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凝云渡暗藏身久,利剑流光照影清--浅谈机载光电设

发布时间2016-05-02 22:30:45  原作者:   点击数:

  2014年3月1日,2011号歼-20首飞后,细心的军迷发现机头下方有一个鼓包。

图1:2011号歼-20的下巴
图1:2011号歼-20的下巴

  2015年12月26日,黄皮2101号歼-20现身,2016年初首飞。随后网上出现首飞清晰大图。网友们再次指着同样部位的鼓包惊呼“这有一颗痣,这里明明有一颗痣!”

图2:2101号歼-20的下巴
图2:2101号歼-20的下巴

  关于这个鼓包的作用,一时间议论纷起,什么IRST,EOTS,EODAS,AUEODS,红外搜索、光电火控、分布式孔径系统……各种专业词汇满天飞,很多观点还有相互矛盾之处,让人摸不着头脑。比如:

  各类机载光电探测系统的有什么特点?

  红外光电设备能作为火控吗?

  EODAS和EOTS是什么关系?

  2011和后续歼-20试验机上的这个鼓包,究竟是什么设备?

  歼-20会采用EOTS和EODAS吗?

  等等。

  那么今天,我们就机载光电设备领域的几个问题,来做一点探讨和交流。

  首先,还是兵器迷的路子——先谈基础技术。

  机载光电设备发展迅猛,技术集成化程度很高,如果不先了解一些必要的基础知识,我们很难对EOTS/EODAS这样的复杂前卫的系统做出深入的理解。对后文做出的相关结论,也难以给出合理的判断。

  走起!

问题一、机载光电设备大概涉及哪些主要技术?

  机载光电探测系统,以其被动探测高度隐身为主要优势,在机载探测技术领域占有重要的一席之地。机载光电技术,仅从光谱这个维度来说,主要涉可见光和微光技术、红外技术和激光技术。这其中:

1 可见光和微光

  波长范围是380~760纳米。

  注:1纳米米=十亿分之一米,以下均用单位符号“nm”表示。

  可见光探测技术属于被动探测技术,隐身性非常好。其核心应用是成像,而且可见光成像技术比较成熟,分辨率也极高。而且理所当然的,既然是(人眼)可见光,其图像目标的人眼识别率是最高的。可见光技术的主要设备,包括了微光夜视镜和微光电视、以及可见光高分辨率连续变焦电视机等等。CCD相机主要针对对可见成像,但对红外也大多敏感,也是重要的红外成像设备。

2 激光

  波长范围大致从氩氟激光的193nm,一直到二氧化碳激光器的10600nm。

  注:1nm=1纳米=千分之一微米

  激光探测属于主动探测技术,需要对外发射电磁波。但是因为激光定向发光,发散度极小,大约只有1毫弧度,因此相比雷达波仍属于低可探测。

  注:1毫弧度=0.001弧度=1密位,以下均用单位符号“mrad”表示。

  目前其核心应用是测距。激光技术的主要设备激光测距机、激光雷达和激光光斑指示器,等等。

3 红外线

  波长范围是0.75μm至1000μm。

  红外探测既有主动红外探测,也有被动红外探测,我们今天主要谈被动红外探测。被动红外探测的隐身性也非常好,其核心应用是利用目标与背景的温差所产生的红外辐射信号,进行成像探测和热点探测。机载红外探测设备一般分为两类:即机载前视红外FLIR,和最近热议的红外搜索跟踪IRST。也是我们今天讨论的重点。

  其实,机载光电系统的类别多,名词也多,而且混用非常严重,内涵不清。因此,下面的讨论重在技术原理和功能内涵的讨论,名字叫什么并不是最重要的。

问题二、什么是FLIR

  FLIR的全名是前视红外系统。主要用于地面目标的探测。不难想象,其主要装机设备是直升机,和具有对地攻击能力的固定翼飞机、无人机等。

  由于地面目标数量众多,地质地形背景复杂,往往需要飞行员进行目标识别——就算是一辆坦克,如果是击毁烧着的就不用打击,如果是仍有战力的就要打击。因此其基础应用是成像。成像式探测器能显示红外辐射目标的图像,将图像与成像数据库对比,便于制导系统对目标进行分类识别与抗红外干扰跟踪。成像视场分为大小两类(也有大中小三类),一般宽视场用于探测,窄视场用于识别和跟踪。一般适合单目标识别,不适合多目标跟踪。

  按成像方式,成像制导可分为红外光学机械扫描式成像和红外凝视焦平面阵列式成像。同时,高端FLIR往往兼具空中目标的近距成像和远距热点探测。其主要工作波长为8-12微米(μm),即所谓的长波红外。FLIR的空间分辨率可达0.1-0.4mrad,热灵敏度由于0.1℃,作用距离30km,最新改型可达50-60公里。

  既然FLIR的基础功能是成像,那么成像器件就是设备核心。所以才有我们军迷普遍了解的三代红外成像设备,即:

  第一代扫描线列红外探测器;

  第二代扫描阵列红外探测器;

  第三代凝视焦平面阵列红外探测器。

  长波红外探测器阵元器件大多为:制冷型量子阱探测器、制冷型长波碲镉汞(HgCdTe)探测器、非制冷型多晶硅探测器和飞制冷型氧化钒探测器。

  仅举第三代成像探测器为例:如V-22鱼鹰运输机采用了640X480的焦平面凝视红外传感器,AH-1Z眼镜蛇直升机采用了洛马AM/AAQ-30的640X512红外焦平面阵列探测器。而捕食者无人机的MTS光电跟踪设备,采用了640X480的制冷型红外焦平面阵列探测器。

问题三、什么是IRST

  IRST的全名是红外搜索和跟踪系统——兵器迷对此很有意见:仅仅从名称上看,其实根本无法知道FLIR和IRST这些概念都意味着有什么不同点。兵器迷啃墙皮的时候,发现连很多论文对此都模糊混用。因此我们下面还是侧重谈功能和应用吧。

  与对地为主的FLIR不同,IRST探测系统主要用于对空热点目标探测。点源式探测器把目标当作辐射红外线的点, 只能显示目标的红外辐射能力,不能反映目标的实际结构与形状, 按响应方式可分为光子探测器和热探测器。主要装备固定翼战机。其中,中国军迷最熟悉的,应当是苏27的“OEPS-27光电雷达”。

图3:苏-27的OEPS-27
图3:苏-27的OEPS-27

  其实,将IRST叫做“光电雷达”是有几分神似的。因为IRST的工作方式大范围搜索多目标点源,与雷达的工作方式确有几分相似——想想雷达屏幕上密密麻麻的目标点。当然前者是被动的,后者是主动的。而有些文献把单目标成像为主的FLIR也称作光电雷达,就有些不合适了。当然,较真的人会说也有成像雷达啊……好吧,我们不谈名词了,谈功能,继续。

  老毛子最新的IRST,是即将装备苏-35的 OLS系统,正面观测165°。俯仰角度分别为:15°和60°。最大观测距离对战斗机为100-150公里。对空空导弹观瞄距离则可以达到50-100公里。模块化生产总计重量不超过60公斤。

  由于空中目标相对少,背景简单,成像需求相对小于地面搜索,因此其基础应用是点源探测,以发现热点目标为主。如发动机喷口、围棋和热蒙皮进行探测、搜索和跟踪。目标飞得越快,表面温度越高,这时IRST对目标的探测距离就越远。所以,非常适合高空高速多目标的探测。同时,兼具对地热成像和辅助导航。主要工作波长为3-5μm波段,即中波红外

  中波型红外探测器阵元器件大多为:硫化铅(PbS)探测器(已淘汰)、制冷型中波碲镉汞(HgCdTe)探测器和制冷型中波锑化铟(InSb)探测器。

  说到这里,网上争论的问题来了——

标签:载光电设备 

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