非制冷红外成像技术发展动态及其军事应用

李其昌 李兵伟 王宏臣

（1. 驻某军代室，烟台 264630；2. 烟台艾睿光电科技有限公司，烟台 264533）

非制冷红外成像技术发展动态及其军事应用

李其昌1李兵伟1王宏臣2

（1. 驻某军代室，烟台 264630；2. 烟台艾睿光电科技有限公司，烟台 264533）

对红外成像技术的优点、红外探测器的主要类型及其民用、军用价值进行了阐述。介绍了非制冷红外成像技术的发展历程和军事应用价值，分析了非晶硅和氧化钒两种非制冷成像芯片技术的优缺点，对比分析了国内外主要非制冷红外成像技术提供商的技术水平，提出了非制冷红外成像技术的发展方向。

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1 红外成像技术综述

目前，夜间观察目标主要有人工照明、微光夜视和红外成像等3种途径。人工照明是最古老和普遍的方法，然而，人工照明在有雾、烟和灰尘存在的低能见度条件下，效果不理想。在军事应用方面，车灯光、闪光灯都会产生“信标”作用，会使敌人觉察到观察者的存在及其所在的方位。微光成像的主要缺点是需要相当于夜间明亮星光照明度的光，且图像增强器仅能对可见光和近红外加以放大，不能透过云层、雾、烟或厚的灰尘。红外焦平面成像技术是一种可探测目标的红外辐射，并能够通过光电转换、电信号处理等手段，将目标物体的温度分布图像转换成视频图像的技术。红外成像属于被动探测，其摆脱了人工照明或对低亮度进行放大的技术限制，能够在有雾、云、烟和灰尘的环境条件下提供优良的图像性能。

由于红外成像系统比雷达系统的分辨率高、隐蔽性好，且不易受电子干扰，与可见光系统相比具有能够识别伪装、可昼夜工作、受天气影响较小等优点，在军事和民用领域获得了广泛应用，如单兵武器、导弹制导、火控瞄准、驾驶辅助灯等，如图1所示。

图1 红外成像在军事等领域的典型应用

基本类型的红外探测器主要分为制冷型光子探测器和非制冷型热探测器两种。制冷型光子探测器探测率高，但需制冷到液氦温度工作，价格昂贵，仅用于重要军事场合。非制冷型热探测器在成本、尺寸、功耗与可靠性等方面具有优势，可广泛应用于单兵武器及对价格敏感的非制冷红外成像应用等方面。在民用领域，红外热像技术可广泛用于车船夜间辅助驾驶系统、安防监控、建筑节能检测、工业测温、疾病防控、消防、环境监测、医疗保健领域。

由于红外成像技术广泛的军事用途，西方发达国家对我国实行严格的技术封锁与产品禁运政策。美国政府禁止向我国销售红外探测器产品；法国采用严格审批制度，将较差的产品限量销售至我国。这给我国的红外成像行业与武器装备发展造成了极大的困难，制约了我国夜战能力的提升。

2 非制冷红外成像技术简介

非制冷红外成像技术自20世纪80年代至20世纪90年代开始开发，21世纪初逐步走向实用化，被称为第三代红外成像技术。在性能接近的情况下，非制冷红外成像设备的价格仅为制冷型红外成像设备的1/10乃至1%，功耗也由数十瓦降至数瓦乃至1W以下，使手持红外成像终端的研发成为可能。

在军事领域，非制冷红外成像广泛应用于夜视、制导、侦察、火控、告警等方面，如单兵夜视头盔、枪瞄、导弹导引头、智能炮弹、舰（机）载红外搜索与跟踪系统、无人机（车）等装备。美军在海湾战争期间，平均每名士兵装备了1.7套红外成像装置（TWS），如图2所示。

图2 TWS II武器瞄准系统

这些红外成像装置可以大幅改善士兵监视、瞄准和战斗的效能，可以在零照度条件下，以及雾、烟、灰尘和沙尘暴等恶劣天气条件下全天候工作。TWS轻型武器热瞄准系统重量不到0.91kg，主要安装在M4卡宾枪和M16步枪上。中型和重型武器热瞄准系统重量分别小于1.16kg和1.81kg，可使空降兵、空袭兵、巡逻兵和机械化步兵的班组武器具有远距离目标探测能力。自2004年以来，仅英国BAE系统公司已经获得了价值超过10亿美元的热瞄准系统生产合同，向陆军交付了超过10万套武器热瞄准系统。

非制冷红外成像技术在红外制导等领域也有广泛应用。红外制导系统的分辨率高、抗干扰性强、设备简单、重量轻、成本低，且由于采用被动探测，无需红外辐射源，所以隐蔽性也较好。导弹发射后，导弹独立地飞向目标，有利于消灭敌人，保全母机及其驾驶员。

随着非制冷型红外成像技术进步和其价格的不断降低，红外夜视也逐步从军事领域步入警用领域，广泛用于警察执法和消防安全。例如，在毒品交易中，非制冷型红外热像仪可大幅提高执法人员获取现场毒品交易实况的能力；在消防领域，红外成像头盔上的应用可大幅提高消防队员在浓烟密雾和夜间现场的观察和机动能力。

目前，国际上非制冷型红外成像芯片的主流技术有非晶硅和氧化钒等两种。美国同时拥有氧化钒和非晶硅红外成像芯片技术，法国仅拥有非晶硅技术。与氧化钒薄膜相比，非晶硅电阻率较高，传感器热噪声比氧化钒技术高1个数量级以上。因此，非晶硅焦平面传感器性能稍逊，多用于对成像性能要求稍低的非军事用途。氧化钒红外成像技术既可用于中低端民用领域，又可用于高端军事领域，被誉为目前世界上最好的非制冷红外成像技术，市场占有率高达70%以上，如图3所示。氧化钒技术由美国Honeywell公司在20世纪90年代中期研发成功，研发时间长达十多年，耗资多达数千万美元。Honeywell公司在研制成功成像芯片样品后，将该技术授权转让给了美国及其盟国的几个公司进行量产，包括英国BAE北美公司、Indigo（现被FLIR收购）公司、Boeing红外部门（现并入DRS）、加拿大INO公司，以及日本NEC公司、以色列SCD公司等几家公司生产。

图3 3种非制冷红外成像技术的市场份额

3 国外非制冷型红外成像技术发展概况

国外红外传感与成像产业发展现已比较成熟。如图4所示，根据权威机构Maxtech International的统计，2015年全球红外热像仪市场的前十大供应商中，美国厂商共占6席。其中，美国FLIR公司、BAE北美公司与DRS公司排名前三位。FLIR公司与BAE北美公司占据了全球红外成像市场的51%，排名紧随其后的包括美国L-3通信公司、美国Fluke公司、法国Sofradir/ULIS公司、美国Raytheon公司等。日本NEC Avio公司和以色列SCD公司也都是红外热像市场的行业领先者。

图4 2015年度全球红外热像仪市场占有率分布

在全球红外成像市场版图中，美国处于绝对领先地位，知名公司包括FLIR公司、BAE北美公司、DRS公司、L-3通信公司、Fluke公司等。法国在红外领域也具有较强的优势，知名公司包括法国Thales系统公司、Sofradir和ULIS公司。日本与以色列分别以NEC-Avio公司与SCD公司为代表。此外，加拿大的INO公司、EG&G光电子公司和AEREX航空电子公司，以色列的飞机工业公司，韩国的先进科学技术研究所在红外成像市场上也占有一席之地。在诸多欧美公司中，美国FLIR公司、BAE（北美）公司、DRS技术公司、Raytheon公司、法国ULIS公司分别是国外军用和民用红外成像领域的佼佼者。

3.1 美国FLIR公司

美国FLIR系统公司创建于1978年，目前拥有8家工厂、3200多名红外专家，专注于机载型高性能红外成像系统的前沿开发，其商用红外成像仪的市场占有率位居世界首位，产品包括红外成像机芯组件、红外成像仪、航空摄像机和光电监测系统等，销售、市场和服务网络遍及全球

60多个国家。

2003年，FLIR公司并购了Indigo系统公司。Indigo公司是制冷与非制冷型红外焦平面探测器器件、机芯组件的研发制造商。自此，FLIR公司拥有了自己的核心探测器与核心技术。2014年9月，FLIR公司新推出了Muon系列探测器模组，如图5所示。该模组的像素阵列规模为640×512与336×256，像元尺寸为17mm，灵敏度小于50mK；探测器采用先进的芯片级尺寸封装技术，模组尺寸为22mm。

图5 FLIR公司2014年推出的Muon系列探测器模组

3.2 BAE系统公司

BAE系统公司于1999年11月由英国航空航天公司和马可尼电子系统公司合并而成，是一家跨国企业集团。2000年，在世界百强军工企业中居第三位，现从业人员超过10万人。该公司有一个分部专门从事红外探测器的研发与生产，另有其他部门从事热像仪和光电系统的研发和生产。截至2011年9月，BAE系统公司已经交付美国陆军10万套武器热成像瞄准系统，以支持陆军在伊拉克和阿富汗的军事活动。这些热瞄准系统广泛应用于步枪、机枪和组合式武器系统上，提供全天候监视和瞄准能力。

3.3 DRS技术公司

DRS技术公司总部位于美国弗吉尼亚州阿灵顿，主要提供先进的制冷与非制冷红外热成像解决方案，应用领域包括工业、公众安全和消防，以及单兵携带、地面车辆、机载和海上应用等。DRS公司1998年收购了德州仪器公司和休斯飞机公司的红外传感器和系统业务部分，2001年收购了波音公司的焦平面探测器业务。DRS公司的非制冷红外焦平面产品阵列规模涵盖了低端320×240直至高端的1024×768，像元尺寸包括25mm和17mm两种类型。2013年，DRS公司与Cypress半导体公司展开合作，利用Cypress公司的10级8英寸晶圆制造厂大量生产非制冷红外探测器，用于各种商用和军用光电传感器。

3.4 美国Raytheon公司

美国Raytheon公司于1922年在马萨诸塞州成立，是防御、国土安全等市场的技术领先者。近年来，Raytheon公司将其核心业务集中在国防和商务电子、商用和军用飞机，以及工程建筑等3个领域。其研制生产的探测器和成像装置品质优良，已交付超过45万台/套用于军事、科学和商业领域的成像系统，包括2.5万套“标枪”探测组件装置。目前，Raytheon公司正致力于成为全球防御和航天系统的主要供应商。

3.5 法国ULIS公司

2000年，ULIS公司的母公司Sofradir公司开始涉足非晶硅非制冷探测器领域，2002年将整块业务划给新成立的ULIS公司。目前，ULIS公司已成为法国一家独立的、基于非晶硅技术的非制冷探测器制造商，向全球用户提供低成本的民用和军用热成像产品。ULIS公司的非制冷红外焦平面探测器主要产品规格包括384×288、640×480与1024×768等，像元尺寸从35mm、25mm至17mm。2013年，ULIS公司推出了1024×768规模的非制冷焦平面探测器，如图6所示，主要用于高端军事应用中。

图6 ULIS公司1024×768规模的17mm像元焦平面探测器

4 国内非制冷型红外成像技术发展概况

我国从事红外成像产品开发的主要有研究所和企业，其中，我国从事红外热成像技术研发的民营企业有十余家，但大部分企业研发实力弱，品牌影响力小，许多企业实际上是国外产品的代理商或系统集成商。其中，研发实力较强、能够独立开发红外热成像系统后续电路和图像处理软件的民用生产企业主要有浙江大立科技股份有限公司、广州飒特红外股份有限公司和武汉高德红外股份有限公司等3家。

与国外红外成像厂家相比，现阶段，我国相关厂家大多主要从事商用产品研发，国际市场占有率较低。究其原因，主要是因为国内厂家不具有红外成像器组件等核心器件的量产能力。红外成像器组件的研制与开发涉及新材

料、光学、集成电路、微机电系统（MEMS）工艺、计算机和物理学等多个学科，研制难度很高。因此，长期以来，我国红外产业（尤其是民用）核心器件受制于人，企业利润也大部分被外国企业获得。目前，国内红外成像公司的典型代表包括北方广微科技有限公司、武汉高德红外股份有限公司、浙江大立科技股份有限公司与广州飒特红外股份有限公司。

4.1 北方广微科技有限公司

北方广微科技有限公司原为北京广微积电科技公司，成立于2006年7月，是一家专业从事非制冷型红外焦平面探测器及机芯组件研制与生产，并具有自主独立知识产权的高新技术企业。在公司定位与产品定位方面，烟台艾睿光电科技有限公司与北方广微科技有限公司是直接竞争对手；在产品性能方面，烟台艾睿光电科技有限公司推出的产品显著优于北方广微科技有限公司的产品。

4.2 武汉高德红外股份有限公司

武汉高德红外股份有限公司成立于1999年，是一家专业制造军用、民用红外热成像系统的军工企业。2013年，武汉高德红外股份有限公司启动了红外焦平面探测器产业化项目，拟投资2.4亿元，投资建设中部地区首条8英寸MEMS器件研制中心及产业化平台，着力实现MEMS技术应用及高性能红外探测器的规模化生产。2014年9月，武汉高德红外股份有限公司展出了其基于非晶硅的400×300规模焦平面探测器产品，该产品在产品性能方面与烟台艾睿光电科技有限公司还有2年左右的差距。考虑到高德公司在红外成像整机与光电系统领域的技术积累与渠道资源，武汉高德红外股份有限公司将是烟台艾睿光电科技有限公司在整机与系统产品方面的有力竞争对手。

4.3 浙江大立科技股份有限公司

浙江大立科技股份有限公司始建于1984年，由浙江省测试技术研究所、浙江日报报业集团有限公司和浙江省科技风险投资有限公司共同出资组建，于2008年2月在深圳证券交易所挂牌上市，市值约11.96亿，主要从事红外热像仪系列产品、数字硬盘录像机系列产品的研发、生产和销售等业务。为降低器件采购成本，2006年，浙江大立科技股份有限公司正式启动了非制冷红外焦平面芯片项目，沿袭法国非晶硅方案，主要目标为替换从法国进口的非晶硅成像芯片，非晶硅薄膜热稳定性差，电阻噪声大，仅适合中低端商业应用。浙江大立科技股份有限公司在2014年9月展出了其640×480规模焦平面探测器产品。

4.4 烟台艾睿光电科技有限公司

烟台艾睿光电科技有限公司是一家2009年底注册成立的高科技半导体芯片企业，产品包括拥有自主知识产权非制冷红外焦平面探测器、红外成像机芯通用组件、红外热像仪与太赫兹成像装置。目前，烟台艾睿光电科技有限公司已突破了氧化钒敏感材料制备、专用集成电路设计、微制造工艺开发、器件真空封装等多项关键技术，先后成功开发出了多款拥有自主知识产权的高性能非制冷红外焦平面探测器产品。作为国内领先的非制冷红外焦平面探测器与成像组件供应商，烟台艾睿光电科技有限公司的技术方案领先，性能优异，具有批量供货能力，从集成电路设计至机芯图像完整技术工艺链拥有完全自主知识产权，2016年发布了国内首款超大面阵1024×768 14μm非制冷红外焦平面探测器及其机芯组件，如图7所示。随着大面阵、小像元系列化国产非制冷焦平面探测器的产业化发展，烟台艾睿光电科技有限公司的产品将在军用和民用领域获得更加广泛的应用。

图7 1024×768 14μm非制冷红外焦平面探测器、机芯组件及成像效果

5 结束语

经过多年的持续发展，在非制冷红外成像技术领域，以美国Raytheon公司、英国BAE公司、美国FLIR公司和法国ULIS公司为代表的国外公司技术较为成熟，财力雄厚。自Honeywell公司开发出首个非制冷红外焦平面探测器样品至今，美国已有近20年的产品开发经验。因此，我国企业现阶段在市场、产品、设计、生产、营销、服务、经验等方面尚未具备与国外先进企业全面、正面竞争的实力。面对欧美等发达国家对我国的技术和产品封锁，我国优秀企业走自主研发之路，在性能接近的前提下，凭借拥有自主知识产权和价格等优势，已在国内和第三世界市场上具有了相当的竞争力，尤其是国内军品市场已经广泛采用了国内企业自主研发、拥有完全自主知识产权的各类非制冷红外探测跟踪设备，取得了良好的使用效果。

1 张乔乔, 高丹. 以高灵敏为特征的氧化钒非致冷红外探测器的应用[J]. 科技创新与应用, 2016, (4)∶ 20

2 张肇蓉, 高贺. 国外红外制导空空导弹的研究现状及其关键技术[J]. 飞航导弹, 2016, (3)∶ 23～32

3 冯涛, 金伟其, 司俊杰. 非制冷红外焦平面探测器及其技术发展动态[J]. 红外技术, 2015, (3)∶ 177～184

4 訚胜利, 潘洪涛. 非制冷红外成像在对空制导中应用的关键问题[J]. 红外与激光工程, 2015, 44(8)∶ 2315～2320

1009-8119（2016）11（1）-0054-04