红外探测系统在军事海洋中的应用

路学荣，吕曰恒，程明阳

（1.中国空空弹研究院 洛阳市 471009； 2.国家海洋技术中心 天津市 300111）

红外探测系统在军事海洋中的应用

路学荣1，吕曰恒2，程明阳1

（1.中国空空弹研究院 洛阳市 471009； 2.国家海洋技术中心 天津市 300111）

介绍红外探测系统的性质、特点、主要设备种类和作用，介绍了红外前视、红外搜索跟踪器、红外制导导弹、导弹来袭红外报警器等装备的功能、特点、基本结构，国外装备概况，给出了海上应用的内容，并分析了不同用途和系统参数的关系，分析了红外探测系统在军事海洋中的应用前景。

红外前视红外搜索跟踪器来袭导弹（飞机）红外报警器红外制导导弹

红外探测系统范围较广，凡是利用外界物体自身发出的热辐射作为辐射源进行探测的均可称为红外探测系统。该系统的特点是无需光照，在完全黑暗中进行探测。这种探测是被动式的，可以隐蔽地进行观察和监视。由于使用的波长比可见光长 10 ～ 20倍，在烟雾中穿透能力要大得多，所以在雾天、有烟的环境中，可以观察相当远的距离。为提高维护海洋安全的战略能力，捍卫国家领海和海洋权益，红外探测系统可以满足在夜间和能见度恶劣的情况下远距离观察、搜索、监视、导航等功能的需求。

可在海上应用的红外探测系统有红外前视、红外搜索跟踪器、来袭导弹红外报警器、红外制导导弹等。海面舰船为了对敌攻击，需要实时观察或监视空中或海面的态势、敌方舰船的类型和活动情况；海面舰船为了自身安全，需要实时防范敌方攻击，特别要防范如掠海导弹、掠海飞机等威胁最严重的攻击，同时也要防范来自高空的攻击。红外探测可以完成观察场景和搜索发现威胁的任务，还可和雷达搜索探测系统铰链，兼容工作。当雷达系统受到电磁干扰或压制时，红外系统仍可独立工作，使整个武器系统免于失效。

1 红外前视

红外前视即热成像观察系统，输出以灰度形式显示的外界物体的热分布图像，可以全天候使用，甚至可在能见度不佳的情况下正常工作。热成像观察设备输出的是视频图像，通常和电视制式相同，能实时观察目标的活动情况，将其安装在舰船上，用途广泛。

1.1 黑夜和雾中导航

观察距离从几十米到上千米，观察目标包括附近的舰船、桥墩、航道中的障碍物、码头等，使用目的是保证航行的安全，防止碰撞。这类热像仪要求15°～50°的宽视场。由于视场较大，也为了降低成本，一般无须稳定和回转。热像仪的体积较小，通常使用非制冷长波热敏探测器，使用方便，容易推广使用。

图1 导航用热像仪

图2 夜间导航效果图

1.2 中距观察

观察距离在5 km 左右，用于夜间或雾中监视、跟踪、登陆、反恐、搜救等。观察目标主要是中小型舰艇、登陆岸滩、人员活动等。该热像仪可使用非制冷探测器，推荐焦距为 33.3 mm～100 mm 连续变焦的光学系统，配以规模为 384× 288 元，元间间隔为 35 μm 的探测器，热像仪的视场将在 22.8°×17.1°到 7.7°×5.8°间连续可变，分辨力最小为 0.35 mr。对 30 m 长的小船识别距离超过 6 km ，对人的探测距离约为 1.9 km 。为了全方位搜索或观察目标，可把热像仪装在回转云台上。如果要求在船体摇晃情况下观察的图像稳定，则需将观察系统装在稳定平台上。

图3 安全警戒效果图

图4 救助打捞效果图

1.3 远距观察

观察距离在8 km 以上，用于夜间远距离观察、监视、搜索、跟踪等。观察目标主要是大型舰艇和各种舰船，掌握夜间海上舰船活动态势。热像仪可选用制冷型长波或中波探测器。探测器的规模至少用 320×256 元，640×480元更佳；光学系统的焦距从 150 mm ～ 600 mm 均可使用；为了满足监视、搜索、跟踪和瞄准的不同要求，可设计成两挡或三挡变焦的形式，具体的设计依赖于观察任务的性质，要求目标图像的清晰度和热像仪尺寸等因素。

热像仪本身的组成较为简单，一般由光学系统、探测器组件、电源、图像形成电路和相应的结构件组成。如果要求对目标能进行识别跟踪或报警等任务，则需增加目标识别跟踪电路。为了消除远洋舰船晃动对观察图像的影响，应把热成像设备装到具有稳定功能的平台或密封吊舱中。根据需求热像仪还可和可见光摄像机、激光测距器等装成一体，形成球形转塔（如图 5 ）。

图5 某吊舱外形图

图6 吊舱安装在某舰船上

2 红外搜索跟踪器

红外搜索跟踪器用于搜索、截获、跟踪、瞄准远距离的目标，如飞机、舰船、飞航式导弹、掠海导弹等，距离一般在 5 km 以上。其特点是搜索视场大，往往要求180°～360°的空间范围。目标距离远，能发现和截获 20 km ～ 30 km 以外的飞机。如此远的距离，不可能要求看清目标的形状，甚至不到一个像素，这一点和热像观察系统不同，要获得的目标信息不是目标形状的细节，而是目标的总数量、空间方位、和飞行方向等。目标角速度小，采集信息的频率没必要很高，通常帧频为 0.1 Hz ～ 2.0 Hz 。

图7 一种舰载红外搜索跟踪器和热成像瞄准系统的工作

红外搜索跟踪器通常用带稳定功能的回转台进行大范围搜索，用较高频的摆镜进行小范围扫描，边扫描边跟踪。探测器多用中波或长波线列型，规模使用 288×4 足够达到要求，还可专门设计探测器的尺寸以扩大俯仰方向的视场，把探测器的单元尺寸设计成 25μm×56μm，使俯仰方向的分辨力增大一倍。一般让线列方向的探测器覆盖俯仰视场来确定光学系统的焦距，通过光机扫描实现方位大角度范围的搜索，系统的瞬时视场不必太大，有利于保证系统的探测距离更远。

在舰船上安装红外搜索跟踪器的必要性在于能及时发现超低空入侵的飞机和掠海导弹，因为该区域是雷达工作的死区。红外搜索跟踪器可单独安装在舰船上，多数是和搜索雷达铰链安装，作为雷达系统的辅助探测装置。系统还可和高炮或对空导弹发射架铰链在一起，当搜索到目标转入跟踪时，武器发射系统对准并不断跟踪目标，必要时可立即进行攻击，因此，红外搜索跟踪器是火力控制系统的一个重要环节。

3 红外制导导弹

舰船上配备红外制导导弹主要用于对付空中的威胁，如超低空飞机、掠海导弹、巡航导弹等，也可用于攻击海面上舰船类目标，其作用距离一般可达 10 km 。可用的制导方式有调制盘单元探测器导引头和多元制导导引头，为了提高抗干扰能力目前已发展有热成像制导的导引头，使用红外制导导弹，设备简单，操作快，适合于对近距威胁的快速反应和攻击。

目前，红外制导导弹技术已相当成熟，已有多种国产对空和对舰红外制导导弹。红外制导系统多使用中波红外波段，主要探测目标的喷管、排气管、舰艇烟筒的辐射以及热排气流辐射，最先进的制导系统可用制冷型凝视焦平面阵列探测器，实现热成像制导，捕获视场为 3°～5°。作用距离与目标的类型、状态有很大关系，通常近距格斗型多要求在 10 km 左右能可靠地截获目标。稳定跟踪机构的结构形式很多，最好的已突破正交双框架形式，用极坐标三框架平台结构，实现 ±90°大跟踪场。红外制导导弹用于海洋舰船上，可用作舰对空和舰对舰近距型导弹，也可把红外制导用于导弹的末制导阶段，实现对舰船和其他固定目标的中远距离打击，这种末制导类型是待导弹到达距目标适当距离时，制导系统快速搜索并捕获到目标，然后转入自动跟踪状态，直至摧毁目标。

4 来袭导弹（飞机）红外报警器

来袭导弹的红外报警器主要用于探测导弹和飞机，及时给出报警，便于采取有效措施，或施放干扰，或对敌攻击，保证自己的安全。

来袭导弹（飞机）报警器也要求探测的空间范围很大，探测距离较远，这一点和搜索跟踪器类似，但由于有威胁的目标比较靠近，必须及时给出报警，无需像搜索跟踪器的结构那么复杂，也不需要稳定平台，更无需宽范围的搜索跟踪机构，只要求实时监视很宽的空间范围，一旦探测到来袭的导弹或飞机，能立即发出报警信号，操作人员可以作出对危险的进一步判断并采取必要的应对措施。导弹报警器的结构相对较为简单、小巧，能覆盖的视场通常达 90°×65°，若要在方位方向搜索半球视场，则要安装两台，更大的视场则要安装更多的设备。设计上要考虑对自身威胁最大的空间区域。探测距离通常应能达到5 km 以上，按照导弹接近的速度，探测到目标后应有足够的时间采取应对措施。

图8 两种红外型导弹报警装置外形图

来袭导弹报警有雷达型、紫外型和红外型等。雷达型结构复杂，而且是主动式的，不利于隐蔽自己；紫外型只能探测导弹发动机工作时发出的辐射，一旦发动机工作结束，将探测不到目标，而一般小型导弹发动机的工作时间较短，不利于对来袭导弹的全程探测；红外型除能探测发动机工作时的辐射外，也能探测高速导弹气动加热形成的辐射，可以对来袭导弹进行全程探测，保证及时探测到有威胁的目标。

如果舰船上装有红外搜索跟踪器，并能对全方位空间进行监视，则可起到来袭导弹报警的功能，可不必配置专门的报警器。若有对空的监视死角或没有搜索跟踪器，则设置来袭导弹（含飞机）报警装置对保证本身的安全是非常必要的。

5 红外探测系统在军事海洋中的应用

在突出夜战、突袭、抗多种干扰、及时掌握对方信息等现代战争的要求下，红外探测技术有独到的能力。国外对这几类产品研制或已批量生产的型号繁多，装备的舰船也很普遍。国内虽然也有装备，但目前数量还相当少。对这种技术的特点和应用前景需要有更进一步的认识。

研制各种红外探测系统的技术已基本成熟，从探测器的制造、光学系统的设计以及处理电路的设计等都已有相当的基础，这些产品国内也有生产。今后要解决的问题是如何适应实战的各种要求并能和其他传感器组成兼容互补的探测系统，以更加适应现代作战的实际需要。

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2010年3月15日