凝雲渡暗藏身久，利劍流光照影清

——淺談機載光電設備的幾個問題（一）

鳳凰軍事特約作者：兵器迷的天空

2014年3月1日，2011號J20首飛後，細心的軍迷發現機頭下方有一個鼓包。

圖1: 2011號J20的下巴

2015年12月26日，黃皮2101號J20現身，2016年初首飛。隨後網上出現首飛清晰大圖。網友們再次指着同樣部位的鼓包驚呼“這有一顆痣，這裡明明有一顆痣！”

圖2:  2101號J20的下巴

關於這個鼓包的作用，一時間議論紛起，什麼IRST,EOTS,EODAS,AUEODS,紅外搜索、光電火控、分布式孔徑系統……各種專業詞彙滿天飛，很多觀點還有相互矛盾之處，讓人摸不着頭腦。比如：

各類機載光電探測系統的有什麼特點？

紅外光電設備能作為火控嗎？

EODAS和EOTS是什麼關係？

2011和後續J20試驗機上的這個鼓包，究竟是什麼設備？ 

J20會採用EOTS和EODAS嗎？

等等。

那麼今天，我們就機載光電設備領域的幾個問題，來做一點探討和交流。

首先，還是筆者的路子——先談基礎技術。

機載光電設備發展迅猛，技術集成化程度很高，如果不先了解一些必要的基礎知識，我們很難對EOTS/EODAS這樣的複雜前衛的系統做出深入的理解。對後文做出的相關結論，也難以給出合理的判斷。

走起！

問題一、機載光電設備大概涉及哪些主要技術？

機載光電探測系統，以其被動探測高度隱身為主要優勢，在機載探測技術領域占有重要的一席之地。機載光電技術，僅從光譜這個維度來說，主要涉可見光和微光技術、紅外技術和激光技術。這其中：

1 可見光和微光：

波長範圍是380～760微米。

註：1微米=百萬分之一米=千分之一毫米，以下均用單位符號“μm”表示。

可見光探測技術屬於被動探測技術，隱身性非常好。其核心應用是成像，而且可見光成像技術比較成熟，分辨率也極高。而且理所當然的，既然是（人眼）可見光，其圖像目標的人眼識別率是最高的。可見光技術的主要設備，包括了微光夜視鏡和微光電視、以及可見光高分辨率連續變焦電視機等等。CCD相機主要針對對可見成像，但對紅外也大多敏感，也是重要的紅外成像設備。

2 激光

波長範圍大致從氬氟激光的193nm，一直到二氧化碳激光器的10600nm。

註：1nm=1納米=千分之一微米

激光探測屬於主動探測技術，需要對外發射電磁波。但是因為激光定向發光，發散度極小，大約只有1毫弧度，因此相比雷達波仍屬於低可探測。

註：1毫弧度=0.001弧度=1密位，以下均用單位符號“mrad”表示。

目前其核心應用是測距。激光技術的主要設備激光測距機、激光雷達和激光光斑指示器，等等。

3 紅外線

波長範圍是0.75μm至1000μm。

紅外探測既有主動紅外探測，也有被動紅外探測，我們今天主要談被動紅外探測。被動紅外探測的隱身性也非常好，其核心應用是利用目標與背景的溫差所產生的紅外輻射信號，進行成像探測和熱點探測。機載紅外探測設備一般分為兩類：即機載前視紅外FLIR，和最近熱議的紅外搜索跟蹤IRST。也是我們今天討論的重點。

其實，機載光電系統的類別多，名詞也多，而且混用非常嚴重，內涵不清。因此，下面的討論重在技術原理和功能內涵的討論，名字叫什麼並不是最重要的。

問題二、什麼是FLIR

FLIR的全名是前視紅外系統。主要用於地面目標的探測。不難想象，其主要裝機設備是直升機，和具有對地攻擊能力的固定翼飛機、無人機等。

由於地面目標數量眾多，地質地形背景複雜，往往需要飛行員進行目標識別——就算是一輛坦克，如果是擊毀燒着的就不用打擊，如果是仍有戰力的就要打擊。因此其基礎應用是成像。成像式探測器能顯示紅外輻射目標的圖像, 將圖像與成像數據庫對比，便於制導系統對目標進行分類識別與抗紅外干擾跟蹤。成像視場分為大小兩類（也有大中小三類），一般寬視場用於探測，窄視場用於識別和跟蹤。一般適合單目標識別，不適合多目標跟蹤。

按成像方式，成像制導可分為紅外光學機械掃描式成像和紅外凝視焦平面陣列式成像。同時，高端FLIR往往兼具空中目標的近距成像和遠距熱點探測。其主要工作波長為8-12微米（μm），即所謂的長波紅外。FLIR的空間分辨率可達0.1-0.4mrad,熱靈敏度由於0.1℃，作用距離30km，最新改型可達50-60公里。

既然FLIR的基礎功能是成像，那麼成像器件就是設備核心。所以才有我們軍迷普遍了解的三代紅外成像設備，即：

第一代掃描線列紅外探測器；

第二代掃描陣列紅外探測器；

第三代凝視焦平面陣列紅外探測器。

長波紅外探測器陣元器件大多為：製冷型量子阱探測器、製冷型長波碲鎘汞（HgCdTe）探測器、非製冷型多晶硅探測器和飛製冷型氧化釩探測器。

僅舉第三代成像探測器為例：如V-22魚鷹運輸機採用了640X480的焦平面凝視紅外傳感器，AH-1Z眼鏡蛇直升機採用了洛馬AM/AAQ-30的640X512紅外焦平面陣列探測器。而捕食者無人機的MTS光電跟蹤設備，採用了640X480的製冷型紅外焦平面陣列探測器。

問題三、什麼是IRST

IRST的全名是紅外搜索和跟蹤系統——筆者對此很有意見：僅僅從名稱上看，其實根本無法知道FLIR和IRST這些概念都意味着有什麼不同點。兵器迷啃牆皮的時候，發現連很多論文對此都模糊混用。因此我們下面還是側重談功能和應用吧。

與對地為主的FLIR不同，IRST探測系統主要用於對空熱點目標探測。點源式探測器把目標當作輻射紅外線的點, 只能顯示目標的紅外輻射能力, 不能反映目標的實際結構與形狀, 按響應方式可分為光子探測器和熱探測器。主要裝備固定翼戰機。其中，中國軍迷最熟悉的，應當是蘇27的“OEPS-27光電雷達”。

圖3：蘇-27的OEPS-27

其實，將IRST叫做“光電雷達”是有幾分神似的。因為IRST的工作方式大範圍搜索多目標點源，與雷達的工作方式確有幾分相似——想想雷達屏幕上密密麻麻的目標點。當然前者是被動的，後者是主動的。而有些文獻把單目標成像為主的FLIR也稱作光電雷達，就有些不合適了。當然，較真的人會說也有成像雷達啊……好吧，我們不談名詞了，談功能，繼續。

老毛子最新的IRST，是即將裝備SU35的OLS系統，正面觀測165°。俯仰角度分別為：15°和60°。最大觀測距離對戰鬥機為100-150公里。對空空導彈觀瞄距離則可以達到50-100公里。模塊化生產總計重量不超過60公斤。

由於空中目標相對少，背景簡單，成像需求相對小於地面搜索，因此其基礎應用是點源探測，以發現熱點目標為主。如發動機噴口、圍棋和熱蒙皮進行探測、搜索和跟蹤。目標飛得越快，表面溫度越高，這時IRST對目標的探測距離就越遠。所以，非常適合高空高速多目標的探測。同時，兼具對地熱成像和輔助導航。主要工作波長為3-5μm波段，即中波紅外。

中波型紅外探測器陣元器件大多為：硫化鉛(PbS)探測器（已淘汰）、製冷型中波碲鎘汞（HgCdTe）探測器和製冷型中波銻化銦（InSb）探測器

說到這裡，網上爭論的問題來了——

問題四、中波紅外和長波紅外哪個更有優勢？

點評：撓撓頭……這個問題還真不好說。因為二者的確各有所長。根據軍方某研究院2014年的公開文獻，分別做出二者的優劣勢介紹如下：

3-5微米的中波紅外更加適用的場景：

低空背景的觀察

高熱高濕環境——所以，在熱帶叢林地帶，或者水上艦船平台，相對比較適合。

300K以上的高溫目標——這個特點也很贊。因為，常規戰術導彈發動機，其光輻射能量主要集中在近紅外1-3μm和中紅外3-5μm波段範圍內。特別在2.7μm和4.5μm有兩個較強的輻射峰。

大範圍多目標探測

看到沒？後一個輻射峰4.5μm正處於中波紅外探測器3-5和4.5μm的範圍內。這就是為什麼中波紅外常用於反導偵查的緣故。

8-12微米的長波紅外更加適用的場景：

高空背景的觀察；

有煙霧需要更好的透視能力的場景；

300K以下的低溫目標；

小範圍甚至單目標探測

長波紅外器件的罩體材料比較難找；

還有很重要的一點，長波探測器的價格一般是中波探測器的2倍到3倍。

用中國兵工集團首席光電專家紀總的話來說：中波和長波紅外，二者孰優孰劣，還是一個爭議中的課題。瞧，連首席都這樣講，咱軍迷對此有爭論，那也是再正常不過了，呵呵。

問題五、目前，紅外光電探測器的發展趨勢如何？

目前在技術發展上，有三個比較明顯的趨勢。

一是多波段探測，即長波紅外和中波紅外甚至短波紅外可以同時探測。長波紅外FLIR和中波紅外IRST設備，分別側重對地成像和對空點源，其跟蹤方式、軟件算法、器件材質、硬件結構都有不同。隨着寬頻紅外敏感的材料和器件的研發獲得進展，多波段、多功能合一的紅外探測器，將成為新趨勢。

二是非製冷器件：採用非製冷焦平面陣列探測器。這個大家都知道，而且會拿製冷與否來衡量國產紅外探測器的技術優劣。這個判斷的大方向是不錯的，不過還是要補充一點：至少以目前的技術水平，從紅外探測器的核心指標——靈敏度NETD來看，製冷器件依然明顯優於非製冷器件。舉例來說，製冷器件的幀頻可達200Hz以上，而非製冷器件普遍在100Hz以下。而幀頻越高，自然數據處理越精細，探測效果越好，所以高性能探測還是用的製冷器件。

三是高分辨率：百萬像素甚至更高階的高分辨率成像能力正在投入工程應用。由於精確制導武器和各種對抗性干擾技術的對立螺旋式發展，簡單的點源制導越來越無法滿足複雜戰場環境的要求。精確光電制導武器的威力在很大程度上依賴於目標識別和目標跟蹤的結果。因此，高分辨率紅外成像制導的第四代紅外導引頭，必將對基礎的點源制導IRST形成超越之勢。

筆者說這些趨勢，是啥意思呢？就是一句話，如果上述目標都能在經濟科承受的範圍內達到，估計FLIR和IRST就完全可以合併了。

問題六、IFLIR、IRST能作為火控系統嗎？

這個，也是網上很糾結的一個話題。

筆者對此的回答是否定的。

這是因為，從前文的技術來看，基礎的FLIR和IRST都只是運用了被動紅外技術。二者都可以在不暴露自身無線電信號的情況下，進行隱蔽的搜索，跟蹤成像或點源，以保護載機的隱身性。

但是——均無法精確測距。

而無法精確測距，就難以作為火控瞄準系統使用，特別是對空中移動目標。不但進行火控級別的武器引導困難，就連偵查警戒時的多目標威脅排序都很難。因為沒有精確測距能力的系統，如果連目標遠近都分不清，當然也就無法做威脅排序。

比如，《中國航空報》文章報道了我國中航工業洛陽光電所，2014年競標某型預警系統研製，團隊進行了競標。網上分析認為，這是安裝在預警機上的前視紅外搜索與跟蹤系統（IRST），其技術特徵可能與美國E-2D預警機上使用的SIRST系統相似。

如果上述分析是正確的，那麼，需要補充的就是：即便是21世紀的SIRST系統，也僅具有角度跟蹤能力，而不具備測距能力。也就是說，SIRST仍屬被動紅外技術，只能對發現的目標測角，包括方位角和高度角，但依然無法精確測距。

被動探測技術無法測距，或者無法高精度測距，這是目前的技術水平限製造成的。雖然被動測距技術也在發展，並創造了角度幾何測距、圖像測距和輻射衰減測距三類近十幾種被動測距法，但成本高昂、算法複雜、限制條件多、測距精度差的問題始終沒能有效解決。

舉例來說：有些IRST是可以被動測距的。西安某大學近年來對中波和長波紅外為基礎的研究表表明，IRST系統被動測距時的誤差在7%左右。這還是對海上勻速直線運動的情況下得出的計算結果，自然難以達到火控系統的精確要求。

那麼，怎樣才能讓光學偵查達到火控要求呢？

預知後事如何，且聽下回分解。