機(jī)載紅外夜視裝備技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

機(jī)載紅外夜視裝備是現(xiàn)代飛機(jī)的重要傳感器，主要用于輔助低空飛行、飛行著陸、偵察瞄準(zhǔn)等用途。機(jī)載紅外夜視主要利用目標(biāo)與背景的熱輻射進(jìn)行成像，并送給飛行員進(jìn)行視覺(jué)觀察，工作波段主要覆蓋短波、中波和長(zhǎng)波。

機(jī)載紅外夜視技術(shù)可分為被動(dòng)紅外夜視技術(shù)和主動(dòng)紅外夜視技術(shù)，被動(dòng)紅外夜視技術(shù)是借助目標(biāo)自身發(fā)射的紅外輻射成像，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的觀察；主動(dòng)紅外夜視技術(shù)是通過(guò)主動(dòng)照射并利用目標(biāo)反射紅外光成像。圖１所示為典型紅外夜視系統(tǒng)組成。

圖1 典型紅外夜視系統(tǒng)組成

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院的科研團(tuán)隊(duì)在《真空電子技術(shù)》期刊上發(fā)表了以“機(jī)載紅外夜視技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)”為主題的文章。該文章第一作者為朱卓高級(jí)工程師，通訊作者為李季波高級(jí)工程師。

本文總結(jié)了機(jī)載紅外夜視裝備現(xiàn)狀，介紹了國(guó)外典型機(jī)載紅外夜視裝備的技術(shù)特點(diǎn)及其在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察／瞄準(zhǔn)方面的應(yīng)用，分析了目前機(jī)載紅外夜視技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)及多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、智能輔助飛行、三維視覺(jué)成像等技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

國(guó)外典型裝備情況

民用領(lǐng)域

國(guó)外機(jī)載紅外夜視裝備已被應(yīng)用于民用飛機(jī)領(lǐng)域，輔助飛行著陸與導(dǎo)航。

增強(qiáng)視景系統(tǒng)（EVS）是典型的機(jī)載紅外夜視裝備，采用紅外傳感器等設(shè)備獲取飛機(jī)外部場(chǎng)景圖像，進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，并在飛機(jī)平視顯示器（HUD）上顯示，使飛行員在包括霧霾、雨雪、煙塵低能見(jiàn)度和夜間情況下，能夠更好地識(shí)別周圍地形、機(jī)場(chǎng)跑道、輔助導(dǎo)航和著陸。EVS提高了飛機(jī)在起飛、低空飛行和著陸過(guò)程中的視覺(jué)感知能力，提升了執(zhí)行任務(wù)期間人員的安全性。

增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)（EFVS）是EVS與HUD的綜合，它將EFVS獲取飛機(jī)前方場(chǎng)景的紅外圖像與HUD上顯示的主飛行信息融合，顯示在飛行員前方的屏顯系統(tǒng)上，保證所顯示的圖像、符號(hào)與外界場(chǎng)景是重合的。EFVS能夠增強(qiáng)飛行員的視覺(jué)感知能力，在夜晚低能見(jiàn)度條件下，EFVS能將飛機(jī)前方場(chǎng)景呈現(xiàn)給飛行員，從而增強(qiáng)飛行員的著陸感知能力，提高操作的準(zhǔn)確性。Sierra Nevada公司預(yù)計(jì)EFVS系統(tǒng)將成為商用飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。

國(guó)外典型相關(guān)裝備有EVS Ⅱ傳感器、CMA-2700傳感器等，其參數(shù)及裝備平臺(tái)情況如表1所示。

表1 設(shè)備參數(shù)及裝備平臺(tái)

EVS Ⅱ傳感器是由科爾斯曼公司生產(chǎn)的，由前視紅外成像組件和紅外光窗等組成，如圖2所示。EVS Ⅱ傳感器在夜間和其它低能見(jiàn)度條件下，顯著提高了飛行員的視覺(jué)觀察能力，從而允許飛行員在惡劣氣象環(huán)境下著陸。

如圖3所示，CMA-2700傳感器是CMC Electronics公司開(kāi)發(fā)的第三代SureSight EVS紅外設(shè)備，該傳感器采用了雙波段銻化銦焦平面紅外探測(cè)器陣列，具有先進(jìn)的14位數(shù)字處理和動(dòng)態(tài)非均勻性矯正能力，支持飛機(jī)適應(yīng)夜間著陸能力。

軍用領(lǐng)域

國(guó)外機(jī)載紅外夜視裝備已被廣泛應(yīng)用于軍用飛機(jī)領(lǐng)域，一般采用多功能復(fù)合體制，除具備導(dǎo)航、著陸功能外，還可實(shí)現(xiàn)夜間偵察／瞄準(zhǔn)功能。

直升機(jī)載紅外夜視裝備

法國(guó)Sagem公司開(kāi)發(fā)的Euroflir 410系統(tǒng)裝備于直升機(jī)平臺(tái)，用于飛行導(dǎo)航、夜間偵察、目標(biāo)識(shí)別和打擊指示引導(dǎo)。該系統(tǒng)光電轉(zhuǎn)塔包含了中波紅外成像傳感器、電視傳感器、微光夜視傳感器、激光測(cè)距機(jī)、激光照射器及光斑跟蹤器，轉(zhuǎn)塔質(zhì)量不大于45 kg。配備紅外成像傳感器具有光學(xué)自動(dòng)變焦功能，電子變倍后最小視場(chǎng)可達(dá)0.16°，可以更好地在夜間識(shí)別目標(biāo)。系統(tǒng)除具備地理跟蹤、地理指示及地理定位功能外，還具備對(duì)目標(biāo)的成像識(shí)別能力，該系統(tǒng)對(duì)地面裝甲車目標(biāo)的識(shí)別距離為9.5 km，確認(rèn)距離為5.5 km。

圖4所示為加拿大L3 WESCAM公司研制的MX-25/25D成像與目標(biāo)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，也是采用高清多光譜探測(cè)技術(shù)、先進(jìn)的圖像處理技術(shù)、固態(tài)IMU內(nèi)置技術(shù)、短波紅外成像技術(shù)和激光目標(biāo)指示技術(shù)，可為飛機(jī)提供對(duì)飛行環(huán)境的準(zhǔn)確判斷，輔助飛行員完成復(fù)雜環(huán)境下的高安全度飛行與著陸任務(wù)。

戰(zhàn)斗機(jī)載紅外夜視裝備

F-35飛機(jī)的光電系統(tǒng)作為當(dāng)前最先進(jìn)的機(jī)載光電傳感器系統(tǒng)，是典型的戰(zhàn)斗機(jī)載紅外夜視裝備，包括光電分布孔徑系統(tǒng)（EODAS）和光電偵察瞄準(zhǔn)系統(tǒng)（EOTS）。EODAS由6套分布于機(jī)身的中波紅外焦平面陣列傳感器和光窗組成，每個(gè)傳感器覆蓋90°×90°視場(chǎng)，通過(guò)圖像無(wú)縫拼接，為飛行員提供360°球形空域視野，通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行算法處理，實(shí)現(xiàn)晝夜導(dǎo)航、對(duì)面目標(biāo)打擊瞄準(zhǔn)、對(duì)空紅外搜索與跟蹤、紅外態(tài)勢(shì)感知、全空域?qū)棻平婢皻ЧR(shí)別等能力，圖5所示為EODAS對(duì)地面的大視場(chǎng)顯示圖像和目標(biāo)場(chǎng)景標(biāo)識(shí)。EODAS獲取的夜視圖像和經(jīng)過(guò)處理的識(shí)別符號(hào)可以疊加到F-35飛機(jī)的頭盔顯示器上，輔助飛行員了解周圍態(tài)勢(shì)。

EOTS位于機(jī)頭下方，由中波紅外探測(cè)器、激光測(cè)距指示／點(diǎn)跟蹤器、方位俯仰伺服調(diào)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和光窗等部件組成，首次集成了前視紅外偵察（FLIR）、紅外搜索與跟蹤（IRST）和激光指示瞄準(zhǔn)等功能，具備前向?qū)者h(yuǎn)程搜索與跟蹤、對(duì)面目標(biāo)跟蹤識(shí)別、激光測(cè)距與指示和激光光斑跟蹤等能力，實(shí)現(xiàn)對(duì)地、對(duì)海面等目標(biāo)的打擊火控引導(dǎo)指示能力，圖6所示為EOTS對(duì)地面目標(biāo)成像圖。美國(guó)空軍使用EOTS的高分辨率紅外探測(cè)技術(shù)，可以從更遠(yuǎn)距離探測(cè)和識(shí)別空中目標(biāo)，也可用于暗夜中視覺(jué)識(shí)別和監(jiān)視地面目標(biāo)，顯著增強(qiáng)了夜視交戰(zhàn)的能力。

吊艙紅外夜視裝備

圖7所示為F-15E戰(zhàn)斗機(jī)掛裝紅外夜視設(shè)備顯示的紅外圖像。美軍從80年代開(kāi)始，先后裝備了多款帶有前視紅外（FLIR）的吊艙，從最開(kāi)始洛·馬公司的“藍(lán)盾”（LANTIRN）吊艙，到最新一代洛·馬公司的“狙擊手”先進(jìn)瞄準(zhǔn)增強(qiáng)型傳感器吊艙和諾·格公司“萊特寧”吊艙的增強(qiáng)型傳感器吊艙。與“藍(lán)盾”吊艙相比，新一代吊艙能顯示更清晰的視頻圖像。此外，這兩款吊艙都有能力將這些視頻圖像信息發(fā)送給地面部隊(duì)，提供重要情報(bào)。

國(guó)外應(yīng)用情況

輔助低空飛行

戰(zhàn)機(jī)在中高空的飛行條件下，很容易被敵方發(fā)現(xiàn)和攻擊，為了實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)目的，飛行員會(huì)采用低空突防模式對(duì)目標(biāo)進(jìn)行攻擊。當(dāng)飛機(jī)在夜晚低能見(jiàn)度條件下低空飛行時(shí)，飛機(jī)的飛行環(huán)境復(fù)雜，駕駛員的視覺(jué)能力受到限制，無(wú)法快速有效地了解機(jī)身外部環(huán)境，無(wú)法對(duì)航跡上的高山、森林等危險(xiǎn)目標(biāo)和障礙進(jìn)行有效規(guī)避，易導(dǎo)致事故發(fā)生。

如圖8所示，機(jī)載紅外夜視裝備輸出的圖像可在晝夜及不良?xì)庀髼l件下顯示出作戰(zhàn)飛機(jī)航路前方及下方的地形地物圖，并將其疊加在飛行員前方的顯示器上，提供航路上的地形地物信息，支持惡劣氣候條件下的導(dǎo)航和地形回避。通過(guò)實(shí)時(shí)顯示紅外圖像，提供夜間和不良?xì)庀髼l件下的助降、地形回避能力，具備編飛及夜視能力。

飛機(jī)著陸

飛行員在著陸過(guò)程中，由于受夜晚光線暗或雨霧等低能見(jiàn)度天氣影響，跑道及其周圍指示燈的可視性變差，導(dǎo)致飛行員通過(guò)視覺(jué)獲取的跑道及周圍信息不足，無(wú)法正常降落。在民用領(lǐng)域，以EFVS和EVS大量應(yīng)用于民用飛機(jī)起飛降落。在軍用領(lǐng)域，在不確定戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，不具備民航領(lǐng)域的基礎(chǔ)導(dǎo)航定位、傳感與地圖信息，美軍已開(kāi)展了降級(jí)視覺(jué)環(huán)境緩解（DVE-M）項(xiàng)目。

美國(guó)的Sierra Nevada公司使用多種傳感器實(shí)時(shí)融合地形、圖像和地面障礙數(shù)據(jù)，然后在EVS的支持下，根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導(dǎo)，為飛行員的飛行路線提供目視標(biāo)志。該公司正在研發(fā)多傳感器融合系統(tǒng)。隨著真正EVS系統(tǒng)的部署，軍方將能夠在不受粉塵、霧、雪和其他環(huán)境災(zāi)害限制的情況下飛行，還降低了在儀表飛行規(guī)則條件下的最低著陸高度。

羅克韋爾柯林斯公司EVS-3000型輔助著陸系統(tǒng)在飛機(jī)平顯上疊加的著陸圖像如圖9所示，根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導(dǎo)，為飛行員的飛行路線提供目視標(biāo)志。

慕尼黑工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)了C2Land的自動(dòng)著陸系統(tǒng)，借助于計(jì)算機(jī)視覺(jué)來(lái)識(shí)別跑道并引導(dǎo)飛機(jī)降落。區(qū)別于傳統(tǒng)的儀表著陸系統(tǒng)（ILS），該自動(dòng)著陸系統(tǒng)無(wú)需依靠地面和機(jī)載接收器上的無(wú)線電信號(hào)來(lái)確定飛機(jī)的位置信息，而是利用紅外和可見(jiàn)光傳感器獲取機(jī)場(chǎng)跑道、指示燈等場(chǎng)景圖像，適用于低能見(jiàn)度環(huán)境條件。在獲取空速與高度信息后，系統(tǒng)還可通過(guò)處理計(jì)算得到飛行路徑實(shí)現(xiàn)著陸。圖10所示為該系統(tǒng)獲取的飛行著陸階段紅外和可見(jiàn)光圖像。

DVE-M項(xiàng)目通過(guò)開(kāi)發(fā)和評(píng)估多項(xiàng)技術(shù)，使旋翼機(jī)能夠在低可見(jiàn)度條件下工作，旨在增強(qiáng)飛行員在復(fù)雜環(huán)境下的感知能力，降低安全事故。2013年，美國(guó)軍方與Sierra Nevada公司簽訂合同，在陸軍直升機(jī)上開(kāi)展DVE-M項(xiàng)目測(cè)試。2019年，美國(guó)空軍裝備司令部與Sierra Nevada公司簽署了一項(xiàng)價(jià)值7490萬(wàn)美元的合同，擬在85架HH-66G“鋪路鷹”直升機(jī)上安裝DVE系統(tǒng)，以提高飛行員在夜間及不良?xì)庀髼l件下的視覺(jué)感知能力。

夜間偵察/瞄準(zhǔn)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)通常選擇“月黑風(fēng)高”的夜晚實(shí)施攻擊，以最大限度地利用“單向透明”的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)，發(fā)揮己方紅外夜視裝備優(yōu)勢(shì)。夜間空襲依托機(jī)載紅外夜視裝備，能分清500米之外的目標(biāo)和幾千米之外的山巒、村莊，具有全天候發(fā)現(xiàn)、定位目標(biāo)的能力，提高了飛機(jī)的戰(zhàn)術(shù)使用靈活性和作戰(zhàn)效能。

現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)裝備先進(jìn)紅外夜視裝備對(duì)于保證飛機(jī)的作戰(zhàn)效能是十分重要的。在夜戰(zhàn)場(chǎng)上，對(duì)于擁有夜視裝備優(yōu)勢(shì)的一方來(lái)說(shuō)，夜幕已不復(fù)存在，反而還成了占優(yōu)勢(shì)一方。如海灣戰(zhàn)爭(zhēng)中，多國(guó)部隊(duì)飛機(jī)配備了機(jī)載紅外夜視裝備，使飛機(jī)在雷達(dá)和無(wú)線電靜默下探測(cè)、跟蹤和攻擊目標(biāo)。

技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

機(jī)載紅外夜視技術(shù)應(yīng)用挑戰(zhàn)主要有以下三個(gè)方面：

（1）作用距離較近

圖像分辨率和靈敏度是紅外夜視裝備的重要參數(shù)，受制于當(dāng)前紅外夜視技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有機(jī)載紅外夜視裝備存在對(duì)目標(biāo)成像距離相對(duì)較近、識(shí)別分辨率不高的現(xiàn)狀。

（2）機(jī)載紅外夜視設(shè)備顯示顏色單一

現(xiàn)有紅外夜視設(shè)備的成像會(huì)“失去顏色”，單一的顏色顯示不利于飛行員對(duì)外界環(huán)境的視覺(jué)感知。一方面，機(jī)上顯示設(shè)備都會(huì)變成單色，失去了其原先顏色代表的意義或者起到的作用；另一個(gè)方面，會(huì)影響外界的燈光使其變成單色，如機(jī)場(chǎng)跑道的精密進(jìn)近航道紅、黃指示燈。此外，飛行員持續(xù)觀察顯示器上的白色、綠色圖像信息可能會(huì)引發(fā)視覺(jué)疲勞等情況，也不利于飛行。

（3）大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與計(jì)算資源有限

機(jī)載紅外夜視設(shè)備具備了在較大視場(chǎng)下捕獲廣域動(dòng)態(tài)圖像并實(shí)現(xiàn)監(jiān)視的功能，會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，目前已有的機(jī)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備已不能滿足需求，尤其是隨著大面陣紅外夜視設(shè)備的發(fā)展，會(huì)產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量，這就要求飛機(jī)具有大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的記錄設(shè)備。

隨著機(jī)載紅外夜視新技術(shù)紛至沓來(lái)，機(jī)載紅外夜視設(shè)備的工作波段不斷拓展、視場(chǎng)空域不斷增大、可視距離不斷提升、新質(zhì)能力不斷健全，逐漸成為軍民飛機(jī)的標(biāo)配。機(jī)載夜視技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：

（1）多光譜圖像融合

不同波段的傳感器可滿足不同作戰(zhàn)場(chǎng)景的需求，短波紅外傳感器的煙霧穿透能力強(qiáng)，相比中波紅外傳感器在目標(biāo)與場(chǎng)景溫度差異大的情況下成像效果好，長(zhǎng)波傳感器在目標(biāo)與場(chǎng)景溫度差異小的情況下具有更好的成像效果，微光傳感器的生成圖像與可見(jiàn)光圖像相仿，更符合人眼視覺(jué)觀察。

通過(guò)圖像融合技術(shù)，將多波段紅外成像圖像和微光夜視圖像合成為一幅圖像，這種技術(shù)有助于綜合發(fā)揮微光成像和紅外成像兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，拓展視覺(jué)顯示波段范圍，使圖像紋理細(xì)節(jié)更豐富，可有效提升機(jī)載夜視設(shè)備的觀察能力。

（2）大面陣高清紅外成像的應(yīng)用

高性能光電探測(cè)器是機(jī)載夜視設(shè)備的核心，隨著半導(dǎo)體集成和工藝等關(guān)鍵技術(shù)突破，探測(cè)器朝著小像元尺寸、大面陣規(guī)格方向發(fā)展。小像元能夠使探測(cè)器小型化、提高系統(tǒng)分辨率、增加探測(cè)距離。大面陣探測(cè)器的分辨率更高、觀察的目標(biāo)細(xì)節(jié)更豐富、探測(cè)距離更遠(yuǎn)。目前，在紅外探測(cè)器方面，雷神公司研發(fā)的紅外探測(cè)器像元達(dá)到4096×4096，已成功應(yīng)用于美國(guó)空軍天基紅外預(yù)警系統(tǒng)。將小像元、大面陣探測(cè)器應(yīng)用于機(jī)載夜視設(shè)備中，更能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)夜晚目標(biāo)的遠(yuǎn)距離、高清探測(cè)。

（3）增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展

機(jī)載增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)將在夜間飛行安全領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用，朝著智能感知、人機(jī)交互方向發(fā)展。增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)可利用傳感器對(duì)機(jī)外場(chǎng)景進(jìn)行多維信息感知，在探測(cè)到跑道、障礙物等威脅目標(biāo)時(shí)，實(shí)施智能輔助決策，支持完成各種飛行動(dòng)作、信息處置，為飛行員提供決策支撐。

（4）向主動(dòng)夜視技術(shù)應(yīng)用拓展

隨著短波、中波、長(zhǎng)波紅外激光器技術(shù)發(fā)展，以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用，在夜間成像基礎(chǔ)上融入了激光主動(dòng)探測(cè)，進(jìn)行三維識(shí)別，可在二維圖像顯示器上顯示三維信息。三維視覺(jué)成像技術(shù)已逐步應(yīng)用于汽車自動(dòng)駕駛，后續(xù)機(jī)載夜視技術(shù)也將拓展三維成像識(shí)別功能，提供飛行員更多維度信息，進(jìn)一步增強(qiáng)夜間視覺(jué)感知能力。

結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)載紅外夜視裝備現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，介紹了國(guó)外典型機(jī)載紅外夜視裝備的技術(shù)特點(diǎn)，分析了機(jī)載紅外夜視技術(shù)在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察／瞄準(zhǔn)方面的應(yīng)用，討論了該技術(shù)的應(yīng)用挑戰(zhàn)，給出了向多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、增強(qiáng)飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展、主動(dòng)夜視技術(shù)應(yīng)用拓展等方面發(fā)展的趨勢(shì)。

審核編輯：黃飛