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红外遥感技术的军事应用
冯雪艳
实验室用实验台
i3dg 摘要：红外遥感是一种通过探测目标的红外辐射能量获取目标有关信息的遥感手段，它具有不受暗夜限制和穿透云雾的优点。本文主要介绍了红外遥感在军事领域的应用，其主要包括３个方面，即机载红外成像、星载红外成像和星载导弹预警。红外遥感是继可见光遥感之后发展起来的又一种光学遥感手段，它可以通过探测目标的红外辐射能量获取目标的有关信息，具有不受暗夜限制和穿透云雾的优点。随着红外探测技术的不断进步，红外遥感能力不断增强，红外遥感已经广泛应用于军事领域和地球勘探、天气预报、森林火灾监视等民用领域。红外遥感在军事领域的应用主要集中在３个方面，即机载红外成像、星载红外成像和星载导弹预警，这也是本文所要介绍的内容。
一、军事应用１．机载红外成像
伊拉克战争的经验证明，从空中昼夜获取战场的情报信息，对获取战场的主动权及至最后夺取战争的胜利极为重要。采用机载成像技术直接从空中获取地面信息，对地面目标进行侦察监视方法的应用已有几十年时间。美国军方一直强烈地依赖于这一手段获取情报，其Ｕ－２、Ｐ－３和“食肉者”侦察机就是这种应用的典型实例。Ｕ－２飞机上装有高分辨率的摄像系统，可获得地面目标的高分辨率清晰图像，其侦察范围沿飞行航线纵深可达数十公里的大面积地区，为指挥机关和作战部队提供了极为直观的准确情报。美、英、法等国军队一直非常重视发展这种先进的战术机载成像侦察监视系统，从越南战争到波斯湾战争，仅美国海军就有５００多架ＲＦ－４侦察机，迄今为止仍
有１００多架ＲＦ－４鬼怪式侦察机在世界各地服役。特别是在最近几年美军发动的几场战争中，如科索沃、阿富汗和伊拉克战争，美军的机载战术侦察技术发挥得淋漓尽致，在夺取战争的主动权方
面起到了至关重要的作用。美军已成功研制出机载战术双波段监视侦察系统，其优点是能在存在杂乱回波的情况下识别和分辨出目标。现代战争中，己方为对抗红外探测往往采用施放烟雾、伪装和发射照明弹等措施，而双波段成像技术能有效地对付这些对抗措施，分辨出真目标和假目标或诱饵。美国陆军研究实验室、空军研究实验室、海军研究实验室、Ｒｅｃｏｎ－Ｏｐｔｉｃａｌ公司、Ｅａｓｔ
ｍａｎ柯达公司、洛克希德－马丁公司、喷气推进实验室和巴恩斯（Ｂａｒｎｅｓ）工程公司等都在加紧发展这种红外双波段摄像传感器及其整机和系统技术，并已取得了极大的进展。到目前为止，当实现双波段红外摄像而采取的最为成功的技术是ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ量子阱红外光电探测器（ＱＷＩＰ）阵列，许多机构都把目光投向这种技术，已研制出２５６×２５６、３２０×２４０、６４０×５１２等类型，目前正在研发的是１０２４×１０２４ 型，这种阵列的工作温度将高达１２０Ｋ。另外，用大型可见光ＣＣＤ摄像阵列与ＰｔＳｉ或ＩｎＳｂ红外焦平面阵列研制出的双波段摄像机也具有很好的性能。Ｒｅｃｏｎ－Ｏｐｔｉｃａｌ公司及其合作伙伴柯达公司为美军研制的ＣＡ－２７０双波段摄像机采用１９６８×１９６８像素ＰｔＳｉ肖特基硅红外焦平面阵列，其量子效率高达７％，ＮＥＴＤ为０．１℃，并于２００１年间由海军研究实验室在华盛顿进行的飞行测试中获得了令人满意的效果。２００１年１０月用装在Ｆ／Ａ－１８Ｃ／Ｆ飞机上的该装置摄取了五角大
楼的照片。海军实验室２００１年１２月再次把ＣＡ－２７０机安装在Ｐ－３飞机上进行测试，飞行高度１００００ｆｔ，摄得的华盛顿可见光和红外图像都极为清晰。
冯雪艳：红外遥感技术的军事应用
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２．星载红外成像
星载红外成像是获取敌情、采取自卫的重要途径，它有许多优点：能２４ｈ昼夜工作，能适应不良天气，能提供定时信息，能把捕捉目标和攻击结合起来，有远距离探测和透过能力，能识别伪装，能排除电子干扰等。红外成像不仅能揭露地面、森林里的伪装，还可揭露地下、水下的军事目标，显示热源目标的运动状态和踪迹。
美国在５０年代末、６０年代初，出于军事和政
治上的需要，花了很大的气力发展空间遥感技术，以用于卫星侦察。很多国家现役的光学成像侦察卫星上一般都配备了红外成像系统，如美国的“高级ＫＨ－１１”卫星上配备了热红外成像仪，使其具备了夜间成像能力；俄罗斯的“宇宙２３４４”卫星以及法国的“太阳神２”卫星也都具备了红外成像能力。从美国公布的空间环境遥感图像来看，“陆地卫星”和其他一些空间飞行器在军事侦察上发挥了较大作用，美国宇航局常把接收到的红外图像信息，经处理后直接送给三军和中央情报局。“陆地卫星”上携带的主要遥感器之一是多谱段扫描仪，它的敏感光范围包括可见光和近红外光谱段（０．８～１．１ｕｍ）。红外成像具有一定的识别伪装能力，在彩红外相片上，死树呈浅蓝或青蓝，缺水植物呈淡红或白，普通绿油漆呈蓝。对于“陆地卫星”图像来讲，这种红外效应对于大面积的伪装、施
工前后新土和旧土都有一定的识别能力。“陆地卫星－Ｄ”上的返束光导摄像管（ＲＢＶ），其地面分辨率约３０ｍ（“陆地卫星４号”的分辨率更高），它对海水具有较好的穿透能力，其图像能显示出水下地貌与地质构造轮廓，透视深度一般为１０ｍ左右，在特定条件下可达４０ｍ，甚至更深。这些情报数据对于沿海或岛屿登陆作战以及舰艇航行都是很有用的。遥感图像还具有一定的平面定位精度。例如，美国就曾利用“陆地卫星”拍摄了前苏联的拜科努尔发射场，且修正了前苏联故意作出的虚假报道。前苏联公开声称该发射场在中亚哈萨克境内，坐标为北纬４７ｏ１８｀，东经６５ｏ３０｀。实际上，根据“陆地卫星”图像测图发现，它的正确地理坐标应是北纬４６ｏ，东经６３ｏ２０｀。
３．星载导弹预警
导弹预警卫星系统是利用卫星监视导弹的发
射，预报导弹的发射点和落点位置，是国家导弹防御系统获取信息的重要手段。美国从２０世纪５０年代起就开始进行导弹预警卫星系统的研究，于１９７０年发射成功第一颗“国防支援计划”（ＤＳＰ）导弹预警卫星。至今，ＤＳＰ经历了５个技术发展阶段，已发射了２１颗卫星，获取了大量的导弹发射情报。美国新一代导弹预警卫星ＳＢＩＲＳ系统也即将发射。
天基红外系统是美国新型反导系统的重要组
成部分，是美国正在研制的下一代天基导弹预警系
多倍频感应耐压试验装置统，它通过使用探测能力更强的３种轨道混合星座模式和更先进的地面处理分系统，能够为反导系统提供更为有效的天基、过顶红外数据。ＳＢＩＲＳ的３个天基组成部分，包括４颗地球同步轨道（ＧＥＯ）卫星、２颗大椭圆轨道（ＨＥＯ）卫星和２４颗低地球轨道（ＬＥＯ）卫星，其中４颗ＧＥＯ卫星和２颗ＨＥＯ卫星构成ＳＢＩＲＳ的高轨道卫星（ＳＢＩＲＳ－ｈｉｇｈ），２４颗ＬＥＯ卫星则成为ＳＢＩＲＳ的低轨道卫星（ＳＢＩＲＳ－ｌｏｗ）。
ＳＢＩＲＳ－ｈｉｇｈ是以ＤＳＰ预警卫星和原计划部署的警报预警卫星为基础加以改进的结果。２颗ＨＥＯ卫星加强了预警系统对南极和北极地区的监视。ＧＥＯ卫星将采用双探测器模式，每颗卫星都装有高速扫描探测器和交互配对的凝视型焦平面阵列探测器。扫描探测器采用一维阵列对地球的南北半球进行扫描，当探测到强红外辐射后，由凝视型探测器对辐射源进行详细的二维观察。２４０００单元凝视型焦平面阵列对２４０００个敏感单元进行分工，各自探测地球上相对应的一小块区域，当某一敏感单元接收到强烈的红外辐射并发出信号，那么由这一单元所在的位置就能够推算出红外辐射源所在的地区。如果是导弹发出的辐射，由于它们的运动，会使一连串的敏感单元依次发出信号，根据这些单元发出的信号就可以推断出导弹的飞行方向和速度；如果是地面固定红外辐射源发出的辐射，则只有与地面相对应的那些敏感单元不断发出信号来加以排除，以避免产生虚警。另外，ＧＥＯ卫星还将采用洛克希德－马丁公司的Ａ２１００新型平台，增加星上信息处理系统，增强数据处理及报告能力。ＧＥＯ卫星无论是扫描速率还是灵敏度都将比第三代ＤＳＰ预警卫星提高１０倍以上。
边坡防护系统世界前沿技术
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ＳＢＩＲＳ－ｌｏｗ又称“空间与导弹跟踪系统（ＳＭＴＳ）”，２４颗ＬＥＯ卫星飞行在距地面约１６００ｋｍ轨道上，通过采用独特的轨道设计和长波红外探测器，使其具备捕获和跟踪弹道导弹的能力。每颗卫星有两类可独立对准的红外探测器：一个宽视场的捕获探测器和一个窄视场的跟踪探测器。捕获探测器利用短波红外捕获和跟踪助推段发动机的尾焰，接力ＧＥＯ卫星的探测，完成捕获功能。跟踪探测器包括４种波长，其中中波红外具有低空跟踪能力，主要对预警目标进行低空跟踪；中长波红外、长波红外和可见光具有高空探测能力，主要承担导弹中段跟踪和识别，从而可为中段拦截提供弹道估算。反导防御系统接收到来袭导弹精确的终端跟踪数据后，地基可在来袭导弹进入地基雷达预警范围之前点火升空拦截，增大了拦截的战场空间，提高了拦截概率。另外，卫星之间６０ＧＨｚ的传输能力可实现接力跟踪，减少漏警概率；星地间４０／２０ＧＨｚ的链路可保证信息的 传输和融合能力，提高跟踪和拦截引导的准确性。即使地基雷达无法运作，ＳＢＩＲＳ－ｌｏｗ也能提供反导防御系统所需目标跟踪、识别和杀伤评估，拦截弹能根据ＳＢＩＲＳ－ｌｏｗ的跟踪数据发射和修正。ＳＢＩＲＳ－ｌｏｗ还能够引导陆基和海基雷达跟踪目标，增加其探测跟踪能力，能把反导防御系统防御区域增加３～５倍。
前苏联于１９７６年开始发射称为“眼”的预警卫星，卫星部署在近地点为６００ｋｍ，远地点为４００００ｋｍ的地球大椭圆轨道上，到１９８７年发展为由９颗卫星构成的弹道导弹预警网，各星的轨道面间隔为４０ｏ，也是使用红外望远镜探测导弹尾焰，可对弹道导弹的发射进行昼夜监视。
红外焦平面探测器俄罗斯现在部署的是由多颗“预报”号小轨道倾角同步轨道预警卫星构成的天基导弹预警系统，这种预警卫星１９８８年开始发射，质量３０００ｋｇ，星上望远镜能被六瓣型物镜遮光罩所关闭，故可免遭激光致盲和其他反卫星手段的威胁，卫星使用单一的硫化铅电荷耦合器件线阵，它也能探测到加速飞行状态下的飞机。
二、展望
目前，红外遥感成像的分辨率还远低于可见光遥感，这在一定程度上限制了红外遥感的军事
应用。要进一步提高分辨率，一是要研制性能更好的红外探测器，二是要加强红外遥感图像处理方法的研究。
星载导弹预警是一项难度很大的系统工程，它涉及到五大技术领域：监视、捕获、跟踪与拦截效果鉴定技术；定向能武器技术；动能武器技
术；Ｃ３Ｉ系统与数据融合技术；综合支援保障技术。目前世界上只有美国和俄罗斯具有星载导弹预警系统。为了增强我国的军事实力，保障国家的安全，广大科技工作者在提高我国的红外遥感技术水平方面可谓任重而道远。
参考文献：
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ｍａｔｅｒｉａｌ． ＳＰＩＥ．１９９８．
（本文作者：兵器科学研究院工程师）
冯雪艳：红外遥感技术的军事应用
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