應(yīng)用于紅外成像導(dǎo)引頭的非制冷焦平面探測器

李 煜，白丕績，陶 禹，袁名松

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應(yīng)用于紅外成像導(dǎo)引頭的非制冷焦平面探測器

李 煜1，白丕績2，陶 禹3，袁名松2

（1. 北方廣微科技有限公司，北京 100089；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 63961 部隊，北京，100012）

隨著非制冷探測器技術(shù)的迅猛發(fā)展，中大規(guī)模、高靈敏度的非制冷焦平面器件實現(xiàn)工程化應(yīng)用。使用非制冷焦平面器件的紅外成像導(dǎo)引頭具有效費比高、結(jié)構(gòu)緊湊、易維護等優(yōu)點，已成為紅外成像導(dǎo)引頭的重要成員之一。介紹了國內(nèi)外幾款采用非制冷紅外成像導(dǎo)引頭的反坦克導(dǎo)彈、精確攻擊導(dǎo)彈、精確炸彈、反艦導(dǎo)彈，以及所使用的非制冷焦平面器件的性能參數(shù)，總結(jié)了用于紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的非制冷焦平面器件的特點及發(fā)展趨勢。

非制冷紅外焦平面；導(dǎo)彈；紅外成像制導(dǎo)

0 引言

導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)通常使用電視、毫米波、半主動激光、雷達、紅外成像等制導(dǎo)技術(shù)，每種技術(shù)都有一定的針對性和適用范圍。其中，紅外成像制導(dǎo)技術(shù)具有精度高、隱蔽性好、抗干擾能力強、全天候作戰(zhàn)，在精確制導(dǎo)武器中備受青睞。隨著雙模、多模導(dǎo)引頭技術(shù)的日益發(fā)展，紅外成像制導(dǎo)得到更廣泛地應(yīng)用。

傳統(tǒng)的紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)大多采用制冷型紅外焦平面探測器，而非制冷焦平面探測器受制于較低靈敏度和較長熱響應(yīng)時間，主要應(yīng)用于觀瞄及民用領(lǐng)域。隨著非制冷探測器制造技術(shù)的快速發(fā)展，中大規(guī)模、高靈敏度、小像素的非制冷焦平面器件實現(xiàn)工程化應(yīng)用，并且成本大幅下降；非制冷紅外成像導(dǎo)引頭具有效費比高、結(jié)構(gòu)緊湊（休積小、重量輕）、易使用和易維護等優(yōu)點，已成為紅外成像導(dǎo)引頭的重要成員之一。經(jīng)過多年的發(fā)展，非制冷紅外成像導(dǎo)引頭已廣泛用于反坦克導(dǎo)彈、精確攻擊導(dǎo)彈、小直徑炸彈、反艦導(dǎo)彈等[1]。

1 非制冷紅外成像導(dǎo)引頭應(yīng)用情況

1.1 反坦克導(dǎo)彈

為了提高分辨率、降低成本，各國反坦克導(dǎo)彈紛紛采用非制冷紅外成像導(dǎo)引頭，典型型號有：以色列“近程-長釘（Spike-SR）”、“迷你-長釘（Mini-Spike）”反坦克導(dǎo)彈；歐洲MMP中程反坦克導(dǎo)彈，日本“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導(dǎo)彈；中國北方“紅箭-12”輕型反坦克導(dǎo)彈等。各型非制冷紅外成像制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈的具體技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

1.1.1 “近程-長釘（Spike-SR）”反坦克導(dǎo)彈

“近程長釘”是以色列Rafael公司開發(fā)的一種低成本、發(fā)射后不管的便攜式反坦克導(dǎo)彈，主要用于攻擊坦克、裝甲、低空盤旋直升機等移動目標(biāo)，也可攻擊混凝土工事、掩體等固定目標(biāo)。“近程長釘”采用非制冷紅外成像導(dǎo)引頭，不但分辨率高，而且導(dǎo)引頭系統(tǒng)簡單，以及發(fā)射筒和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)高度集成；導(dǎo)彈長度僅1.0m，重約9.0kg，有效射程在50～800m范圍；圖1為近程-長釘（Spike-SR）反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)[2]。

1.1.2 迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導(dǎo)彈

“迷你長釘”也是以色列Rafael公司根據(jù)作戰(zhàn)需求，最近開發(fā)的一款更為輕便、靈活、性能優(yōu)良的便攜式導(dǎo)彈系統(tǒng)。這款導(dǎo)彈系統(tǒng)包括一套重4kg的小型發(fā)射控制單元（MICLU）和一個正方形截面的發(fā)射筒，以及導(dǎo)彈長0.80m、重4.0kg的導(dǎo)彈?！懊阅汩L釘”導(dǎo)引頭采用非制冷紅外成像+彩色影像傳感器（CMOS）的雙模制導(dǎo)模式，彈頭呈球形。該導(dǎo)彈具有“發(fā)射后不管”和“持續(xù)制導(dǎo)”兩種工作模式可選，最大射程為1500m；圖2為迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)[3]。

1.1.3 MMP中程反坦克導(dǎo)彈

MMP中程反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)根據(jù)法國陸軍的任務(wù)需求，以替換目前服役的“米蘭”反坦克導(dǎo)彈，由歐洲導(dǎo)彈公司（MBDA）為其研制的新一代中程反坦克導(dǎo)彈，預(yù)計將于2017年開始裝備法國陸軍。MMP導(dǎo)彈制導(dǎo)采用非制冷紅外傳感器和電視攝像機的雙模制導(dǎo)模式，導(dǎo)彈長1.3m、彈徑140mm、重15kg；以及三腳架重量為11kg。該導(dǎo)彈可實現(xiàn)“發(fā)射后不管”模式，以及發(fā)射鎖定目標(biāo)攻擊模式，有效射程為4000m；圖3為MMP中程反坦克導(dǎo)彈[4]。

1.1.4 新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導(dǎo)彈

日本研制的“輕馬特”（XATM-5）反坦克導(dǎo)彈為取代裝備的84mm“卡爾·古斯塔夫”無后坐力炮。該反坦克導(dǎo)彈的導(dǎo)引頭采用非致冷長波紅外焦平面探測器（波長8～14mm），具備發(fā)射后不管的能力；同時導(dǎo)彈大量采用復(fù)合材料。新“輕馬特”導(dǎo)彈長0.86m、彈徑120mm、重11.4kg；具有成本低、壽命長、高可靠、易維護等諸多優(yōu)點。導(dǎo)彈系統(tǒng)便于肩扛和單人操作，可隱蔽在掩體中射擊，其生存能力相對較高；圖4為新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導(dǎo)彈[5]。

表1 非制冷紅外成像制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈

圖1 近程-長釘（Spike-SR）反坦克導(dǎo)彈

圖2 迷你-長釘（Mini-Spike）反坦克導(dǎo)彈

圖3 MMP中程反坦克導(dǎo)彈

圖4 新“輕馬特”（XATM-5）便攜式反坦克導(dǎo)彈

1.1.5 “紅箭-12”新型反坦克導(dǎo)彈

2014年，中國北方工業(yè)公司（NORINCO）在歐洲薩托利展會上，發(fā)布了新型“紅箭-12”肩扛式反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)。該導(dǎo)彈采用非制冷長波紅外焦平面成像和可見光兩種版本的制導(dǎo)模式，使其具備全天候作戰(zhàn)能力?！凹t箭-12”系統(tǒng)全重22kg，其中發(fā)射筒、導(dǎo)彈總計17kg，導(dǎo)彈長0.98m、彈徑135mm。導(dǎo)彈可由單兵攜帶，具有“發(fā)射后不管”能力的輕型反坦克武器系統(tǒng)。紅外成像引導(dǎo)頭射程可達2000m；圖5為《簡氏防務(wù)周刊》網(wǎng)站發(fā)布的紅箭-12反坦克導(dǎo)彈[6-7]。

1.1.6 空射型BAT反坦克導(dǎo)彈

智能子彈藥是美國格魯曼公司研制的20kg智能反裝甲子彈藥（BAT）。子彈上裝有主動毫米波雷達和紅外成像傳感器，可自動搜尋鎖定目標(biāo)。BAT反坦克導(dǎo)彈的十字形翼上裝有4根音響傳感器探針。音響傳感器探測目標(biāo)車輛的音響信號，并傳回到彈上計算機捕獲目標(biāo)，控制導(dǎo)彈指向目標(biāo)車輛。同時，彈上的紅外導(dǎo)引頭（長波非制冷320×240焦平面）進行探測、鎖定目標(biāo)，并對其末段制導(dǎo)；空射型BAT反坦克導(dǎo)彈如圖6所示[8]。

圖5 紅箭-12反坦克導(dǎo)彈

圖6 空射型BAT反坦克導(dǎo)彈

1.2 精確打擊彈藥

1.2.1 精確攻擊導(dǎo)彈（PAM）

美國雷神公司開發(fā)的這款網(wǎng)絡(luò)化低成本非視線精確打擊武器精確攻擊導(dǎo)彈（PAM）。PAM導(dǎo)彈有紅外成像/自動目標(biāo)識、激光提示紅外成像鎖定、激光持續(xù)照射半主動跟蹤3種可供選擇工作模式；其導(dǎo)引頭采用非制冷紅外（640×480焦平面探測器）/半主動激光雙模導(dǎo)引頭，中段采用慣性導(dǎo)航＋GPS制導(dǎo)。導(dǎo)彈直徑177.8mm，速度250m/s，射程40km，不僅具有打擊重型裝甲目標(biāo)和加固的防御工事，它還可打擊低空、慢飛或懸停直升機的能力；圖7為精確攻擊導(dǎo)彈（PAM）導(dǎo)引頭及導(dǎo)彈攻擊坦克頂部過程[9]。

1.2.2 小直徑炸彈（SDB-Ⅱ）

美國雷神公司研制的小直徑炸彈（SDB Ⅱ）重約90.7kg，導(dǎo)引頭采用毫米波、非制冷紅外成像、激光半主動的三模制導(dǎo)模式，使其導(dǎo)彈能在全天候追蹤、打擊目標(biāo)。SDB Ⅱ?qū)б^集成的非制冷紅外成像傳感器，使該炸彈能夠追蹤并鎖定目標(biāo)的熱輻射特征。這款小直徑炸彈能精確打擊既定目標(biāo)，具有較小的附帶毀傷，可大量裝備各型作戰(zhàn)飛機；圖8為SDB-Ⅱ小型炸彈照片[10]。

1.2.3 聯(lián)合空對地導(dǎo)彈（JAGM）

由美國陸軍牽頭，海軍及海軍陸戰(zhàn)隊共同參與研制的聯(lián)合空地導(dǎo)彈（Joint Air-to-Ground Missile），用JAGM這款通用型導(dǎo)彈取代現(xiàn)役的陶式（BGM-71）導(dǎo)彈、幼畜（ACM-65）導(dǎo)彈及海爾法（ACM-114）導(dǎo)彈。JAGM導(dǎo)彈將可搭載直升機、戰(zhàn)斗機和無人機等多款戰(zhàn)機。雷神公司的非制冷成像三模導(dǎo)引頭方案不僅滿足指標(biāo)要求，而且成本更低（采用非制冷640×480焦平面探測器），可以滿足陸軍對成本要求；圖9為美國聯(lián)合空對地導(dǎo)彈（JAGM）照片[11]。

圖7 確攻擊導(dǎo)彈（PAM）導(dǎo)引頭及導(dǎo)彈攻擊過程

圖8 SDB-Ⅱ小型炸彈

圖9 聯(lián)合空對地導(dǎo)彈（JAGM）

1.3 MASTER隱身巡航導(dǎo)彈

MASTER/LCMCM是洛×馬公司推出一種隱身巡航導(dǎo)彈，以滿足戰(zhàn)場縱深打擊要求。MASTER/LCMCM導(dǎo)彈采用獨特的外形設(shè)計，大大降低導(dǎo)彈雷達截面特征，達到隱身的效果。MASTER導(dǎo)彈采用紅外成像/雷達雙模導(dǎo)引頭，導(dǎo)彈子系統(tǒng)采用SELEX低成本的非制冷紅外成像導(dǎo)引頭，能裝備單一戰(zhàn)斗部或多達5個獨立瞄準(zhǔn)的子彈藥，整個彈重450kg。該款導(dǎo)彈可直接攻擊目標(biāo)，也可巡飛后再攻擊移動目標(biāo)，可在F-35、F-22等戰(zhàn)機內(nèi)、外掛載；圖10為美國洛×馬公司的MASTER/LCMCM導(dǎo)彈[12]。

1.4 FASGW反艦導(dǎo)彈

FASGW-ANL反艦導(dǎo)彈是歐洲導(dǎo)彈公司（MBDA）研制。此項目在英國被稱為“未來重型反艦制導(dǎo)武器”（FASGW）項目。FASGW反艦導(dǎo)彈將裝備法國海軍的NH90和“黑豹”直升機，英國海軍的“野貓”直升機。導(dǎo)彈采用非制冷紅外成像導(dǎo)引頭，該導(dǎo)引技術(shù)也用于FELIN步兵現(xiàn)代化和MMP反坦克導(dǎo)彈計劃；圖11為歐洲FASGW-ANL反艦導(dǎo)彈樣品及海上直升機攻擊效果模擬圖[13]。

2 應(yīng)用于紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)的非制冷焦平面探測器

SCD公司的BIRD 640-VE非制冷焦平面組件[14]，如圖12和表2所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（25mm）非制冷焦平面組件[15-16]，如圖13和表3所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（17mm）非制冷焦平面組件[15-16]，如圖14所示。

BAE系統(tǒng)公司的MICROIR ?非制冷焦平面組件[17-18]，如圖15和表4所示。

北方廣微公司可用于制導(dǎo)的非制冷焦平面組件[19]，如圖16和表5所示。

圖10 洛×馬公司的MASTER/LCMCM導(dǎo)彈

圖11 FASGW-ANL反艦導(dǎo)彈及攻擊效果模擬圖

圖12 BIRD 640-VE

表2 BIRD 640-VE非制冷焦平面組件典型參數(shù) (@ 25℃, TEC stabilized)

圖13 導(dǎo)引頭探測器及機芯

表3 非制冷焦平面組件典型參數(shù)

圖14 雷神非制冷機芯組件及其在PM-FLIR中的結(jié)構(gòu)

圖15 MICROIR? SCC500非制冷標(biāo)準(zhǔn)組件及紅外成像導(dǎo)引頭[17-18]

表4 SCC500成像機芯典型參數(shù)

圖16 北方廣微可用于制導(dǎo)的非制冷焦平面組件

Fig.16 UFPA used for guidance in North GuangWei

表5 北方廣微的非制冷焦平面組件典型參數(shù)

3 制導(dǎo)用非制冷焦平面探測器特點

1）高可靠性

導(dǎo)彈在存儲、運輸、發(fā)射、飛行全過程中，特別是在發(fā)射和動力加速、變角時刻，更易受到振動、沖擊等動態(tài)力學(xué)以及溫度循環(huán)沖擊的影響，溫度、力學(xué)能量傳遞到紅外成像導(dǎo)引頭上，進一步傳遞給非制冷焦平面探測器，直接影響探測器的性能及可靠性。非制冷焦平面探測器的環(huán)境適應(yīng)性的性能直接影響整個導(dǎo)彈的存儲、工作適應(yīng)環(huán)境[20]。

2）高幀頻

圖像幀頻反映了圖像及運動目標(biāo)的實時性。達到對一般運動目標(biāo)跟蹤能力，紅外成像導(dǎo)引頭一般要求幀頻達到50～100Hz，而導(dǎo)彈預(yù)警系統(tǒng)紅外圖像則要求100～400Hz。紅外圖像幀頻高，導(dǎo)引頭指向及跟蹤角速度率便可以相對提高，能使系統(tǒng)具有較寬的帶寬。

3）大規(guī)格

通常情況，非制冷紅外成像導(dǎo)引頭用的焦平面規(guī)格都在320×240及以上，在相同焦距的情況下，探測器陣列規(guī)格越大，導(dǎo)引頭的空間分辨率就越高。較高的紅外圖像分辨率高，可更好地對目標(biāo)進行識別、定位、跟蹤，從而對目標(biāo)實現(xiàn)精確打擊。因此，在系統(tǒng)功耗、速度、成本允許情況下，非制冷焦平面規(guī)格會盡量選用大規(guī)格[21]。

4）抗過載

導(dǎo)彈在發(fā)射及做大機動飛行時，一般都會產(chǎn)生較大的加速度，即我們通常所稱的常值過載。一般的反坦克導(dǎo)彈，過載能達10（為重力加速度）以上；防空導(dǎo)彈及空空導(dǎo)彈，過載超20，如R-73K紅外導(dǎo)彈的最大過載達50；AIM-9L/M的最大過載26～35。因此，彈用非制冷焦平面需要較大的抗過載能力。

4 發(fā)展趨勢

隨著非制冷紅外成像導(dǎo)引頭在反坦克導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)導(dǎo)彈、制導(dǎo)炸彈等方面的廣泛應(yīng)用，非制冷紅外成像導(dǎo)引頭也將向著高分辨率、雙色、智能化、小型化、通用化等方面發(fā)展。同時，彈用非制冷紅外焦平面探測器不僅向著大規(guī)模、小像素、高靈敏度、高幀頻、大動態(tài)范圍等傳統(tǒng)高性能方向發(fā)展，同時也出現(xiàn)雙色、數(shù)字化、智能化等趨勢，以提高目標(biāo)辨識、抗干擾以及戰(zhàn)場環(huán)境適應(yīng)能力[22]。

4.1 中/長波雙色非制冷探測器

以色列推出的BIRD 640WB是一款在中波紅外（3～5mm）和長波紅外（8～14mm）同時具有較高響應(yīng)的640×480非制冷探測器，這種雙色非制冷探測器若用于紅外雙色成像制導(dǎo)，將大大提高辨識、抗干擾等能力[14]，其器件光譜響應(yīng)如圖17所示。

4.2 全數(shù)字非制冷探測器

隨著CMOS工藝及設(shè)計技術(shù)的飛躍發(fā)展，不僅使非制冷焦平面讀出電路片上ADC、DAC成為可能，形成輸入無模擬偏置、輸出全數(shù)字的數(shù)字化焦平面探測器組件，為小型化、智能化焦平面探測器打下基礎(chǔ)。FLIR、BAE、ULIS等部分產(chǎn)品都實現(xiàn)偏置電壓、視頻信號的數(shù)字輸入、輸出。

圖17 器件光譜響應(yīng)

4.3 智能化非制冷探測器

紅外焦平面陣列、讀出電路和圖像處理相結(jié)合的智能化陣列，即靈巧紅外焦平面。焦平面讀出電路上集成了片上非均勻預(yù)校正、非均勻空間采樣、智能動態(tài)范圍控制等功能。其中以色列SCD的BIRD 640產(chǎn)品，就具有片上非均勻校正、殘留非均勻性預(yù)測等功能。

4.3.1 片上非均勻校正

非制冷焦平面讀出電路設(shè)計采用非線性輻射補償、襯底溫度補償，以及像素級、列級、行級的非均勻性補償，以實現(xiàn)片上非均勻預(yù)校正。提高圖像質(zhì)量，降低圖像空間噪聲，又不減小動態(tài)范圍。

4.3.2 非均勻空間采樣

紅外成像制導(dǎo)的圖像只有在搜索階段，需要整個大的視場內(nèi)都具備高的空間分辨率。而在識別、跟蹤階段，則需要圖像在目標(biāo)及相近區(qū)域，有更高分辨率、更高幀頻?；诖藨?yīng)有，焦平面設(shè)計者提出一個中間區(qū)域像元密、響應(yīng)快，四周像元疏、響應(yīng)慢、靈敏度高的漸變陣列布局。這種非均勻空間采樣方式，同時實現(xiàn)大視場、高分辨率和高幀頻設(shè)想。MBDA公司的概念武器：CVS-101-137狙擊手（Sniper）導(dǎo)彈，該導(dǎo)引頭是一種類似人眼的系統(tǒng)，視場中心分辨率高，周邊分辨率較低[23]。

4.3.3 智能動態(tài)范圍控制

為了提高紅外成像導(dǎo)引頭的探測靈敏度，同時又不損失探測的動態(tài)范圍。制冷、非制冷探測器都在尋求智能化動態(tài)范圍控制方法，以獲得紅外圖像的高的探測靈敏度和大的動態(tài)范圍。非制冷探測器方面，通過高低增益雙幀圖像融合、自適應(yīng)地調(diào)整探測器像元偏置和系統(tǒng)增益，以實現(xiàn)探測靈敏度和動態(tài)范圍獲得最佳的折衷[24-25]。

5 結(jié)論

隨著紅外成像制導(dǎo)、紅外雙色制導(dǎo)、多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)的不斷應(yīng)用，以及高性能非制冷焦平面的迅猛發(fā)展，非制冷紅外成像制導(dǎo)將在末端制導(dǎo)、復(fù)合制導(dǎo)、精確制導(dǎo)等領(lǐng)域一展風(fēng)采；同時，非制冷紅外成像導(dǎo)引頭用的焦平面組件應(yīng)按系列化、模塊化、通用化進行研制，有利于進一步降低非制冷紅外成像導(dǎo)引頭的成本，擴大應(yīng)用領(lǐng)域，與制冷型紅外成像導(dǎo)引頭形成優(yōu)勢互補的發(fā)展態(tài)勢[26]。

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Uncooled Focal Plane Arrays Detector Applied for Infrared Imaging Seeker

LI Yu1，BAI Piji2，TAO Yu3，YUAN MingSong2

(1.,100089,; 2.,650223,;3. 63961,100012,)

With great progress in fabrication technology, medium（large）scale, high temperature response and small pixel pitch UFPAs（Uncooled Focal Plane Arrays）detectors are produced. For its high cost-effectiveness, compactness and easy maintenance etc, seeker using UFPAs detector has become an important member in the infrared imaging seeker family. Some kinds of domestic and foreign representative weapons such as anti-tank missile, precision attack missile, precision guided bomb, anti-ship missile etc. and specifications of UFPAs used in infrared imaging guidance systems are introduced in detail. Finally, the characteristics and development trend of UFPAs for uncooled infrared imaging guidance systems are summarized.

uncooled focal plane arrays detector，missile，infrared imaging guidance

TN215

A

1001-8891(2016)04-0280-10

2015-09-09；

2016-04-13.

李煜（1975-），男，四川武勝人，研究員級高工，主要從事紅外焦平面探測器及系統(tǒng)信號處理技術(shù)研究。E-mail：yu.li@gwic.com.cn。

國防研究專項。