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近十幾年來,紅外成像技術作為現代高技術已在武器裝備中得到廣泛應用。陸軍主要將其用于夜間監視、瞄準、偵察、射擊指揮、制導和防空等;海軍主要將其用于監視、巡邏、觀察和導彈跟蹤等;空軍主要將其用于轟炸機、偵察機和攻擊機等的導航、著陸、營救、空中偵察、高空攝影和射擊投彈等。從空間到地面,從水下到空中,紅外成像儀已成為現代高技術常規兵器裝備中不可缺少的重要部分。

1. 紅外成像制導：不可替代的制導方式

紅外輻射是自然界存在最為廣泛的電磁波輻射，它是基于任何物體在常規環境下都會產生自身的分子和原子無規則的運動，并不停地輻射出熱紅外能量，分子和原子的運動越劇烈，輻射的能量越大，反之輻射的能量越小。溫度在絕對零度以上的物體，都會因自身的分子運動而輻射出紅外線。

1.1 紅外制導技術的發展歷程

紅外制導技術的發展主要由戰爭發展需要和科學技術發展的推動。

作戰需求的牽引方面，紅外制導技術是一種被動制導技術，使導彈具有“發射后不管”的作戰能力。因此，首先發展的紅外非成像制導技術很快在空－空、地－空等導彈中獲得應用，并在越南戰爭等作戰應用中取得巨大的成功。根據《紅外探測系統在反巡航導彈中的應用》中的數據顯示，1979～1985年期間，作戰飛機損失數目超過160架，其中90%是被紅外制導導彈擊中。在1973～1997期間，遭受各種武器系統攻擊而損失的飛機共有1434架，其中738架是紅外制導導彈的犧牲品，所占比例為51.5%。

紅外制導導彈的成功應用和良好的作戰效果刺激了紅外技術的發展。紅外曳光彈、紅外干擾機等各種紅外對抗手段的相繼出現，大大削弱了紅外非成像制導導彈的作戰效能。因此，現代戰爭中迫切需要具有一定目標識別能力，可以對抗紅外干擾的制導手段。利用紅外熱成像技術獲取目標的圖像，就可以有效地分辨目標和誘餌，提高導彈的抗干擾能力。因此，作為紅外對抗的手段之一，在作戰需求推動下紅外成像制導技術得到迅速地發展和推廣應用。

紅外制導技術真正的發展得益于紅外熱成像技術、小型制冷器技術、圖像處理技術、微電子技術等的發展。70年代中期以后，由于先后出現了碲鎘汞，銻化銦，鉑化硅等線列器件和焦平面陣列器件，紅外光機掃描和凝視陣列技術，紅外成像制導技術逐漸變成了可行的方案。特別是隨著元器件技術和計算技術的飛速發展，在近30多年來紅外探測器經過了從簡單的單元探測器發展到一代的線陣探測器、小面陣探測器，又發展到二代的焦平面陣列探測器，并進一步向三代靈巧焦平面陣列探測器的發展歷程。

紅外制導技術目前可劃分為三個發展階段。

第一階段為20世紀60年代中期以前為第一階段，這一時期，紅外制導武器主要用于攻擊空中速度較慢的飛機。其探測器采用不制冷的硫化鉛，信息處理系統為單元調制盤式調幅系統，工作波段在1-3μm，其特點是靈敏度低、抗干擾能力差、跟蹤角速度低。

第二階段為20世紀60年代中期至70年代。60年代中期以后，由于飛機速度和機動能力都大為提高，再加上被攻擊目標對紅外誘餌的使用，使得第一代紅外制導武器的作戰效能明顯下降。為此，一種改進的措施是，探測器采用了制冷的硫化鉛或銻化銦，從而極大地提高了靈敏度；更為根本的改進是采用了工作波段在3-5μm的中紅外波段，改進了調制盤和信號處理電路，提高了跟蹤速度和抗干擾能力，增大了對飛機的攻擊角，以至能夠在整個后半球內實施攻擊。這一階段制導武器的作戰性能得到了較大的提高，雖然還是只能進行尾追攻擊，但攻擊區域和對付高速目標的能力有很大提高。

第一代和第二代紅外制導技術都是采用非成像制導系統。都是把被攻擊的目標視為點源，用調制盤或者圓錐掃瞄、章動掃瞄等方式，對原信號進行相位、頻率、幅度、脈寬等調制，以獲得目標的方位信息。這種系統結構簡單、造價低、分率高、有使用方便、不依賴于復雜的火控系統等許多優點，但這種系統對存在強輻射紅外干擾的環境，特別是對于攻擊復雜紅外背景的地面坦克、裝甲目標，則效果十分乏力。

第三階段為20世紀70年代中期以后。在70年代中期以后，由于工作在8-14μm波段長的長波探測元件研制成功，特別是高性能的CMT線列陣紅外器件的工程應用和紅外成像技術的日趨成熟。紅外探測器采用了高靈敏度的制冷銻化銦，并且改變了以往的光信號的調制方式，多采用了圓錐掃描和玫瑰線掃描，亦有非調制盤式的多元脈沖調制系統，具有探測距離遠，探測范圍大、跟蹤角速度高等特點，有的還具有自動搜索和自動截獲目標的能力。在這一時期紅外制導技術產生了一個大的飛躍。因此，這一階段的紅外制導武器可進行全向攻擊和對付機動目標。這一階段也標志著紅外制導由紅外點源制導發展到了紅外成像制導。

此外紅外熱成像制導技術也經歷了三代的發展。70年代發展起來的第一代紅外成像制導技術的主要標志是，采用紅外探測器線陣或小面陣以及光機掃描方法獲取目標圖像。80年代末期開始發展的第二代紅外成像制導的主要標志是，采用了紅外焦平面陣列探測器以及電子掃描或凝視成像方式。

目前正在發展的雙色紅外焦平面陣列和靈巧焦平面陣列探測器及其在紅外成像導引頭中的應用，將進一步提高紅外成像制導導彈的抗干擾和目標識別能力，與先進的圖像信息處理技術相結合，甚至有可能實現導彈的自主攻擊。同時非制冷紅外焦平面陣列的出現和在制導中的推廣應用，將有助于簡化導引頭的設計和結構，有助于降低導引頭的成本。

綜合來看，紅外制導技術的發展集中在四個方面：

1、在探測波段的發展上，經歷了從近紅外波段探測(1～3μm)到中遠紅外波段探測(3～5μm，8～14μm)；

2、在探測器類型上，經歷了從非制冷硫化鉛探測器、制冷硫化鉛/銻化銦探測器到制冷/非制冷焦平面成像探測器；

3、在探測體制上，經歷了從光機掃描到凝視焦平面探測的發展，從“點源”探測到“成像”探測的發展過程。

1.2 紅外成像制導的工作機理與優勢

紅外成像制導技術是利用紅外成像導引頭接收目標場景的紅外輻射，形成目標場景的二維溫度分布圖像，并利用目標和背景紅外輻射特性的差異，識別、捕獲、跟蹤目標，將制導武器導向目標的技術。

實現紅外成像制導的核心部件是紅外成像導引頭。紅外成像導引頭主要由紅外成像系統、紅外圖像視頻信號處理系統、伺服跟蹤系統組成。紅外成像系統用來攝取目標場景的圖像，將二維分布的場景紅外輻射轉變成一維時序視頻信號。視頻信號處理系統將紅外成像系統輸出的視頻信號進行放大處理，完成目標識別，并給出不斷修正的目標位置信息，輸出到伺服跟蹤系統，以驅動紅外成像系統保持對目標的跟蹤，同時輸出給導彈自動駕駛儀，以使導彈保持正確的飛行路線，直至命中目標。

紅外熱像儀有多種分類方式，按照工作機理可以分為基于熱效應的熱探測器和基于光電效應的光子探測器。一般來說，光子探測器需要制冷，探測響應率高，而熱探測器則不需要制冷，成本相對較低。

在非制冷探測器中，熱敏電阻型探測器最為常見，其中熱敏材料可分為氧化釩（VOx）和非晶硅（α-Si）兩類。氧化釩的研究使用歷史較長，20世紀80年代初，美國的Honeywell公司在軍方資助下開始研究氧化釩薄膜，并于20世紀80年代末研制出非制冷氧化釩微測輻射熱計，其制備技術經過多年的發展已很成熟，在微測輻射熱計產品中得到了廣泛的應用。非晶硅則是1992年法國原子能委員會與信息技術實驗室/紅外實驗室研發的探測器熱敏材料，目前技術上也已非常成熟。

氧化釩和非晶硅作為兩種最常用的熱敏材料，兩者的共同點為：

1、薄膜類型相同：兩者都是半導體熱敏薄膜，薄膜電阻溫度系數TCR與電阻率成正比關系；

2、生產工藝基本相同：微測輻射熱計技術與CMOS工藝兼容，能夠與CMOS讀出電路集成，可基于半導體制造工藝進行規模化生產，是非制冷紅外探測器的主要技術。

具體的性能、工藝等方面兩者有各自的優勢：

l 噪聲等效溫差（NETD）方面：即熱靈敏度，NETD越小則紅外熱像像圖更清晰，分辨率更高。由于非晶硅是無定形結構，呈現的1/f噪聲比VOx要高，所以NETD通常不如VOx材料，其中兩者的NETD差距在5-10mK，非晶硅在40-50mk，氧化釩大約為30-40mk。在溫度的區分度上氧化釩能夠識別0.03℃，而非晶硅為0.1℃，視覺上的直觀體現為非晶硅相較氧化釩圖像略有蒙紗感。

l 成本方面：非晶硅探測器的制造成本更低，主要是因為從材料和工藝上看非晶硅的和傳統集成電路制造更加契合。硅為半導體制造中的常用材料，生產制備的工藝相對更成熟，而氧化釩非半導體工藝中的常用材料，且非常怕沾污，生產過程中需要額外的專用設備才可完成生產。

l 穩定性方面：兩者穩定性的差距主要體現在晶圓級封裝上，由于非晶硅的穩定范圍在450℃以下，而氧化釩的穩定溫度在300℃以下，因此晶圓級封裝時氧化釩的溫度窗口更小，同時由于氧化釩具有多種形態，如VO2和V2O5。所以在氧化釩探測器是制造過程中需要通過調整工藝來獲得單一形態的氧化釩材料，導致制造工藝上更加復雜。

l 面陣方面：目前非晶硅更容易做到大面陣。主要原因為在PECVD工藝下非晶硅的均勻性更好，制造過程中非晶硅在電阻阻值和溫敏性上有更好表現，所以在校正環節工作量小，成品率更高，更容易將面陣做大。相比之下氧化釩則需要大量的校正工作，一定程度上阻礙了氧化釩探測器的大面陣發展。

l 響應時間方面：非晶硅的熱響應時間更短。非晶硅材料可以將薄膜厚度控制的非常小，具有較低的熱容，所以在保持較低熱響應時間的同時也具有較小的熱導，可一定程度兼顧圖像刷新率和信號響應率的要求，目前非晶硅的熱響應時間常數為7ms左右，而氧化礬一般在10ms左右，因此非晶硅探測器的幀頻要高于氧化釩。

紅外成像制導使用的探測器大都為制冷型紅外探測器，這主要是由制冷紅外探測器的超強性能以及戰場環境所決定的。在探測器溫度較低時（制冷探測器通常需要將溫度降低到77K才能正常使用），制冷探測器（光子探測器）的探測效率明顯高于熱探測器，制冷型目前也是公認的實際應用中最佳的紅外探測技術。目前非制冷探測器在導引頭中的應用主要以作用距離較短的反坦克彈、小直徑炸彈為主，其探測的目標普遍具有低速、低空的特性。

紅外熱成像制導具有多種優勢。其主要優勢有靈敏度高、導引精度高、抗干擾能力強、可實現“發射后不管”、具備準全天候功能以及強適應性等優勢。這些優勢使得紅外成像制導自誕生以來一直是精確制導導彈家族中的寵兒，根據《淺析美國精確對地打擊武器配系及作戰使用》數據，海灣戰爭中，多國部隊的飛機共發射了5000余枚“小牛”式空對地導彈，大約2/3是紅外成像型制導的AGM-65D，取得了顯赫的戰果。

大氣中存在著三個紅外“窗口”：1～3μm（短波紅外）、3～5μm（中波紅外）和8～14μm（長波紅外）。在這三個波段工作的紅外探測器敏感絕對溫度的峰值分別為1000K、500K和300K。制導武器所要攻擊的軍事目標的紅外輻射溫度分別為：飛機渦輪發動機尾焰約1000K；加熱的飛行器的表面溫度可能是在300～400K；行進中的坦克溫度可能在400K以上；而靜止的坦克溫度約為300K，與它所在的環境溫度相差不大。故可根據不同的場景選擇不同波段的紅外探測器進行制導。

因紅外成像制導諸多的優點，其在空-地導彈、近程空-空導彈、反艦導彈、巡航導彈、彈道導彈中得到廣泛應用，也大量用于反坦克導彈、多用途導彈、制導炮彈的改進與研制中。而作為紅外成像制導技術核心的紅外成像導引頭，目前主要采用制冷型的碲鎘汞、銻化銦線陣、小面陣、焦平面陣列探測器。為了獲得了較大的視場，雖然個別采用了硅化鉑640×480焦平面陣列探測器。但成本目前仍然是采用紅外焦平面陣列成像導引頭的重要制約因素。射程在20km以內的近程導彈多采用焦－湯制冷器對焦平面陣列探測器制冷，遠程空-地導彈、巡航導彈等則采用整體式斯特林制冷器。

1.3 紅外制導技術未來發展方向

進入21世紀以后，對紅外成像制導技術的要求作出了大的調整。未來戰爭要求制導武器能夠在復雜地理環境、復雜氣象環境和復雜電磁環境下有效作戰，因此可以預見，在未來的武器型號研制進程中，紅外成像制導技術還將會發生很大的變革，隨之帶來的是組成紅外成像導引頭的各單元技術的變革，以及包括仿真、測試等總體技術的發展。目前來看，紅外成像制導的主要發展趨勢有：智能化、非制冷、復合化和多用途等。

（1）智能化：未來紅外成像制導導引頭需要具備多任務、集群協同作戰能力以及實時任務裝訂功能。多任務是指導引頭具備跟蹤多種目標的能力；集群協同作戰是指在使用多種／枚制導彈藥進行集群攻擊時，導引頭具有戰場態勢感知并根據戰場態勢調整攻擊任務和自動任務分配的能力：實時任務裝訂功能則是指導彈發射后可通過導彈與載機之間的數據鏈實時為導引頭裝訂任務數據，一方面可以縮短導彈發射前的準備時間，另一方面飛行員可以根據戰場態勢臨時更改導彈的任務使命。

（2）非制冷：非制冷紅外焦平面陣列凝視成像制導是未來的一個重要發展方向。非制冷型紅外探測器已開始在成像紅外導引頭中應用。由于其使紅外成像系統擺脫了制冷器，有助于成像紅外導引頭的小型化和低成本，因此已經受到普遍的關注。隨著非制冷型紅外探測器的發展，其探測靈敏度會不斷提高，將能充分滿足紅外成像導引頭的使用要求；而且成本將進一步降低，更加適合在一次性使用的導彈和制導彈藥中應用。因此，可以預料非制冷的紅外成像導引頭將會得到更加廣泛的應用，非制冷紅外成像制導是一個重要發展方向。

（3）復合化：隨著戰場環境的日益復雜化，以及對抗技術、隱身技術等的飛速發展，要求制導武器具有更高的在惡劣的氣候條件下和復雜的戰場環境中的目標識別能力、抗干擾能力、“發射后不管”的自主作戰能力等。因此，單一的制導模式已不能完全適應未來作戰的要求，大力發展多模/復合制導技術勢在必行。紅外成像制導已成為復合/多模制導模式中的一個重要模式。紅外成像/毫米波、紅外成像/雷達、紅外成像/紫外、紅外成像/激光、紅外成像/激光/毫米波雷達等雙模或三模導引模式，以及紅外成像＋中段制導的復合制導模式，已在多種制導武器中應用。被動紅外成像制導模式與毫米波制導等主動制導模式、被動紅外成像末制導模式與GPS等中段制導模式互為補充，將是復合/多模制導武器系統廣泛使用的一種制導模式。

（4）多用途：早期紅外成像制導技術大多圍繞某一戰術、戰略目標而設計，功能、使命單一；未來成像制導導引頭將會肩負更多的使命，如中制導、末制導、偵察以及打擊效果評估等：導引頭的多用途還包括采用多色、多模復合制導技術實現 ATR功能，提高導引頭的抗干擾能力以及導引頭的使用靈活性等。

2. 紅外成像制導產業鏈情況

紅外成像制導以紅外導引頭為產品形式，導引頭作為產品本身其產業鏈較短。不考慮基礎原材料，從紅外探測器芯片到完整的導彈導引頭，我國的情況主要可分為兩級或三級配套模式。一般兩級配套的模式為廠商直接提供紅外熱像儀至導彈總裝廠制成紅外導引頭；三級配套則屬于廠商A提供紅外探測器芯片、模組或機芯，由廠商B配合其鏡頭、算法等集成為紅外熱像儀再供應至導引頭總體單位。

紅外熱像儀是紅外導引頭的核心器件，而紅外探測器則是紅外熱像儀的最核心器件。早期紅外探測器技術被美國、法國、日本等國家壟斷，國內探測器全部依賴進口。由于探測器成本占到了紅外熱像儀的60%，直接導致國產紅外熱像儀價格昂貴。2008年前后，我國陸續有企業走上紅外熱成像技術的自主研發之路，政府也通過各項政策和專項提供了良好的科研環境，從2015年起，我國已能夠自主生產紅外探測器、機芯等紅外熱像儀所需的全部關鍵零部件，目前我國紅外設備制造產業整體呈現出了軍工集團、中科院系科研院所和少量優質民營企業三大體系并存的格局。

其中制冷型探測器主要生產廠商為兵器工業集團211所，電子科技集團11所和中科院上海技物所，三家也是國內制冷型探測器的主要供應商。