歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀

摘要：在軍用紅外技術(shù)的早期發(fā)展階段，歐美基于熱成像系統(tǒng)關(guān)鍵部件的通用化形成了通用組件概念。通用組件雖然減少了工程上選擇不同技術(shù)方案的余地，但是降低了熱成像系統(tǒng)的研發(fā)成本和使用維護(hù)費(fèi)用，有利于批量生產(chǎn)。美國(guó)以一代通用組件為基礎(chǔ)形成了SADA系列組件，在SADA基礎(chǔ)上推出的水平技術(shù)集成（Horizontal Technology Integration，HTI）項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了軍用熱像儀的批量生產(chǎn)和裝備。介紹了歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。隨著探測(cè)器、微電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通用組件已經(jīng)從原來(lái)的Common Module轉(zhuǎn)變?yōu)镸odule。

0引言

紅外技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù)。二戰(zhàn)后，軍用紅外技術(shù)在以美國(guó)為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家得到快速發(fā)展。以美國(guó)為例，先后投入巨資實(shí)施了70多項(xiàng)軍用紅外項(xiàng)目，裝備范圍包括坦克、車(chē)輛、飛機(jī)、艦船、輕武器瞄準(zhǔn)鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、反導(dǎo)系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視和觀察設(shè)備，以及單兵偵察設(shè)備等。在軍用紅外技術(shù)發(fā)展的早期階段，因?yàn)檐姺綄?duì)每一種熱成像系統(tǒng)的采購(gòu)都是獨(dú)立進(jìn)行的，各系統(tǒng)的主要部分都存在著重復(fù)設(shè)計(jì)、性能大同小異等情況，導(dǎo)致采購(gòu)數(shù)量停留在較低水平，成本和可靠性方面都無(wú)法得到批量生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，為了解決這一問(wèn)題，產(chǎn)生了通用組件概念。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，歐美國(guó)家已經(jīng)形成了高水平的通用組件技術(shù)（群）。本文介紹了歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展及趨勢(shì)。

1一代通用組件的產(chǎn)生

1972 年，美國(guó)德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，在熱成像系統(tǒng)的大量應(yīng)用中，前端光學(xué)系統(tǒng)和末端顯示器是需要定制的必要部件，約占系統(tǒng)成本的35%，所有熱成像系統(tǒng)都需要使用的探測(cè)器、掃描器和信號(hào)處理電路等關(guān)鍵部件不需要定制，成本約占45% ~ 70%，將關(guān)鍵部件標(biāo)準(zhǔn)化，在不同的裝備平臺(tái)之間形成通用組件，可降低制造成本。通用組件（Common Module）是標(biāo)準(zhǔn)化的光學(xué)和電子學(xué)套件，將其作為每一特殊熱成像系統(tǒng)的核心部件，再根據(jù)裝備平臺(tái)的指定要求，配備所需的前端光學(xué)系統(tǒng)和顯示器，組成構(gòu)形、視場(chǎng)、顯示與性能各不相同的完整熱像儀，其核心思想就是“關(guān)鍵部件通用化”。由于組件標(biāo)準(zhǔn)化，可以減少維護(hù)、補(bǔ)給、訓(xùn)練等其它費(fèi)用支出，滿足系統(tǒng)性能、封裝限制和維護(hù)要求，具有較高的有效性、可靠性和可維護(hù)性。

根據(jù)美國(guó)軍方需求，美國(guó)第一代通用組件誕生于1976年，共分為探測(cè)器/杜瓦瓶、制冷機(jī)、掃描器、熱成像儀、發(fā)光二級(jí)管陣列、可見(jiàn)光準(zhǔn)直器、前置放大器、偏置調(diào)節(jié)器、主放大器/驅(qū)動(dòng)器、掃描/隔行電子學(xué)和輔助控制電子學(xué)11個(gè)部分。采用并掃模式，低、中、高三級(jí)性能，分別使用60元、120元和180元碲鎘汞（MercuryCadmium Telluride，MCT）探測(cè)器。60元探測(cè)器一般用于反坦克導(dǎo)彈火控瞄準(zhǔn)鏡，120元探測(cè)器一般用于坦克瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)，180元探測(cè)器一般用于機(jī)載熱成像系統(tǒng)。

與此同時(shí)，英國(guó)于1976年批準(zhǔn)了通用組件方案，1982年投產(chǎn)。英國(guó)熱成像通用組件最初分為3類(lèi)，I類(lèi)用于便攜式熱成像系統(tǒng)，采用雙排23元MCT探測(cè)器；II類(lèi)用于與電視兼容的監(jiān)視系統(tǒng)；III類(lèi)用于較敏感的飛行員輔助觀察系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，英國(guó)研究人員研發(fā)出基于8~ 13 μm SPRITE（Signal Processing In The Element）探測(cè)器的非直視型熱像儀，可在探測(cè)器內(nèi)完成信號(hào)處理，不需要時(shí)間延遲積分電路。I類(lèi)便攜式直視型熱成像通用組件不能利用SPRITE探測(cè)器的成像優(yōu)勢(shì)。帶有大口徑光學(xué)系統(tǒng)的SPRITE熱像儀具有較好靈敏度，所以更高靈敏度的III類(lèi)掃描器組件只做了樣機(jī)，沒(méi)有投入生產(chǎn)。因此，II類(lèi)通用組件成為基于SPRITE探測(cè)器的非直視型熱成像通用組件（Thermal Imaging Common Modules，TICM

II），由遠(yuǎn)焦系統(tǒng)、寬角度、雙掃描機(jī)構(gòu)模塊、1個(gè)探測(cè)器鏡頭和8條MCT SPRITE探測(cè)器組成，8條SPRITE的性能相當(dāng)于100元以上的多元探測(cè)器。

法國(guó)于1975年開(kāi)始對(duì)通用組件進(jìn)行預(yù)研，1980 ~ 1981年完成樣機(jī)研制和通用組件系統(tǒng)評(píng)價(jià)，1985年中期投產(chǎn)，國(guó)家批準(zhǔn)建立生產(chǎn)線，批量生產(chǎn)通用組件、組裝應(yīng)用系統(tǒng)，其應(yīng)用平臺(tái)和領(lǐng)域則根據(jù)法國(guó)三軍的各種合同和要求進(jìn)行。1987年交付第一批通用組件產(chǎn)品。采用串并掃模式，使用5 × 11元MCT光伏型探測(cè)器，包括探測(cè)器、制冷機(jī)、掃描器、LED顯示器、LED電子單元、小型CRT監(jiān)視器、線性電子單元、信號(hào)處理、傳感頭自動(dòng)測(cè)試和電子學(xué)自動(dòng)測(cè)試10個(gè)組件。在此基礎(chǔ)之上，著手研發(fā)第二代通用組件的同時(shí)改進(jìn)第一代。

2 SADA組件的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代，美國(guó)國(guó)防部為了標(biāo)準(zhǔn)化美軍使用的二代前視紅外（Forward LookingInfrared，FLIR）系統(tǒng)，在一代通用組件的基礎(chǔ)上制定了標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)杜瓦組件（Standard Advanced Dewar Assembly，SADA）系列，由紅外焦平面陣列、杜瓦、指令/控制電子單元和低溫制冷機(jī)組成，分為SADA I、SADA II和SADA III三類(lèi)。SADAI用于美國(guó)Apache直升機(jī)光電火控系統(tǒng)等高性能熱成像系統(tǒng)，SADAII用于M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)、M1A2Abrams主戰(zhàn)坦克、美國(guó)陸軍遠(yuǎn)距離目標(biāo)獲取偵察監(jiān)視系統(tǒng)（Long Range Advanced ScoutSurveillance System，LRAS3）等中性能熱成像系統(tǒng)，SADA III用于標(biāo)槍指揮發(fā)射裝置、單兵肩扛式標(biāo)槍導(dǎo)彈等緊湊型或低性能熱成像系統(tǒng)。

2005年12月，Raytheon公司與DRS公司簽訂了價(jià)值180萬(wàn)美元的合同，用于生產(chǎn)安裝在M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)和M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克上的SADA II組件。2008年2月，Raytheon和DRS公司又簽訂了另外兩份合同，總價(jià)值4880萬(wàn)美元，用于生產(chǎn)安裝在M1A2主戰(zhàn)坦克、M2A3步兵戰(zhàn)車(chē)和LRAS3系統(tǒng)中的SADA II組件。

SADA II使用了480 × 4 MCT長(zhǎng)波紅外探測(cè)器。用于Javelin指揮發(fā)射裝置平臺(tái)的SADA IIIA和SADA IIIB分別使用了240 × 2 MCT和288 × 1/240 × 4 MCT焦平面，SADA IIIB的探測(cè)器張角為44? × 51?（水平角 × 俯仰角）。為了增加靈敏度和作用距離，SADA II在時(shí)間延遲積分內(nèi)用了6個(gè)光伏探測(cè)器。SADA IIIB在時(shí)間延遲積分內(nèi)用了4個(gè)光伏探測(cè)器。

SADA IIIA和SADA IIIB分別被封裝在一個(gè)帶有線性驅(qū)動(dòng)斯特林循環(huán)制冷機(jī)和指令/控制電子元件的集成式杜瓦組件中。單片長(zhǎng)波紅外器件由探測(cè)器芯片和硅讀出電路芯片集成在一起，包含盲元剔除和自動(dòng)增益補(bǔ)償功能。表1為SADA II和SADA III系列通用組件的技術(shù)參數(shù)。

目前，Apache直升機(jī)“箭頭”光電火控系統(tǒng)集成了基于SADA I的M-TADS（ModernizedTarget Acquisition Designation Sight）/M-PNVS（Modernized Pilot Night Vision Sensor）熱成像接收器。Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)安裝了基于SADA II的增強(qiáng)型Bradley目標(biāo)獲取子系統(tǒng)（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2子系統(tǒng)，IBAS BLOCK2基于IBAS產(chǎn)生，主要改進(jìn)在于能夠高清、高分辨率彩色成像，優(yōu)于過(guò)去的黑白成像。安裝在美軍密集陣火炮系統(tǒng)上的艦載熱像儀（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2是DRS公司推出的基于SADA系列通用組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2子系統(tǒng)和PTI熱像儀的技術(shù)參數(shù)。

表1 SADA II和SADA III系列通用組件的技術(shù)參數(shù)

表2 DRS公司推出的基于SADA系列組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2子系統(tǒng)和PTI熱像儀的技術(shù)參數(shù)

3二代前視紅外水平技術(shù)集成

1993年2月，為滿足將熱像儀批量集成到現(xiàn)有和未來(lái)作戰(zhàn)/非作戰(zhàn)車(chē)輛的光電瞄準(zhǔn)鏡上的需求，美國(guó)陸軍提出二代FLIR的水平技術(shù)集成計(jì)劃，即二代FLIR通用組件計(jì)劃，專(zhuān)用于研發(fā)和集成二代FLIR通用組件，探測(cè)器元件為SADA II。通過(guò)對(duì)比提供相似性能的多種專(zhuān)用系統(tǒng)和應(yīng)用于多種平臺(tái)的單一系統(tǒng)的制造成本，HTI FLIR實(shí)現(xiàn)了制造研發(fā)階段的成本節(jié)約。為了與坦克炮或?qū)椣到y(tǒng)的有效作用距離兼容，HTI在一代通用組件的基礎(chǔ)上增加了1.5倍以上的探測(cè)距離和2倍的識(shí)別距離。該項(xiàng)目的目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一款名為HTI NV-80套件B（HTINV-80 B-Kit，以下簡(jiǎn)稱(chēng)為套件B）的標(biāo)準(zhǔn)熱像儀，通過(guò)利用名為套件A（A-Kits）的車(chē)輛專(zhuān)用集成部件來(lái)實(shí)現(xiàn)在M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克、M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)和LRAS3系統(tǒng)中的安裝。安裝在M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克和XM8輕型坦克上的套件B需要對(duì)現(xiàn)有車(chē)型進(jìn)行改造。安裝在M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)和LRAS3系統(tǒng)中的套件B是全新開(kāi)發(fā)的二代HTI FLIR系統(tǒng)。

套件B可在30Hz非隔行掃描和60 Hz電子交錯(cuò)掃描兩種模式下工作?？v橫比為16:9，寬視場(chǎng)為7.5° × 13.3°，窄視場(chǎng)為2.0° × 3.56°，具有2倍和4倍的電子變焦能力，提供兩種數(shù)字輸出和兩種模擬輸出。與一代通用組件相比，系統(tǒng)性能可將識(shí)別距離增加2倍、確認(rèn)距離增加約50%。

套件B分為兩個(gè)外場(chǎng)可更換單元：傳感器組件和通用電子單元。傳感器組件由遠(yuǎn)焦系統(tǒng)組件、熱像儀組件和探測(cè)器/制冷機(jī)組件構(gòu)成。光機(jī)組件的第一部分是遠(yuǎn)焦系統(tǒng)組件，第二部分是熱像儀組件，其中探測(cè)器/制冷機(jī)組件使用了SADA II探測(cè)器和線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)。通用電子單元包含視頻處理器電路板、視頻轉(zhuǎn)換器電路板、接口控制電路板、電源、備用電源、幀積分/對(duì)比度增強(qiáng)電路板和未來(lái)應(yīng)用的擴(kuò)展插槽。

美軍項(xiàng)目管理對(duì)低速初期生產(chǎn)（Low Rate Initial Production，LRIP）的定義是指系統(tǒng)（不包括艦船和衛(wèi)星）以有限數(shù)量進(jìn)行的生產(chǎn)，其目的是為使用試驗(yàn)和評(píng)價(jià)提供代表批生產(chǎn)的試件，建立初步生產(chǎn)基地，使生產(chǎn)率有序增長(zhǎng)、以便使用試驗(yàn)成功完成后進(jìn)入大批量生產(chǎn)。文獻(xiàn)介紹的HTI項(xiàng)目包括兩個(gè)LRIP合同，一個(gè)是套件B的LRIP合同，另一個(gè)是M1A2主戰(zhàn)坦克瞄準(zhǔn)鏡的LRIP合同。具體數(shù)量為：9套用于M1A2主戰(zhàn)坦克的車(chē)長(zhǎng)獨(dú)立熱像儀；11套用于M1A2主戰(zhàn)坦克的炮長(zhǎng)主瞄準(zhǔn)鏡的熱成像系統(tǒng)；12套用于M2A3車(chē)長(zhǎng)獨(dú)立觀察裝置的套件B；6套用于M2A3增強(qiáng)型Bradley目標(biāo)獲取系統(tǒng)的套件B；9套用于M8裝甲火炮系統(tǒng)的炮長(zhǎng)主瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)的熱成像系統(tǒng)；4套用于LRAS3的帶有遠(yuǎn)距離光學(xué)系統(tǒng)的套件B；2套用于合格性測(cè)試的套件B。

1994年7月，HTI項(xiàng)目獲得“里程碑I/II（Milestone I/II）”許可。第一批套件B從1994年11月開(kāi)始交付美國(guó)軍方，1997年3月底，共生產(chǎn)完成61套套件B/瞄準(zhǔn)鏡。經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，HTI技術(shù)已十分成熟，覆蓋范圍包括制冷型和非制冷型探測(cè)器，車(chē)輛平臺(tái)包括作戰(zhàn)和非作戰(zhàn)車(chē)輛。例如，DRS公司基于HTI技術(shù)開(kāi)發(fā)的駕駛員視覺(jué)增強(qiáng)器（DVE）的月產(chǎn)能達(dá)到2500套，可在30天內(nèi)裝備美軍的一個(gè)旅級(jí)單位。

據(jù)公開(kāi)資料報(bào)道，美國(guó)陸軍與DRS公司簽訂了一項(xiàng)總額為6700萬(wàn)美元的合同，指定后者為美軍M1A1 Abrams主戰(zhàn)坦克、Bradley步兵戰(zhàn)車(chē)、Stryker輪式裝甲車(chē)提供基于HTI二代FLIR技術(shù)的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。該合同將于2026年完成。

4通用組件技術(shù)中的制冷機(jī)

為滿足二代FLIR系統(tǒng)不同的制冷需求，美國(guó)夜視和電子傳感器部門(mén)（NVESD）研發(fā)了一系列線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)。與具有相似性能的制冷機(jī)相比，成本較低（10000美元以下）、壽命較短（平均故障時(shí)間為4000 ~ 8000 h）、冷卻時(shí)間較快（在不到15 min的時(shí)間內(nèi)溫度達(dá)到80 K），會(huì)受到溫度過(guò)高或過(guò)低、較大程度的機(jī)械沖擊和工作環(huán)境中常見(jiàn)的振動(dòng)等影響。為了改進(jìn)旋轉(zhuǎn)式制冷機(jī)可靠性低、多軸振動(dòng)、噪聲過(guò)大、缺少溫度穩(wěn)定性等缺點(diǎn)，線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)提高了可靠性、降低了成本、改善了平均故障間隔時(shí)間。

美國(guó)國(guó)防部定義的線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)系列的功率有0.15 W、1.0 W、1.5 W和1.75 W，是斯特林循環(huán)、雙對(duì)置活塞、線性驅(qū)動(dòng)單元，與SADA系列的集成通過(guò)用于驅(qū)動(dòng)線性電機(jī)和冷端溫度控制的外部或者內(nèi)部控制電子單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。

0.15 W線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)用于便攜式反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的Javelin指揮發(fā)射單元。因?yàn)楸銛y式系統(tǒng)由電池供電，制冷機(jī)效率較為重要，所以0.15W制冷機(jī)的設(shè)計(jì)使膨脹器靠近壓縮機(jī)，可通過(guò)非常短的傳輸線實(shí)現(xiàn)。1.0 W線性驅(qū)動(dòng)制冷機(jī)應(yīng)用于美國(guó)陸軍二代FLIR水平技術(shù)集成項(xiàng)目。因?yàn)閼?yīng)用范圍較廣，所以1.0 W制冷機(jī)主要專(zhuān)注于限定制造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W制冷機(jī)最初用于高性能FLIR系統(tǒng)，例如，Apache直升機(jī)、現(xiàn)已取消的Comanche直升機(jī)和量子阱熱成像系統(tǒng)。由于重量原因，已被重量更輕的1.5 W制冷機(jī)所替代。1.5 W制冷機(jī)用于高性能FLIR系統(tǒng)，在1.0 W制冷機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)，其冷卻或者制冷量的需求都超過(guò)了1.0 W制冷機(jī)。重量較輕，是Apache直升機(jī)使用的1.75 W制冷機(jī)的替代件。

5結(jié)束語(yǔ)

在軍用紅外技術(shù)應(yīng)用的早期階段，由于需要裝備熱成像系統(tǒng)的武器平臺(tái)種類(lèi)繁多，各有差異，如果每個(gè)武器平臺(tái)研發(fā)一套熱成像系統(tǒng)，將形成數(shù)量眾多、功能大同小異的系統(tǒng)組件，導(dǎo)致研發(fā)成本上升，產(chǎn)品缺乏通用性和互換性。通用組件符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和通用化趨勢(shì)，預(yù)留進(jìn)一步發(fā)展的空間。美軍紅外項(xiàng)目一般以成熟的通用組件技術(shù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)工程化。通用組件雖然減少了工程上選擇不同方案的余地，但提高了可生產(chǎn)性，降低了工程制造開(kāi)發(fā)的成本。

通用組件的初衷是為了控制成本，它是以犧牲組件的靈活性、先進(jìn)性、獨(dú)特性為代價(jià)的。通用組件技術(shù)實(shí)施以后，紅外技術(shù)發(fā)展迅速，一方面探測(cè)器的規(guī)格從通用組件時(shí)的幾個(gè)線列（例如，288 × 4、480 × 4等）逐步發(fā)展到半幀、全幀，甚至百萬(wàn)像元的高清格式焦平面陣列。另一方面，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)同樣功能所需的硬件體積變小、重量變輕，使得原來(lái)需要用幾塊電路板實(shí)現(xiàn)的功能可在一塊電路板上實(shí)現(xiàn)，在控制成本的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)組件的靈活定制，這種趨勢(shì)導(dǎo)致對(duì)通用性的需求逐漸弱化，反映在英文文獻(xiàn)中就是Common Module的提法逐漸被Module取代，但是這并不意味著通用化的思想被揚(yáng)棄，Common依然深刻地滲透在Module的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，只是從大Common變?yōu)樾ommon。