神秘的红外技术在军事应用

2013-12-20 admin1 2202

  很多朋友对红外摄影感兴趣,源于对神秘的军事红外设备的兴趣,其实军事上用得多的是热制导技术和热释红外成像技术。

  简史

  1800年,英国天文学家F.W.赫歇耳发现了红外线。红外技术在军事上的实际应用始于第二次世界大战期间。当时,德国研制和使用了一些红外技术装备,其中有红外通信设备和红外夜视仪,它们都属于主动式红外系统。战后,由于红外光子探测器和透红外光学材料的迅速发展,红外技术的应用引起军事部门的重视。此后,红外技术的发展方向集中在被动式系统上。50年代,红外点源制导系统应用于战术导弹上。60年代,红外技术的军事应用已相当广泛,如已应用于制导、火控、瞄准、侦察和监视等。60年代中期,出现了光机扫描的红外成像技术。70年代,红外成像技术获得迅速发展,热成像系统和电荷耦合器件的应用是这一时期的重要成果。80年代,红外技术进入研制镶嵌焦面阵列(CCD阵列)系统的新时期。

  基本概念

  自然界中, 一切温度高于绝对零度摄氏-273.16 的物体都不断地辐射着红外线, 这种现象称为热辐射。红外线是一种人眼不可见的光波,它是由物质内部的分子、原子的运动所产生的电磁辐射,是电磁频谱的一部分,其波段介于可见光和微波波段之间(0.76~1000微米)。通常按波长把红外光谱分成4个波段:近红外(0.76~3微米)、中红外(3~6微米)、中远红外(6~20微米)和远红外(20~1000微米)。

  一切物体都有其自身的红外辐射特性。为研究各种不同物体的红外辐射,人们用理想辐射体──绝对黑体(简称黑体)作基准。能吸收全部入射的辐射而没有反射的物体称为黑体。良好的吸收体必然也是良好的辐射体,因此黑体的辐射效率最高,其比辐射率定为1。任何实际物体的辐射发射量与同一温度下黑体的辐射发射量之比,称为该物体的比辐射率,其值总是小于1。物体的比辐射率,与物体的材料种类、表面特性、温度、波长等因素有关。黑体的辐射特性可用普朗克定律描述,该定律给出了黑体辐射作为温度函数的光谱分布。对某一温度,辐射量最大的波长与其温度的乘积为常数,这个关系称维恩定律(适用于在温度较低,波长较短的范围内)。对所有波长积分所得到的总辐射量与温度的四次方成正比,这个关系称为斯蒂芬-玻尔兹曼定律。

  物体发出的辐射,大都要通过大气才能到达红外光学系统。由于大气中二氧化碳、水汽等气体对红外辐射会产生选择性吸收和其他微粒的散射,使红外辐射发生不同程度的衰减。人们把某些衰减较小的波段,称为大气窗口。在0.76~20微米波段内有3个大气窗口:1~2.7微米,3~5微米,8~14微米。目前红外系统所使用的波段,大都限于上述大气窗口之中(大气窗口还与大气成份、温度和相对湿度等因素有关)。由于红外系统所探测的目标处于各自的特定背景之中,从而使探测过程复杂化。因此,在设计红外系统时,不但要考虑红外辐射在大气中的传输效应,还要采用抑制背景技术,以提高红外系统探测和识别目标的能力。

  分类

  红外系统按工作原理,可分为主动式和被动式两类。主动式系统需自带红外光源照射目标;被动式系统则直接探测目标的红外辐射。后者是占主导地位的军用红外系统,如热成像系统、搜索跟踪系统、红外辐射计和警戒系统等。按信息提供方式,可分为成像和点源系统。按工作方式,还可分为扫描和非扫描系统,扫描系统又分为光机扫描和电子扫描系统。

  组成和工作原理

  红外系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理、显示记录系统等组成。其工作原理如图所示:

  红外光学系统把目标的红外辐射集聚到红外探测器上,并以光谱和空间滤波方式抑制背景干扰。红外探测器将集聚的辐射能转换成电信号。微弱的电信号经放大和处理后,输送给控制和跟踪执行机构或送往显示记录装置。红外光学系统的结构,一般可分为反射式、折射式和折反射式三种,后两种结构需采用具有良好红外光学性能的材料。

  红外探测器一般有光子探测器、热释电探测器、热敏探测器、电荷耦合器件和红外电真空器件等。有些探测器要在低温下工作,需采用致冷器。致冷器有辐射致冷器、热电致冷器和冷冻剂致冷器等。采用何种致冷器,需视系统结构、所用探测器类型和使用环境而定。置于红外探测器前的光学调制器,将目标辐射进行调制编码,以便从背景中提取目标信号或目标的空间位置信息。前置放大器将探测器输出的微弱信号进行初级放大,并给探测器提供合适的偏置条件。它的噪声指数很低,从而使探测器的噪声有可能成为系统的极限噪声。信号处理系统把前置放大器输出的信号进一步放大和处理,从信号中提取控制装置或显示记录设备所需的信息。一般非成像系统视目标为点辐射源,相应的信号处理、显示记录系统比较简单。红外成像系统,通常需将目标红外辐射转换成黑白照片和假彩色照片或电视图像。这种图像不象可见光照相机所得的图像那样直观,它反映的是目标的辐射温度分布。

  军事应用

  由于红外系统比雷达系统的分辨率高,隐蔽性好,且不易受电子干扰,较之可见光系统具有能识别伪装、可昼夜工作、受天气影响较小等优点。因此,在军事上得到广泛应用。其主要应用是:

  便携主动式红外夜视仪

  红外夜视仪是利用光电转换技术的军用夜视仪器。它分为主动式和被动式两种:前者用红外探照灯照射目标,接收反射的红外辐射形成图像;后者不发射红外线,依靠目标自身的红外辐射形成 “热图像”,故又称为”热像仪”。

  夜间可见光很微弱,但人眼看不见的红外线却很丰富。红外线视仪可以帮助人们在夜间进行观察、搜索、瞄准和驾驶车辆。尽管人们很早就发现了红外线,但受到红外元器件的限制,红外遥感技术发展很缓慢。直到1940年德国研制出硫化铅和几种红外透射材料后,才使红外遥感仪器的诞生成为可能。此后德国首先研制出主动式红外夜视仪等几种红外探测仪器,但它们都未能在第二次世界大战中实际使用。

  几乎同时,美国也在研制红外夜视仪,虽然试验成功的时间比德国晚,但却抢先将其投入实战应用。1945年夏,美军登陆进攻冲绳岛,隐藏在岩洞坑道里的日军利用复杂的地形,夜晚出来偷袭美军。于是美军将一批刚刚制造出来的红外夜仪紧急运往冲绳,把安有红外夜视仪的枪炮架在岩洞附近,当日军趁黑夜刚爬出洞口,立即被一阵准确的枪炮击倒。洞内的日军不明其因,继续往外冲,又糊里糊涂地送了命。红外夜视仪初上战场,就为肃清冲绳岛上顽抗的日军发挥了重要作用。

  主动式红外夜视仪具有成像清晰、制作简单等特点,但它的致命弱点是红外按照灯的红外光会被敌人的红外探测装置发现。60年代,美国首先研制出被动式的热像仪,它不发射红外光,不易被敌发现,并具有透过雾、雨等进行观察的能力。

  1982年4月─6月,英国和阿根廷之间爆发马尔维纳斯群岛战争。4月13日半夜,英军攻击承军据守的最大据点斯坦利港。3000名英军布设的雷区,突然出现在阿军防线前。英国的所有枪支、火 炮都配备了红外夜视仪,能够在黑夜中清楚地发现阿军目标。而阿军却缺少夜视仪,不能发现英军,只有被动挨打的份。在英军火力准确的打击下,阿军支持不住,英军趁机发起冲锋。到黎明时,英军已占领了阿军防线上的几个主要制高点,阿军完全处于英军的火力控制下。6月14日晚9时,14 000名阿军不得不向英军投降。英军领先红外夜视器材赢得了一场兵力悬殊的战斗。

  1991年海湾战争中,在风沙和硝烟弥漫的战场上,由于美军装备了先进的红外夜视器材,能够先于伊拉克军的坦克而发现对方,并开炮射击。而伊军只是从美军坦克开炮时的炮口火光上才得知大敌在前。由此可以看出红外夜视器材在现代战争中的重要作用。

  50年代前期所用的红外夜视设备,都是主动式红外夜视仪,一般采用红外变像管作接收器,工作波段在1微米左右,在夜间可看见100米处的人,1公里内的坦克、车辆和10公里远的舰船。现代红外夜视设备主要有红外热像仪(亦称红外前视系统)、红外电视和改进的主动红外夜视仪等。其中红外热像仪是具有代表性的红外夜视装置。美国于60年代后期研制的一种光机扫描式红外成像系统,为飞机夜航和在恶劣气象条件下的飞行提供观察手段,工作在8~12微米波段,一般采用碲镉汞光子探测器接收,液氮致冷。它的战术技术性能,比主动式红外夜视仪提高了一个数量级,夜间可观察到1公里处的人,5~10公里远的坦克和车辆,视距内的舰船。这种红外热像仪几经改进,到80年代初,许多国家已出现标准化、组件化系统,设计者可按要求选用不同的组件,组装所需的红外热像仪,为军队提供了一种简便、经济、互换性好的夜视装备。红外夜视设备已广泛应用于陆、海、空三军。如用作坦克、车辆、飞机、舰船等的夜间驾驶用观察设备,轻武器的夜瞄仪,战术导弹和火炮的火控系统,战场前沿的监视和观察设备,以及单兵侦察设备等。今后将发展用凝视型焦面阵列组成的热成像系统,它的战术技术性能将进一步提高

  红外制导

  50年代中期,美、英、法等国相继研制成功“响尾蛇”、“火光”和“马特拉”等第一代红外制导的空空战术导弹。 导弹的红外导引头采用非致冷硫化铅探测器,工作波段1~3微米。它只能对敌机作尾追攻击,易受阳光干扰。随着红外技术的发展,红外制导系统日益完善。60年代以后,在三个大气窗口都相继有了可供实用的红外系统,攻击方式从尾追发展到全向攻击,制导方式也有了全红外制导(点源制导和成像制导)和复合制导(红外/电视、红外/无线电指令、 红外/雷达)。

  红外点源制导系统已广泛应用于空空、地空、岸舰和舰舰导弹等数十种战术导弹上。预计到90年代初,点源制导系统仍将是上述战术导弹的主要制导方式之一。

  红外成像制导系统的研制工作始于70年代中期,它比红外点源制导系统提供的信息丰富,具有更强的识别能力和更高的制导精度。80年代初,已在“小牛”空地导弹 上使用。随着焦面阵列器件的研制成功,红外成像制导系统将进一步提高识别能力,并使导弹具有自主攻击能力。

  红外侦察

  用于地(水)面、空中和空间的红外侦察设备,有红外照相机、红外扫描仪、红外望远镜、红外热像仪和主动式红外成像系统等。地面红外侦察设备主要是红外热像仪和主动式红外夜视仪。潜艇使用的红外潜望镜,已具有伸出水面迅速扫描一周,收回后再显示观察的功能。水面舰船可借助红外探测跟踪系统,监视敌方飞机和舰船的入侵。80年代初多数采用点源探测系统, 迎头探测飞机的距离为20公里,尾追约100公里;观测主动段 战略导弹 的距离大于1000公里。红外跟踪头与电影经纬仪和激光雷达配合,还可用于靶场测量。第二次世界大战中,军用 侦察机 采用红外假彩色照相取得了明显的侦察效果。但红外胶片仅能敏感0.9微米以下的红外辐射,且保存困难。60年代以来,机载红外侦察设备主要采用红外扫描照相机,以后又采用热像仪。红外扫描照相机是一种将目标和背景的图像通过光机扫描-光电-电光转换后,使其照在可见光胶片上成像的设备。60年代,这类设备的角分辨率仅为0.5毫弧度(即在1000米高空可区分开0.5米的间距)。现代红外扫描照相机的分辨率已提高一个数量级。

  空间红外侦察设备已用于导弹预警卫星、气象卫星、陆地卫星和照相侦察卫星上。导弹预警卫星可利用星上的红外望远镜实时发现飞出大气层的来袭战略导弹,并监视其飞行。军用气象卫星可利用星上的双通道行扫描仪拍摄全球云图。陆地卫星可利用星上的中远红外波段设备进行 战略侦察 。照相侦察卫星可利用星上的高分辨率的红外成像设备,昼夜侦察和监视对方的军事目标和军事活动。

  红外对抗

  应用红外对抗技术可使对方红外探测和识别系统的功能大大下降,甚至不起作用。对抗措施可归结为规避和欺骗两类。规避是利用伪装器材,将军事设施、武器装备等隐蔽起来,使对方探测不到己方的红外辐射源。伪装器材主要有红外伪装网和防红外涂料,80年代初期,它们仅能在1~3微米波段起作用,可对付某些红外照相机和扫描仪,但对红外热像仪却无能为力。欺骗是用与自身红外辐射波长相似但更强烈的辐射源,诱开对方的红外探测系统,这种主动对抗装置有红外诱饵和干扰机。前者如曳光弹、燃油箱等;后者是一种加调制的强红外源。它们多装在飞机和军舰上,用以引开来袭的红外制导导弹。这种主动对抗装置,直到80年代中期还难以对付在 8~12微米波段工作的红外系统。对抵消红外对抗技术的作用,现代红外系统又采取了反对抗措施,如采用双色技术和多模跟踪技术等。

  此外,红外技术在军事上还可用于通信、报警、毒气监测、弹药引爆和区域警戒等方面。

  综观红外技术在军事上的应用,可归结为:为部队提供夜间行动和作战能力,为部队提供军事情报,提高武器系统的命中精度,改善武器系统抗电子干扰能力。红外技术将日益对战略战术和军队的作战行动产生影响。

  展望

  红外技术的发展趋势是:在研制具有信号处理能力的镶嵌焦面阵列(CCD阵列)成像系统的同时,重视室温长波红外系统的研制,以满足军事上的多种要求。成像技术与模式识别、微处理机技术相结合,将出现具有自适应能力的凝视型实时空间侦察监视系统和具有自主攻击能力的武器系统。远红外(20~1000微米)波段的开拓,将为军事应用带来新的前景。

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