摘要：在軍用紅外技術(shù)的早期發(fā)展階段，歐美基于熱成像系統(tǒng)關(guān)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(shù)方案的余地，但是降低了熱成像系統(tǒng)的研發(fā)成本和使用維護費用，有利于批量生產(chǎn)。美國以一代通用組件為基礎(chǔ)形成了SADA系列組件，在SADA基礎(chǔ)上推出的水平技術(shù)集成（Horizontal Technology Integration，HTI）項目，實現(xiàn)了軍用熱像儀的批量生產(chǎn)和裝備。介紹了歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀。隨著探測器、微電子等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，通用組件已經(jīng)從原來的Common Module轉(zhuǎn)變?yōu)镸odule。

0引言

紅外技術(shù)是典型的軍民兩用技術(shù)。二戰(zhàn)后，軍用紅外技術(shù)在以美國為代表的西方發(fā)達(dá)國家得到快速發(fā)展。以美國為例，先后投入巨資實施了70多項軍用紅外項目，裝備范圍包括坦克、車輛、飛機、艦船、輕武器瞄準(zhǔn)鏡、戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、戰(zhàn)略導(dǎo)彈、反導(dǎo)系統(tǒng)、火控系統(tǒng)、戰(zhàn)場監(jiān)視和觀察設(shè)備，以及單兵偵察設(shè)備等。在軍用紅外技術(shù)發(fā)展的早期階段，因為軍方對每一種熱成像系統(tǒng)的采購都是獨立進行的，各系統(tǒng)的主要部分都存在著重復(fù)設(shè)計、性能大同小異等情況，導(dǎo)致采購數(shù)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(chǎn)的優(yōu)勢，為了解決這一問題，產(chǎn)生了通用組件概念。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，歐美國家已經(jīng)形成了高水平的通用組件技術(shù)（群）。本文介紹了歐美通用組件技術(shù)的發(fā)展及趨勢。

1一代通用組件的產(chǎn)生

1972 年，美國德州儀器（Texas Instruments，TI）公司的研發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，在熱成像系統(tǒng)的大量應(yīng)用中，前端光學(xué)系統(tǒng)和末端顯示器是需要定制的必要部件，約占系統(tǒng)成本的35%，所有熱成像系統(tǒng)都需要使用的探測器、掃描器和信號處理電路等關(guān)鍵部件不需要定制，成本約占45% ~ 70%，將關(guān)鍵部件標(biāo)準(zhǔn)化，在不同的裝備平臺之間形成通用組件，可降低制造成本。通用組件（Common Module）是標(biāo)準(zhǔn)化的光學(xué)和電子學(xué)套件，將其作為每一特殊熱成像系統(tǒng)的核心部件，再根據(jù)裝備平臺的指定要求，配備所需的前端光學(xué)系統(tǒng)和顯示器，組成構(gòu)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(guān)鍵部件通用化”。由于組件標(biāo)準(zhǔn)化，可以減少維護、補給、訓(xùn)練等其它費用支出，滿足系統(tǒng)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(jù)美國軍方需求，美國第一代通用組件誕生于1976年，共分為探測器/杜瓦瓶、制冷機、掃描器、熱成像儀、發(fā)光二級管陣列、可見光準(zhǔn)直器、前置放大器、偏置調(diào)節(jié)器、主放大器/驅(qū)動器、掃描/隔行電子學(xué)和輔助控制電子學(xué)11個部分。采用并掃模式，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元探測器一般用于反坦克導(dǎo)彈火控瞄準(zhǔn)鏡，120元探測器一般用于坦克瞄準(zhǔn)鏡系統(tǒng)，180元探測器一般用于機載熱成像系統(tǒng)。

與此同時，英國于1976年批準(zhǔn)了通用組件方案，1982年投產(chǎn)。英國熱成像通用組件最初分為3類，I類用于便攜式熱成像系統(tǒng)，采用雙排23元MCT探測器；II類用于與電視兼容的監(jiān)視系統(tǒng)；III類用于較敏感的飛行員輔助觀察系統(tǒng)。20世紀(jì)80年代，英國研究人員研發(fā)出基于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(nèi)完成信號處理，不需要時間延遲積分電路。I類便攜式直視型熱成像通用組件不能利用SPRITE探測器的成像優(yōu)勢。帶有大口徑光學(xué)系統(tǒng)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(chǎn)。因此，II類通用組件成為基于SPRITE探測器的非直視型熱成像通用組件（Thermal Imaging Common Modules，TICM

II），由遠(yuǎn)焦系統(tǒng)、寬角度、雙掃描機構(gòu)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(dāng)于100元以上的多元探測器。

法國于1975年開始對通用組件進行預(yù)研，1980 ~ 1981年完成樣機研制和通用組件系統(tǒng)評價，1985年中期投產(chǎn)，國家批準(zhǔn)建立生產(chǎn)線，批量生產(chǎn)通用組件、組裝應(yīng)用系統(tǒng)，其應(yīng)用平臺和領(lǐng)域則根據(jù)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(chǎn)品。采用串并掃模式，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(jiān)視器、線性電子單元、信號處理、傳感頭自動測試和電子學(xué)自動測試10個組件。在此基礎(chǔ)之上，著手研發(fā)第二代通用組件的同時改進第一代。

2 SADA組件的應(yīng)用

20世紀(jì)90年代，美國國防部為了標(biāo)準(zhǔn)化美軍使用的二代前視紅外（Forward LookingInfrared，FLIR）系統(tǒng)，在一代通用組件的基礎(chǔ)上制定了標(biāo)準(zhǔn)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用于美國Apache直升機光電火控系統(tǒng)等高性能熱成像系統(tǒng)，SADAII用于M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車、M1A2Abrams主戰(zhàn)坦克、美國陸軍遠(yuǎn)距離目標(biāo)獲取偵察監(jiān)視系統(tǒng)（Long Range Advanced ScoutSurveillance System，LRAS3）等中性能熱成像系統(tǒng)，SADA III用于標(biāo)槍指揮發(fā)射裝置、單兵肩扛式標(biāo)槍導(dǎo)彈等緊湊型或低性能熱成像系統(tǒng)。

2005年12月，Raytheon公司與DRS公司簽訂了價值180萬美元的合同，用于生產(chǎn)安裝在M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車和M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克上的SADA II組件。2008年2月，Raytheon和DRS公司又簽訂了另外兩份合同，總價值4880萬美元，用于生產(chǎn)安裝在M1A2主戰(zhàn)坦克、M2A3步兵戰(zhàn)車和LRAS3系統(tǒng)中的SADA II組件。

SADA II使用了480 × 4 MCT長波紅外探測器。用于Javelin指揮發(fā)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(nèi)用了6個光伏探測器。SADA IIIB在時間延遲積分內(nèi)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(qū)動斯特林循環(huán)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芯片和硅讀出電路芯片集成在一起，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(shù)參數(shù)。

目前，Apache直升機“箭頭”光電火控系統(tǒng)集成了基于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(zhàn)車安裝了基于SADA II的增強型Bradley目標(biāo)獲取子系統(tǒng)（Improved Bradley Acquisition Subsystem，IBAS）和IBAS BLOCK2子系統(tǒng)，IBAS BLOCK2基于IBAS產(chǎn)生，主要改進在于能夠高清、高分辨率彩色成像，優(yōu)于過去的黑白成像。安裝在美軍密集陣火炮系統(tǒng)上的艦載熱像儀（Phalanx Thermal Imager，PTI）也使用了SADA II。表2是DRS公司推出的基于SADA系列通用組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2子系統(tǒng)和PTI熱像儀的技術(shù)參數(shù)。

表1 SADA II和SADA III系列通用組件的技術(shù)參數(shù)

表2 DRS公司推出的基于SADA系列組件的TADS/PNVS接收器、IBAS子系統(tǒng)、IBAS BLOCK2子系統(tǒng)和PTI熱像儀的技術(shù)參數(shù)

3二代前視紅外水平技術(shù)集成

1993年2月，為滿足將熱像儀批量集成到現(xiàn)有和未來作戰(zhàn)/非作戰(zhàn)車輛的光電瞄準(zhǔn)鏡上的需求，美國陸軍提出二代FLIR的水平技術(shù)集成計劃，即二代FLIR通用組件計劃，專用于研發(fā)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(tǒng)和應(yīng)用于多種平臺的單一系統(tǒng)的制造成本，HTI FLIR實現(xiàn)了制造研發(fā)階段的成本節(jié)約。為了與坦克炮或?qū)椣到y(tǒng)的有效作用距離兼容，HTI在一代通用組件的基礎(chǔ)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(biāo)是開發(fā)一款名為HTI NV-80套件B（HTINV-80 B-Kit，以下簡稱為套件B）的標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)在M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克、M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車和LRAS3系統(tǒng)中的安裝。安裝在M1A2 Abrams主戰(zhàn)坦克和XM8輕型坦克上的套件B需要對現(xiàn)有車型進行改造。安裝在M2A3 Bradley步兵戰(zhàn)車和LRAS3系統(tǒng)中的套件B是全新開發(fā)的二代HTI FLIR系統(tǒng)。

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(shù)字輸出和兩種模擬輸出。與一代通用組件相比，系統(tǒng)性能可將識別距離增加2倍、確認(rèn)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(yuǎn)焦系統(tǒng)組件、熱像儀組件和探測器/制冷機組件構(gòu)成。光機組件的第一部分是遠(yuǎn)焦系統(tǒng)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(qū)動制冷機。通用電子單元包含視頻處理器電路板、視頻轉(zhuǎn)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(yīng)用的擴展插槽。

美軍項目管理對低速初期生產(chǎn)（Low Rate Initial Production，LRIP）的定義是指系統(tǒng)（不包括艦船和衛(wèi)星）以有限數(shù)量進行的生產(chǎn)，其目的是為使用試驗和評價提供代表批生產(chǎn)的試件，建立初步生產(chǎn)基地，使生產(chǎn)率有序增長、以便使用試驗成功完成后進入大批量生產(chǎn)。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(zhàn)坦克瞄準(zhǔn)鏡的LRIP合同。具體數(shù)量為：9套用于M1A2主戰(zhàn)坦克的車長獨立熱像儀；11套用于M1A2主戰(zhàn)坦克的炮長主瞄準(zhǔn)鏡的熱成像系統(tǒng)；12套用于M2A3車長獨立觀察裝置的套件B；6套用于M2A3增強型Bradley目標(biāo)獲取系統(tǒng)的套件B；9套用于M8裝甲火炮系統(tǒng)的炮長主瞄準(zhǔn)子系統(tǒng)的熱成像系統(tǒng)；4套用于LRAS3的帶有遠(yuǎn)距離光學(xué)系統(tǒng)的套件B；2套用于合格性測試的套件B。

1994年7月，HTI項目獲得“里程碑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(chǎn)完成61套套件B/瞄準(zhǔn)鏡。經(jīng)過20多年的發(fā)展，HTI技術(shù)已十分成熟，覆蓋范圍包括制冷型和非制冷型探測器，車輛平臺包括作戰(zhàn)和非作戰(zhàn)車輛。例如，DRS公司基于HTI技術(shù)開發(fā)的駕駛員視覺增強器（DVE）的月產(chǎn)能達(dá)到2500套，可在30天內(nèi)裝備美軍的一個旅級單位。

據(jù)公開資料報道，美國陸軍與DRS公司簽訂了一項總額為6700萬美元的合同，指定后者為美軍M1A1 Abrams主戰(zhàn)坦克、Bradley步兵戰(zhàn)車、Stryker輪式裝甲車提供基于HTI二代FLIR技術(shù)的套件1A/套件1B（SG-FLIR Block 1 A/B-kits）。該合同將于2026年完成。

4通用組件技術(shù)中的制冷機

為滿足二代FLIR系統(tǒng)不同的制冷需求，美國夜視和電子傳感器部門（NVESD）研發(fā)了一系列線性驅(qū)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(nèi)溫度達(dá)到80 K），會受到溫度過高或過低、較大程度的機械沖擊和工作環(huán)境中常見的振動等影響。為了改進旋轉(zhuǎn)式制冷機可靠性低、多軸振動、噪聲過大、缺少溫度穩(wěn)定性等缺點，線性驅(qū)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(qū)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(huán)、雙對置活塞、線性驅(qū)動單元，與SADA系列的集成通過用于驅(qū)動線性電機和冷端溫度控制的外部或者內(nèi)部控制電子單元來實現(xiàn)。

0.15 W線性驅(qū)動制冷機用于便攜式反坦克導(dǎo)彈系統(tǒng)的Javelin指揮發(fā)射單元。因為便攜式系統(tǒng)由電池供電，制冷機效率較為重要，所以0.15W制冷機的設(shè)計使膨脹器靠近壓縮機，可通過非常短的傳輸線實現(xiàn)。1.0 W線性驅(qū)動制冷機應(yīng)用于美國陸軍二代FLIR水平技術(shù)集成項目。因為應(yīng)用范圍較廣，所以1.0 W制冷機主要專注于限定制造商、降低成本和提升可靠性。1.75 W制冷機最初用于高性能FLIR系統(tǒng)，例如，Apache直升機、現(xiàn)已取消的Comanche直升機和量子阱熱成像系統(tǒng)。由于重量原因，已被重量更輕的1.5 W制冷機所替代。1.5 W制冷機用于高性能FLIR系統(tǒng)，在1.0 W制冷機的基礎(chǔ)上改進而來，其冷卻或者制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(jié)束語

在軍用紅外技術(shù)應(yīng)用的早期階段，由于需要裝備熱成像系統(tǒng)的武器平臺種類繁多，各有差異，如果每個武器平臺研發(fā)一套熱成像系統(tǒng)，將形成數(shù)量眾多、功能大同小異的系統(tǒng)組件，導(dǎo)致研發(fā)成本上升，產(chǎn)品缺乏通用性和互換性。通用組件符合標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和通用化趨勢，預(yù)留進一步發(fā)展的空間。美軍紅外項目一般以成熟的通用組件技術(shù)為基礎(chǔ)實現(xiàn)工程化。通用組件雖然減少了工程上選擇不同方案的余地，但提高了可生產(chǎn)性，降低了工程制造開發(fā)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(shù)實施以后，紅外技術(shù)發(fā)展迅速，一方面探測器的規(guī)格從通用組件時的幾個線列（例如，288 × 4、480 × 4等）逐步發(fā)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(shù)的發(fā)展，實現(xiàn)同樣功能所需的硬件體積變小、重量變輕，使得原來需要用幾塊電路板實現(xiàn)的功能可在一塊電路板上實現(xiàn)，在控制成本的同時可以實現(xiàn)組件的靈活定制，這種趨勢導(dǎo)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，但是這并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(shè)計研發(fā)過程中，只是從大Common變?yōu)樾ommon。