红外望远镜、监视器、控制器、附加电路、外形结构根据用户要求进行设计,构成各武器平台所需的热成像系统。热成像通用组件一般分为Ⅰ类和Ⅱ类两种热成像系统。Ⅰ类热成像系统具有重量轻、便携性好、功耗低、体积小、成本低、性能适中等特点,适合于单兵武器、近程武器,用于侦察、监视、搜索、营救等方面。Ⅱ类热成像系统具有灵敏度高、视场大、高分辨率的特点,被陆、海、空三军设计成各种车载、机载、舰载的高性能热成像系统。20世纪70年代N90年代初,美国、欧洲、中国都发展完成了第一代热成像系统。
为加强对目标的识别和辩认距离,必须提高分辨率,这就对探测器元数提出很高要求。而在实际应用中,对光学口径有严格限制,探测器的探测率已达到背景极限,所以热成像性能只能靠提高光敏元数来达到,要提高40%的识别距离,探测器元数应是原来的10倍,因此,第二代热成像系统的探测器元数需要千元以上。
半导体技术和微电子工艺的发展,给红外探测器技术的发展带来了新的机遇,而光电子科技方面,红外探测器材料和工艺也逐渐成熟。20世纪90年代,把微电子和红外探测器合二为一的红外焦平面探测器(IRFPA)技术终于有了实用的产品,但还达不到大面阵(如1000×1000元)的水平,所以第二代热成像仍采用扫描方式。探测器主要有碲镉汞的240x4、288x4、480x4、576x4、768x4、960x4等。中、小规模凝视焦平面,如锑化铟的320x240热成像也包含在第二代里面。第二代热成像对目标的识别距离大约是3~6千米。
记:第三代红外成像技术会有哪些质的飞跃?
苏:为提高武器平台作战时的性能优势,目前正在发展第三代红外热成像,重点还是碲镉汞,并有向非制冷和量子阱发展的趋势,由长波、中波、短波、双色、多色、非制冷等多品种组成,采用106元数的大面阵焦平面,主体仍然是制冷型的,因为在一些重要的应用中,性能比价格更重要,用户非常重视提高温度灵敏度和分辨率。
为提高探测性能、降低虚警率、更快地搜索目标,还发展了双波段和多光谱的红外焦平面探测器,并争取将杂波中对目标的探测能力和辨认距离提高50%,帧频(在热成像系统中,成像过程是采用探测器对图像进行扫描来实现图像传输的。每扫完一幅画面就构成一帧,单位时间内扫描的帧数称帧频)提高到480赫兹,红外成像系统的工作温度——中、短波的提高到180K(约零下93℃)、长波的提高到120K(约零下153℃)。
第三代热成像系统还力争做到具有先进的信号处理和智能化能力,零件更少,功耗降低。
记:热成像的更新换代,主要取决于它的核心部件红外探测器,第三代的红外探测器在材料方面有哪些变化?
苏:美、法、德、英等国都在相继开发第三代红外焦平面探测器(IRFPA)技术,在可选用的探测器方面,比第一、二代热成像的单一碲镉汞探测器要拓展很多,所选择的材料主要有碲镉汞、量子阱(OWlP)、非制冷材料、锑基化合物和铂化硅等,规格有向大规格(640×512元)和超大规格(1000×1000元以上)发展的趋势。
记:这几种探测器各有什么特点?
苏:经过30多年的发展和大量资金投入,碲镉汞材料成为研究应用最广泛的一种红外探测器用半导体合金系统,是红外探测器的优选材料,目前为止,仍是红外焦平面热成像技术的主流发展方向之一。它的主要优点是:高灵敏度、材料制备时可调节响应截止波长、高工作温度等,可以探测2~26微米波段的红外辐射。但也存在材料制备困难、制备周期长、成本高、均匀性差等问题,而且随着截止波长的增加,这些问题更加突出。因此,规模较小的探测器,如扫描型的焦平面探测器和元数不很大的凝视面阵探测器可以选用碲镉汞,应用于军事前视红外系统。大于640×480规模的碲镉汞焦平面探测器还要克服很多困难。
由于碲镉汞在长波、超长波、多波长中,材料性能极不稳定,特别是在规模生产中,大面积材料的均匀性和重复性很难控制,因此近几年,基于砷化镓的量子阱得到了重视,它的探测机理与传统探测器截然不同,是靠一个量子阱结构中光子和电子之间的量子力学相互作用来完成探测的,属于较新的技术。量子阱在光谱范围上具有更大的灵活性,加工性好于碲镉汞,列阵的均匀性特别高,可产生更高质量的热图像,功耗较低。它的不足也很明显:达不到很高的灵敏度;工作温度较低。
锑化铟是碲镉汞焦平面热像仪的竞争对手,与碲镉汞焦平面热像仪一样灵敏,可以互换,比碲镉汞焦平面探测器易生产,具有成本低廉、高灵敏的中波应用和均匀性好等优长,但它是一种易脆材料。一般来说,锑化铟焦平面探测器必须制冷到80K左右,目前已经制造出来的最大规格是1024×1024元。锑化铟焦平面热像仪在军事上适用于高灵敏度的中波红外(2~5.5微米)热成像,如观瞄器、寻的器等,以及像光谱仪类的窄带应用。




铂化硅焦平面探测器只能应用于中短波红外成像,仅适合于制造凝视焦平面探测器,能做成目前最大的焦平面阵列,超过1040x1040元易如反掌。它的优点是容易生产,能达到高均匀性(不均匀性小于1%);另外,当它被制冷到某一个温度下,其灵敏度就不再随温度变化而发生明显变化。铂化硅焦平面探测器主要应用于军事中高背景下高分辨率的短波和中波红外热成像。

近些年来,非制冷红外焦平面热成像也得到重视。制冷机一直是热成像中可靠性最差的部件,所以不需制冷和低价格是扩大应用范围的首要考虑。由于今后非制冷焦平面探测器在灵敏度和大面阵方面会得到提高,所以它将是第三代热成像的一个重要发展方向,会有更高成像像素的非制冷焦平面探测器面市。
记:与制冷型红外焦平面热成像相比,非制冷型红外焦平面热成像具有哪些优势?
苏:各种非制冷型红外焦平面成像系统取消了杜瓦瓶制冷器,可以在室温下工作,对8~14微米波段敏感,具备发热量小、低成本、低功耗、长寿命、小体积、高可靠性、使用维护方便等优势,目前正在迅速开拓军用市场,为红外传感器领域注入新的活力,是高性价比热像仪的最佳选择,可能成为今后最具竞争力的热成像系统之一。在军事上,它已在夜间驾驶和无人机侦察监视、轻型头盔瞄准镜、灵巧弹药、武器瞄准系统和导弹寻的器等方面得到应用。
记:未来红外技术发展有哪些变化?
苏:随着作战方式、装备的变化,目标的背景和目标本身的辐射与以前的预想不一样,需要探测、识别的目标也随之发生变化。比如以前主要是探测地面目标,现在慢慢发展为探测高空目标;以前对付火炮,识别距离20千米就够了,现在发展成对付导弹等,探测距离更远、高度更高,特别是将来发展成看深空等更远的目标及背景的辐射很低,对探测器本身的噪声、目标的识别能力都水涨船高,要求探测器噪声更低。




中国红外技术进展
记:我国在红外技术领域取得了哪些进展?
苏:当前,探测器已形成多光谱、长波、中波、短波和紫外同时发展,多种材料并举,焦平面规格成几倍增大的格局,我国与美国等发达国家相比,实验室技术差距10年左右,但战场装备差别不是很大。考虑到性价比,美德等国不会把实验室的所有高新技术应用到战场上。
在红外技术应用领域,我国也取得了较好成绩,工艺条件和基础设施得到很大加强,建立了一定的研制和生产基础,实现了第一代和第二代两种类型的通用热成像。简单地说,第一代的原理就是对图像进行二维扫描,第二代从两维扫描变为一维扫描或凝视。主要的关键技术已取得突破,完成了预先研究、型号研究、小批量生产的三个重要阶段,在国际瞩目的热成像技术领域中实现了从无到有、自主创新,打破了国外的技术封锁,性能并不落后,现在已少量装备部队,提高了武器平台的夜间作战能力。
国外正在发展的第三代焦平面红外热成像的一个特点是规格越做越大,如同当今的数码相机一样,这主要是得益于制造工艺和基础研究装备,但只是规模的延伸并没有实质性的发明,这就为我们继续抓住机遇,打好基础提供机会,在关键技术上实现赶超。我国也正在研制第三代红外热成像产品,特点是不用扫描,像数码相机一样,两维直接成像,水平与电视相当,探测距离制冷型的是4~5千米,非制冷型的是2~3千米。如果讲实用,非制冷的就行,因为成本低,看坦克2~3千米没问题。但是高水平、探测距离远还是要制冷型红外探测器,因为受限于探测器的噪声,噪声在低温状态下会变小。




记:我国发展红外技术面临哪些困难?
苏:还是在探测器的材料和工艺上,光学、信号处理和电子方面与美国等发达国家的差距不大,但赶超美国还有困难,因为美国投入大、人才多、科研装备基础好。我们只能紧缩科研目标。要有技术预见,从先进技术中寻找有基础、能支撑起的有限目标,因为从基础研究到应用研究,过程很长,花费也大,很多项目不一定能坚持到最后,所以说,科研还是要分工。披常将自己定位为做“回锅肉”的,而不一定从养猪开始,装备研究所应该从预先研究到应用研究到装备研究直到结束,重要的是要有持之以恒的科学精神,正如我国五四先哲所说:“倘人人皆有科学之精神,其国家必日臻强盛,其民族必将被光荣焉;而缺乏科学之精神,其国家必日见被剥削,其种族必不免于沦亡;救国家者,必以提倡科学精神为先务!”
记:一个有科学精神和自省精神的民族,才有远大的未来!衷心感谢您接受本刊专访。
(特别感谢:211所原副所长蔡毅给予本次专访的支持和帮助!)
作者:何懿
      来源:《兵器知识》2016年第09期

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