紫外告警與紅外告警在直升機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比

鄧文林

（中國直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 天津市 300300）

1 引言

直升機(jī)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中日益重要的機(jī)動(dòng)力量，發(fā)揮了不可替代的作用，但又由于其低空低速的特性，在執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)越來越多地受到便攜式地-空導(dǎo)彈和近程空-空導(dǎo)彈的威脅。為了提高直升機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力，需要對(duì)來襲導(dǎo)彈進(jìn)行提前預(yù)警。常見的導(dǎo)彈逼近告警技術(shù)主要有以下三種：采用脈沖多普勒雷達(dá)體制的主動(dòng)式導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)，采用紫外告警體制或者紅外告警體制的被動(dòng)式導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)。其中采用脈沖多普勒雷達(dá)體制的主動(dòng)式導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)由于具有容易暴露自身目標(biāo)、目標(biāo)到達(dá)角探測(cè)精度較低、重量尺寸較大等缺點(diǎn)，實(shí)際裝機(jī)應(yīng)用較少。而紫外告警和紅外告警分別是通過探測(cè)來襲導(dǎo)彈的尾焰中的紫外成分和紅外成分，與導(dǎo)彈制導(dǎo)方式無關(guān)，是目前主要采用的導(dǎo)彈逼近告警技術(shù)體制。本文主要對(duì)紫外告警和紅外告警在直升機(jī)上的應(yīng)用對(duì)比進(jìn)行分析。

2 紫外告警

太陽是能量最強(qiáng)、波譜范圍最寬的自然光源，太陽發(fā)出的紫外線即是自然界最大的紫外光源。太陽輻射通過地球大氣層到達(dá)地球表面時(shí)，由于大氣衰減造成了輻射光譜的改變，其中，波長短于0.29μm的中紫外輻射由于同溫層中臭氧的吸收，基本上到達(dá)不了地球近地表面，因此造成太陽光譜中的紫外輻射（0.2μm～0.3μm）在近地表面形成“日盲區(qū)”。機(jī)載紫外告警系統(tǒng)工作在日盲區(qū)，避開了最強(qiáng)大自然光源——太陽直接和間接產(chǎn)生的干擾，可在近似為零的自然背景中工作。而無論使用何種燃料，導(dǎo)彈尾焰都輻射很強(qiáng)的紫外光譜，這就成為紫外告警用來探測(cè)的紫外輻射源。紫外告警中最常見的一種技術(shù)就是紫外探測(cè)技術(shù)，紫外探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用基本上都是建立在紫外輻射的大氣傳輸?shù)幕A(chǔ)上的，其應(yīng)用管控上，紫外通訊是屬于工作的盲區(qū)波段，這種信息在傳輸時(shí)不會(huì)受到其他的大氣噪聲干擾。值得注意的是，在采用被動(dòng)式的紫外探測(cè)器進(jìn)行信息的檢測(cè)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部的導(dǎo)彈煙霧中的紫外輻射會(huì)在工作盲區(qū)波段形成亮點(diǎn)區(qū)域，反之如果有低空中的直升機(jī)或者其他的高空飛行物對(duì)大氣散射的紫外光散射，那么可能會(huì)在紫外輻射中形成暗點(diǎn)區(qū)域。根據(jù)這兩個(gè)區(qū)域的變化可以保證探測(cè)追蹤任務(wù)快速完成，也能夠提升追蹤的效率。一般來說，紫外的告警設(shè)備在直升機(jī)中分為內(nèi)裝和外裝兩種形式，其可以根據(jù)實(shí)際情況將探測(cè)器的安裝融入其中。1987年，在進(jìn)行了數(shù)年測(cè)試后，美國Loral公司成功研發(fā)出了第一臺(tái)紫外告警系統(tǒng)AAR-47，并迅速普及到固定翼直升機(jī)及直升機(jī)平臺(tái)上正式列裝。此后，德、法、以色列、南非等國亦紛紛投入到該研究領(lǐng)域，獲得了迅速發(fā)展。紫外告警系統(tǒng)從技術(shù)體制上可分為第一代概略型和第二代成像型。

2.1 第一代--概略型紫外告警系統(tǒng)

在對(duì)紫外告警系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)第一代的概略告警系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)基本上是以單陽極光電倍增管作為核心的探測(cè)工具，其內(nèi)部的概略導(dǎo)彈焰內(nèi)的紫外輻射能量都可以根據(jù)實(shí)際情況將其自身的優(yōu)勢(shì)充分的發(fā)揮出來。由于這種第一代的概略型的紫外告警系統(tǒng)的紫外探頭主要由多種的光學(xué)流罩和輔助電路構(gòu)成。整個(gè)系統(tǒng)以被動(dòng)方式工作，采用凝視探測(cè)、多路傳輸、多路信號(hào)綜合處理的工作體制。具體工作流程為：各個(gè)紫外探測(cè)頭把各自視場(chǎng)內(nèi)特定波長的紫外輻射光子收集起來（含目標(biāo)及背景），通過窄帶濾波后到達(dá)光電倍增管的陰極接收面，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換形成光電子脈沖后送入信號(hào)處理模塊，再經(jīng)信號(hào)預(yù)處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)目標(biāo)特征及預(yù)置算法對(duì)輸入信號(hào)作出有無導(dǎo)彈威脅的統(tǒng)計(jì)判決。該類系統(tǒng)存在角分辨率低、探測(cè)靈敏度較低等缺點(diǎn)。典型代表為AAR-47型紫外告警系統(tǒng)。

2.2 第二代--成像型紫外告警系統(tǒng)

第二代成像型紫外告警系統(tǒng)的探測(cè)器采用類似紫外攝像機(jī)的原理。以面陣器件為核心探測(cè)器件，其光學(xué)系統(tǒng)以大視場(chǎng)、大孔徑對(duì)空間紫外信息進(jìn)行接收，精確接收導(dǎo)彈尾焰的紫外輻射能量，探測(cè)器采用256×256甚至512×512像素的陣列器件，實(shí)現(xiàn)光電圖像的增強(qiáng)、耦合、轉(zhuǎn)換。具體工作流程為：各個(gè)紫外探測(cè)頭把各自視場(chǎng)內(nèi)特定波長的紫外輻射光子（含目標(biāo)及背景）圖像經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后形成光電圖像送入信號(hào)處理模塊，再經(jīng)信號(hào)預(yù)處理后送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊根據(jù)目標(biāo)特征及預(yù)置算法對(duì)輸入信號(hào)作出有無導(dǎo)彈威脅的統(tǒng)計(jì)判決。若導(dǎo)彈出現(xiàn)在視場(chǎng)內(nèi)，則以一點(diǎn)源形式表征于圖像上，通過解算圖像位置，得出空間相應(yīng)的位置并進(jìn)行距離的粗略估算。解決了第一代概略型紫外告警系統(tǒng)角分辨率低、探測(cè)靈敏度不高的問題。屬于這類體制的有AN/AAR-54（V）、AN/AAR-57（V）、AN/AAR-60（V）、MAW-300等紫外告警系統(tǒng)。

3 紅外告警

紅外告警一般是用于探測(cè)、識(shí)別來襲目標(biāo)的紅外輻射，判斷其威脅程度，并實(shí)時(shí)告警的光電對(duì)抗設(shè)備。主要安裝在飛機(jī)、直升機(jī)、艦艇和坦克上，對(duì)來襲導(dǎo)彈等兵器探測(cè)和告警，使載體及時(shí)采取有效的自衛(wèi)對(duì)抗措施。按探測(cè)波段，分為近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外告警設(shè)備；按工作原理，分為點(diǎn)源探測(cè)和成像探測(cè)的紅外告警設(shè)備；按光學(xué)系統(tǒng)管控設(shè)備分類可以分為掃描型紅外告警設(shè)備和凝視型紅外告警設(shè)備；按光譜儀器分類則可以分為單光譜、雙光譜和多光譜紅外告警設(shè)備。紅外的告警系統(tǒng)一般分為紅外告警單元、信號(hào)處理單元和顯示控制儀等三個(gè)部分組成，由于其內(nèi)在的紅外的告警單元與紫外告警單元的組成格局類似，其必須要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和查詢，從而將目標(biāo)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)處理器，逐步地將信息輸出至信號(hào)單元中。由此我們可以發(fā)現(xiàn)，在信號(hào)處理單元中，如果將信號(hào)放大處理轉(zhuǎn)變成A/D格式，使得最后的數(shù)字信號(hào)能夠有效的提取且能夠有相關(guān)的處理器能有效識(shí)別和提取目標(biāo)信息，保證其內(nèi)部的數(shù)據(jù)方位能夠?qū)⒏婢畔@示。紅外告警設(shè)備從20世紀(jì)50年代中期便開始研制，已發(fā)展了三代產(chǎn)品，從只能告警單一目標(biāo)發(fā)展到具有全方位的告警能力，通過采用大面積陣列的區(qū)域凝視技術(shù)，目標(biāo)分辨率可達(dá)微弧量級(jí)。典型的第三代紅外告警系統(tǒng)有美國和加拿大聯(lián)合研制的AN/SAR-8、AN/AAR-47、AN/AAR-54、法國的Vipere、瑞典的IRS-700等系統(tǒng)。

紅外告警系統(tǒng)按其工作方式可分為掃描型和凝視型兩類。

這種紅外告警系統(tǒng)中的掃描型告警系統(tǒng)，其中的紅外探測(cè)器可以對(duì)光敏面進(jìn)行空間掃視，保證空間視角內(nèi)部的紅外輻射能量能夠匯集在探測(cè)器單元上，保證光機(jī)掃描裝置能夠帶動(dòng)光學(xué)儀器和探測(cè)器共同旋轉(zhuǎn)，由于其內(nèi)部空間的紅外線輻射目標(biāo)會(huì)在探測(cè)器中存在一個(gè)信號(hào)點(diǎn)，其可以保證探測(cè)器在吸收光信號(hào)后快速的轉(zhuǎn)換電信號(hào)，從而保證信息讀取的速度，提升其信息的處理同步化，快速的得到對(duì)方的方位角和仰視角。

凝視型紅外告警系統(tǒng)采用紅外焦平面器件，通過電掃描直接搜索特定空間以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。與掃描型紅外告警系統(tǒng)的區(qū)別在于不需要機(jī)械掃描，掃描速度較快，一般來說凝視型紅外告警系統(tǒng)的幀時(shí)（掃描整個(gè)視場(chǎng)所需時(shí)間）可達(dá)30ms～幾百ms，而掃描型紅外告警系統(tǒng)的幀時(shí)則需1s～10s。由于凝視型有幀時(shí)短、靈敏度高、分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，成為紅外告警技術(shù)的重要發(fā)展方向。

4 紫外告警與紅外告警在直升機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)劣對(duì)比分析

詳細(xì)介紹紫外告警與紅外告警兩種告警體制之后，本文針對(duì)這兩種告警體制在直升機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)劣進(jìn)一步進(jìn)行全面對(duì)比分析如下。

4.1 紫外告警的優(yōu)缺點(diǎn)

紫外告警在天空、山川、河流、草地、沙漠和海洋等無人工干擾源的自然環(huán)境中，其背景噪聲極低，特別是太陽，無任何影響，因而具有較低的虛警率，并且具有重量低、體積小、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，適裝性強(qiáng)，是目前應(yīng)用在直升機(jī)導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)中的主流技術(shù)體制。但是，由于紫外線相對(duì)紅外線波長較短，受大氣散射影響較大，采用紫外告警體制的導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)較紅外告警體制的探測(cè)距離較短，并且由于導(dǎo)彈羽煙中的可利用紫外成分相對(duì)于紅外成分較少，進(jìn)一步放大了紫外告警體制在探測(cè)距離上的劣勢(shì)。

4.2 紅外告警的優(yōu)缺點(diǎn)

由于紅外線相對(duì)紫外線波長較長，受大氣散射影響較小，且導(dǎo)彈羽煙中可利用的紅外成分相對(duì)于紫外成分要多得多，采用紅外告警體制的導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)探測(cè)距離較紫外告警體制要遠(yuǎn)，可以更早地對(duì)來襲導(dǎo)彈提供預(yù)警，給予飛行員更多的反應(yīng)時(shí)間，極大地提升載機(jī)平臺(tái)的生存力。另外，采用雙色型紅外告警體制的導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)（含0.8μm～14μm波段），對(duì)燃料已燃盡處于最后的慣性飛行的來襲導(dǎo)彈仍具有一定的探測(cè)跟蹤能力，進(jìn)一步提高了載機(jī)平臺(tái)的生存力。

但是，由于紅外背景復(fù)雜，受大氣、太陽、云層、飛鳥、地面建筑物等影響很大，如果對(duì)空背景目標(biāo)成像時(shí)，提取目標(biāo)相對(duì)容易，但對(duì)地面目標(biāo)成像時(shí)，就很容易受到地面其它目標(biāo)的干擾，如太陽、道路、建筑物等，特別是太陽光對(duì)地面的強(qiáng)反射，干擾比較大，在城市作戰(zhàn)中更是如此，因此紅外告警非常容易產(chǎn)生虛警，盡管采用雙色型紅外探測(cè)可以降低一部分虛警，但還是不可完全避免，目前更多的是應(yīng)用于高空飛行的固定翼平臺(tái)。而直升機(jī)平臺(tái)，由于對(duì)便攜式地-空導(dǎo)彈探測(cè)通常是低空對(duì)地探測(cè)，受背景影響較大，另外，紅外告警在重量、體積、造價(jià)等方面都劣于紫外告警，進(jìn)一步限制了其在直升機(jī)平臺(tái)上的應(yīng)用。

5 結(jié)語

本文對(duì)紫外告警與紅外告警這兩種告警體制的原理及發(fā)展歷程進(jìn)行了全面剖析，并對(duì)其在直升機(jī)上的應(yīng)用優(yōu)劣進(jìn)行了對(duì)比分析。從目前國內(nèi)外對(duì)于紫外告警及紅外告警的研究、使用和評(píng)估情況來看，兩種告警體制各有自己的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，并同時(shí)蓬勃發(fā)展。對(duì)于紫外告警體制來說，若能進(jìn)一步提高紫外探測(cè)器的靈敏度，提高系統(tǒng)的探測(cè)距離，將會(huì)進(jìn)一步鞏固在直升機(jī)領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)地位；而對(duì)于紅外告警體制來說，降低虛警率才能將其探測(cè)距離遠(yuǎn)的優(yōu)勢(shì)完全發(fā)揮出來。