機載紅外夜視裝備是現(xiàn)代飛機的重要傳感器，主要用于輔助低空飛行、飛行著陸、偵察瞄準等用途。機載紅外夜視主要利用目標與背景的熱輻射進行成像，并送給飛行員進行視覺觀察，工作波段主要覆蓋短波、中波和長波。

機載紅外夜視技術可分為被動紅外夜視技術和主動紅外夜視技術，被動紅外夜視技術是借助目標自身發(fā)射的紅外輻射成像，從而實現(xiàn)對目標的觀察；主動紅外夜視技術是通過主動照射并利用目標反射紅外光成像。圖１所示為典型紅外夜視系統(tǒng)組成。

圖1 典型紅外夜視系統(tǒng)組成

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，中國電子科技集團公司光電研究院的科研團隊在《真空電子技術》期刊上發(fā)表了以“機載紅外夜視技術及其發(fā)展趨勢”為主題的文章。該文章第一作者為朱卓高級工程師，通訊作者為李季波高級工程師。

本文總結了機載紅外夜視裝備現(xiàn)狀，介紹了國外典型機載紅外夜視裝備的技術特點及其在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察／瞄準方面的應用，分析了目前機載紅外夜視技術應用挑戰(zhàn)及多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、智能輔助飛行、三維視覺成像等技術發(fā)展趨勢。

國外典型裝備情況

民用領域

國外機載紅外夜視裝備已被應用于民用飛機領域，輔助飛行著陸與導航。

增強視景系統(tǒng)（EVS）是典型的機載紅外夜視裝備，采用紅外傳感器等設備獲取飛機外部場景圖像，進行圖像增強處理，并在飛機平視顯示器（HUD）上顯示，使飛行員在包括霧霾、雨雪、煙塵低能見度和夜間情況下，能夠更好地識別周圍地形、機場跑道、輔助導航和著陸。EVS提高了飛機在起飛、低空飛行和著陸過程中的視覺感知能力，提升了執(zhí)行任務期間人員的安全性。

增強飛行視景系統(tǒng)（EFVS）是EVS與HUD的綜合，它將EFVS獲取飛機前方場景的紅外圖像與HUD上顯示的主飛行信息融合，顯示在飛行員前方的屏顯系統(tǒng)上，保證所顯示的圖像、符號與外界場景是重合的。EFVS能夠增強飛行員的視覺感知能力，在夜晚低能見度條件下，EFVS能將飛機前方場景呈現(xiàn)給飛行員，從而增強飛行員的著陸感知能力，提高操作的準確性。Sierra Nevada公司預計EFVS系統(tǒng)將成為商用飛機的標準配置。

國外典型相關裝備有EVS Ⅱ傳感器、CMA-2700傳感器等，其參數(shù)及裝備平臺情況如表1所示。

表1 設備參數(shù)及裝備平臺

EVS Ⅱ傳感器是由科爾斯曼公司生產(chǎn)的，由前視紅外成像組件和紅外光窗等組成，如圖2所示。EVS Ⅱ傳感器在夜間和其它低能見度條件下，顯著提高了飛行員的視覺觀察能力，從而允許飛行員在惡劣氣象環(huán)境下著陸。

如圖3所示，CMA-2700傳感器是CMC Electronics公司開發(fā)的第三代SureSight EVS紅外設備，該傳感器采用了雙波段銻化銦焦平面紅外探測器陣列，具有先進的14位數(shù)字處理和動態(tài)非均勻性矯正能力，支持飛機適應夜間著陸能力。

軍用領域

國外機載紅外夜視裝備已被廣泛應用于軍用飛機領域，一般采用多功能復合體制，除具備導航、著陸功能外，還可實現(xiàn)夜間偵察／瞄準功能。

直升機載紅外夜視裝備

法國Sagem公司開發(fā)的Euroflir 410系統(tǒng)裝備于直升機平臺，用于飛行導航、夜間偵察、目標識別和打擊指示引導。該系統(tǒng)光電轉塔包含了中波紅外成像傳感器、電視傳感器、微光夜視傳感器、激光測距機、激光照射器及光斑跟蹤器，轉塔質(zhì)量不大于45 kg。配備紅外成像傳感器具有光學自動變焦功能，電子變倍后最小視場可達0.16°，可以更好地在夜間識別目標。系統(tǒng)除具備地理跟蹤、地理指示及地理定位功能外，還具備對目標的成像識別能力，該系統(tǒng)對地面裝甲車目標的識別距離為9.5 km，確認距離為5.5 km。

圖4所示為加拿大L3 WESCAM公司研制的MX-25/25D成像與目標瞄準系統(tǒng)，也是采用高清多光譜探測技術、先進的圖像處理技術、固態(tài)IMU內(nèi)置技術、短波紅外成像技術和激光目標指示技術，可為飛機提供對飛行環(huán)境的準確判斷，輔助飛行員完成復雜環(huán)境下的高安全度飛行與著陸任務。

戰(zhàn)斗機載紅外夜視裝備

F-35飛機的光電系統(tǒng)作為當前最先進的機載光電傳感器系統(tǒng)，是典型的戰(zhàn)斗機載紅外夜視裝備，包括光電分布孔徑系統(tǒng)（EODAS）和光電偵察瞄準系統(tǒng)（EOTS）。EODAS由6套分布于機身的中波紅外焦平面陣列傳感器和光窗組成，每個傳感器覆蓋90°×90°視場，通過圖像無縫拼接，為飛行員提供360°球形空域視野，通過對圖像進行算法處理，實現(xiàn)晝夜導航、對面目標打擊瞄準、對空紅外搜索與跟蹤、紅外態(tài)勢感知、全空域導彈逼近告警及毀傷效果識別等能力，圖5所示為EODAS對地面的大視場顯示圖像和目標場景標識。EODAS獲取的夜視圖像和經(jīng)過處理的識別符號可以疊加到F-35飛機的頭盔顯示器上，輔助飛行員了解周圍態(tài)勢。

EOTS位于機頭下方，由中波紅外探測器、激光測距指示／點跟蹤器、方位俯仰伺服調(diào)轉機構和光窗等部件組成，首次集成了前視紅外偵察（FLIR）、紅外搜索與跟蹤（IRST）和激光指示瞄準等功能，具備前向對空遠程搜索與跟蹤、對面目標跟蹤識別、激光測距與指示和激光光斑跟蹤等能力，實現(xiàn)對地、對海面等目標的打擊火控引導指示能力，圖6所示為EOTS對地面目標成像圖。美國空軍使用EOTS的高分辨率紅外探測技術，可以從更遠距離探測和識別空中目標，也可用于暗夜中視覺識別和監(jiān)視地面目標，顯著增強了夜視交戰(zhàn)的能力。

吊艙紅外夜視裝備

圖7所示為F-15E戰(zhàn)斗機掛裝紅外夜視設備顯示的紅外圖像。美軍從80年代開始，先后裝備了多款帶有前視紅外（FLIR）的吊艙，從最開始洛·馬公司的“藍盾”（LANTIRN）吊艙，到最新一代洛·馬公司的“狙擊手”先進瞄準增強型傳感器吊艙和諾·格公司“萊特寧”吊艙的增強型傳感器吊艙。與“藍盾”吊艙相比，新一代吊艙能顯示更清晰的視頻圖像。此外，這兩款吊艙都有能力將這些視頻圖像信息發(fā)送給地面部隊，提供重要情報。

國外應用情況

輔助低空飛行

戰(zhàn)機在中高空的飛行條件下，很容易被敵方發(fā)現(xiàn)和攻擊，為了實現(xiàn)作戰(zhàn)目的，飛行員會采用低空突防模式對目標進行攻擊。當飛機在夜晚低能見度條件下低空飛行時，飛機的飛行環(huán)境復雜，駕駛員的視覺能力受到限制，無法快速有效地了解機身外部環(huán)境，無法對航跡上的高山、森林等危險目標和障礙進行有效規(guī)避，易導致事故發(fā)生。

如圖8所示，機載紅外夜視裝備輸出的圖像可在晝夜及不良氣象條件下顯示出作戰(zhàn)飛機航路前方及下方的地形地物圖，并將其疊加在飛行員前方的顯示器上，提供航路上的地形地物信息，支持惡劣氣候條件下的導航和地形回避。通過實時顯示紅外圖像，提供夜間和不良氣象條件下的助降、地形回避能力，具備編飛及夜視能力。

飛機著陸

飛行員在著陸過程中，由于受夜晚光線暗或雨霧等低能見度天氣影響，跑道及其周圍指示燈的可視性變差，導致飛行員通過視覺獲取的跑道及周圍信息不足，無法正常降落。在民用領域，以EFVS和EVS大量應用于民用飛機起飛降落。在軍用領域，在不確定戰(zhàn)場環(huán)境下，不具備民航領域的基礎導航定位、傳感與地圖信息，美軍已開展了降級視覺環(huán)境緩解（DVE-M）項目。

美國的Sierra Nevada公司使用多種傳感器實時融合地形、圖像和地面障礙數(shù)據(jù)，然后在EVS的支持下，根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導，為飛行員的飛行路線提供目視標志。該公司正在研發(fā)多傳感器融合系統(tǒng)。隨著真正EVS系統(tǒng)的部署，軍方將能夠在不受粉塵、霧、雪和其他環(huán)境災害限制的情況下飛行，還降低了在儀表飛行規(guī)則條件下的最低著陸高度。

羅克韋爾柯林斯公司EVS-3000型輔助著陸系統(tǒng)在飛機平顯上疊加的著陸圖像如圖9所示，根據(jù)字符系統(tǒng)和指令的引導，為飛行員的飛行路線提供目視標志。

慕尼黑工業(yè)大學開發(fā)了C2Land的自動著陸系統(tǒng)，借助于計算機視覺來識別跑道并引導飛機降落。區(qū)別于傳統(tǒng)的儀表著陸系統(tǒng)（ILS），該自動著陸系統(tǒng)無需依靠地面和機載接收器上的無線電信號來確定飛機的位置信息，而是利用紅外和可見光傳感器獲取機場跑道、指示燈等場景圖像，適用于低能見度環(huán)境條件。在獲取空速與高度信息后，系統(tǒng)還可通過處理計算得到飛行路徑實現(xiàn)著陸。圖10所示為該系統(tǒng)獲取的飛行著陸階段紅外和可見光圖像。

DVE-M項目通過開發(fā)和評估多項技術，使旋翼機能夠在低可見度條件下工作，旨在增強飛行員在復雜環(huán)境下的感知能力，降低安全事故。2013年，美國軍方與Sierra Nevada公司簽訂合同，在陸軍直升機上開展DVE-M項目測試。2019年，美國空軍裝備司令部與Sierra Nevada公司簽署了一項價值7490萬美元的合同，擬在85架HH-66G“鋪路鷹”直升機上安裝DVE系統(tǒng)，以提高飛行員在夜間及不良氣象條件下的視覺感知能力。

夜間偵察/瞄準

現(xiàn)代戰(zhàn)爭通常選擇“月黑風高”的夜晚實施攻擊，以最大限度地利用“單向透明”的戰(zhàn)場態(tài)勢，發(fā)揮己方紅外夜視裝備優(yōu)勢。夜間空襲依托機載紅外夜視裝備，能分清500米之外的目標和幾千米之外的山巒、村莊，具有全天候發(fā)現(xiàn)、定位目標的能力，提高了飛機的戰(zhàn)術使用靈活性和作戰(zhàn)效能。

現(xiàn)代戰(zhàn)機裝備先進紅外夜視裝備對于保證飛機的作戰(zhàn)效能是十分重要的。在夜戰(zhàn)場上，對于擁有夜視裝備優(yōu)勢的一方來說，夜幕已不復存在，反而還成了占優(yōu)勢一方。如海灣戰(zhàn)爭中，多國部隊飛機配備了機載紅外夜視裝備，使飛機在雷達和無線電靜默下探測、跟蹤和攻擊目標。

技術應用挑戰(zhàn)與發(fā)展方向

機載紅外夜視技術應用挑戰(zhàn)主要有以下三個方面：

（1）作用距離較近

圖像分辨率和靈敏度是紅外夜視裝備的重要參數(shù)，受制于當前紅外夜視技術發(fā)展現(xiàn)狀，現(xiàn)有機載紅外夜視裝備存在對目標成像距離相對較近、識別分辨率不高的現(xiàn)狀。

（2）機載紅外夜視設備顯示顏色單一

現(xiàn)有紅外夜視設備的成像會“失去顏色”，單一的顏色顯示不利于飛行員對外界環(huán)境的視覺感知。一方面，機上顯示設備都會變成單色，失去了其原先顏色代表的意義或者起到的作用；另一個方面，會影響外界的燈光使其變成單色，如機場跑道的精密進近航道紅、黃指示燈。此外，飛行員持續(xù)觀察顯示器上的白色、綠色圖像信息可能會引發(fā)視覺疲勞等情況，也不利于飛行。

（3）大數(shù)據(jù)存儲與計算資源有限

機載紅外夜視設備具備了在較大視場下捕獲廣域動態(tài)圖像并實現(xiàn)監(jiān)視的功能，會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，目前已有的機載數(shù)據(jù)存儲設備已不能滿足需求，尤其是隨著大面陣紅外夜視設備的發(fā)展，會產(chǎn)生更大的數(shù)據(jù)量，這就要求飛機具有大數(shù)據(jù)存儲的記錄設備。

隨著機載紅外夜視新技術紛至沓來，機載紅外夜視設備的工作波段不斷拓展、視場空域不斷增大、可視距離不斷提升、新質(zhì)能力不斷健全，逐漸成為軍民飛機的標配。機載夜視技術的發(fā)展重點集中在以下幾個方面：

（1）多光譜圖像融合

不同波段的傳感器可滿足不同作戰(zhàn)場景的需求，短波紅外傳感器的煙霧穿透能力強，相比中波紅外傳感器在目標與場景溫度差異大的情況下成像效果好，長波傳感器在目標與場景溫度差異小的情況下具有更好的成像效果，微光傳感器的生成圖像與可見光圖像相仿，更符合人眼視覺觀察。

通過圖像融合技術，將多波段紅外成像圖像和微光夜視圖像合成為一幅圖像，這種技術有助于綜合發(fā)揮微光成像和紅外成像兩種技術的優(yōu)勢，拓展視覺顯示波段范圍，使圖像紋理細節(jié)更豐富，可有效提升機載夜視設備的觀察能力。

（2）大面陣高清紅外成像的應用

高性能光電探測器是機載夜視設備的核心，隨著半導體集成和工藝等關鍵技術突破，探測器朝著小像元尺寸、大面陣規(guī)格方向發(fā)展。小像元能夠使探測器小型化、提高系統(tǒng)分辨率、增加探測距離。大面陣探測器的分辨率更高、觀察的目標細節(jié)更豐富、探測距離更遠。目前，在紅外探測器方面，雷神公司研發(fā)的紅外探測器像元達到4096×4096，已成功應用于美國空軍天基紅外預警系統(tǒng)。將小像元、大面陣探測器應用于機載夜視設備中，更能夠實現(xiàn)對夜晚目標的遠距離、高清探測。

（3）增強飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展

機載增強飛行視景系統(tǒng)將在夜間飛行安全領域發(fā)揮更加重要的作用，朝著智能感知、人機交互方向發(fā)展。增強飛行視景系統(tǒng)可利用傳感器對機外場景進行多維信息感知，在探測到跑道、障礙物等威脅目標時，實施智能輔助決策，支持完成各種飛行動作、信息處置，為飛行員提供決策支撐。

（4）向主動夜視技術應用拓展

隨著短波、中波、長波紅外激光器技術發(fā)展，以及垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）技術發(fā)展與應用，在夜間成像基礎上融入了激光主動探測，進行三維識別，可在二維圖像顯示器上顯示三維信息。三維視覺成像技術已逐步應用于汽車自動駕駛，后續(xù)機載夜視技術也將拓展三維成像識別功能，提供飛行員更多維度信息，進一步增強夜間視覺感知能力。

結束語

本文對機載紅外夜視裝備現(xiàn)狀進行了綜述，介紹了國外典型機載紅外夜視裝備的技術特點，分析了機載紅外夜視技術在輔助低空飛行、飛行著陸和夜間偵察／瞄準方面的應用，討論了該技術的應用挑戰(zhàn)，給出了向多光譜圖像融合、大面陣高清紅外成像、增強飛行視景系統(tǒng)智能化發(fā)展、主動夜視技術應用拓展等方面發(fā)展的趨勢。

審核編輯：黃飛