红外探测技术研究

红外探测技术研究

1.红外图像仿真：

红外成像仿真研究始于上世纪 70 年代，研究人员在红外成像仿真领域经过不断探索和实践，取得了显著的研究成果。在红外目标的仿真方面，Dobbs提出了一种基于热能测量结果的红外辐射出射度计算方法。PRISM 较为全面地分析了目标自身与背景的综合作用。J. Stets等人对目标、地物和大气的效果进行了初步分析，仿真出空中飞行目标的红外图像。M. R. Whalen 更为深入地研究了飞行器蒙皮、排气口以及尾焰的辐射特性。N. Nandhakumar等人建立了基于八叉树算法的目标仿真模型，主要引入了内热源的影响。

在红外背景仿真方面，Geofferey.Y.Gardner等最早采用对实拍红外图像纹理贴图的方法来开展了红外背景的仿真。Cianciolo等人结合实际的云层场景，得到云背景的红外仿真图像。Hummel 等人同样从实际场景出发，仿真了地表图像。此外， Yossi Bushlin等通过对典型场景实测数据建模，提出了一种基于模型变化的红外背景仿真方法。

针对天基探测系统的仿真分析基本方法虽然与普通的成像系统相同，但是仿真建模中的侧重点却存在较大不同，应重点考虑对于天基探测系统性能分析结果具有重要影响的因素。国外的研究人员尤其是美国学者针对天基红外探测系统性能的分析与评估进行了大量研究工作，形成了技术成熟的仿真模型，包括战略场景生成模型（SSGM）、高级监视系统测试平台（AST）、可见光/红外传感器优化分析与仿真系统（VISTAS）。

由上述对国外的现状分析可知，国外研究人员和机构在实验测量数据的基础上开展了许多相关的建模研究，并开发出成熟的仿真系统。典型的仿真系统通常包含理论模型和实测数据，经过大量的方法验证和测试优化显示仿真生成的图像具有非常高的精确度。 伴随着科学技术的发展，红外成像武器系统的优势不断显现，红外图像仿真在军事领域的重要作用引起了我国科研人员的重视，相继开展关于红外成像仿真的相关工作。 目前，国内的相关研究主要包括以下三种思路。

第一种以国外仿真软件包为理论研究和试验的基础，这种方法的仿真结果可信度高、开发快速并具有丰富的模型基础，但也存在不易定制和费用高的不足。西北工业大学使用MultiGen Creator很早便开展了低空飞行目标的红外特性分析与仿真工作。华中科大与津航技物所利用 Vega 软件，开发了用于重点军事目标的红外仿真技术。

第二种方法是传统的技术思路，以传热学规律结合红外传感器模型和大气传输模型实现仿真建模，通常用于目标背景的表面温度场计算。浙江大学的江照意等人结合传热学、辐射度学以及气象学的相关理论，对地面红外目标进行了仿真。第三种将理论模型和实测数据结合起来，避免了复杂几何体红外辐射场计算的难点，与传统方法相比生成的仿真图像更加自然和精确，模型更加简单，但在获取经验参数的过程中依赖于红外测量数据，灵活性较差。张健等通过对测量数据的修正、映射、渲染，实现了对物体表面特性的红外辐射仿真。张建奇等人对下垫面为海空、植物场景的红外目标进行了细致的分析研究。

由以上的介绍可知，我国关于红外成像仿真也进行了很多工作，具有一些成型的软件系统，但与国际先进水平还存在很大差距，在精度上还不足以满足应用的要求且通用性也较差，尤其在高轨红外图像仿真方面，缺少系统的仿真方法和数据支持，尚无法满足天基yj系统的研制建设的需求。

2.目标红外特性的研究方法

主要包括：实际测量法和理论分析与数值模拟相结合的方法。其中，实际测量法获取的数据比较真实可靠，但是必须具备一定的高技术的科研基础，而且试验周期长、费用高。理论分析与数值模拟相结合的方法，不需具备雄厚的高技术科研基础，节省了大量的人力、物力和财力，而且试验周期也比较短，可以快速提供相关数据，但是可靠性不如实际测量方法。

在目标红外特性研究方面，国外主要采用实际测量的方法。作为西方的军事大国，美国很早就在目标辐射特性实际测量方面展开了工作。从 20 世纪 50 年代到 21 世纪，美国采用不同的空间技术采集了各种目标及其背景的辐射数据，这些数据覆盖整个光谱，经历四季的更替。在整个过程中，美国的测量技术越来越先进，得到的目标特征数据也越来越精确，越来越具有实际价值，并取得了一系列重要成果。所以可以看出，美国在辐射特征实际测量研究方面已相当深入。对于其它国家，俄罗斯在目标辐射特性方面研究的较多，成果也较为丰富。除此之外，荷兰、日本和印度等也在相关方面取得了一些成果。

我国关于这方面的研究起步较晚，而且由于科研基础相对薄弱，测量手段主要采用理论计算与实验室模拟测量相结合的方法。从发表的文献来看，关于这方面的研究主要集中在南京理工大学、国防科技大学和航天科工集团二院 207 所。其中，王福恒、王慧频、李群章、宣益民、靳友林、姚连兴和刘涛等人在目标红外辐射特性研究方面投入了大量的精力，取得了一些有意义的研究成果。

3. 红外探测技术的现状和发展

20世纪70年代以后，各类精确制导武器不断涌现，伴随着各种精确制导武器的出现，各类yj系统必须相应的提高效能才能与之对抗。制导和yj这一对矛与盾其实使用的是同一类目标检测与跟踪技术，在进攻和防守两端通过不断的较量实现演化和进步，双方较量的焦点就在于如何更有效的提高目标检测与跟踪性能。精确制导的概念随着科学技术的发展和时间的推移，其内涵也在不断演变。精确制导涉及多个专业技术领域，是一项系统工程。它的发展改变了战场形态，提升了武器系统的作战性能，促进了武器装备更新换代。红外制导是精确制导的一部分，其核心部分是红外导引头，它主要用于目标识别、位置提取、指令形成和持续跟踪，并引导导弹命中目标。

红外yj系统是一种基于被动接收红外辐射的探测系统。根据其使用平台的不同，可以分为地面型、机载型和舰载型等。地面红外yj系统主要完成对地面和低空目标探测和跟踪；机载红外yj系统主要完成对空中目标的搜索和跟踪；舰载型红外yj系统则要求具备对反舰导弹搜索跟踪和告警功能。红外yj系统的研制工作始于上世纪 60 年代，第一代红外探测器组成部件为探测元，第二代探测器的组成部分为线阵列，第三代则由焦平面阵组成。早期的红外yj系统限于工艺水平作用距离有限，虚警率较高，随着红外探测技术和计算机技术的不断发展，红外探测与跟踪系统（Infrared Search and Track-IRST）的性能不断提高，功能日益强大。当前红外yj系统具备远距离捕获、大范围搜索、高精度跟踪等强大性能，已经成为高技术条件下现代战争中不可或缺的一部分。

随着yj系统对于红外探测技术要求的不断提高，热成像技术发展很迅速，目前己经历了三代，其划分标准主要是基于红外探测器的发展。第一代红外探测器主要采用锑化锢和硫化铅等盐类器件，其灵敏度低、响应时间长、抗干扰能力弱。第二代探测器发展了多元线列器件，主要采用长波锑镉汞，识别距离增长为第一代的器件的 2 倍。第三代探测器的代表为凝视型焦平面阵列(Infrared Focal Plane Arrays—IRFPA)，在空间分辨率、光谱响应和热感应灵敏度等方面都有极大的提高。目前最先进的红外成像系统均采用凝视焦平面器件作为传感器，探测器正向更高密度、更大阵列尺寸方向发展。洛克威尔科学中心己经研制出 2048*2048 元的红外焦平面阵列，像元尺寸为18*18μm。制造大规模和高均匀性的红外探

测器阵列是红外焦平面技术的难点，虽然这一关键的制造技术已经取得很大的突破,但在提高成品率、降低成本方面仍面临很大挑战。未来红外焦平面探测器的主要发展趋势包括：更大规格、更高性能、多色多波段探测、信息处理高速智能化、非致冷（含提高工作温度）、光机电集成一体化等，器件制作将主要依托分子束外延多层材料精密生长技术、微电子行业中的超大规模集成电路技术和微纳结构精细加工技术。

总体而言，红外成像系统具有如下特点：

（1）较高的灵敏度和空间分辨率适合于检测弱小目标和鉴别多目标； （2）具有较强的抗干扰的能力；

（3）能够实现较复杂的探测和跟踪算法；

（4）可昼夜工作，穿透烟雾能力强，适应天候能力强；

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