红外热成像仪在军事中的应用

红外热成像仪在军事中的应用
(一)  热像仪的组成与工作原理
一般的夜视器材都是利用目标的反射光线成像的。热像仪与它们不同,它既不依靠夜天光,也无须主动携带红外光源,而是靠接收目标自身的红外辐射(一切物体,只要其温度高于绝对零度,就会有红外辐射)来工作的,所显示的图像反映了目标与周围环境之间热辐射(温度)的差异,亦即利用热对比度成像,因而是热图像。具有军事意义的目标(如飞机、坦克等)一般都比周围环境温度高,因此也就成了热像仪最好的观察对象。
热成像夜视仪是目前技术最为先进的夜视器材,它的第一代产品为光机扫描型热成像仪,主要由光学系统(含扫描器)、红外探测器(含制冷器)、电子放大线路和显示器等几部分组成。其中红外探测器是热成像仪的核心部件和关键技术,它基于内光电效应进行光电探测。为保证红外探测器具有足够的探测灵敏度,需由专门的制冷器对其进行低温制冷。
热像仪的第二代是采用红外CCD焦平面阵列技术的凝视型热像仪。红外焦平面阵列是指放在光学系统焦平面上的一块芯片,在这块如同邮票大小的芯片上,不仅集成了成千上万个红外探测器,而且与各探测器相匹配的信号放大与处理电路也集成在一起,形成一个整体,使第二代热像仪不仅取消了光机扫描器,能够像眼睛一样摄取目标的完整图像,而且缩小了体积,降低了功耗。不仅如此,由于CCD成像器件具有更高的灵敏度和热分辨率,使探测距离和识别能力也有明显提高。
热像仪的工作波段(即红外探测器的敏感范围)可达到中、远红外区域,但由于大气对波长为3—5微米和8—14微米以外的红外线有强烈的衰减作用,所以实际上热像仪主要工作在3—5微米和8—14微米两个红外波段。
(二)  热成像夜视技术的发展概况
热成像技术的兴起可以追溯到五十年代。1959年芝加哥大学率先研制成功第一台前视红外热像仪,六十年代美国的许多公司又相继研制出多种机载前视红外系统并用于越南战场。七十年代后期,热成像技术获得突破性进展,接着第一代热成像仪便开始大量生产与使用。
第二代热成像仪是八十年代初由美国和西欧国家首先开始研制的,目前已经形成装备。
第三代致冷和非致冷红外焦平面阵列技术都已处于投产或等待投产阶段,预计未来5~10年间市场将保持持续增长的强劲势头。目前的红外焦平面阵列技术的发展趋势已预示着在红外热摄像机技术方面即将出现新的转折。
热像仪的作用距离除了仪器本身的性能因素外,还跟目标的类型和性质有关。目前的发展水平大致为:
用于地面观察时,一般可做到在1000米的距离上识别人,2000米的距离上识别车辆。例如“米兰”反坦克导弹的热瞄准具,通过实际使用所测得的结果是:在3200米距离上能发现车辆目标;在2000米的距离上能辨认出车辆种类;在1500米距离上能够做出敌我识别。
用于空中侦察时,在1500米高度上可以发现地面的单兵活动;在20公里高空可侦察到地面上的人群和车辆,并能通过水面航迹与周围海水的温差探测到水下四十米深处的潜艇;在200公里的卫星高度上可探测到地面大部队的集结与调动,以及查明伪装的导弹地下发射井和战略导弹的发射动向。
用于水面侦察时,可发现15—20公里远处的舰艇。
用于对空观察时,可对20—30公里距离上的飞机进行跟踪。
(三)  热成像夜视仪在军事上的应用
热像仪在军事上的应用范围较主动红外夜视仪和微光夜视仪更广,可用于战术与战略侦察、武器的瞄准和制导、各种战斗、运输车辆的夜间驾驶,并可供应飞机在黑暗中的起飞、着陆等,并性能更为优越,是一种较为理想的夜视器材。
目前热成像夜视仪的应用形态主要有:观察仪、手持观察仪、夜视眼镜、武器瞄准具、车辆驾驶仪、装甲战车潜望式驾驶仪、装甲战车瞄准具、潜艇潜望镜、飞机前视红外系统等。
1、陆军的应用
可供步兵在夜间进行观察、瞄准、监视、巡逻、港口及边境警戒等等;
可供坦克和装甲战车驾驶员进行夜间驾驶、车长夜间巡逻和识别目标、炮长夜间瞄准和射击;
可配备于导弹系统在夜间探测、识别和跟踪发射;
可供炮兵进行火炮、迫击炮的夜间瞄准与发射;
可于各种火控系统配套,在夜间进行搜索、跟踪、瞄准和射击;
2、海军的应用
可供舰艇在夜间对目标进行探测、识别、瞄准和射击;
可供巡逻舰和潜艇进行夜间观察、搜索和警戒;
可在夜间进行超低空和中空探测,以便及时发现来袭的飞机与导弹;
可供海军陆战队在夜间探测目标、识别地形、进行观察和空中封锁;
可装在海军飞机和直升机上在夜间探测水面上的舰船和装有通气孔的潜艇。
3、空军的应用
可用于轰炸机、攻击机、侦察机的导航、着陆与营救;
可供各种飞机和直升机在夜间进行搜索、空中监视、海上监视、救援、测绘、边境巡逻和冰层侦察;
可供侦察机、无人驾驶机、巡航导弹等在夜间进行航空侦察与空中摄影。
此外,还可以装在侦察卫星上对地面作大面积的监视、侦察以及实施战略预警。
(四)军用热成像仪的分类和性能
八十年代在部队中服役的热成像仪器多数型号是采用第一代技术,其特点是探测器的数量少于图像中的像元数量,并且采用光机扫描装置。第二代热成像仪,即凝视型热成像仪已开始装备部队并用于九十年代的局部战争,但因价格昂贵,装备数量较少。
以美军为例其组件式摄像机分三种类型:
60元(120条线)便携式摄像机;120元(240条线)地面车辆用摄像机;180元(360条线)航空用摄像机。
(五) 我国军用热像仪的研制状况
我国七十年代初研制成热电器件,目前红外探测器的单元器件多数已接近国际水平,近年来已试制成高速型实时显示热像仪,军用热像瞄准与跟踪系统正在研制,红外电荷耦合成像器件的研究工作也已经开始。虽然改革开放以来我国的热成像技术已经取得进展,但由于器件的性能、技术指标以及工艺水平都还比较低,不能批量生产,距当代国际先进水平大约还有15—20年的差距。
基于这种状况,我们应尽快引进当代最先进的红外成像技术,从而缩短与国际先进水平的差距。但由于以前世界上只有少数的西方国家(美、法、英等)掌握了第二代红外成像技术,其生产单位都为军工企业,而且对中国大陆实施禁运,这给引进工作增加了一定的难度。
进入21世纪后,美国生产军用红外热像仪的企业都将主要力量放在研制第三代非致冷红外焦平面上(即温度分辨率达0.01度,达到甚至超过致冷型红外热像仪的指标),因此对其第二代产品的低端部分的红外焦平面阵列的出口已有所放开。我们及时地抓住这一机会,引进了这一产品。
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