欧美军用红外通用组件技术的发展现状及趋势

张坤杰

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

0 引言

红外技术是典型的军民两用技术。二战后，军用红外技术在以美国为代表的西方发达国家得到快速发展。以美国为例，先后投入巨资实施了70 多项军用红外项目，装备范围包括坦克、车辆、飞机、舰船、轻武器瞄准镜、战术导弹、战略导弹、反导系统、火控系统、战场监视和观察设备，以及单兵侦察设备等。在军用红外技术发展的早期阶段，因为军方对每一种热成像系统的采购都是独立进行的，各系统的主要部分都存在着重复设计、性能大同小异等情况，导致采购数量停留在较低水平，成本和可靠性方面都无法得到批量生产的优势，为了解决这一问题，产生了通用组件概念。经过几十年的发展，欧美国家已经形成了高水平的通用组件技术（群）。本文介绍了欧美通用组件技术的发展及趋势。

1 一代通用组件的产生

1972年，美国德州仪器（Texas Instruments，TI）公司的研发人员发现，在热成像系统的大量应用中，前端光学系统和末端显示器是需要定制的必要部件，约占系统成本的35%，所有热成像系统都需要使用的探测器、扫描器和信号处理电路等关键部件不需要定制，成本约占45%～70%，将关键部件标准化，在不同的装备平台之间形成通用组件，可降低制造成本。通用组件（Common Module）是标准化的光学和电子学套件，将其作为每一特殊热成像系统的核心部件，再根据装备平台的指定要求，配备所需的前端光学系统和显示器，组成构形、视场、显示与性能各不相同的完整热像仪，其核心思想就是“关键部件通用化”[1]。由于组件标准化，可以减少维护、补给、训练等其它费用支出，满足系统性能、封装限制和维护要求，具有较高的有效性、可靠性和可维护性[2]。

根据美国军方需求，美国第一代通用组件诞生于1976年，共分为探测器/杜瓦瓶、制冷机、扫描器、热成像仪、发光二级管阵列、可见光准直器、前置放大器、偏置调节器、主放大器/驱动器、扫描/隔行电子学和辅助控制电子学11 个部分[1]。采用并扫模式，低、中、高三级性能，分别使用60 元、120 元和180元碲镉汞（Mercury Cadmium Telluride，MCT）探测器。60 元探测器一般用于反坦克导弹火控瞄准镜，120元探测器一般用于坦克瞄准镜系统，180 元探测器一般用于机载热成像系统。

与此同时，英国于1976年批准了通用组件方案，1982年投产。英国热成像通用组件最初分为3 类，I类用于便携式热成像系统，采用双排23 元MCT 探测器；II 类用于与电视兼容的监视系统；III 类用于较敏感的飞行员辅助观察系统。20 世纪80年代，英国研究人员研发出基于 8 ～13 μm SPRITE（Signal Processing In The Element）探测器的非直视型热像仪，可在探测器内完成信号处理，不需要时间延迟积分电路。I 类便携式直视型热成像通用组件不能利用SPRITE 探测器的成像优势。带有大口径光学系统的SPRITE 热像仪具有较好灵敏度，所以更高灵敏度的III类扫描器组件只做了样机，没有投入生产。因此，II类通用组件成为基于SPRITE 探测器的非直视型热成像通用组件（Thermal Imaging Common Modules，TICM II），由远焦系统、宽角度、双扫描机构模块、1 个探测器镜头和8 条MCT SPRITE 探测器组成，8 条SPRITE 的性能相当于100 元以上的多元探测器[3-4]。

法国于1975年开始对通用组件进行预研，1980～1981年完成样机研制和通用组件系统评价，1985年中期投产，国家批准建立生产线，批量生产通用组件、组装应用系统，其应用平台和领域则根据法国三军的各种合同和要求进行。1987年交付第一批通用组件产品。采用串并扫模式，使用5×11 元MCT 光伏型探测器，包括探测器、制冷机、扫描器、LED 显示器、LED 电子单元、小型CRT 监视器、线性电子单元、信号处理、传感头自动测试和电子学自动测试10 个组件[1]。在此基础之上，着手研发第二代通用组件的同时改进第一代。

2 SADA 组件的应用

20 世纪90年代，美国国防部为了标准化美军使用的二代前视红外（Forward Looking Infrared，FLIR）系统，在一代通用组件的基础上制定了标准的先进杜瓦组件（Standard Advanced Dewar Assembly，SADA）系列，由红外焦平面阵列、杜瓦、指令/控制电子单元和低温制冷机组成，分为SADA I、SADA II 和SADA III 三类[5]。SADA I 用于美国Apache 直升机光电火控系统等高性能热成像系统，SADA II 用于M2A3 Bradley 步兵战车、M1A2 Abrams 主战坦克、美国陆军远距离目标获取侦察监视系统（Long Range Advanced Scout Surveillance System, LRAS3）等中性能热成像系统，SADA III 用于标枪指挥发射装置、单兵肩扛式标枪导弹等紧凑型或低性能热成像系统。

2005年12月，Raytheon 公司与DRS 公司签订了价值180 万美元的合同，用于生产安装在M2A3 Bradley 步兵战车和M1A2 Abrams 主战坦克上的SADA II 组件。2008年2月，Raytheon 和DRS 公司又签订了另外两份合同，总价值4880 万美元，用于生产安装在M1A2 主战坦克、M2A3 步兵战车和LRAS3 系统中的SADA II 组件[6]。

SADA II 使用了480×4 MCT 长波红外探测器。用于Javelin指挥发射装置平台的SADA IIIA和SADA IIIB 分别使用了240×2 MCT 和288×1/240×4 MCT焦平面，SADA IIIB 的探测器张角为44°×51°（水平角×俯仰角）。为了增加灵敏度和作用距离，SADA II在时间延迟积分内用了6 个光伏探测器。SADA IIIB在时间延迟积分内用了4 个光伏探测器。

SADA IIIA 和SADA IIIB 分别被封装在一个带有线性驱动斯特林循环制冷机和指令/控制电子元件的集成式杜瓦组件中。单片长波红外器件由探测器芯片和硅读出电路芯片集成在一起，包含盲元剔除和自动增益补偿功能。表1 为SADA II 和SADA III 系列通用组件的技术参数[6]。

目前，Apache 直升机“箭头”光电火控系统集成了基于 SADA I 的 M-TADS（Modernized Target Acquisition Designation Sight）/M-PNVS（Modernized Pilot Night Vision Sensor）热成像接收器。Bradley 步兵战车安装了基于SADA II 的增强型Bradley 目标获取子系统（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2 子系统，IBAS BLOCK2 基于IBAS 产生，主要改进在于能够高清、高分辨率彩色成像，优于过去的黑白成像。安装在美军密集阵火炮系统上的舰载热像仪（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2 是DRS 公司推出的基于SADA 系列通用组件的TADS/PNVS 接收器、IBAS子系统、IBAS BLOCK2 子系统和PTI 热像仪的技术参数[7-10]。

表1 SADA II 和SADA III 系列通用组件的技术参数Table 1 Specifications of SADA II and SADA III-series

表2 DRS 公司推出的基于SADA 系列组件的TADS/PNVS 接收器、IBAS 子系统、IBAS BLOCK2 子系统和PTI 热像仪的技术参数Table 2 Specifications of SADA-series based TADS/PNVS receiver, IBAS, IBAS BLOCK2 and PTI developed by the DRS company

3 二代前视红外水平技术集成

1993年2月，为满足将热像仪批量集成到现有和未来作战/非作战车辆的光电瞄准镜上的需求，美国陆军提出二代FLIR 的水平技术集成计划，即二代FLIR通用组件计划，专用于研发和集成二代FLIR 通用组件，探测器元件为SADA II[6]。通过对比提供相似性能的多种专用系统和应用于多种平台的单一系统的制造成本，HTI FLIR 实现了制造研发阶段的成本节约[11]。为了与坦克炮或导弹系统的有效作用距离兼容，HTI在一代通用组件的基础上增加了1.5 倍以上的探测距离和2 倍的识别距离。该项目的目标是开发一款名为HTI NV-80 套件B（HTI NV-80 B-Kit，以下简称为套件B）的标准热像仪，通过利用名为套件A（A-Kits）的车辆专用集成部件来实现在M1A2 Abrams 主战坦克、M2A3 Bradley 步兵战车和LRAS3 系统中的安装。安装在M1A2 Abrams 主战坦克和XM8 轻型坦克上的套件B 需要对现有车型进行改造。安装在M2A3 Bradley 步兵战车和LRAS3 系统中的套件B 是全新开发的二代HTI FLIR 系统。

套件B 可在30 Hz 非隔行扫描和60 Hz 电子交错扫描两种模式下工作。纵横比为16:9，宽视场为7.5°×13.3°，窄视场为2.0°×3.56°，具有2 倍和4 倍的电子变焦能力，提供两种数字输出和两种模拟输出。与一代通用组件相比，系统性能可将识别距离增加2 倍、确认距离增加约50%。

套件B 分为两个外场可更换单元：传感器组件和通用电子单元。传感器组件由远焦系统组件、热像仪组件和探测器/制冷机组件构成。光机组件的第一部分是远焦系统组件，第二部分是热像仪组件，其中探测器/制冷机组件使用了SADA II 探测器和线性驱动制冷机。通用电子单元包含视频处理器电路板、视频转换器电路板、接口控制电路板、电源、备用电源、帧积分/对比度增强电路板和未来应用的扩展插槽。

美军项目管理对低速初期生产（Low Rate Initial Production，LRIP）的定义是指系统（不包括舰船和卫星）以有限数量进行的生产，其目的是为使用试验和评价提供代表批生产的试件，建立初步生产基地，使生产率有序增长、以便使用试验成功完成后进入大批量生产。文献[11]介绍的HTI 项目包括两个LRIP合同，一个是套件B 的LRIP 合同，另一个是M1A2主战坦克瞄准镜的LRIP 合同。具体数量为：9 套用于M1A2 主战坦克的车长独立热像仪；11 套用于M1A2 主战坦克的炮长主瞄准镜的热成像系统；12 套用于M2A3 车长独立观察装置的套件B；6 套用于M2A3 增强型Bradley 目标获取系统的套件B；9 套用于M8 装甲火炮系统的炮长主瞄准子系统的热成像系统；4 套用于LRAS3 的带有远距离光学系统的套件B；2 套用于合格性测试的套件B。

1994年7月，HTI 项目获得“里程碑I/II（Milestone I/II）”许可。第一批套件B 从1994年11月开始交付美国军方，1997年3月底，共生产完成61 套套件B/瞄准镜。经过20 多年的发展，HTI 技术已十分成熟，覆盖范围包括制冷型和非制冷型探测器，车辆平台包括作战和非作战车辆。例如，DRS 公司基于HTI 技术开发的驾驶员视觉增强器（DVE）的月产能达到2500套，可在30 天内装备美军的一个旅级单位[12]。

据公开资料报道，美国陆军与DRS 公司签订了一项总额为6700 万美元的合同，指定后者为美军M1A1 Abrams 主战坦克、Bradley 步兵战车、Stryker轮式装甲车提供基于HTI 二代FLIR 技术的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。该合同将于2026年完成[13]。

4 通用组件技术中的制冷机

为满足二代FLIR 系统不同的制冷需求，美国夜视和电子传感器部门（NVESD）研发了一系列线性驱动制冷机。与具有相似性能的制冷机相比，成本较低（10000 美元以下）、寿命较短（平均故障时间为4000～8000 h）、冷却时间较快（在不到15 min 的时间内温度达到80 K），会受到温度过高或过低、较大程度的机械冲击和工作环境中常见的振动等影响[5,14-15]。为了改进旋转式制冷机可靠性低、多轴振动、噪声过大、缺少温度稳定性等缺点，线性驱动制冷机提高了可靠性、降低了成本、改善了平均故障间隔时间。

美国国防部定义的线性驱动制冷机系列的功率有0.15 W、1.0 W、1.5 W 和1.75 W，是斯特林循环、双对置活塞、线性驱动单元，与SADA 系列的集成通过用于驱动线性电机和冷端温度控制的外部或者内部控制电子单元来实现。

0.15 W 线性驱动制冷机用于便携式反坦克导弹系统的Javelin 指挥发射单元。因为便携式系统由电池供电，制冷机效率较为重要，所以0.15 W 制冷机的设计使膨胀器靠近压缩机，可通过非常短的传输线实现。1.0 W 线性驱动制冷机应用于美国陆军二代FLIR水平技术集成项目。因为应用范围较广，所以1.0 W制冷机主要专注于限定制造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W 制冷机最初用于高性能FLIR 系统，例如，Apache 直升机、现已取消的Comanche 直升机和量子阱热成像系统。由于重量原因，已被重量更轻的1.5 W制冷机所替代。1.5 W 制冷机用于高性能FLIR 系统，在1.0 W 制冷机的基础上改进而来，其冷却或者制冷量的需求都超过了1.0 W 制冷机。重量较轻，是Apache直升机使用的1.75 W 制冷机的替代件。

5 结束语

在军用红外技术应用的早期阶段，由于需要装备热成像系统的武器平台种类繁多，各有差异，如果每个武器平台研发一套热成像系统，将形成数量众多、功能大同小异的系统组件，导致研发成本上升，产品缺乏通用性和互换性。通用组件符合标准化、规范化和通用化趋势，预留进一步发展的空间。美军红外项目一般以成熟的通用组件技术为基础实现工程化。通用组件虽然减少了工程上选择不同方案的余地，但提高了可生产性，降低了工程制造开发的成本。

通用组件的初衷是为了控制成本，它是以牺牲组件的灵活性、先进性、独特性为代价的。通用组件技术实施以后，红外技术发展迅速，一方面探测器的规格从通用组件时的几个线列（例如，288×4、480×4等）逐步发展到半帧、全帧，甚至百万像元的高清格式焦平面阵列。另一方面，随着微电子技术的发展，实现同样功能所需的硬件体积变小、重量变轻，使得原来需要用几块电路板实现的功能可在一块电路板上实现，在控制成本的同时可以实现组件的灵活定制，这种趋势导致对通用性的需求逐渐弱化，反映在英文文献中就是 Common Module 的提法逐渐被Module 取代，但是这并不意味着通用化的思想被扬弃，Common 依然深刻地渗透在Module 的设计研发过程中，只是从大Common 变为小Common。