本文內容轉載自《紅外技術》2020年第7期，版權歸《紅外技術》編輯部所有。
張坤傑
昆明物理研究所
摘要：在軍用紅外技術的早期發展階段，歐美基於熱成像系統關鍵部件的通用化形成了通用組件概念。通用組件雖然減少了工程上選擇不同技術方案的餘地，但是降低了熱成像系統的研發成本和使用維護費用，有利於批量生產。美國以一代通用組件為基礎形成了SADA系列組件，在SADA基礎上推出的水平技術集成（Horizontal Technology Integration，HTI）項目，實現了軍用熱像儀的批量生產和裝備。介紹了歐美通用組件技術的發展歷史和現狀。隨著探測器、微電子等相關技術的發展，通用組件已經從原來的Common Module轉變為Module。
關鍵詞：通用組件；熱像儀；軍用紅外技術
0 引言
紅外技術是典型的軍民兩用技術。二戰後，軍用紅外技術在以美國為代表的西方發達國家得到快速發展。以美國為例，先後投入巨資實施了70多項軍用紅外項目，裝備範圍包括坦克、車輛、飛機、艦船、輕武器瞄準鏡、戰術飛彈、戰略飛彈、反導系統、火控系統、戰場監視和觀察設備，以及單兵偵察設備等。在軍用紅外技術發展的早期階段，因為軍方對每一種熱成像系統的採購都是獨立進行的，各系統的主要部分都存在著重複設計、性能大同小異等情況，導致採購數量停留在較低水平，成本和可靠性方面都無法得到批量生產的優勢，為了解決這一問題，產生了通用組件概念。經過幾十年的發展，歐美國家已經形成了高水平的通用組件技術（群）。本文介紹了歐美通用組件技術的發展及趨勢。
1 一代通用組件的產生
1972 年，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的研發人員發現，在熱成像系統的大量應用中，前端光學系統和末端顯示器是需要定製的必要部件，約佔系統成本的35%，所有熱成像系統都需要使用的探測器、掃描器和信號處理電路等關鍵部件不需要定製，成本約佔45% ~ 70%，將關鍵部件標準化，在不同的裝備平臺之間形成通用組件，可降低製造成本。通用組件（Common Module）是標準化的光學和電子學套件，將其作為每一特殊熱成像系統的核心部件，再根據裝備平臺的指定要求，配備所需的前端光學系統和顯示器，組成構形、視場、顯示與性能各不相同的完整熱像儀，其核心思想就是「關鍵部件通用化」。由於組件標準化，可以減少維護、補給、訓練等其它費用支出，滿足系統性能、封裝限制和維護要求，具有較高的有效性、可靠性和可維護性。
根據美國軍方需求，美國第一代通用組件誕生於1976年，共分為探測器/杜瓦瓶、制冷機、掃描器、熱成像儀、發光二級管陣列、可見光準直器、前置放大器、偏置調節器、主放大器/驅動器、掃描/隔行電子學和輔助控制電子學11個部分。採用並掃模式，低、中、高三級性能，分別使用60元、120元和180元碲鎘汞（MercuryCadmium Telluride，MCT）探測器。60元探測器一般用於反坦克飛彈火控瞄準鏡，120元探測器一般用於坦克瞄準鏡系統，180元探測器一般用於機載熱成像系統。
與此同時，英國於1976年批准了通用組件方案，1982年投產。英國熱成像通用組件最初分為3類，I類用於可攜式熱成像系統，採用雙排23元MCT探測器；II類用於與電視兼容的監視系統；III類用於較敏感的飛行員輔助觀察系統。20世紀80年代，英國研究人員研發出基於8~ 13 μm SPRITE（Signal Processing In The Element）探測器的非直視型熱像儀，可在探測器內完成信號處理，不需要時間延遲積分電路。I類可攜式直視型熱成像通用組件不能利用SPRITE探測器的成像優勢。帶有大口徑光學系統的SPRITE熱像儀具有較好靈敏度，所以更高靈敏度的III類掃描器組件只做了樣機，沒有投入生產。因此，II類通用組件成為基於SPRITE探測器的非直視型熱成像通用組件（Thermal Imaging Common Modules，TICM
II），由遠焦系統、寬角度、雙掃描機構模塊、1個探測器鏡頭和8條MCT SPRITE探測器組成，8條SPRITE的性能相當於100元以上的多元探測器。
法國於1975年開始對通用組件進行預研，1980 ~ 1981年完成樣機研製和通用組件系統評價，1985年中期投產，國家批准建立生產線，批量生產通用組件、組裝應用系統，其應用平臺和領域則根據法國三軍的各種合同和要求進行。1987年交付第一批通用組件產品。採用串並掃模式，使用5 × 11元MCT光伏型探測器，包括探測器、制冷機、掃描器、LED顯示器、LED電子單元、小型CRT監視器、線性電子單元、信號處理、傳感頭自動測試和電子學自動測試10個組件。在此基礎之上，著手研發第二代通用組件的同時改進第一代。
2 SADA組件的應用
20世紀90年代，美國國防部為了標準化美軍使用的二代前視紅外（Forward LookingInfrared，FLIR）系統，在一代通用組件的基礎上制定了標準的先進杜瓦組件（Standard Advanced Dewar Assembly，SADA）系列，由紅外焦平面陣列、杜瓦、指令/控制電子單元和低溫制冷機組成，分為SADA I、SADA II和SADA III三類。SADAI用於美國Apache直升機光電火控系統等高性能熱成像系統，SADAII用於M2A3 Bradley步兵戰車、M1A2Abrams主戰坦克、美國陸軍遠距離目標獲取偵察監視系統（Long Range Advanced ScoutSurveillance System，LRAS3）等中性能熱成像系統，SADA III用於標槍指揮發射裝置、單兵肩扛式標槍飛彈等緊湊型或低性能熱成像系統。
2005年12月，Raytheon公司與DRS公司籤訂了價值180萬美元的合同，用於生產安裝在M2A3 Bradley步兵戰車和M1A2 Abrams主戰坦克上的SADA II組件。2008年2月，Raytheon和DRS公司又籤訂了另外兩份合同，總價值4880萬美元，用於生產安裝在M1A2主戰坦克、M2A3步兵戰車和LRAS3系統中的SADA II組件。
SADA II使用了480 × 4 MCT長波紅外探測器。用於Javelin指揮發射裝置平臺的SADA IIIA和SADA IIIB分別使用了240 × 2 MCT和288 × 1/240 × 4 MCT焦平面，SADA IIIB的探測器張角為44︒ × 51︒（水平角 × 俯仰角）。為了增加靈敏度和作用距離，SADA II在時間延遲積分內用了6個光伏探測器。SADA IIIB在時間延遲積分內用了4個光伏探測器。
SADA IIIA和SADA IIIB分別被封裝在一個帶有線性驅動斯特林循環制冷機和指令/控制電子元件的集成式杜瓦組件中。單片長波紅外器件由探測器晶片和矽讀出電路晶片集成在一起，包含盲元剔除和自動增益補償功能。表1為SADA II和SADA III系列通用組件的技術參數。
目前，Apache直升機「箭頭」光電火控系統集成了基於SADA I的M-TADS（ModernizedTarget Acquisition Designation Sight）/M-PNVS（Modernized Pilot Night Vision Sensor）熱成像接收器。Bradley步兵戰車安裝了基於SADA II的增強型Bradley目標獲取子系統（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2子系統，IBAS BLOCK2基於IBAS產生，主要改進在於能夠高清、高解析度彩色成像，優於過去的黑白成像。安裝在美軍密集陣火炮系統上的艦載熱像儀（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2是DRS公司推出的基於SADA系列通用組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統、IBAS BLOCK2子系統和PTI熱像儀的技術參數。
表1 SADA II和SADA III系列通用組件的技術參數
表2 DRS公司推出的基於SADA系列組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統、IBAS BLOCK2子系統和PTI熱像儀的技術參數
3 二代前視紅外水平技術集成
1993年2月，為滿足將熱像儀批量集成到現有和未來作戰/非作戰車輛的光電瞄準鏡上的需求，美國陸軍提出二代FLIR的水平技術集成計劃，即二代FLIR通用組件計劃，專用於研發和集成二代FLIR通用組件，探測器元件為SADA II。通過對比提供相似性能的多種專用系統和應用於多種平臺的單一系統的製造成本，HTI FLIR實現了製造研發階段的成本節約。為了與坦克炮或飛彈系統的有效作用距離兼容，HTI在一代通用組件的基礎上增加了1.5倍以上的探測距離和2倍的識別距離。該項目的目標是開發一款名為HTI NV-80套件B（HTINV-80 B-Kit，以下簡稱為套件B）的標準熱像儀，通過利用名為套件A（A-Kits）的車輛專用集成部件來實現在M1A2 Abrams主戰坦克、M2A3 Bradley步兵戰車和LRAS3系統中的安裝。安裝在M1A2 Abrams主戰坦克和XM8輕型坦克上的套件B需要對現有車型進行改造。安裝在M2A3 Bradley步兵戰車和LRAS3系統中的套件B是全新開發的二代HTI FLIR系統。
套件B可在30Hz非隔行掃描和60 Hz電子交錯掃描兩種模式下工作。縱橫比為16:9，寬視場為7.5° × 13.3°，窄視場為2.0° × 3.56°，具有2倍和4倍的電子變焦能力，提供兩種數字輸出和兩種模擬輸出。與一代通用組件相比，系統性能可將識別距離增加2倍、確認距離增加約50%。
套件B分為兩個外場可更換單元：傳感器組件和通用電子單元。傳感器組件由遠焦系統組件、熱像儀組件和探測器/制冷機組件構成。光機組件的第一部分是遠焦系統組件，第二部分是熱像儀組件，其中探測器/制冷機組件使用了SADA II探測器和線性驅動制冷機。通用電子單元包含視頻處理器電路板、視頻轉換器電路板、接口控制電路板、電源、備用電源、幀積分/對比度增強電路板和未來應用的擴展插槽。
美軍項目管理對低速初期生產（Low Rate Initial Production，LRIP）的定義是指系統（不包括艦船和衛星）以有限數量進行的生產，其目的是為使用試驗和評價提供代表批生產的試件，建立初步生產基地，使生產率有序增長、以便使用試驗成功完成後進入大批量生產。文獻介紹的HTI項目包括兩個LRIP合同，一個是套件B的LRIP合同，另一個是M1A2主戰坦克瞄準鏡的LRIP合同。具體數量為：9套用於M1A2主戰坦克的車長獨立熱像儀；11套用於M1A2主戰坦克的炮長主瞄準鏡的熱成像系統；12套用於M2A3車長獨立觀察裝置的套件B；6套用於M2A3增強型Bradley目標獲取系統的套件B；9套用於M8裝甲火炮系統的炮長主瞄準子系統的熱成像系統；4套用於LRAS3的帶有遠距離光學系統的套件B；2套用於合格性測試的套件B。
1994年7月，HTI項目獲得「裡程碑I/II（Milestone I/II）」許可。第一批套件B從1994年11月開始交付美國軍方，1997年3月底，共生產完成61套套件B/瞄準鏡。經過20多年的發展，HTI技術已十分成熟，覆蓋範圍包括製冷型和非製冷型探測器，車輛平臺包括作戰和非作戰車輛。例如，DRS公司基於HTI技術開發的駕駛員視覺增強器（DVE）的月產能達到2500套，可在30天內裝備美軍的一個旅級單位。
據公開資料報導，美國陸軍與DRS公司籤訂了一項總額為6700萬美元的合同，指定後者為美軍M1A1 Abrams主戰坦克、Bradley步兵戰車、Stryker輪式裝甲車提供基於HTI二代FLIR技術的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。該合同將於2026年完成。
4 通用組件技術中的制冷機
為滿足二代FLIR系統不同的製冷需求，美國夜視和電子傳感器部門（NVESD）研發了一系列線性驅動制冷機。與具有相似性能的制冷機相比，成本較低（10000美元以下）、壽命較短（平均故障時間為4000 ~ 8000 h）、冷卻時間較快（在不到15 min的時間內溫度達到80 K），會受到溫度過高或過低、較大程度的機械衝擊和工作環境中常見的振動等影響。為了改進旋轉式制冷機可靠性低、多軸振動、噪聲過大、缺少溫度穩定性等缺點，線性驅動制冷機提高了可靠性、降低了成本、改善了平均故障間隔時間。
美國國防部定義的線性驅動制冷機系列的功率有0.15 W、1.0 W、1.5 W和1.75 W，是斯特林循環、雙對置活塞、線性驅動單元，與SADA系列的集成通過用於驅動線性電機和冷端溫度控制的外部或者內部控制電子單元來實現。
0.15 W線性驅動制冷機用於可攜式反坦克飛彈系統的Javelin指揮發射單元。因為可攜式系統由電池供電，制冷機效率較為重要，所以0.15W制冷機的設計使膨脹器靠近壓縮機，可通過非常短的傳輸線實現。1.0 W線性驅動制冷機應用於美國陸軍二代FLIR水平技術集成項目。因為應用範圍較廣，所以1.0 W制冷機主要專注於限定製造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W制冷機最初用於高性能FLIR系統，例如，Apache直升機、現已取消的Comanche直升機和量子阱熱成像系統。由於重量原因，已被重量更輕的1.5 W制冷機所替代。1.5 W制冷機用於高性能FLIR系統，在1.0 W制冷機的基礎上改進而來，其冷卻或者製冷量的需求都超過了1.0 W制冷機。重量較輕，是Apache直升機使用的1.75 W制冷機的替代件。
5 結束語
在軍用紅外技術應用的早期階段，由於需要裝備熱成像系統的武器平臺種類繁多，各有差異，如果每個武器平臺研發一套熱成像系統，將形成數量眾多、功能大同小異的系統組件，導致研發成本上升，產品缺乏通用性和互換性。通用組件符合標準化、規範化和通用化趨勢，預留進一步發展的空間。美軍紅外項目一般以成熟的通用組件技術為基礎實現工程化。通用組件雖然減少了工程上選擇不同方案的餘地，但提高了可生產性，降低了工程製造開發的成本。
通用組件的初衷是為了控制成本，它是以犧牲組件的靈活性、先進性、獨特性為代價的。通用組件技術實施以後，紅外技術發展迅速，一方面探測器的規格從通用組件時的幾個線列（例如，288 × 4、480 × 4等）逐步發展到半幀、全幀，甚至百萬像元的高清格式焦平面陣列。另一方面，隨著微電子技術的發展，實現同樣功能所需的硬體體積變小、重量變輕，使得原來需要用幾塊電路板實現的功能可在一塊電路板上實現，在控制成本的同時可以實現組件的靈活定製，這種趨勢導致對通用性的需求逐漸弱化，反映在英文文獻中就是Common Module的提法逐漸被Module取代，但是這並不意味著通用化的思想被揚棄，Common依然深刻地滲透在Module的設計研發過程中，只是從大Common變為小Common。
推薦培訓：
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