应用于红外成像导引头的非制冷焦平面探测器

李 煜，白丕绩，陶 禹，袁名松



应用于红外成像导引头的非制冷焦平面探测器

李 煜1，白丕绩2，陶 禹3，袁名松2

（1. 北方广微科技有限公司，北京 100089；2. 昆明物理研究所，云南 昆明 650223；3. 63961 部队，北京，100012）

随着非制冷探测器技术的迅猛发展，中大规模、高灵敏度的非制冷焦平面器件实现工程化应用。使用非制冷焦平面器件的红外成像导引头具有效费比高、结构紧凑、易维护等优点，已成为红外成像导引头的重要成员之一。介绍了国内外几款采用非制冷红外成像导引头的反坦克导弹、精确攻击导弹、精确炸弹、反舰导弹，以及所使用的非制冷焦平面器件的性能参数，总结了用于红外成像制导系统的非制冷焦平面器件的特点及发展趋势。

非制冷红外焦平面；导弹；红外成像制导

0 引言

导弹制导系统通常使用电视、毫米波、半主动激光、雷达、红外成像等制导技术，每种技术都有一定的针对性和适用范围。其中，红外成像制导技术具有精度高、隐蔽性好、抗干扰能力强、全天候作战，在精确制导武器中备受青睐。随着双模、多模导引头技术的日益发展，红外成像制导得到更广泛地应用。

传统的红外成像制导系统大多采用制冷型红外焦平面探测器，而非制冷焦平面探测器受制于较低灵敏度和较长热响应时间，主要应用于观瞄及民用领域。随着非制冷探测器制造技术的快速发展，中大规模、高灵敏度、小像素的非制冷焦平面器件实现工程化应用，并且成本大幅下降；非制冷红外成像导引头具有效费比高、结构紧凑（休积小、重量轻）、易使用和易维护等优点，已成为红外成像导引头的重要成员之一。经过多年的发展，非制冷红外成像导引头已广泛用于反坦克导弹、精确攻击导弹、小直径炸弹、反舰导弹等[1]。

1 非制冷红外成像导引头应用情况

1.1 反坦克导弹

为了提高分辨率、降低成本，各国反坦克导弹纷纷采用非制冷红外成像导引头，典型型号有：以色列“近程-长钉（Spike-SR）”、“迷你-长钉（Mini-Spike）”反坦克导弹；欧洲MMP中程反坦克导弹，日本“轻马特”（XATM-5）便携式反坦克导弹；中国北方“红箭-12”轻型反坦克导弹等。各型非制冷红外成像制导反坦克导弹的具体技术指标如表1所示。

1.1.1 “近程-长钉（Spike-SR）”反坦克导弹

“近程长钉”是以色列Rafael公司开发的一种低成本、发射后不管的便携式反坦克导弹，主要用于攻击坦克、装甲、低空盘旋直升机等移动目标，也可攻击混凝土工事、掩体等固定目标。“近程长钉”采用非制冷红外成像导引头，不但分辨率高，而且导引头系统简单，以及发射筒和瞄准系统高度集成；导弹长度仅1.0m，重约9.0kg，有效射程在50～800m范围；图1为近程-长钉（Spike-SR）反坦克导弹系统[2]。

1.1.2 迷你-长钉（Mini-Spike）反坦克导弹

“迷你长钉”也是以色列Rafael公司根据作战需求，最近开发的一款更为轻便、灵活、性能优良的便携式导弹系统。这款导弹系统包括一套重4kg的小型发射控制单元（MICLU）和一个正方形截面的发射筒，以及导弹长0.80m、重4.0kg的导弹。“迷你长钉”导引头采用非制冷红外成像+彩色影像传感器（CMOS）的双模制导模式，弹头呈球形。该导弹具有“发射后不管”和“持续制导”两种工作模式可选，最大射程为1500m；图2为迷你-长钉（Mini-Spike）反坦克导弹系统[3]。

1.1.3 MMP中程反坦克导弹

MMP中程反坦克导弹系统根据法国陆军的任务需求，以替换目前服役的“米兰”反坦克导弹，由欧洲导弹公司（MBDA）为其研制的新一代中程反坦克导弹，预计将于2017年开始装备法国陆军。MMP导弹制导采用非制冷红外传感器和电视摄像机的双模制导模式，导弹长1.3m、弹径140mm、重15kg；以及三脚架重量为11kg。该导弹可实现“发射后不管”模式，以及发射锁定目标攻击模式，有效射程为4000m；图3为MMP中程反坦克导弹[4]。

1.1.4 新“轻马特”（XATM-5）便携式反坦克导弹

日本研制的“轻马特”（XATM-5）反坦克导弹为取代装备的84mm“卡尔·古斯塔夫”无后坐力炮。该反坦克导弹的导引头采用非致冷长波红外焦平面探测器（波长8～14mm），具备发射后不管的能力；同时导弹大量采用复合材料。新“轻马特”导弹长0.86m、弹径120mm、重11.4kg；具有成本低、寿命长、高可靠、易维护等诸多优点。导弹系统便于肩扛和单人操作，可隐蔽在掩体中射击，其生存能力相对较高；图4为新“轻马特”（XATM-5）便携式反坦克导弹[5]。

表1 非制冷红外成像制导反坦克导弹

图1 近程-长钉（Spike-SR）反坦克导弹

图2 迷你-长钉（Mini-Spike）反坦克导弹

图3 MMP中程反坦克导弹

图4 新“轻马特”（XATM-5）便携式反坦克导弹

1.1.5 “红箭-12”新型反坦克导弹

2014年，中国北方工业公司（NORINCO）在欧洲萨托利展会上，发布了新型“红箭-12”肩扛式反坦克导弹系统。该导弹采用非制冷长波红外焦平面成像和可见光两种版本的制导模式，使其具备全天候作战能力。“红箭-12”系统全重22kg，其中发射筒、导弹总计17kg，导弹长0.98m、弹径135mm。导弹可由单兵携带，具有“发射后不管”能力的轻型反坦克武器系统。红外成像引导头射程可达2000m；图5为《简氏防务周刊》网站发布的红箭-12反坦克导弹[6-7]。

1.1.6 空射型BAT反坦克导弹

智能子弹药是美国格鲁曼公司研制的20kg智能反装甲子弹药（BAT）。子弹上装有主动毫米波雷达和红外成像传感器，可自动搜寻锁定目标。BAT反坦克导弹的十字形翼上装有4根音响传感器探针。音响传感器探测目标车辆的音响信号，并传回到弹上计算机捕获目标，控制导弹指向目标车辆。同时，弹上的红外导引头（长波非制冷320×240焦平面）进行探测、锁定目标，并对其末段制导；空射型BAT反坦克导弹如图6所示[8]。

图5 红箭-12反坦克导弹

图6 空射型BAT反坦克导弹

1.2 精确打击弹药

1.2.1 精确攻击导弹（PAM）

美国雷神公司开发的这款网络化低成本非视线精确打击武器精确攻击导弹（PAM）。PAM导弹有红外成像/自动目标识、激光提示红外成像锁定、激光持续照射半主动跟踪3种可供选择工作模式；其导引头采用非制冷红外（640×480焦平面探测器）/半主动激光双模导引头，中段采用惯性导航＋GPS制导。导弹直径177.8mm，速度250m/s，射程40km，不仅具有打击重型装甲目标和加固的防御工事，它还可打击低空、慢飞或悬停直升机的能力；图7为精确攻击导弹（PAM）导引头及导弹攻击坦克顶部过程[9]。

1.2.2 小直径炸弹（SDB-Ⅱ）

美国雷神公司研制的小直径炸弹（SDB Ⅱ）重约90.7kg，导引头采用毫米波、非制冷红外成像、激光半主动的三模制导模式，使其导弹能在全天候追踪、打击目标。SDB Ⅱ导引头集成的非制冷红外成像传感器，使该炸弹能够追踪并锁定目标的热辐射特征。这款小直径炸弹能精确打击既定目标，具有较小的附带毁伤，可大量装备各型作战飞机；图8为SDB-Ⅱ小型炸弹照片[10]。

1.2.3 联合空对地导弹（JAGM）

由美国陆军牵头，海军及海军陆战队共同参与研制的联合空地导弹（Joint Air-to-Ground Missile），用JAGM这款通用型导弹取代现役的陶式（BGM-71）导弹、幼畜（ACM-65）导弹及海尔法（ACM-114）导弹。JAGM导弹将可搭载直升机、战斗机和无人机等多款战机。雷神公司的非制冷成像三模导引头方案不仅满足指标要求，而且成本更低（采用非制冷640×480焦平面探测器），可以满足陆军对成本要求；图9为美国联合空对地导弹（JAGM）照片[11]。

图7 确攻击导弹（PAM）导引头及导弹攻击过程

图8 SDB-Ⅱ小型炸弹

图9 联合空对地导弹（JAGM）

1.3 MASTER隐身巡航导弹

MASTER/LCMCM是洛×马公司推出一种隐身巡航导弹，以满足战场纵深打击要求。MASTER/LCMCM导弹采用独特的外形设计，大大降低导弹雷达截面特征，达到隐身的效果。MASTER导弹采用红外成像/雷达双模导引头，导弹子系统采用SELEX低成本的非制冷红外成像导引头，能装备单一战斗部或多达5个独立瞄准的子弹药，整个弹重450kg。该款导弹可直接攻击目标，也可巡飞后再攻击移动目标，可在F-35、F-22等战机内、外挂载；图10为美国洛×马公司的MASTER/LCMCM导弹[12]。

1.4 FASGW反舰导弹

FASGW-ANL反舰导弹是欧洲导弹公司（MBDA）研制。此项目在英国被称为“未来重型反舰制导武器”（FASGW）项目。FASGW反舰导弹将装备法国海军的NH90和“黑豹”直升机，英国海军的“野猫”直升机。导弹采用非制冷红外成像导引头，该导引技术也用于FELIN步兵现代化和MMP反坦克导弹计划；图11为欧洲FASGW-ANL反舰导弹样品及海上直升机攻击效果模拟图[13]。

2 应用于红外成像制导系统的非制冷焦平面探测器

SCD公司的BIRD 640-VE非制冷焦平面组件[14]，如图12和表2所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（25mm）非制冷焦平面组件[15-16]，如图13和表3所示。

雷神（RAYTHEON）公司的640×512（17mm）非制冷焦平面组件[15-16]，如图14所示。

BAE系统公司的MICROIR ™非制冷焦平面组件[17-18]，如图15和表4所示。

北方广微公司可用于制导的非制冷焦平面组件[19]，如图16和表5所示。

图10 洛×马公司的MASTER/LCMCM导弹

图11 FASGW-ANL反舰导弹及攻击效果模拟图

图12 BIRD 640-VE

表2 BIRD 640-VE非制冷焦平面组件典型参数 (@ 25℃, TEC stabilized)

图13 导引头探测器及机芯

表3 非制冷焦平面组件典型参数

图14 雷神非制冷机芯组件及其在PM-FLIR中的结构

图15 MICROIR™ SCC500非制冷标准组件及红外成像导引头[17-18]

表4 SCC500成像机芯典型参数

图16 北方广微可用于制导的非制冷焦平面组件

Fig.16 UFPA used for guidance in North GuangWei

表5 北方广微的非制冷焦平面组件典型参数

3 制导用非制冷焦平面探测器特点

1）高可靠性

导弹在存储、运输、发射、飞行全过程中，特别是在发射和动力加速、变角时刻，更易受到振动、冲击等动态力学以及温度循环冲击的影响，温度、力学能量传递到红外成像导引头上，进一步传递给非制冷焦平面探测器，直接影响探测器的性能及可靠性。非制冷焦平面探测器的环境适应性的性能直接影响整个导弹的存储、工作适应环境[20]。

2）高帧频

图像帧频反映了图像及运动目标的实时性。达到对一般运动目标跟踪能力，红外成像导引头一般要求帧频达到50～100Hz，而导弹预警系统红外图像则要求100～400Hz。红外图像帧频高，导引头指向及跟踪角速度率便可以相对提高，能使系统具有较宽的带宽。

3）大规格

通常情况，非制冷红外成像导引头用的焦平面规格都在320×240及以上，在相同焦距的情况下，探测器阵列规格越大，导引头的空间分辨率就越高。较高的红外图像分辨率高，可更好地对目标进行识别、定位、跟踪，从而对目标实现精确打击。因此，在系统功耗、速度、成本允许情况下，非制冷焦平面规格会尽量选用大规格[21]。

4）抗过载

导弹在发射及做大机动飞行时，一般都会产生较大的加速度，即我们通常所称的常值过载。一般的反坦克导弹，过载能达10（为重力加速度）以上；防空导弹及空空导弹，过载超20，如R-73K红外导弹的最大过载达50；AIM-9L/M的最大过载26～35。因此，弹用非制冷焦平面需要较大的抗过载能力。

4 发展趋势

随着非制冷红外成像导引头在反坦克导弹、精确制导导弹、制导炸弹等方面的广泛应用，非制冷红外成像导引头也将向着高分辨率、双色、智能化、小型化、通用化等方面发展。同时，弹用非制冷红外焦平面探测器不仅向着大规模、小像素、高灵敏度、高帧频、大动态范围等传统高性能方向发展，同时也出现双色、数字化、智能化等趋势，以提高目标辨识、抗干扰以及战场环境适应能力[22]。

4.1 中/长波双色非制冷探测器

以色列推出的BIRD 640WB是一款在中波红外（3～5mm）和长波红外（8～14mm）同时具有较高响应的640×480非制冷探测器，这种双色非制冷探测器若用于红外双色成像制导，将大大提高辨识、抗干扰等能力[14]，其器件光谱响应如图17所示。

4.2 全数字非制冷探测器

随着CMOS工艺及设计技术的飞跃发展，不仅使非制冷焦平面读出电路片上ADC、DAC成为可能，形成输入无模拟偏置、输出全数字的数字化焦平面探测器组件，为小型化、智能化焦平面探测器打下基础。FLIR、BAE、ULIS等部分产品都实现偏置电压、视频信号的数字输入、输出。

图17 器件光谱响应

4.3 智能化非制冷探测器

红外焦平面阵列、读出电路和图像处理相结合的智能化阵列，即灵巧红外焦平面。焦平面读出电路上集成了片上非均匀预校正、非均匀空间采样、智能动态范围控制等功能。其中以色列SCD的BIRD 640产品，就具有片上非均匀校正、残留非均匀性预测等功能。

4.3.1 片上非均匀校正

非制冷焦平面读出电路设计采用非线性辐射补偿、衬底温度补偿，以及像素级、列级、行级的非均匀性补偿，以实现片上非均匀预校正。提高图像质量，降低图像空间噪声，又不减小动态范围。

4.3.2 非均匀空间采样

红外成像制导的图像只有在搜索阶段，需要整个大的视场内都具备高的空间分辨率。而在识别、跟踪阶段，则需要图像在目标及相近区域，有更高分辨率、更高帧频。基于此应有，焦平面设计者提出一个中间区域像元密、响应快，四周像元疏、响应慢、灵敏度高的渐变阵列布局。这种非均匀空间采样方式，同时实现大视场、高分辨率和高帧频设想。MBDA公司的概念武器：CVS-101-137狙击手（Sniper）导弹，该导引头是一种类似人眼的系统，视场中心分辨率高，周边分辨率较低[23]。

4.3.3 智能动态范围控制

为了提高红外成像导引头的探测灵敏度，同时又不损失探测的动态范围。制冷、非制冷探测器都在寻求智能化动态范围控制方法，以获得红外图像的高的探测灵敏度和大的动态范围。非制冷探测器方面，通过高低增益双帧图像融合、自适应地调整探测器像元偏置和系统增益，以实现探测灵敏度和动态范围获得最佳的折衷[24-25]。

5 结论

随着红外成像制导、红外双色制导、多模复合制导技术的不断应用，以及高性能非制冷焦平面的迅猛发展，非制冷红外成像制导将在末端制导、复合制导、精确制导等领域一展风采；同时，非制冷红外成像导引头用的焦平面组件应按系列化、模块化、通用化进行研制，有利于进一步降低非制冷红外成像导引头的成本，扩大应用领域，与制冷型红外成像导引头形成优势互补的发展态势[26]。

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Uncooled Focal Plane Arrays Detector Applied for Infrared Imaging Seeker

LI Yu1，BAI Piji2，TAO Yu3，YUAN MingSong2

(1.,100089,; 2.,650223,;3. 63961,100012,)

With great progress in fabrication technology, medium（large）scale, high temperature response and small pixel pitch UFPAs（Uncooled Focal Plane Arrays）detectors are produced. For its high cost-effectiveness, compactness and easy maintenance etc, seeker using UFPAs detector has become an important member in the infrared imaging seeker family. Some kinds of domestic and foreign representative weapons such as anti-tank missile, precision attack missile, precision guided bomb, anti-ship missile etc. and specifications of UFPAs used in infrared imaging guidance systems are introduced in detail. Finally, the characteristics and development trend of UFPAs for uncooled infrared imaging guidance systems are summarized.

uncooled focal plane arrays detector，missile，infrared imaging guidance

TN215

A

1001-8891(2016)04-0280-10

2015-09-09；

2016-04-13.

李煜（1975-），男，四川武胜人，研究员级高工，主要从事红外焦平面探测器及系统信号处理技术研究。E-mail：yu.li@gwic.com.cn。

国防研究专项。