歐美軍用紅外通用組件技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

張坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

紅外技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù)。二戰(zhàn)后，軍用紅外技術(shù)在以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家得到快速發(fā)展。以美國為例，先后投入巨資實(shí)施了70 多項(xiàng)軍用紅外項(xiàng)目，裝備范圍包括坦克、車輛、飛機(jī)、艦船、輕武器瞄準(zhǔn)鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、反導(dǎo)系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、戰(zhàn)場監(jiān)視和觀察設(shè)備，以及單兵偵察設(shè)備等。在軍用紅外技術(shù)發(fā)展的早期階段，因?yàn)檐姺綄γ恳环N熱成像系統(tǒng)的采購都是獨(dú)立進(jìn)行的，各系統(tǒng)的主要部分都存在著重復(fù)設(shè)計(jì)、性能大同小異等情況，導(dǎo)致采購數(shù)量停留在較低水平，成本和可靠性方面都無法得到批量生產(chǎn)的優(yōu)勢，為了解決這一問題，產(chǎn)生了通用組件概念。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美國家已經(jīng)形成了高水平的通用組件技術(shù)（群）。本文介紹了歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展及趨勢。

1 一代通用組件的產(chǎn)生

1972年，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，在熱成像系統(tǒng)的大量應(yīng)用中，前端光學(xué)系統(tǒng)和末端顯示器是需要定制的必要部件，約占系統(tǒng)成本的35%，所有熱成像系統(tǒng)都需要使用的探測器、掃描器和信號處理電路等關(guān)鍵部件不需要定制，成本約占45%～70%，將關(guān)鍵部件標(biāo)準(zhǔn)化，在不同的裝備平臺之間形成通用組件，可降低制造成本。通用組件（Common Module）是標(biāo)準(zhǔn)化的光學(xué)和電子學(xué)套件，將其作為每一特殊熱成像系統(tǒng)的核心部件，再根據(jù)裝備平臺的指定要求，配備所需的前端光學(xué)系統(tǒng)和顯示器，組成構(gòu)形、視場、顯示與性能各不相同的完整熱像儀，其核心思想就是“關(guān)鍵部件通用化”[1]。由于組件標(biāo)準(zhǔn)化，可以減少維護(hù)、補(bǔ)給、訓(xùn)練等其它費(fèi)用支出，滿足系統(tǒng)性能、封裝限制和維護(hù)要求，具有較高的有效性、可靠性和可維護(hù)性[2]。

根據(jù)美國軍方需求，美國第一代通用組件誕生于1976年，共分為探測器/杜瓦瓶、制冷機(jī)、掃描器、熱成像儀、發(fā)光二級管陣列、可見光準(zhǔn)直器、前置放大器、偏置調(diào)節(jié)器、主放大器/驅(qū)動器、掃描/隔行電子學(xué)和輔助控制電子學(xué)11 個部分[1]。采用并掃模式，低、中、高三級性能，分別使用60 元、120 元和180元碲鎘汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）探測器。60 元探測器一般用于反坦克導(dǎo)彈火控瞄準(zhǔn)鏡，120元探測器一般用于坦克瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)，180 元探測器一般用于機(jī)載熱成像系統(tǒng)。

與此同時，英國于1976年批準(zhǔn)了通用組件方案，1982年投產(chǎn)。英國熱成像通用組件最初分為3 類，I類用于便攜式熱成像系統(tǒng)，采用雙排23 元MCT 探測器；II 類用于與電視兼容的監(jiān)視系統(tǒng)；III 類用于較敏感的飛行員輔助觀察系統(tǒng)。20 世紀(jì)80年代，英國研究人員研發(fā)出基于 8 ～13 μm SPRITE（Signal Processing In The Element）探測器的非直視型熱像儀，可在探測器內(nèi)完成信號處理，不需要時間延遲積分電路。I 類便攜式直視型熱成像通用組件不能利用SPRITE 探測器的成像優(yōu)勢。帶有大口徑光學(xué)系統(tǒng)的SPRITE 熱像儀具有較好靈敏度，所以更高靈敏度的III類掃描器組件只做了樣機(jī)，沒有投入生產(chǎn)。因此，II類通用組件成為基于SPRITE 探測器的非直視型熱成像通用組件（Thermal Imaging Common Modules，TICM II），由遠(yuǎn)焦系統(tǒng)、寬角度、雙掃描機(jī)構(gòu)模塊、1 個探測器鏡頭和8 條MCT SPRITE 探測器組成，8 條SPRITE 的性能相當(dāng)于100 元以上的多元探測器[3-4]。

法國于1975年開始對通用組件進(jìn)行預(yù)研，1980～1981年完成樣機(jī)研制和通用組件系統(tǒng)評價(jià)，1985年中期投產(chǎn)，國家批準(zhǔn)建立生產(chǎn)線，批量生產(chǎn)通用組件、組裝應(yīng)用系統(tǒng)，其應(yīng)用平臺和領(lǐng)域則根據(jù)法國三軍的各種合同和要求進(jìn)行。1987年交付第一批通用組件產(chǎn)品。采用串并掃模式，使用5×11 元MCT 光伏型探測器，包括探測器、制冷機(jī)、掃描器、LED 顯示器、LED 電子單元、小型CRT 監(jiān)視器、線性電子單元、信號處理、傳感頭自動測試和電子學(xué)自動測試10 個組件[1]。在此基礎(chǔ)之上，著手研發(fā)第二代通用組件的同時改進(jìn)第一代。

2 SADA 組件的應(yīng)用

20 世紀(jì)90年代，美國國防部為了標(biāo)準(zhǔn)化美軍使用的二代前視紅外（Forward Looking Infrared，F(xiàn)LIR）系統(tǒng)，在一代通用組件的基礎(chǔ)上制定了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)杜瓦組件（Standard Advanced Dewar Assembly，SADA）系列，由紅外焦平面陣列、杜瓦、指令/控制電子單元和低溫制冷機(jī)組成，分為SADA I、SADA II 和SADA III 三類[5]。SADA I 用于美國Apache 直升機(jī)光電火控系統(tǒng)等高性能熱成像系統(tǒng)，SADA II 用于M2A3 Bradley 步兵戰(zhàn)車、M1A2 Abrams 主戰(zhàn)坦克、美國陸軍遠(yuǎn)距離目標(biāo)獲取偵察監(jiān)視系統(tǒng)（Long Range Advanced Scout Surveillance System, LRAS3）等中性能熱成像系統(tǒng)，SADA III 用于標(biāo)槍指揮發(fā)射裝置、單兵肩扛式標(biāo)槍導(dǎo)彈等緊湊型或低性能熱成像系統(tǒng)。

2005年12月，Raytheon 公司與DRS 公司簽訂了價(jià)值180 萬美元的合同，用于生產(chǎn)安裝在M2A3 Bradley 步兵戰(zhàn)車和M1A2 Abrams 主戰(zhàn)坦克上的SADA II 組件。2008年2月，Raytheon 和DRS 公司又簽訂了另外兩份合同，總價(jià)值4880 萬美元，用于生產(chǎn)安裝在M1A2 主戰(zhàn)坦克、M2A3 步兵戰(zhàn)車和LRAS3 系統(tǒng)中的SADA II 組件[6]。

SADA II 使用了480×4 MCT 長波紅外探測器。用于Javelin指揮發(fā)射裝置平臺的SADA IIIA和SADA IIIB 分別使用了240×2 MCT 和288×1/240×4 MCT焦平面，SADA IIIB 的探測器張角為44°×51°（水平角×俯仰角）。為了增加靈敏度和作用距離，SADA II在時間延遲積分內(nèi)用了6 個光伏探測器。SADA IIIB在時間延遲積分內(nèi)用了4 個光伏探測器。

SADA IIIA 和SADA IIIB 分別被封裝在一個帶有線性驅(qū)動斯特林循環(huán)制冷機(jī)和指令/控制電子元件的集成式杜瓦組件中。單片長波紅外器件由探測器芯片和硅讀出電路芯片集成在一起，包含盲元剔除和自動增益補(bǔ)償功能。表1 為SADA II 和SADA III 系列通用組件的技術(shù)參數(shù)[6]。

目前，Apache 直升機(jī)“箭頭”光電火控系統(tǒng)集成了基于 SADA I 的 M-TADS（Modernized Target Acquisition Designation Sight）/M-PNVS（Modernized Pilot Night Vision Sensor）熱成像接收器。Bradley 步兵戰(zhàn)車安裝了基于SADA II 的增強(qiáng)型Bradley 目標(biāo)獲取子系統(tǒng)（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2 子系統(tǒng)，IBAS BLOCK2 基于IBAS 產(chǎn)生，主要改進(jìn)在于能夠高清、高分辨率彩色成像，優(yōu)于過去的黑白成像。安裝在美軍密集陣火炮系統(tǒng)上的艦載熱像儀（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2 是DRS 公司推出的基于SADA 系列通用組件的TADS/PNVS 接收器、IBAS子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2 子系統(tǒng)和PTI 熱像儀的技術(shù)參數(shù)[7-10]。

表1 SADA II 和SADA III 系列通用組件的技術(shù)參數(shù)Table 1 Specifications of SADA II and SADA III-series

表2 DRS 公司推出的基于SADA 系列組件的TADS/PNVS 接收器、IBAS 子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2 子系統(tǒng)和PTI 熱像儀的技術(shù)參數(shù)Table 2 Specifications of SADA-series based TADS/PNVS receiver, IBAS, IBAS BLOCK2 and PTI developed by the DRS company

3 二代前視紅外水平技術(shù)集成

1993年2月，為滿足將熱像儀批量集成到現(xiàn)有和未來作戰(zhàn)/非作戰(zhàn)車輛的光電瞄準(zhǔn)鏡上的需求，美國陸軍提出二代FLIR 的水平技術(shù)集成計(jì)劃，即二代FLIR通用組件計(jì)劃，專用于研發(fā)和集成二代FLIR 通用組件，探測器元件為SADA II[6]。通過對比提供相似性能的多種專用系統(tǒng)和應(yīng)用于多種平臺的單一系統(tǒng)的制造成本，HTI FLIR 實(shí)現(xiàn)了制造研發(fā)階段的成本節(jié)約[11]。為了與坦克炮或?qū)椣到y(tǒng)的有效作用距離兼容，HTI在一代通用組件的基礎(chǔ)上增加了1.5 倍以上的探測距離和2 倍的識別距離。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開發(fā)一款名為HTI NV-80 套件B（HTI NV-80 B-Kit，以下簡稱為套件B）的標(biāo)準(zhǔn)熱像儀，通過利用名為套件A（A-Kits）的車輛專用集成部件來實(shí)現(xiàn)在M1A2 Abrams 主戰(zhàn)坦克、M2A3 Bradley 步兵戰(zhàn)車和LRAS3 系統(tǒng)中的安裝。安裝在M1A2 Abrams 主戰(zhàn)坦克和XM8 輕型坦克上的套件B 需要對現(xiàn)有車型進(jìn)行改造。安裝在M2A3 Bradley 步兵戰(zhàn)車和LRAS3 系統(tǒng)中的套件B 是全新開發(fā)的二代HTI FLIR 系統(tǒng)。

套件B 可在30 Hz 非隔行掃描和60 Hz 電子交錯掃描兩種模式下工作?？v橫比為16:9，寬視場為7.5°×13.3°，窄視場為2.0°×3.56°，具有2 倍和4 倍的電子變焦能力，提供兩種數(shù)字輸出和兩種模擬輸出。與一代通用組件相比，系統(tǒng)性能可將識別距離增加2 倍、確認(rèn)距離增加約50%。

套件B 分為兩個外場可更換單元：傳感器組件和通用電子單元。傳感器組件由遠(yuǎn)焦系統(tǒng)組件、熱像儀組件和探測器/制冷機(jī)組件構(gòu)成。光機(jī)組件的第一部分是遠(yuǎn)焦系統(tǒng)組件，第二部分是熱像儀組件，其中探測器/制冷機(jī)組件使用了SADA II 探測器和線性驅(qū)動制冷機(jī)。通用電子單元包含視頻處理器電路板、視頻轉(zhuǎn)換器電路板、接口控制電路板、電源、備用電源、幀積分/對比度增強(qiáng)電路板和未來應(yīng)用的擴(kuò)展插槽。

美軍項(xiàng)目管理對低速初期生產(chǎn)（Low Rate Initial Production，LRIP）的定義是指系統(tǒng)（不包括艦船和衛(wèi)星）以有限數(shù)量進(jìn)行的生產(chǎn)，其目的是為使用試驗(yàn)和評價(jià)提供代表批生產(chǎn)的試件，建立初步生產(chǎn)基地，使生產(chǎn)率有序增長、以便使用試驗(yàn)成功完成后進(jìn)入大批量生產(chǎn)。文獻(xiàn)[11]介紹的HTI 項(xiàng)目包括兩個LRIP合同，一個是套件B 的LRIP 合同，另一個是M1A2主戰(zhàn)坦克瞄準(zhǔn)鏡的LRIP 合同。具體數(shù)量為：9 套用于M1A2 主戰(zhàn)坦克的車長獨(dú)立熱像儀；11 套用于M1A2 主戰(zhàn)坦克的炮長主瞄準(zhǔn)鏡的熱成像系統(tǒng)；12 套用于M2A3 車長獨(dú)立觀察裝置的套件B；6 套用于M2A3 增強(qiáng)型Bradley 目標(biāo)獲取系統(tǒng)的套件B；9 套用于M8 裝甲火炮系統(tǒng)的炮長主瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)的熱成像系統(tǒng)；4 套用于LRAS3 的帶有遠(yuǎn)距離光學(xué)系統(tǒng)的套件B；2 套用于合格性測試的套件B。

1994年7月，HTI 項(xiàng)目獲得“里程碑I/II（Milestone I/II）”許可。第一批套件B 從1994年11月開始交付美國軍方，1997年3月底，共生產(chǎn)完成61 套套件B/瞄準(zhǔn)鏡。經(jīng)過20 多年的發(fā)展，HTI 技術(shù)已十分成熟，覆蓋范圍包括制冷型和非制冷型探測器，車輛平臺包括作戰(zhàn)和非作戰(zhàn)車輛。例如，DRS 公司基于HTI 技術(shù)開發(fā)的駕駛員視覺增強(qiáng)器（DVE）的月產(chǎn)能達(dá)到2500套，可在30 天內(nèi)裝備美軍的一個旅級單位[12]。

據(jù)公開資料報(bào)道，美國陸軍與DRS 公司簽訂了一項(xiàng)總額為6700 萬美元的合同，指定后者為美軍M1A1 Abrams 主戰(zhàn)坦克、Bradley 步兵戰(zhàn)車、Stryker輪式裝甲車提供基于HTI 二代FLIR 技術(shù)的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。該合同將于2026年完成[13]。

4 通用組件技術(shù)中的制冷機(jī)

為滿足二代FLIR 系統(tǒng)不同的制冷需求，美國夜視和電子傳感器部門（NVESD）研發(fā)了一系列線性驅(qū)動制冷機(jī)。與具有相似性能的制冷機(jī)相比，成本較低（10000 美元以下）、壽命較短（平均故障時間為4000～8000 h）、冷卻時間較快（在不到15 min 的時間內(nèi)溫度達(dá)到80 K），會受到溫度過高或過低、較大程度的機(jī)械沖擊和工作環(huán)境中常見的振動等影響[5,14-15]。為了改進(jìn)旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)可靠性低、多軸振動、噪聲過大、缺少溫度穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，線性驅(qū)動制冷機(jī)提高了可靠性、降低了成本、改善了平均故障間隔時間。

美國國防部定義的線性驅(qū)動制冷機(jī)系列的功率有0.15 W、1.0 W、1.5 W 和1.75 W，是斯特林循環(huán)、雙對置活塞、線性驅(qū)動單元，與SADA 系列的集成通過用于驅(qū)動線性電機(jī)和冷端溫度控制的外部或者內(nèi)部控制電子單元來實(shí)現(xiàn)。

0.15 W 線性驅(qū)動制冷機(jī)用于便攜式反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的Javelin 指揮發(fā)射單元。因?yàn)楸銛y式系統(tǒng)由電池供電，制冷機(jī)效率較為重要，所以0.15 W 制冷機(jī)的設(shè)計(jì)使膨脹器靠近壓縮機(jī)，可通過非常短的傳輸線實(shí)現(xiàn)。1.0 W 線性驅(qū)動制冷機(jī)應(yīng)用于美國陸軍二代FLIR水平技術(shù)集成項(xiàng)目。因?yàn)閼?yīng)用范圍較廣，所以1.0 W制冷機(jī)主要專注于限定制造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W 制冷機(jī)最初用于高性能FLIR 系統(tǒng)，例如，Apache 直升機(jī)、現(xiàn)已取消的Comanche 直升機(jī)和量子阱熱成像系統(tǒng)。由于重量原因，已被重量更輕的1.5 W制冷機(jī)所替代。1.5 W 制冷機(jī)用于高性能FLIR 系統(tǒng)，在1.0 W 制冷機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，其冷卻或者制冷量的需求都超過了1.0 W 制冷機(jī)。重量較輕，是Apache直升機(jī)使用的1.75 W 制冷機(jī)的替代件。

5 結(jié)束語

在軍用紅外技術(shù)應(yīng)用的早期階段，由于需要裝備熱成像系統(tǒng)的武器平臺種類繁多，各有差異，如果每個武器平臺研發(fā)一套熱成像系統(tǒng)，將形成數(shù)量眾多、功能大同小異的系統(tǒng)組件，導(dǎo)致研發(fā)成本上升，產(chǎn)品缺乏通用性和互換性。通用組件符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和通用化趨勢，預(yù)留進(jìn)一步發(fā)展的空間。美軍紅外項(xiàng)目一般以成熟的通用組件技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)工程化。通用組件雖然減少了工程上選擇不同方案的余地，但提高了可生產(chǎn)性，降低了工程制造開發(fā)的成本。

通用組件的初衷是為了控制成本，它是以犧牲組件的靈活性、先進(jìn)性、獨(dú)特性為代價(jià)的。通用組件技術(shù)實(shí)施以后，紅外技術(shù)發(fā)展迅速，一方面探測器的規(guī)格從通用組件時的幾個線列（例如，288×4、480×4等）逐步發(fā)展到半幀、全幀，甚至百萬像元的高清格式焦平面陣列。另一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)同樣功能所需的硬件體積變小、重量變輕，使得原來需要用幾塊電路板實(shí)現(xiàn)的功能可在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)，在控制成本的同時可以實(shí)現(xiàn)組件的靈活定制，這種趨勢導(dǎo)致對通用性的需求逐漸弱化，反映在英文文獻(xiàn)中就是 Common Module 的提法逐漸被Module 取代，但是這并不意味著通用化的思想被揚(yáng)棄，Common 依然深刻地滲透在Module 的設(shè)計(jì)研發(fā)過程中，只是從大Common 變?yōu)樾ommon。