何懿

蘇君紅 中國工程院院士，紅外技術(shù)專家，熱成像工程總設(shè)計(jì)師，1963年畢業(yè)于西安交通大學(xué)無線電工程系無線電技術(shù)專業(yè)，長期從事紅外技術(shù)的研究工作，主要研究地面與空中目標(biāo)與背景的探測和識別，完成了我國第一代通用組件熱成像的工程研究，為我國紅外事業(yè)做出了重要貢獻(xiàn)。曾任中國兵器工業(yè)集團(tuán)第二一一所所長，云南省科協(xié)主席。曾獲國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)、中國兵器工業(yè)功勛獎(jiǎng)、光華基金一等獎(jiǎng)、中國工程科技獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)等。

軍事需求推動(dòng)紅外技術(shù)

記者（以下簡稱“記”）：蘇院士，您好！紅外技術(shù)發(fā)展已有200多年歷史，它是何時(shí)走向戰(zhàn)場的？

蘇院士（以下簡稱“蘇”）：怎樣把紅外輻射變成人眼可見的圖像，一直是人們關(guān)心的問題。早在19世紀(jì)就有人設(shè)計(jì)了兩種紅外熱成像系統(tǒng)，它們是利用熱輻射加熱濕紙或油膜，形成不同的干濕或不同的油膜揮發(fā)來產(chǎn)生熱圖像。軍事應(yīng)用一直是紅外技術(shù)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，人們早就意識到熱成像在軍事上應(yīng)用的潛力很大，到第二次世界大戰(zhàn)，巴恩斯公司設(shè)計(jì)了一種用于探測空中目標(biāo)的測熱輻射計(jì)掃描成像系統(tǒng)，雖然性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到要求，但成為后來熱成像技術(shù)發(fā)展的重要思路。20世紀(jì)50年代初，一些國家投入相當(dāng)大的人力物力來發(fā)展紅外技術(shù)。1958年，英國皇家信號及雷達(dá)研究所發(fā)明了碲鎘汞（CMT）紅外探測器，顯著地促進(jìn)了熱成像技術(shù)的發(fā)展。直到今天，碲鎘汞探測器仍是最重要的紅外熱成像選用探測器。真正實(shí)用的紅外熱成像系統(tǒng)產(chǎn)生于20世紀(jì)60年代，美國德克薩斯儀器公司研制出世界上第一臺實(shí)時(shí)顯示電視圖像的軍用紅外熱成像系統(tǒng)，經(jīng)過戰(zhàn)場的試驗(yàn)和考核，證明紅外熱成像是一種成功的技術(shù)，由于它最先供空軍使用，作為對地面目標(biāo)觀察的儀器，所以有時(shí)也被稱為前視紅外系統(tǒng)（FLIR）。紅外熱成像這種實(shí)時(shí)顯示的成像設(shè)備產(chǎn)生的熱圖像，實(shí)際上已與電視的圖像質(zhì)量相當(dāng)，可以將其看成是一種“工作在紅外波段的電視攝像機(jī)”。

記：熱成像與可見光成像相比，有哪些不同？

蘇：在上世紀(jì)70年代，一是要制造與可見光CCD一樣的高密度二維面陣探測器是很困難的，如果想獲得像電視一樣的圖像質(zhì)量，就需要用一臺光學(xué)機(jī)械的掃描器;

二是高性能的紅外探測器需要在低溫條件下工作，因此要配備一個(gè)能冷卻到80K（約為零下193℃）的制冷器和一個(gè)與外界隔熱的多引線的真空杜瓦瓶。

三是由于工作在長波紅外，所以要用鍺材料來制造紅外鏡頭，造價(jià)比較昂貴。

四是長波紅外波長是可見光的20倍，所以光學(xué)衍射口徑是可見光的20倍。

五是可見光的對比度很高，而中波紅外對比度較低，長波紅外對比度更低，熱成像要獲取的是高背景情況下的低對比度信號，在制作紅外探測器時(shí)，對均勻性提出很高的要求，成為探測器和材料制造中的一大難題。

記：熱成像與可見光探測設(shè)備、雷達(dá)、激光相比，優(yōu)勢是什么呢？

蘇：現(xiàn)在熱成像系統(tǒng)已成為重要的夜視器材，能隱蔽、晝夜工作，不受黑夜限制，因?yàn)樗墓ぷ鞣绞绞潜粍?dòng)的，不需要用協(xié)作光源或自然光照射目標(biāo)，靠接收目標(biāo)的自身的熱輻射成像，而地球上所有的物體都輻射紅外線，特別是軍事目標(biāo)，如飛機(jī)、坦克、軍艦、導(dǎo)彈等都要消耗能源，其中一部分將轉(zhuǎn)換成熱能，是一種溫度較高的熱輻射體，熱成像獲得的就是目標(biāo)與背景之間的溫度差別和輻射率差別的圖像，所以目標(biāo)要偽裝也很困難，用熱成像系統(tǒng)在很遠(yuǎn)的距離就能將它們探測到。此外，在地球大氣中，存在著3～5微米中波紅外和8～14微米長波紅外兩個(gè)大氣窗口，對紅外線有較好的傳輸特性，探測器的性能、大氣傳輸、目標(biāo)輻射特性三者相一致的關(guān)系，決定了熱成像在這兩個(gè)波段工作是合適的。溫度在300K（約為27℃）左右的目標(biāo)，在這兩個(gè)波段內(nèi)會產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射，容易被探測到。而且它的工作波長比可見光高10～20倍，透煙霧和塵埃的能力很強(qiáng)，在較惡劣的環(huán)境下，尤其是能透過敵方施放的煙幕屏障看清目標(biāo)。

自然界中各類輻射源的電磁波譜相當(dāng)豐富和寬闊，紅外線在電磁波譜中的波長特點(diǎn)

記：熱成像在軍事上有哪些應(yīng)用？

蘇：熱成像系統(tǒng)有很高的溫度靈敏度和空間分辨能力，可以顯示出目標(biāo)的清晰輪廓，并且能識別較遠(yuǎn)距離上的目標(biāo)，已作為探測、監(jiān)視、跟蹤、火控、夜視的手段，應(yīng)用在軍事的五大類方面。空間上，主要用于航天偵察、監(jiān)視告警、空間防衛(wèi)、天文研究、反導(dǎo)導(dǎo)彈;海空方面，主要應(yīng)用于空中導(dǎo)航、目標(biāo)定位、威脅告警、搜索跟蹤：地面則用在車輛夜視、火控系統(tǒng)、搜索跟蹤、安全防衛(wèi)、便攜偵察等方面;同時(shí)還被應(yīng)用于常規(guī)導(dǎo)彈如地空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈、空空導(dǎo)彈等的精確制導(dǎo)。

鏗鏘三步曲

記：軍用紅外熱成像技術(shù)經(jīng)歷了哪幾個(gè)階段？

蘇：近40年來熱成像發(fā)展裝備了三代產(chǎn)品，20世紀(jì)七八十年代裝備的是第一代，九十年代裝備了第二代，現(xiàn)在開始向第三代發(fā)展。

記：每一代熱成像的發(fā)展特點(diǎn)是什么？

蘇：第一代熱成像技術(shù)開始于20世紀(jì)60年代，多元的銻化銦、碲鎘汞探測器等相繼出現(xiàn)，發(fā)展了第一個(gè)前視紅外系統(tǒng)（FLIR），但它的探測器需要一個(gè)二級制冷器來保證在36K以下的溫度工作，因此很難在常規(guī)武器上推廣。70年代初，發(fā)展了碲鎘汞長波紅外多元線列探測器，這是工作在80K溫度的第一代紅外熱成像技術(shù)，具有高靈敏度、高分辨率、實(shí)時(shí)顯示等特點(diǎn)，經(jīng)驗(yàn)證系統(tǒng)可靠有效，受到許多國家的關(guān)注。

第一代紅外熱成像系統(tǒng)可選擇長波紅外和中波紅外兩個(gè)工作波段，但各國無一例外地都選用碲鎘汞長波紅外探測器，因?yàn)楫?dāng)目標(biāo)和背景溫度在300K左右，近距離（4千米）時(shí)，長波紅外熱成像系統(tǒng)的溫度靈敏度要比中波的好3倍，即長波紅外探測器的性能與10倍中波紅外探測器元數(shù)系統(tǒng)的性能相當(dāng)。

第一代熱成像系統(tǒng)的探測器元數(shù)一般不超過200元，因此必須用一個(gè)光學(xué)掃描機(jī)構(gòu)對景物進(jìn)行二維掃描，以獲取接近于電視質(zhì)量的圖像。美國第一代熱成像系統(tǒng)采用60元、120元、180元線列光導(dǎo)碲鎘汞系統(tǒng)，來實(shí)現(xiàn)120線、240線、360線3種熱成像系統(tǒng)。法國采用11×5的光伏碲鎘汞探測器，用串并掃的方式實(shí)現(xiàn)與電視兼容的格式。1980年，英國發(fā)明了一種稱為SPRITE的碲鎘汞探測器，外接的TDI電路全部省去，杜瓦瓶引線大大減少，結(jié)構(gòu)簡化，性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過200元的器件。因此，有人把含有SPRITE探測器的熱成像稱為“一代半”的系統(tǒng)。

對于熱成像系統(tǒng)而言，大多數(shù)的應(yīng)用要求都是相似的，眾多的武器平臺都需要采用熱成像系統(tǒng)，針對每一用途獨(dú)立發(fā)展專用的熱成像系統(tǒng)是很不劃算的。于是，20世紀(jì)70年代開始展開熱成像通用組件計(jì)劃，重點(diǎn)是把熱成像系統(tǒng)的主要部件，即探測器、制冷器、掃描器、信號處理電路分解成若干組件，使其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、通用化。而紅外望遠(yuǎn)鏡、監(jiān)視器、控制器、附加電路、外形結(jié)構(gòu)根據(jù)用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，構(gòu)成各武器平臺所需的熱成像系統(tǒng)。熱成像通用組件一般分為Ⅰ類和Ⅱ類兩種熱成像系統(tǒng)。Ⅰ類熱成像系統(tǒng)具有重量輕、便攜性好、功耗低、體積小、成本低、性能適中等特點(diǎn)，適合于單兵武器、近程武器，用于偵察、監(jiān)視、搜索、營救等方面。Ⅱ類熱成像系統(tǒng)具有靈敏度高、視場大、高分辨率的特點(diǎn)，被陸、海、空三軍設(shè)計(jì)成各種車載、機(jī)載、艦載的高性能熱成像系統(tǒng)。20世紀(jì)70年代N90年代初，美國、歐洲、中國都發(fā)展完成了第一代熱成像系統(tǒng)。

為加強(qiáng)對目標(biāo)的識別和辯認(rèn)距離，必須提高分辨率，這就對探測器元數(shù)提出很高要求。而在實(shí)際應(yīng)用中，對光學(xué)口徑有嚴(yán)格限制，探測器的探測率已達(dá)到背景極限，所以熱成像性能只能靠提高光敏元數(shù)來達(dá)到，要提高40%的識別距離，探測器元數(shù)應(yīng)是原來的10倍，因此，第二代熱成像系統(tǒng)的探測器元數(shù)需要千元以上。

半導(dǎo)體技術(shù)和微電子工藝的發(fā)展，給紅外探測器技術(shù)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇，而光電子科技方面，紅外探測器材料和工藝也逐漸成熟。20世紀(jì)90年代，把微電子和紅外探測器合二為一的紅外焦平面探測器（IRFPA）技術(shù)終于有了實(shí)用的產(chǎn)品，但還達(dá)不到大面陣（如1000×1000元）的水平，所以第二代熱成像仍采用掃描方式。探測器主要有碲鎘汞的240x4、288x4、480x4、576x4、768x4、960x4等。中、小規(guī)模凝視焦平面，如銻化銦的320x240熱成像也包含在第二代里面。第二代熱成像對目標(biāo)的識別距離大約是3～6千米。

記：第三代紅外成像技術(shù)會有哪些質(zhì)的飛躍？

蘇：為提高武器平臺作戰(zhàn)時(shí)的性能優(yōu)勢，目前正在發(fā)展第三代紅外熱成像，重點(diǎn)還是碲鎘汞，并有向非制冷和量子阱發(fā)展的趨勢，由長波、中波、短波、雙色、多色、非制冷等多品種組成，采用10⁶元數(shù)的大面陣焦平面，主體仍然是制冷型的，因?yàn)樵谝恍┲匾膽?yīng)用中，性能比價(jià)格更重要，用戶非常重視提高溫度靈敏度和分辨率。

為提高探測性能、降低虛警率、更快地搜索目標(biāo)，還發(fā)展了雙波段和多光譜的紅外焦平面探測器，并爭取將雜波中對目標(biāo)的探測能力和辨認(rèn)距離提高50%，幀頻（在熱成像系統(tǒng)中，成像過程是采用探測器對圖像進(jìn)行掃描來實(shí)現(xiàn)圖像傳輸?shù)摹Ｃ繏咄暌环嬅婢蜆?gòu)成一幀，單位時(shí)間內(nèi)掃描的幀數(shù)稱幀頻）提高到480赫茲，紅外成像系統(tǒng)的工作溫度——中、短波的提高到180K（約零下93℃）、長波的提高到120K（約零下153℃）。

第三代熱成像系統(tǒng)還力爭做到具有先進(jìn)的信號處理和智能化能力，零件更少，功耗降低。

記：熱成像的更新?lián)Q代，主要取決于它的核心部件紅外探測器，第三代的紅外探測器在材料方面有哪些變化？

蘇：美、法、德、英等國都在相繼開發(fā)第三代紅外焦平面探測器（IRFPA）技術(shù)，在可選用的探測器方面，比第一、二代熱成像的單一碲鎘汞探測器要拓展很多，所選擇的材料主要有碲鎘汞、量子阱（OWlP）、非制冷材料、銻基化合物和鉑化硅等，規(guī)格有向大規(guī)格（640×512元）和超大規(guī)格（1000×1000元以上）發(fā)展的趨勢。

記：這幾種探測器各有什么特點(diǎn)？

蘇：經(jīng)過30多年的發(fā)展和大量資金投入，碲鎘汞材料成為研究應(yīng)用最廣泛的一種紅外探測器用半導(dǎo)體合金系統(tǒng)，是紅外探測器的優(yōu)選材料，目前為止，仍是紅外焦平面熱成像技術(shù)的主流發(fā)展方向之一。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：高靈敏度、材料制備時(shí)可調(diào)節(jié)響應(yīng)截止波長、高工作溫度等，可以探測2～26微米波段的紅外輻射。但也存在材料制備困難、制備周期長、成本高、均勻性差等問題，而且隨著截止波長的增加，這些問題更加突出。因此，規(guī)模較小的探測器，如掃描型的焦平面探測器和元數(shù)不很大的凝視面陣探測器可以選用碲鎘汞，應(yīng)用于軍事前視紅外系統(tǒng)。大于640×480規(guī)模的碲鎘汞焦平面探測器還要克服很多困難。

由于碲鎘汞在長波、超長波、多波長中，材料性能極不穩(wěn)定，特別是在規(guī)模生產(chǎn)中，大面積材料的均勻性和重復(fù)性很難控制，因此近幾年，基于砷化鎵的量子阱得到了重視，它的探測機(jī)理與傳統(tǒng)探測器截然不同，是靠一個(gè)量子阱結(jié)構(gòu)中光子和電子之間的量子力學(xué)相互作用來完成探測的，屬于較新的技術(shù)。量子阱在光譜范圍上具有更大的靈活性，加工性好于碲鎘汞，列陣的均勻性特別高，可產(chǎn)生更高質(zhì)量的熱圖像，功耗較低。它的不足也很明顯：達(dá)不到很高的靈敏度;工作溫度較低。

銻化銦是碲鎘汞焦平面熱像儀的競爭對手，與碲鎘汞焦平面熱像儀一樣靈敏，可以互換，比碲鎘汞焦平面探測器易生產(chǎn)，具有成本低廉、高靈敏的中波應(yīng)用和均勻性好等優(yōu)長，但它是一種易脆材料。一般來說，銻化銦焦平面探測器必須制冷到80K左右，目前已經(jīng)制造出來的最大規(guī)格是1024×1024元。銻化銦焦平面熱像儀在軍事上適用于高靈敏度的中波紅外（2～5.5微米）熱成像，如觀瞄器、尋的器等，以及像光譜儀類的窄帶應(yīng)用。

第一代紅外成像探測器響應(yīng)波長8～12微米，工作溫度80K，探測器元數(shù)：美國120，英國8X1 SPRlTE;中國8X1 SPRITE：法國11X5

鉑化硅焦平面探測器只能應(yīng)用于中短波紅外成像，僅適合于制造凝視焦平面探測器，能做成目前最大的焦平面陣列，超過1040x1040元易如反掌。它的優(yōu)點(diǎn)是容易生產(chǎn)，能達(dá)到高均勻性（不均勻性小于1%）;另外，當(dāng)它被制冷到某一個(gè)溫度下，其靈敏度就不再隨溫度變化而發(fā)生明顯變化。鉑化硅焦平面探測器主要應(yīng)用于軍事中高背景下高分辨率的短波和中波紅外熱成像。

近些年來，非制冷紅外焦平面熱成像也得到重視。制冷機(jī)一直是熱成像中可靠性最差的部件，所以不需制冷和低價(jià)格是擴(kuò)大應(yīng)用范圍的首要考慮。由于今后非制冷焦平面探測器在靈敏度和大面陣方面會得到提高，所以它將是第三代熱成像的一個(gè)重要發(fā)展方向，會有更高成像像素的非制冷焦平面探測器面市。

記：與制冷型紅外焦平面熱成像相比，非制冷型紅外焦平面熱成像具有哪些優(yōu)勢？

蘇：各種非制冷型紅外焦平面成像系統(tǒng)取消了杜瓦瓶制冷器，可以在室溫下工作，對8～14微米波段敏感，具備發(fā)熱量小、低成本、低功耗、長壽命、小體積、高可靠性、使用維護(hù)方便等優(yōu)勢，目前正在迅速開拓軍用市場，為紅外傳感器領(lǐng)域注入新的活力，是高性價(jià)比熱像儀的最佳選擇，可能成為今后最具競爭力的熱成像系統(tǒng)之一。在軍事上，它已在夜間駕駛和無人機(jī)偵察監(jiān)視、輕型頭盔瞄準(zhǔn)鏡、靈巧彈藥、武器瞄準(zhǔn)系統(tǒng)和導(dǎo)彈尋的器等方面得到應(yīng)用。

記：未來紅外技術(shù)發(fā)展有哪些變化？

蘇：隨著作戰(zhàn)方式、裝備的變化，目標(biāo)的背景和目標(biāo)本身的輻射與以前的預(yù)想不一樣，需要探測、識別的目標(biāo)也隨之發(fā)生變化。比如以前主要是探測地面目標(biāo)，現(xiàn)在慢慢發(fā)展為探測高空目標(biāo);以前對付火炮，識別距離20千米就夠了，現(xiàn)在發(fā)展成對付導(dǎo)彈等，探測距離更遠(yuǎn)、高度更高，特別是將來發(fā)展成看深空等更遠(yuǎn)的目標(biāo)及背景的輻射很低，對探測器本身的噪聲、目標(biāo)的識別能力都水漲船高，要求探測器噪聲更低。

英國第一代熱成像的紅外探測器

中國紅外技術(shù)進(jìn)展

記：我國在紅外技術(shù)領(lǐng)域取得了哪些進(jìn)展？

蘇：當(dāng)前，探測器已形成多光譜、長波、中波、短波和紫外同時(shí)發(fā)展，多種材料并舉，焦平面規(guī)格成幾倍增大的格局，我國與美國等發(fā)達(dá)國家相比，實(shí)驗(yàn)室技術(shù)差距10年左右，但戰(zhàn)場裝備差別不是很大?？紤]到性價(jià)比，美德等國不會把實(shí)驗(yàn)室的所有高新技術(shù)應(yīng)用到戰(zhàn)場上。

在紅外技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，我國也取得了較好成績，工藝條件和基礎(chǔ)設(shè)施得到很大加強(qiáng)，建立了一定的研制和生產(chǎn)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了第一代和第二代兩種類型的通用熱成像。簡單地說，第一代的原理就是對圖像進(jìn)行二維掃描，第二代從兩維掃描變?yōu)橐痪S掃描或凝視。主要的關(guān)鍵技術(shù)已取得突破，完成了預(yù)先研究、型號研究、小批量生產(chǎn)的三個(gè)重要階段，在國際矚目的熱成像技術(shù)領(lǐng)域中實(shí)現(xiàn)了從無到有、自主創(chuàng)新，打破了國外的技術(shù)封鎖，性能并不落后，現(xiàn)在已少量裝備部隊(duì)，提高了武器平臺的夜間作戰(zhàn)能力。

國外正在發(fā)展的第三代焦平面紅外熱成像的一個(gè)特點(diǎn)是規(guī)格越做越大，如同當(dāng)今的數(shù)碼相機(jī)一樣，這主要是得益于制造工藝和基礎(chǔ)研究裝備，但只是規(guī)模的延伸并沒有實(shí)質(zhì)性的發(fā)明，這就為我們繼續(xù)抓住機(jī)遇，打好基礎(chǔ)提供機(jī)會，在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)趕超。我國也正在研制第三代紅外熱成像產(chǎn)品，特點(diǎn)是不用掃描，像數(shù)碼相機(jī)一樣，兩維直接成像，水平與電視相當(dāng)，探測距離制冷型的是4～5千米，非制冷型的是2～3千米。如果講實(shí)用，非制冷的就行，因?yàn)槌杀镜停刺箍?～3千米沒問題。但是高水平、探測距離遠(yuǎn)還是要制冷型紅外探測器，因?yàn)槭芟抻谔綔y器的噪聲，噪聲在低溫狀態(tài)下會變小。

法國第一代熱成像通用組件由光機(jī)掃描器組件、11×5元碲鎘汞光伏型列陣探測器組件、制冷組件、前置放大電路組件、信號處理電子組件、測試與診斷組件組成

記：我國發(fā)展紅外技術(shù)面臨哪些困難？

蘇：還是在探測器的材料和工藝上，光學(xué)、信號處理和電子方面與美國等發(fā)達(dá)國家的差距不大，但趕超美國還有困難，因?yàn)槊绹度氪?、人才多、科研裝備基礎(chǔ)好。我們只能緊縮科研目標(biāo)。要有技術(shù)預(yù)見，從先進(jìn)技術(shù)中尋找有基礎(chǔ)、能支撐起的有限目標(biāo)，因?yàn)閺幕A(chǔ)研究到應(yīng)用研究，過程很長，花費(fèi)也大，很多項(xiàng)目不一定能堅(jiān)持到最后，所以說，科研還是要分工。披常將自己定位為做“回鍋肉”的，而不一定從養(yǎng)豬開始，裝備研究所應(yīng)該從預(yù)先研究到應(yīng)用研究到裝備研究直到結(jié)束，重要的是要有持之以恒的科學(xué)精神，正如我國五四先哲所說：“倘人人皆有科學(xué)之精神，其國家必日臻強(qiáng)盛，其民族必將被光榮焉;而缺乏科學(xué)之精神，其國家必日見被剝削，其種族必不免于淪亡;救國家者，必以提倡科學(xué)精神為先務(wù)！”

記：一個(gè)有科學(xué)精神和自省精神的民族，才有遠(yuǎn)大的未來！衷心感謝您接受本刊專訪。

（特別感謝：211所原副所長蔡毅給予本次專訪的支持和幫助?。?