机载红外夜视装备是现代飞机的重要传感器，主要用于辅助低空飞行、飞行着陆、侦察瞄准等用途。机载红外夜视主要利用目标与背景的热辐射进行成像，并送给飞行员进行视觉观察，工作波段主要覆盖短波、中波和长波。
机载红外夜视技术可分为被动红外夜视技术和主动红外夜视技术，被动红外夜视技术是借助目标自身发射的红外辐射成像，从而实现对目标的观察；主动红外夜视技术是通过主动照射并利用目标反射红外光成像。图１所示为典型红外夜视系统组成。
图1 典型红外夜视系统组成
据麦姆斯咨询报道，近期，中国电子科技集团公司光电研究院的科研团队在《真空电子技术》期刊上发表了以“机载红外夜视技术及其发展趋势”为主题的文章。该文章第一作者为朱卓高级工程师，通讯作者为李季波高级工程师。
本文总结了机载红外夜视装备现状，介绍了国外典型机载红外夜视装备的技术特点及其在辅助低空飞行、飞行着陆和夜间侦察／瞄准方面的应用，分析了目前机载红外夜视技术应用挑战及多光谱图像融合、大面阵高清红外成像、智能辅助飞行、三维视觉成像等技术发展趋势。
国外典型装备情况
民用领域
国外机载红外夜视装备已被应用于民用飞机领域，辅助飞行着陆与导航。
增强视景系统（EVS）是典型的机载红外夜视装备，采用红外传感器等设备获取飞机外部场景图像，进行图像增强处理，并在飞机平视显示器（HUD）上显示，使飞行员在包括雾霾、雨雪、烟尘低能见度和夜间情况下，能够更好地识别周围地形、机场跑道、辅助导航和着陆。EVS提高了飞机在起飞、低空飞行和着陆过程中的视觉感知能力，提升了执行任务期间人员的安全性。
增强飞行视景系统（EFVS）是EVS与HUD的综合，它将EFVS获取飞机前方场景的红外图像与HUD上显示的主飞行信息融合，显示在飞行员前方的屏显系统上，保证所显示的图像、符号与外界场景是重合的。EFVS能够增强飞行员的视觉感知能力，在夜晚低能见度条件下，EFVS能将飞机前方场景呈现给飞行员，从而增强飞行员的着陆感知能力，提高操作的准确性。Sierra Nevada公司预计EFVS系统将成为商用飞机的标准配置。
国外典型相关装备有EVS Ⅱ传感器、CMA-2700传感器等，其参数及装备平台情况如表1所示。
表1 设备参数及装备平台
EVS Ⅱ传感器是由科尔斯曼公司生产的，由前视红外成像组件和红外光窗等组成，如图2所示。EVS Ⅱ传感器在夜间和其它低能见度条件下，显著提高了飞行员的视觉观察能力，从而允许飞行员在恶劣气象环境下着陆。
图2 Kollsman EVS Ⅱ的传感器及其在飞机的装机位置示意图
如图3所示，CMA-2700传感器是CMC Electronics公司开发的第三代SureSight™ EVS红外设备，该传感器采用了双波段锑化铟焦平面红外探测器阵列，具有先进的14位数字处理和动态非均匀性矫正能力，支持飞机适应夜间着陆能力。
图3 CMA-2700传感器设备
军用领域
国外机载红外夜视装备已被广泛应用于军用飞机领域，一般采用多功能复合体制，除具备导航、着陆功能外，还可实现夜间侦察／瞄准功能。
直升机载红外夜视装备
法国Sagem公司开发的Euroflir 410系统装备于直升机平台，用于飞行导航、夜间侦察、目标识别和打击指示引导。该系统光电转塔包含了中波红外成像传感器、电视传感器、微光夜视传感器、激光测距机、激光照射器及光斑跟踪器，转塔质量不大于45 kg。配备红外成像传感器具有光学自动变焦功能，电子变倍后最小视场可达0.16°，可以更好地在夜间识别目标。系统除具备地理跟踪、地理指示及地理定位功能外，还具备对目标的成像识别能力，该系统对地面装甲车目标的识别距离为9.5 km，确认距离为5.5 km。
图4所示为加拿大L3 WESCAM公司研制的MX-25/25D成像与目标瞄准系统，也是采用高清多光谱探测技术、先进的图像处理技术、固态IMU内置技术、短波红外成像技术和激光目标指示技术，可为飞机提供对飞行环境的准确判断，辅助飞行员完成复杂环境下的高安全度飞行与着陆任务。
图4 MX-25设备及其在阿帕奇飞机上装机验证图
战斗机载红外夜视装备
F-35飞机的光电系统作为当前最先进的机载光电传感器系统，是典型的战斗机载红外夜视装备，包括光电分布孔径系统（EODAS）和光电侦察瞄准系统（EOTS）。EODAS由6套分布于机身的中波红外焦平面阵列传感器和光窗组成，每个传感器覆盖90°×90°视场，通过图像无缝拼接，为飞行员提供360°球形空域视野，通过对图像进行算法处理，实现昼夜导航、对面目标打击瞄准、对空红外搜索与跟踪、红外态势感知、全空域导弹逼近告警及毁伤效果识别等能力，图5所示为EODAS对地面的大视场显示图像和目标场景标识。EODAS获取的夜视图像和经过处理的识别符号可以叠加到F-35飞机的头盔显示器上，辅助飞行员了解周围态势。
EOTS位于机头下方，由中波红外探测器、激光测距指示／点跟踪器、方位俯仰伺服调转机构和光窗等部件组成，首次集成了前视红外侦察（FLIR）、红外搜索与跟踪（IRST）和激光指示瞄准等功能，具备前向对空远程搜索与跟踪、对面目标跟踪识别、激光测距与指示和激光光斑跟踪等能力，实现对地、对海面等目标的打击火控引导指示能力，图6所示为EOTS对地面目标成像图。美国空军使用EOTS的高分辨率红外探测技术，可以从更远距离探测和识别空中目标，也可用于暗夜中视觉识别和监视地面目标，显著增强了夜视交战的能力。
图5 F-35飞机EODAS系统观测到的夜间地貌
图6 F-35飞机利用EOTS进行空对地成像图
吊舱红外夜视装备
图7所示为F-15E战斗机挂装红外夜视设备显示的红外图像。美军从80年代开始，先后装备了多款带有前视红外（FLIR）的吊舱，从最开始洛·马公司的“蓝盾”（LANTIRN）吊舱，到最新一代洛·马公司的“狙击手”先进瞄准增强型传感器吊舱和诺·格公司“莱特宁”吊舱的增强型传感器吊舱。与“蓝盾”吊舱相比，新一代吊舱能显示更清晰的视频图像。此外，这两款吊舱都有能力将这些视频图像信息发送给地面部队，提供重要情报。
图7 F-15E战斗机平视显示器上的前视红外画面
国外应用情况
辅助低空飞行
战机在中高空的飞行条件下，很容易被敌方发现和攻击，为了实现作战目的，飞行员会采用低空突防模式对目标进行攻击。当飞机在夜晚低能见度条件下低空飞行时，飞机的飞行环境复杂，驾驶员的视觉能力受到限制，无法快速有效地了解机身外部环境，无法对航迹上的高山、森林等危险目标和障碍进行有效规避，易导致事故发生。
如图8所示，机载红外夜视装备输出的图像可在昼夜及不良气象条件下显示出作战飞机航路前方及下方的地形地物图，并将其叠加在飞行员前方的显示器上，提供航路上的地形地物信息，支持恶劣气候条件下的导航和地形回避。通过实时显示红外图像，提供夜间和不良气象条件下的助降、地形回避能力，具备编飞及夜视能力。
图8 光电辅助导航
飞机着陆
飞行员在着陆过程中，由于受夜晚光线暗或雨雾等低能见度天气影响，跑道及其周围指示灯的可视性变差，导致飞行员通过视觉获取的跑道及周围信息不足，无法正常降落。在民用领域，以EFVS和EVS大量应用于民用飞机起飞降落。在军用领域夜视指令，在不确定战场环境下，不具备民航领域的基础导航定位、传感与地图信息，美军已开展了降级视觉环境缓解（DVE-M）项目。
美国的Sierra Nevada公司使用多种传感器实时融合地形、图像和地面障碍数据，然后在EVS的支持下，根据字符系统和指令的引导，为飞行员的飞行路线提供目视标志。该公司正在研发多传感器融合系统。随着真正EVS系统的部署，军方将能够在不受粉尘、雾、雪和其他环境灾害限制的情况下飞行，还降低了在仪表飞行规则条件下的最低着陆高度。
罗克韦尔柯林斯公司EVS-3000型辅助着陆系统在飞机平显上叠加的着陆图像如图9所示，根据字符系统和指令的引导，为飞行员的飞行路线提供目视标志。
图9 在平显上叠加着陆图像
慕尼黑工业大学开发了C2Land的自动着陆系统，借助于计算机视觉来识别跑道并引导飞机降落。区别于传统的仪表着陆系统（ILS），该自动着陆系统无需依靠地面和机载接收器上的无线电信号来确定飞机的位置信息，而是利用红外和可见光传感器获取机场跑道、指示灯等场景图像，适用于低能见度环境条件。在获取空速与高度信息后，系统还可通过处理计算得到飞行路径实现着陆。图10所示为该系统获取的飞行着陆阶段红外和可见光图像。
图10 C2Land的自动着陆系统
DVE-M项目通过开发和评估多项技术，使旋翼机能够在低可见度条件下工作，旨在增强飞行员在复杂环境下的感知能力，降低安全事故。2013年，美国军方与Sierra Nevada公司签订合同，在陆军直升机上开展DVE-M项目测试。2019年，美国空军装备司令部与Sierra Nevada公司签署了一项价值7490万美元的合同，拟在85架HH-66G“铺路鹰”直升机上安装DVE系统，以提高飞行员在夜间及不良气象条件下的视觉感知能力。
夜间侦察/瞄准
现代战争通常选择“月黑风高”的夜晚实施攻击夜视指令，以最大限度地利用“单向透明”的战场态势，发挥己方红外夜视装备优势。夜间空袭依托机载红外夜视装备，能分清500米之外的目标和几千米之外的山峦、村庄，具有全天候发现、定位目标的能力，提高了飞机的战术使用灵活性和作战效能。
现代战机装备先进红外夜视装备对于保证飞机的作战效能是十分重要的。在夜战场上，对于拥有夜视装备优势的一方来说，夜幕已不复存在，反而还成了占优势一方。如海湾战争中，多国部队飞机配备了机载红外夜视装备，使飞机在雷达和无线电静默下探测、跟踪和攻击目标。
技术应用挑战与发展方向
机载红外夜视技术应用挑战主要有以下三个方面：
（1）作用距离较近
图像分辨率和灵敏度是红外夜视装备的重要参数，受制于当前红外夜视技术发展现状，现有机载红外夜视装备存在对目标成像距离相对较近、识别分辨率不高的现状。
（2）机载红外夜视设备显示颜色单一
现有红外夜视设备的成像会“失去颜色”，单一的颜色显示不利于飞行员对外界环境的视觉感知。一方面，机上显示设备都会变成单色，失去了其原先颜色代表的意义或者起到的作用；另一个方面，会影响外界的灯光使其变成单色，如机场跑道的精密进近航道红、黄指示灯。此外，飞行员持续观察显示器上的白色、绿色图像信息可能会引发视觉疲劳等情况，也不利于飞行。
（3）大数据存储与计算资源有限
机载红外夜视设备具备了在较大视场下捕获广域动态图像并实现监视的功能，会产生大量数据，目前已有的机载数据存储设备已不能满足需求，尤其是随着大面阵红外夜视设备的发展，会产生更大的数据量，这就要求飞机具有大数据存储的记录设备。
随着机载红外夜视新技术纷至沓来，机载红外夜视设备的工作波段不断拓展、视场空域不断增大、可视距离不断提升、新质能力不断健全，逐渐成为军民飞机的标配。机载夜视技术的发展重点集中在以下几个方面：
（1）多光谱图像融合
不同波段的传感器可满足不同作战场景的需求，短波红外传感器的烟雾穿透能力强，相比中波红外传感器在目标与场景温度差异大的情况下成像效果好，长波传感器在目标与场景温度差异小的情况下具有更好的成像效果，微光传感器的生成图像与可见光图像相仿，更符合人眼视觉观察。
通过图像融合技术，将多波段红外成像图像和微光夜视图像合成为一幅图像，这种技术有助于综合发挥微光成像和红外成像两种技术的优势，拓展视觉显示波段范围，使图像纹理细节更丰富，可有效提升机载夜视设备的观察能力。
（2）大面阵高清红外成像的应用
高性能光电探测器是机载夜视设备的核心，随着半导体集成和工艺等关键技术突破，探测器朝着小像元尺寸、大面阵规格方向发展。小像元能够使探测器小型化、提高系统分辨率、增加探测距离。大面阵探测器的分辨率更高、观察的目标细节更丰富、探测距离更远。目前，在红外探测器方面，雷神公司研发的红外探测器像元达到4096×4096，已成功应用于美国空军天基红外预警系统。将小像元、大面阵探测器应用于机载夜视设备中，更能够实现对夜晚目标的远距离、高清探测。
（3）增强飞行视景系统智能化发展
机载增强飞行视景系统将在夜间飞行安全领域发挥更加重要的作用，朝着智能感知、人机交互方向发展。增强飞行视景系统可利用传感器对机外场景进行多维信息感知，在探测到跑道、障碍物等威胁目标时，实施智能辅助决策，支持完成各种飞行动作、信息处置，为飞行员提供决策支撑。
（4）向主动夜视技术应用拓展
随着短波、中波、长波红外激光器技术发展，以及垂直腔面发射激光器（VCSEL）技术发展与应用，在夜间成像基础上融入了激光主动探测，进行三维识别，可在二维图像显示器上显示三维信息。三维视觉成像技术已逐步应用于汽车自动驾驶，后续机载夜视技术也将拓展三维成像识别功能，提供飞行员更多维度信息，进一步增强夜间视觉感知能力。
结束语
本文对机载红外夜视装备现状进行了综述，介绍了国外典型机载红外夜视装备的技术特点，分析了机载红外夜视技术在辅助低空飞行、飞行着陆和夜间侦察／瞄准方面的应用，讨论了该技术的应用挑战，给出了向多光谱图像融合、大面阵高清红外成像、增强飞行视景系统智能化发展、主动夜视技术应用拓展等方面发展的趋势。
论文链接：
DOI:10.16540/j.cnki.cn11-2485/tn.2023.06.15
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