朱 耘

（華中光電技術(shù)研究所-武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室 武漢 430223）

1 引言

艦載紅外搜索跟蹤系統(tǒng)（IRST）的主要作戰(zhàn)使命是探測和跟蹤低空和海面威脅，能夠提供全景監(jiān)視能力，憑借被動(dòng)工作的特點(diǎn)不會(huì)受到射頻雜波和電磁對(duì)抗措施的干擾，還能夠與雷達(dá)和電子戰(zhàn)傳感器等其他艦載傳感器互為補(bǔ)充，因?yàn)镮RST 角分辨率高，而雷達(dá)的距離分辨率高，對(duì)這些傳感器的輸出進(jìn)行融合能夠?qū)μ岣吣繕?biāo)跟蹤精度，縮短目標(biāo)建航時(shí)間［1］。

20世紀(jì)70年代紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)開始裝備艦船平臺(tái)，第一代系統(tǒng)是基于掃描紅外探測器，其傳感器頭部旋轉(zhuǎn)，更新率為1Hz～2Hz，尺寸大，虛警率高，穩(wěn)定性不夠，作用距離有限。第二代艦載IRST 系統(tǒng)仍然采用掃描體制，但采用長線列的紅外焦平面陣列，利用時(shí)間延遲積分處理技術(shù)對(duì)單獨(dú)的探測器單元的多個(gè)串行輸出進(jìn)行延遲和積分，提高了信噪比。

但這種基于掃描體制的系統(tǒng)仍存在一些無法克服的局限性，首先是每個(gè)像素上駐留的時(shí)間僅為幾十微秒，故信噪比低，造成探測與航跡判決間存在顯著的延遲。另外是更新率低，無法發(fā)揮高分辨率成像的優(yōu)點(diǎn)。再者，單一的桅桿上安裝掃描傳感器頭部的視場會(huì)受到安裝位置和甲板上其它附屬物的限制，存在盲弧區(qū)。另外，使用單一傳感器時(shí)，如果出現(xiàn)關(guān)鍵的系統(tǒng)故障就喪失冗余性［2］。

到了21 世紀(jì)，海軍艦船執(zhí)行沿海任務(wù)的需求增多，遭遇非對(duì)稱恐怖威脅的風(fēng)險(xiǎn)日益加劇，快速逼近的攻擊飛機(jī)、無人機(jī)以及一些非常規(guī)的目標(biāo)對(duì)戰(zhàn)艦構(gòu)成的威脅增大，尤其是小型船只或摩托艇等恐怖威脅，因此，新一代的艦載IRST 系統(tǒng)需要具有更大的俯仰角（通常需要達(dá)到10°左右）和作用距離（通常在18km 左右），解決的方案就是采用基于分布式凝視紅外傳感器的新型搜索與跟蹤系統(tǒng)，即采用多個(gè)傳感器頭實(shí)現(xiàn)更靈活的艦上安裝，并以高速率提供連續(xù)的全景警戒，增大俯仰角覆蓋范圍，提高數(shù)據(jù)刷新率，能夠更迅速地建立目標(biāo)航跡。

2 國外典型凝視IRST系統(tǒng)及技術(shù)特點(diǎn)

目前典型的凝視型IRST 系統(tǒng)主要有英國的凝視IRST 演示器、德國的SIMONE 系統(tǒng)、荷蘭的Artemist Gatekeeper 系統(tǒng)以及以色列的Sea Spotter 系統(tǒng)等。

2.1 英國的凝視IRST演示器系統(tǒng)［3］

2.1.1 系統(tǒng)概述

這種凝視型IRST 演示器系統(tǒng)是由QinetiQ 和Thales UK 公司為英國國防部研制的一種演示器，其組成包括切分視場光學(xué)系統(tǒng)、傳感器頭部、傳感器頭部與遙控臺(tái)之間的接口、探測與跟蹤處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)等。

傳感器頭部具有兩臺(tái)中波紅外MWIR 攝像機(jī)，均采用640×512 的焦平面陣列（FPA），水平視場40°，垂直視場4°，采用切分視場光學(xué)系統(tǒng)，輸出數(shù)據(jù)通過光纖接口傳輸?shù)叫盘?hào)處理器，據(jù)報(bào)道也有可能采用BAE Systems 公司開發(fā)的第三代ALBIO 3μm～5μm 1024×786 探測器。采用四個(gè)這樣的穩(wěn)定傳感器頭部安裝在桅桿上或上層建筑的頂部以提供連續(xù)360°的覆蓋范圍。產(chǎn)品型系統(tǒng)計(jì)劃用于Type 23 艦船性能升級(jí)、Type 45 艦船目標(biāo)捕獲性能增強(qiáng)計(jì)劃以及成為未來航母的候選設(shè)備。

艦載IRST 傳感器頭部模塊由焦平面陣列（FPA）探測器、探測器電子組件、致冷器、熱管、光學(xué)系統(tǒng)、光纖通道電路板、FPGA 電路板、光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)掃描器、BSM 的伺服電子、慣性測量裝置、前窗、能量調(diào)節(jié)器以及結(jié)構(gòu)外殼等組成。探測器電子組件包括讀出電子線路、模數(shù)轉(zhuǎn)換、非均勻性校正（NUC）、壞像素替代、模擬視頻以及相關(guān)的電源模塊等，都裝在攝像機(jī)模塊內(nèi)，如圖1所示。

圖1 英國艦載凝視IRST傳感器頭部模塊

多臺(tái)攝像機(jī)安裝在一個(gè)框體結(jié)構(gòu)內(nèi)，攝像機(jī)瞄準(zhǔn)線間的夾角為17°。如果使用1024×768 探測器的話需要更換該框架才能適用于更大的視場?？拷綔y器輸入窗口處的濾光機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)濾光器的三選一。

光束轉(zhuǎn)向是通過傾斜光學(xué)鏡片來實(shí)現(xiàn)的，光學(xué)鏡片裝在與中間圖像接近的轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)。每個(gè)方位一個(gè)光學(xué)鏡片。完成基于場景的非均勻性校正（NUC）時(shí)，需要進(jìn)行光束轉(zhuǎn)向使圖像從一個(gè)位置移至下一個(gè)位置讀出。光束轉(zhuǎn)向步長為10 像素，相當(dāng)于在不到16ms 的時(shí)間內(nèi)掃描板傾斜6.7°。在探測器積分時(shí)間期間，該機(jī)構(gòu)還提供鋸齒或斜坡波形用于艏搖穩(wěn)定。

光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)外部窗口進(jìn)行保護(hù)。每個(gè)物鏡組有兩個(gè)鍺窗口，鍍有適當(dāng)?shù)哪湍ツ?。選擇鍺的主要原因是其良好的抗電磁干擾性能。

2.1.2 結(jié)構(gòu)及光學(xué)系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

由于選用商用（COTS）攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)全景覆蓋范圍，使用了切分視場光學(xué)系統(tǒng)，這樣就將一個(gè)640×512像素探測器的視場轉(zhuǎn)換為5∶1的縱橫比。這種技術(shù)可有效地將覆蓋艦船周圍整個(gè)水天線所需的焦平面陣列探測器數(shù)量減半。

傳感器頭部包括一個(gè)光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)基于場景的非均勻性校正和后掃描能力，以便對(duì)長積分時(shí)間內(nèi)艦船的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。光束轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)還能實(shí)現(xiàn)微掃描以提高圖像的銳度。

焦平面陣列探測器通過光學(xué)系統(tǒng)接收來自場景的輻射，光學(xué)系統(tǒng)由物鏡組和轉(zhuǎn)像組組成，如圖2 所示。光學(xué)系統(tǒng)還能改變目標(biāo)空間探測器的上下方向，使得水平視場有效地增加一倍而垂直視場減半。采用一對(duì)菱形反射鏡的這種技術(shù)也被稱為“切斷折疊”（cut and stack）方法。第一個(gè)45°的反射鏡在中間像位置將垂直視場切開，第二個(gè)反射鏡使俯仰視線偏離并通過單個(gè)物鏡組將單獨(dú)的視場折疊起來。然后這些單獨(dú)的視場在水平方向上偏離，通過棱鏡使它們?cè)诜轿环较蛏吓B。每個(gè)物鏡組是一對(duì)消色差的光學(xué)熱不敏硅或鍺棱鏡。盡管在直線方向上，轉(zhuǎn)像和物鏡都有一個(gè)共用的光軸，但這并不能確定探測器上或目標(biāo)空間里的零俯仰，因此使用的視場是非對(duì)稱的。探測器上的真零值是在探測器一半高度的中點(diǎn)上。這就意味著第二個(gè)切斷和折疊反射鏡不是呈45°，使該點(diǎn)在目標(biāo)空間是水平的。整個(gè)系統(tǒng)的方位視場為36°，俯仰視場為3.8°。

圖2 切分視場光學(xué)系統(tǒng)

圖3 SIMONE系統(tǒng)在F125艦上的配置方案

圖4 SIMONE多傳感器模塊的模型圖

圖5 Gatekeeper的傳感器監(jiān)視警戒范圍示例，艦上基本配置包括3個(gè)-4個(gè)傳感器組件

圖6 產(chǎn)品型Gatekeeper傳感頭部組件

圖7 圍繞艦船頂部桅桿安裝的三個(gè)Artemis IRST傳感器組件

該IRST 演示器設(shè)計(jì)為使用640×512 像素探測器，但不需要做大的改裝也能夠使用面陣1024×768 像素探測器，需要改變探測器格式和光機(jī)接口。由于探測器格式會(huì)影響視場以及瞄準(zhǔn)方向，故反射鏡和方位棱鏡也需要改變。

2.2 德國的SIMONE系統(tǒng)［4］

2.2.1 系統(tǒng)概述

SIMONE 是由Diehl BGT 防御公司研制的紅外監(jiān)視、觀察和導(dǎo)航系統(tǒng)，具有360°搜索能力，用于對(duì)潛在的非對(duì)稱威脅目標(biāo)提供自動(dòng)早期探測，包括特種部隊(duì)、恐怖襲擊以及海盜等來自海面、海岸和空中的威脅目標(biāo)。系統(tǒng)只采用被動(dòng)凝視紅外傳感器，是一個(gè)“安靜型”系統(tǒng)，不發(fā)射任何聲信號(hào)或電磁信號(hào)，而且沒有移動(dòng)部件。

2017 年首套SIMONE 系統(tǒng)就服役到德國海軍新型的F125 護(hù)衛(wèi)艦上。在F125 艦載配置中，SIMONE包括兩個(gè)多傳感器模塊（每個(gè)模塊中有五個(gè)傳感器），分別安裝在直升機(jī)庫的左舷和右舷；四個(gè)單傳感器模塊（兩個(gè)位于艦橋頂上，前向觀察，另外兩個(gè)位于舷側(cè)突出處的艦尾桅桿上，向艦尾方向觀察）；信號(hào)處理裝置；視頻服務(wù)器以及與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)的接口等。將所有傳感器的輸出圖像進(jìn)行拼接后生成360°全景圖像。具有SIMONE 人機(jī)接口的操作員終端可以布置到艦船不同的位置，如艦橋上、作戰(zhàn)信息中心、與艦船作戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線聯(lián)接的個(gè)人筆記本電腦等。人機(jī)接口軟件上可顯示出SIMONE 全景觀察圖像，還可實(shí)現(xiàn)很多其它功能，如數(shù)據(jù)錄取等。SIMONE 的還可引導(dǎo)其它光電傳感器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行觀察。

2.2.2 技術(shù)特點(diǎn)

每個(gè)傳感器都采用640×512 非致冷測微熱輻射計(jì)探測器，工作于8μm～12μm。單傳感器模塊的方位覆蓋范圍為40°，俯仰范圍為50°，五傳感器模塊的方位覆蓋范圍為196°，俯仰范圍為50°。傳感器鏡頭鍍有高性能的紅外光學(xué)膜層。該系統(tǒng)能夠提供艦船周圍360°方位50°俯仰范圍的紅外監(jiān)視能力，目標(biāo)探測能力為數(shù)公里，系統(tǒng)軟件能夠?qū)?000多個(gè)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全自動(dòng)非對(duì)稱威脅優(yōu)先排序、跟蹤啟動(dòng)和告警。

SIMONE 傳感器的熱分辨率為30mK，空間分辨率高，能夠探測到低對(duì)比度的小目標(biāo)，空間分辨率1mrad。系統(tǒng)還具有高更新率，能即時(shí)探測到快速、靈活的目標(biāo)。對(duì)泳者的探測距離為300m～400m，對(duì)橡皮艇的探測距離為1000m～2000m，對(duì)小型飛機(jī)的探測距離為2000m～3000m。

2.3 荷蘭Gatekeeper光電傳感器系統(tǒng)［5～6］

2.3.1 系統(tǒng)概述

Thales Nederland 公司的Gatekeeper 是一種360°警戒與告警系統(tǒng)，目前系統(tǒng)裝備到荷蘭海軍的“荷蘭”級(jí)巡邏艦和比利時(shí)海軍的M-級(jí)巡邏艦，成為安裝在新型封閉式整合傳感器桅桿的I-Mast 的傳感器系統(tǒng)之一。Gatekeeper 傳感器頭部安裝在I-Mast桅桿塔四個(gè)邊緣的斜切面上，每個(gè)斜切面上傳感器頭部內(nèi)裝有三臺(tái)高分辨率性能的320×240像素或640×480 像素的非致冷紅外攝像機(jī)和三臺(tái)高分辨率的彩色電視攝像機(jī)（1600×1200 像素或4000×2600像素），可360°監(jiān)視艦體四周態(tài)勢并跟蹤特定的目標(biāo)，在夜間或不良?xì)夂驐l件下可有效對(duì)海面或沿岸探測。系統(tǒng)依靠定期向窗口表面噴射清洗液然后用壓縮空氣吹干窗口表面的方法來保持?jǐn)z像機(jī)窗口的清潔。

采用640×480 像素的熱像儀，系統(tǒng)對(duì)水面上泳者的探測距離為500m 遠(yuǎn)，對(duì)水面小船的探測距離為4000m～5000m遠(yuǎn)。

2.3.2 技術(shù)特點(diǎn)

作為一種凝視非轉(zhuǎn)動(dòng)式傳感器系統(tǒng)，Gatekeeper 能為港口內(nèi)、陸上、錨停在海面或沿海航行的船只提供360°×36°的全景晝夜紅外與彩色電視監(jiān)視能力，自動(dòng)探測與跟蹤目標(biāo)，輔助目標(biāo)分類，并提供事件記錄視頻圖像。其處理機(jī)柜重300kg，尺寸約606 mm×811mm×1820mm。其典型的艦載配置由三或四個(gè)傳感器模塊組成，每個(gè)模塊重30kg 左右，尺寸約600mm×500mm×400mm，非致冷8μm～12μm紅外攝像機(jī)視場為48°×36°，且共軸安裝了彩色電視攝像機(jī)，視場為48°×36°。每個(gè)傳感器模塊在電子機(jī)柜內(nèi)有一個(gè)單獨(dú)的基于PC的處理器以及一個(gè)用于跟蹤的PC 裝置。Gatekeeper 的人機(jī)接口可與作戰(zhàn)管理系統(tǒng)和/或艦橋系統(tǒng)組合在一起。另外，Gatekeeper 圖像可顯示在綜合情報(bào)顯示屏上或顯示在遍布艦上任何位置的個(gè)人手持式計(jì)算機(jī)。周視觀察的視頻更新率為5Hz，可同時(shí)觀察四個(gè)5°×5°的扇區(qū)。采用了最新的Gigabit Ethernet（GigE）攝像機(jī)接口。其圖形處理功能強(qiáng)大，Gatekeeper 系統(tǒng)采用與Sirius紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中相同的成熟算法對(duì)水面目標(biāo)進(jìn)行探測。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)首道，試驗(yàn)用樣機(jī)采用的是FLIR Systems 公司的8μm～12μm 紅外攝像機(jī)以及Imperx Incorporated公司的Lynx系列彩色電視攝像機(jī)。

2.4 法國Artemis 系統(tǒng)

2.4.1 系統(tǒng)概述

Artemis 系統(tǒng)由法國的Thales Land& Joint Systems公司研制，被設(shè)計(jì)為全凝視非旋轉(zhuǎn)式電氣穩(wěn)定傳感器組件，其典型組成包括三個(gè)傳感器頭，每個(gè)傳感器頭具有三個(gè)焦平面陣列（FPA），水平覆蓋360°，俯仰范圍25°（水天線以上15°，水天線以下10°），刷新率為10Hz。紅外凝視攝像機(jī)采用極高分辨率的FPA，具有大范圍的空間覆蓋、遠(yuǎn)距離探測、反應(yīng)時(shí)間短、虛警率低、數(shù)據(jù)和圖像質(zhì)量高等特點(diǎn)。

Artemis 既能夠作為一個(gè)單獨(dú)的裝置使用也可組合到艦上作戰(zhàn)管理系統(tǒng)，能夠通過實(shí)時(shí)全景視頻圖像和超高分辨率變焦來進(jìn)行目標(biāo)跟蹤、分類和認(rèn)清。已有17 套艦載型產(chǎn)品裝備到法國海軍的新型Aquitaine級(jí)FREMM護(hù)衛(wèi)艦上，已提議將Artemis以及Gatekeeper 系統(tǒng)裝備到了法國海軍的第二艘航母上［7］。

2.4.2 光學(xué)空間多路處理技術(shù)［8］

Artemis 紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)采用了一種新穎的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，即光學(xué)空間多路技術(shù)（如圖8）。多路空間分割是由一個(gè)連續(xù)繞成像器瞄準(zhǔn)線（LOS）轉(zhuǎn)動(dòng)的斜方鏡（潛望鏡）實(shí)現(xiàn)的。在潛望鏡的輸出處，由于潛望鏡是光學(xué)固定式的，成像器的瞄準(zhǔn)線和出瞳在一個(gè)圓上連續(xù)變換，對(duì)于無窮遠(yuǎn)處的物體沒有像移?；谶@個(gè)原理，成像器的瞄準(zhǔn)線移至六個(gè)轉(zhuǎn)向鏡的前面，這些轉(zhuǎn)向鏡的作用是將成像器的視場確定到一個(gè)傳感器視場的特定的扇區(qū)，位于中央位置的第七個(gè)扇區(qū)不必使用轉(zhuǎn)向鏡就能獲取。在轉(zhuǎn)向前瞄準(zhǔn)線掃描過程中，當(dāng)成像器的輸出光瞳無遮蔽時(shí)進(jìn)行每個(gè)作用扇區(qū)的圖像采集。

圖8 光學(xué)多路分割原理圖

位于光學(xué)多路器前面的單個(gè)成像儀完成光學(xué)圖像的生成，成像器將場景發(fā)出的紅外輻射聚焦到像面上，并保證在一定的環(huán)境距離具有適當(dāng)?shù)膱D像清晰度。

2.5 以色列的Sea Spotter艦載凝視紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)［9］

Sea Spotter 是以色列的拉斐爾（Rafael）裝備開發(fā)局研制的一種的艦用凝視紅外搜索與跟蹤（IRST）系統(tǒng)，能夠?qū)σ雅炆戏交蛘咧車鷧^(qū)域從水天線到天頂?shù)乃婧涂罩心繕?biāo)、超音速和慢速小目標(biāo)進(jìn)行探測，采用兩個(gè)3μm～5μm InSb 紅外凝視陣列傳感器，利用圖像處理算法分析目標(biāo)運(yùn)動(dòng)并對(duì)探測的目標(biāo)進(jìn)行敵我判斷，虛警率僅為每24h 內(nèi)一次虛警。系統(tǒng)由兩套傳感器組件組成，每套傳感器組件的重量為100kg，凝視覆蓋范圍為180°×20°，系統(tǒng)360°方位探測，俯仰范圍為100°。該系統(tǒng)能夠定位的目標(biāo)包括地對(duì)地導(dǎo)彈、超音速和亞音速掠海導(dǎo)彈、戰(zhàn)機(jī)、滑翔炸彈、反雷達(dá)導(dǎo)彈、直升機(jī)、艦船、小型目標(biāo)如潛艇潛望鏡或者噴氣式滑行器等恐怖威脅。

Sea Spotter 的組成結(jié)構(gòu)如圖9 所示。系統(tǒng)由兩套穩(wěn)定凝視裝置（SSU）組成。每套裝置采用高分辨率中波紅外（MWIR）傳感器，覆蓋180°的觀察范圍。由于主要的威脅是剛出現(xiàn)在水天線的低對(duì)比度點(diǎn)目標(biāo)，亞像素級(jí)的穩(wěn)定精度是一個(gè)重要的性能指標(biāo)，SSU達(dá)到了優(yōu)于瞬時(shí)視場（IFOV）亞像素級(jí)的穩(wěn)定精度，可消除由艦船運(yùn)動(dòng)造成的目標(biāo)拖尾，保持系統(tǒng)高分辨率的優(yōu)勢。雙SSU 在艦上的安裝靈活，只需要考慮瞄準(zhǔn)線限制，騰出了艦船桅桿頂部寶貴的空間。

圖9 “Sea Spotter”組成結(jié)構(gòu)圖（上）

兩套SSU 提供的紅外數(shù)字視頻傳送到任務(wù)中心處理裝置（MCP）進(jìn)行目標(biāo)探測和跟蹤，并將目標(biāo)信息分配給艦載作戰(zhàn)管理系統(tǒng)，同時(shí)也將全景視頻輸出和目標(biāo)數(shù)據(jù)傳送到操作控制臺(tái)。Sea Spotter的操作員能夠獲取疊加了被跟蹤目標(biāo)信息的艦船環(huán)境360°全景顯示。艦載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)用于將目標(biāo)方向坐標(biāo)相對(duì)于所有艦載系統(tǒng)通用的慣性參考系統(tǒng)坐標(biāo)進(jìn)行校準(zhǔn)。

3 重點(diǎn)技術(shù)分析

以往的艦載IRST 都是主要用于對(duì)付掠海導(dǎo)彈威脅，隨著艦載IRST 系統(tǒng)面臨新的使命任務(wù)需求，盡管凝視技術(shù)具有更長的積分時(shí)間（達(dá)到毫秒級(jí)，而以往為微秒級(jí)），IRST 系統(tǒng)仍然要在探測距離和視場大小間進(jìn)行權(quán)衡和折衷。新一代系統(tǒng)必須解決提高對(duì)弱小目標(biāo)的探測距離、增大水天線附近的俯仰覆蓋范圍，同時(shí)還要兼顧紅外探測器陣列數(shù)量帶來的采購成本和全壽命周期費(fèi)用方面的考慮，解決這些問題的主要途徑是采用全凝視和步進(jìn)凝視技術(shù)。

3.1 全凝視方案

全凝視配置帶來的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，圖像刷新率高，美、英、法等國已經(jīng)將全凝視陣列技術(shù)應(yīng)用到了各自的艦載紅外搜索與跟蹤項(xiàng)目中。經(jīng)這些國家海軍進(jìn)行的系統(tǒng)分析表明，采用高穩(wěn)定傳感器和大口徑光學(xué)系統(tǒng)的全凝視型艦載IRST 系統(tǒng)有望獲得最佳的性能。但同時(shí)在海軍艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中采用凝視焦平面陣列技術(shù)也會(huì)遇到一個(gè)棘手的技術(shù)障礙，即與雷達(dá)和機(jī)載導(dǎo)彈逼近告警系統(tǒng)相比，艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)僅有分辨率這一個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)幫助處理器從雜波中辨別出威脅目標(biāo)，因此必須很好地利用分辨率。對(duì)于給定探測單元尺寸的紅外焦平面陣列而言，如果要以高角分辨率覆蓋所需的區(qū)域，總的探測器的長度會(huì)很長。例如，如果空間分辨率φ為100μrad，探測單元尺寸ω為25μm，則探測器長度為2πω/φ=1.57m。因此，將凝視陣列技術(shù)運(yùn)用于需要360°水平監(jiān)視的紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)中還需要采用廣角觀察技術(shù)，綜合利用對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)、切分視場光學(xué)系統(tǒng)、視線步進(jìn)技術(shù)以及先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)。

美國海軍研究辦公室資助研制的基于分布孔徑傳感器的全凝視艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)就采用了三個(gè)5∶1 縱橫比的中波紅外焦平面陣列和2.56∶1縱橫比的非對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)，總的非對(duì)稱比為1.28∶1，采用這樣的方案達(dá)到對(duì)亞音速導(dǎo)彈的探測靈敏度。當(dāng)然，如果要探測到剛超出水天線的弱小目標(biāo)，需要增強(qiáng)俯仰方向上的分辨能力。

英國艦載凝視型IRST 演示器采用了切分視場光學(xué)系統(tǒng)來提供對(duì)水天線的全景監(jiān)視，該技術(shù)有效地將覆蓋艦船四周的水天線需要的焦平面探測器數(shù)量減少一半，但代價(jià)是增加了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。而且，由于視場的光學(xué)疊加，很大一部分的FPA 像素會(huì)損失，事實(shí)上配準(zhǔn)也是一個(gè)棘手的問題，特別是當(dāng)溫度變化較大的情況下。

法國的Artemis采用的了獨(dú)特的光學(xué)空間多路技術(shù)這種全凝視理念，所以僅使用三個(gè)傳感器就達(dá)到了全凝視高性能水平。

3.2 步進(jìn)凝視方案

由于IRST 的成本與紅外攝像機(jī)的使用數(shù)量、相關(guān)的光學(xué)系統(tǒng)以及處理所有視頻信號(hào)所需的計(jì)算能力成正比，所以全凝視紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高性能的同時(shí)也帶來了過高的成本，因此對(duì)這些彼此沖突的變量進(jìn)行折衷和權(quán)衡是極其重要的。如果要限制傳感器的規(guī)格和數(shù)量來達(dá)到降低成本的目的，則每個(gè)成像傳感器就必須覆蓋一個(gè)較大的區(qū)域，這樣勢必會(huì)降低傳感器的分辨率，除非采用某種形式的區(qū)域掃描技術(shù)，于是步進(jìn)凝視技術(shù)也就應(yīng)運(yùn)而生。采用步進(jìn)凝視技術(shù)的IRST 系統(tǒng)的缺點(diǎn)很難作為目標(biāo)識(shí)別系統(tǒng)，而且“時(shí)分”掃描也降低了圖像刷新率。

目前640×512 紅外矩陣及其讀出積分電路（ROIC）已能實(shí)現(xiàn)超過100Hz 速率的拍攝操作，但在IRST 應(yīng)用中回訪觀察獲取場景通常并不要求這樣高的刷新率，如果采用某種形式的機(jī)構(gòu)使成像傳感器的瞄準(zhǔn)線在水天線范圍移動(dòng)，達(dá)到360°覆蓋范圍需要的傳感器的數(shù)量可大大降低。

盡管傳統(tǒng)的常平架式系統(tǒng)憑借其慣性大的特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的理想方案，但并不適于實(shí)現(xiàn)步進(jìn)步進(jìn)凝視工作方式，于是出現(xiàn)了使用需要復(fù)雜的固定式或移動(dòng)式光學(xué)部件的“光學(xué)多路”技術(shù)。

為了更進(jìn)一步地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還有一種方案就是將紅外攝像機(jī)放置在一個(gè)安裝在雙常平架上的水平平臺(tái)上。該伺服控制平臺(tái)能完成與圖像采集同步的步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。例如，法國的SAGEM 防御系統(tǒng)公司就采用了COTS 部件，其成像傳感器對(duì)12°視場的刷新時(shí)間可以達(dá)到4s，這種圖像刷新率非常適于操作員在非對(duì)稱威脅對(duì)抗中進(jìn)行目視操控，但對(duì)于空中目標(biāo)的自動(dòng)探測和跟蹤，由于掃描之間存在較大的角運(yùn)動(dòng)，這種刷新率就過低了。

為了充分利用紅外陣列攝像機(jī)的高幀頻（通常為100Hz）實(shí)現(xiàn)全景掃描，采用了一種快速步進(jìn)技術(shù)。例如在第二代線陣紅外攝像機(jī)的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，法國SAGEM 防御公司研制的VAMPIR NG 艦載IRST 系統(tǒng)使用焦平面陣列致冷型3μm～5μm 紅外攝像機(jī)，其小型掃描器采用了一些高質(zhì)量的反射鏡對(duì)瞄準(zhǔn)線在傳感器積分時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，VAMPIR NG 系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了以下四個(gè)電動(dòng)軸：

1）瞄準(zhǔn)軸，承裝紅外攝像機(jī)和實(shí)現(xiàn)所有傳感器光學(xué)元件的頭部的全景掃描；

2）俯仰軸，當(dāng)艦船存在橫搖和縱搖運(yùn)動(dòng)時(shí)，支持俯仰反射鏡將紅外傳感器的中心保持在一個(gè)恒定的俯仰角度上；

3）瞄準(zhǔn)和俯仰掃描器軸系。

在圖10 中，紅外光透過外部窗口進(jìn)入傳感器頭部。運(yùn)動(dòng)俯仰反射鏡對(duì)其進(jìn)行第一次反射，采用#1 折疊反射鏡后，僅使用較小的俯仰反射鏡就可實(shí)現(xiàn)較大的俯仰角范圍。第一個(gè)透鏡組形成了一個(gè)望遠(yuǎn)系統(tǒng)，可用于減小入瞳尺寸。#2 折疊反射鏡優(yōu)化了系統(tǒng)的緊湊型設(shè)計(jì)。接下來就是瞄準(zhǔn)和俯仰掃描器，然后是紅外攝像機(jī)的物鏡。這些掃描器為傳感器頭的連續(xù)掃描提供了“消旋”作用。這種經(jīng)改進(jìn)的快速步進(jìn)凝視方案是一種效費(fèi)比較高的技術(shù)方案，能同時(shí)達(dá)到較高的分辨率和靈敏度，可以同時(shí)用于遠(yuǎn)距離小目標(biāo)和非對(duì)稱威脅的探測和識(shí)別。

圖10 法國VAMPIR NG系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)

4 結(jié)語

現(xiàn)代海軍使命任務(wù)的新需求和面臨的新挑戰(zhàn)給新一代的艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)帶來了發(fā)展的契機(jī)，為此，美、英、法以及一些其它的歐洲國家海軍都運(yùn)用凝視艦載IRST 技術(shù)在逐漸取代采用線陣紅外探測器和基于時(shí)間延遲積分的焦平面陣列與光機(jī)掃描體制的傳統(tǒng)艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)高速率連續(xù)的全景警戒、寬俯仰角覆蓋、高刷新率以及快速的航跡確認(rèn)，近年來已陸續(xù)出現(xiàn)了一些新型的凝視紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)的艦載裝備應(yīng)用，從中我們不難看出，這種新技術(shù)能為我們的裝備研究工作增加一些新思路，以研制出適合我國軍情新一代艦載紅外搜索與跟蹤系統(tǒng)來滿足海軍裝備的需求。