红外线技术在现代航空上的应用

申功勋

近代一门发展极为迅速的先进技术——红外线。已被广泛地应用在现代各种军事技术兵器上面。运用红外线技术制成的各种观察、通讯仪器，已成为各兵种在作战中所不可缺少的重要工具。

随着现代航空技术的迅速发展以及军事发展的需要而对航空技术提出的要求，致使红外线技术在航空方面也有着愈来愈重要的用途。目前象目标探测、飞机导航、侦察摄影和通讯以及导弹制导等等方面都广泛地应用着红外线技术，而这几年来红外线技术的理论和仪器也有着很大发展。这里仅就红外线技术在航空中的主要用途作一简单介绍：

什么是红外线

红外线是一种不可见的光线。它和可见光线、r－射线、X－射线以及无线电射线等等一样，都是一种能辐射出一定能量的电磁波。不过它们各具有不同的波长。在图1中可以得知：红外线在光谱中是介于可见光和无线电微波之间，波是约为0.76－750微米的一段位置。正因为它是处在红色可见光线以外的位置，所以我们就把它称作为红外线。

图1红外线光谱在电磁谱中的位置

红外线的波谱与可见光线波谱相靠近，很多性能与可见光是极其相似的。像红外线的射线也是作直线性传播的，在一定条件下，也会产生折射、散射和被吸收等现象。用抛物面镜和透镜也能将红外线收集和进行聚焦。另外红外线亦与靠近另一端的无线电或雷达电波的性能也相似，像黑纸、厚纸板、沥青、薄硬橡胶板或者一些不透明的硅、鳍等物质，红外线辐射也都能顺利地穿过。

在大气中传播时，红外线透过烟及薄雾的能力要比可见光强得多，所以我们就利用红外线这个特性，常在能见度不良的情况下，使用红外线的仪器来进行观察，并且能观察到比可见光观察到更远的目标。

实际应用的红外线系统有两种，一种叫做主动的红外线系统，一种叫做被动的红外线系统。这两种系统的区别在于前者为了探测目标，系统本身需要有照射目标用的能源装置(如红外线探照灯)，而后者就不需要有发射能量的装置而只要有能接收由目标反射回来的辐射能接收器就可以进行工作。由于被动红外线系统在探测目标时不需要射出红外线来，因而就能极隐蔽地进行工作，而不易被敌所发现，由于这个在军事应用上具有重大意义的特点，致使被动红外线系统在实际应用中将更有发展前途。

在专门用来接收并显示目标红外线辐射的通常使用的仪器，其应用的原理大致分有这样几类，一类是应用外光电效应，即是使用某种物质在受到红外线照射时会放出电子的特性，再在某些受电子冲击后能发光的物质上(如萤光屏)显示出目标的形象。应用这种原理通常使用的仪器有光电变换器和电子倍增器等。另一类是应用内光电效应，即利用一些像硫化铅、碲化铅或锗一类的物质，在受到红外线照射后，内部就出现自由电子，致使本身电阻发生改变的特性。而我们就可利用其电阻的改变而测得目标辐射能的大小，而再进行工作。再一类是应用红外线照射会产生热能而使电阻降低的热辐射原理的仪器。

在航空中，应用上述原理制成的仪器使用得非常普遍。

前面讲过，红外线与无线电或雷达波极其相似。因此它可作雷达所做的工作，如搜索目标、飞机导航、导弹制导等工作，这两门同属于无线电电子学学科在近代都获得飞速的发展。那么，它们之间究竟有些什么样的关系？红外线较雷达又有什么更优越的地方？这是值得考虑的。

红外线与雷达

现代雷达在航空中占着极重要地位是大家都知道的。像目标搜索、飞机领航、敌我飞机识别以及与瞄准具交联构成自动射击和轰炸的火力控制系统等等，都无不应用着雷达。但是雷达本身也存在一些问题，从而影响到它在现代日益发展的航空技术上面得到更广泛的应用。如用雷达探测目标首先必须发射出能量，这是由雷达作用原理所决定的，由发射装置发射出脉冲，然后由接收装置接收由目标反射回来的脉冲信号，这样才能测得目标的距离。很显然，雷达首先向目标发射出能量，容易被敌方发现而进行干扰，甚至有可能使雷达完全丧失它的作用。如果应用被动红外线系统(本身不需要发射能源)，在这方面红外线就能充分显出它为雷达所不能比拟的优越性了。近来发展一种利用红外线技术的无源雷达也就是用来弥补这样一个缺点。再从发展的观点来看现代飞行器(飞机和火箭导弹)的飞行速度和飞行高度都必将愈来愈高，外形也愈来愈流线型。这些特点，对红外线说来是非常有利的，飞行器的速度增大，其发动机的推力一定要增加，因此排出的高温燃气也多，温度也就愈高，也就是红外线辐射温度的提高因为红外线探测距离是和目标的辐射温度的平方成正比，所以随着目标速度的增加，红外线的探测距离也就会相应地增大。另外如果目标飞行速度达到超音速以后，不仅发动机部位是很强的红外线辐射源，而且整个目标都将是很强地红外线辐射源了，因为空气动力加热使表面温度也就大大升高。一架在一万米高空以每秒800米飞行的飞行器，它的表面温度就高达摄氏200多度，这对红外线仪器来说是一个非常良好的目标。另外高空云也少、二氧化碳含量也少，飞行器发射出红外线辐射被吸收也少，加之在无云的高空区域，很少存在有其他红外线波，因而红外线仪器在高空中探测寻觅目标是十分方便的。但是对雷达说来，探测高速高空的飞行器的效果是较差的，所以雷达射程也就大大减少，为了克服这点，势必增加雷达功率，但这将是非常复杂和困难的。而目标的流线型化也将使雷达正面得到的反射讯号要减小。

红外线较雷达鉴别目标的精确度要高，因为红外线频率(约一百万到五百万兆周)比雷达所使用的最高频率还要高14倍左右。

红外线装置较之雷达也是有着许多不足的地方，譬如在目前说来，不如雷达测量距离方便，不能像雷达那样可以自由选择工作频率，无法控制目标辐射的红外线频率。同时也不能像雷达那样对待衰减可用增高功率的办法来进行补偿。因此在实际应用中，雷达的重要作用也是绝对不容忽视的。但随着现代航空科学技术的发展，红外线在某些方面肯定地将会得到更广泛的应用。

导弹的红外线制导

由于现代高速飞行器都是很强的红外线辐射源，因而在一些地空导弹和空—空导弹上就广泛采用装有红外线自寻求的导向装置用来对目标进行自动瞄准和跟踪。

装有红外线导引的制导系统如图2所示。

图2装有红外线导引头的导弹原理图

1.整流罩2.反射镜3.平面镜4.调制盘5.红外线接收机(光敏元件)6.低频放大器7.解调器8.9.引导部分动力传动装置10.舵螺传感器11.控制舵面的电路12.舵面。

红外线导引的工作过程是：当导弹在追踪飞行中，装于导弹头部光学系统中的反射镜向目标进行搜索，如果此时导弹轴线偏离了目标红外线接收器(光敏元件)就会接收到由经调制盘所控制的一部分红外线射线来而感受出与偏离成比例的误差讯号，经过放大器放大后，再输送到动力传动装置中去，使导引头重新对准目标。而装在反射镜上的陀螺传感器同时也会产生一个信号传给操纵电路，使舵面传动机构工作并操纵舵面转动，使导弹重新对准目标位置。这时，这种制导作用即完全停止。当导弹飞至离目标一定距离范围时，红外线感应引信就会发生作用，并引导导弹爆炸。

应用红外线制导导弹优点，是作用距离较远，一般可达10多公里。在一定距离上能自动地进行跟踪。但由于红外线本身受有气象条件的限制，在复杂的气象条件下(如密云、浓雾、大雨)就不能有效地使用，在低空时由于地面空气水分多，导向性也受到影响。此外红外线制导的这种导弹不能朝向太阳方向发射。由于红外线装置对敌我目标无鉴别能力，因而也可能会误伤到自己方面的飞机。

另外红外线也可应用作为导弹的自动天文导航装置，(图3)这是由于红外线装置在白天也能收集到空中某些星球的强烈的红外线辐射。我们预先可以选定天空中有足够光亮度的星球(如太阳、月亮)作为导航的基准。而装在导弹中的红外线望远镜能够自动地对准基准星球所在的方向和接受由星球辐射来的红外线射线束，并且把它投射到一组由光敏电阻组成的光感受器上面，当导弹沿着正确的方向飞行时，光感受器中间的光敏电阻就会接受到红外线，当导弹偏离正确方向飞行时，则红外线射线束就离开了中间光敏电阻而射到两旁的光敏电阻上，此时光敏电阻的电路上就产生了与偏离成比例的误差信号，信号经过放大后就能操纵导弹使回复到正确方向飞行，而红外线望远镜也就重新转向到对准星球的位置。

图3红外线天文导航仪

红外线瞄准器

利用红外线原理作成的一种夜视仪器——电子光学瞄准具。在航空中的应用也是极其广泛的。如果在夜间战斗机或夜间轰炸机上装有这种仪器，那么就可借敌机的发动机发热部分及排出的热废气底红外线辐射，来寻找敌机或对地面目标进行瞄准轰炸。这种电子光学瞄准具的构造并不复杂(见图4)，瞄准系统由观察仪、高压电源以及其他光学附件等几部分组成的。组成瞄准具中最重要的部分是一个能将不可见的红外线形象变成能够在萤光屏显示器上看到形象的所谓电子—光学变换器。这种光电变换器应用的就是外光电效应原理。来自目标的红外线束，射到位于光电变换器玻璃屏一端的用半透明氧化铯制成的阴极上面，并引起电子放射，从光电阴极发射出来的电子，经过聚焦系统后，将加速射向通常用人造硅锌矿(用锰活化过的正硅酸锌)制造的萤光屏上并进行聚焦。萤光屏在被电子撞击的地方就会发出眼睛可以看到的光线，因此飞行员就能在观察仪上清楚的看到红外线辐射的目标形象。

图4电子—光学瞄准具略图

其它用途

红外线在航空上的应用是多方面的，像在人造地球卫星上如果按装红外线的仪器后，就可以用来拍摄地球士的地形。不过美帝国主义却是用来干收集社会主义国家军事情报的间谍活动的。红外线也能作为导弹侦察器用在远距离对弹道火箭的发射进行侦察以及火箭的外弹道测量。此外飞机上作为防碰撞接近报警指示器、对飞机进行导航的地速指示器、飞机与地面通话的仪器以及航空照明、航空气象测量等等都广泛地应用着红外线技术，航空上还有很多其他红外线的设备，这里不一一列举了。

由于红外线具有许多特殊的优良性能，使它在航空上面有着很重要的用途。因此随着现代航空技术的发展，肯定的红外线技术也将得到更大发展。目前红外线应用的比较广泛的是波长为0.76－15M的短波装置，未来将逐渐向研究中长波红外线装置(15M－750M)方向过渡。此外有关红外线的理论研究、红外线的调制、大气对红外线的影响、红外线电子光学仪器的理论和制造技术、以及仪器的灵敏度、红外线光敏元件的材料等等一系列理论和试验；都将是发展红外线技术面临的十分迫切需要解决的课题。无疑地，未来这门年轻的极其重要的红外线技术，它将会在航空方面得到更广泛的应用。