申功勛

近代一門發(fā)展極為迅速的先進(jìn)技術(shù)——紅外線。已被廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代各種軍事技術(shù)兵器上面。運(yùn)用紅外線技術(shù)制成的各種觀察、通訊儀器，已成為各兵種在作戰(zhàn)中所不可缺少的重要工具。

隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的迅速發(fā)展以及軍事發(fā)展的需要而對(duì)航空技術(shù)提出的要求，致使紅外線技術(shù)在航空方面也有著愈來(lái)愈重要的用途。目前象目標(biāo)探測(cè)、飛機(jī)導(dǎo)航、偵察攝影和通訊以及導(dǎo)彈制導(dǎo)等等方面都廣泛地應(yīng)用著紅外線技術(shù)，而這幾年來(lái)紅外線技術(shù)的理論和儀器也有著很大發(fā)展。這里僅就紅外線技術(shù)在航空中的主要用途作一簡(jiǎn)單介紹：

什么是紅外線

紅外線是一種不可見的光線。它和可見光線、r－射線、X－射線以及無(wú)線電射線等等一樣，都是一種能輻射出一定能量的電磁波。不過它們各具有不同的波長(zhǎng)。在圖1中可以得知：紅外線在光譜中是介于可見光和無(wú)線電微波之間，波是約為0.76－750微米的一段位置。正因?yàn)樗翘幵诩t色可見光線以外的位置，所以我們就把它稱作為紅外線。

圖1紅外線光譜在電磁譜中的位置

紅外線的波譜與可見光線波譜相靠近，很多性能與可見光是極其相似的。像紅外線的射線也是作直線性傳播的，在一定條件下，也會(huì)產(chǎn)生折射、散射和被吸收等現(xiàn)象。用拋物面鏡和透鏡也能將紅外線收集和進(jìn)行聚焦。另外紅外線亦與靠近另一端的無(wú)線電或雷達(dá)電波的性能也相似，像黑紙、厚紙板、瀝青、薄硬橡膠板或者一些不透明的硅、鰭等物質(zhì)，紅外線輻射也都能順利地穿過。

在大氣中傳播時(shí)，紅外線透過煙及薄霧的能力要比可見光強(qiáng)得多，所以我們就利用紅外線這個(gè)特性，常在能見度不良的情況下，使用紅外線的儀器來(lái)進(jìn)行觀察，并且能觀察到比可見光觀察到更遠(yuǎn)的目標(biāo)。

實(shí)際應(yīng)用的紅外線系統(tǒng)有兩種，一種叫做主動(dòng)的紅外線系統(tǒng)，一種叫做被動(dòng)的紅外線系統(tǒng)。這兩種系統(tǒng)的區(qū)別在于前者為了探測(cè)目標(biāo)，系統(tǒng)本身需要有照射目標(biāo)用的能源裝置(如紅外線探照燈)，而后者就不需要有發(fā)射能量的裝置而只要有能接收由目標(biāo)反射回來(lái)的輻射能接收器就可以進(jìn)行工作。由于被動(dòng)紅外線系統(tǒng)在探測(cè)目標(biāo)時(shí)不需要射出紅外線來(lái)，因而就能極隱蔽地進(jìn)行工作，而不易被敵所發(fā)現(xiàn)，由于這個(gè)在軍事應(yīng)用上具有重大意義的特點(diǎn)，致使被動(dòng)紅外線系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中將更有發(fā)展前途。

在專門用來(lái)接收并顯示目標(biāo)紅外線輻射的通常使用的儀器，其應(yīng)用的原理大致分有這樣幾類，一類是應(yīng)用外光電效應(yīng)，即是使用某種物質(zhì)在受到紅外線照射時(shí)會(huì)放出電子的特性，再在某些受電子沖擊后能發(fā)光的物質(zhì)上(如螢光屏)顯示出目標(biāo)的形象。應(yīng)用這種原理通常使用的儀器有光電變換器和電子倍增器等。另一類是應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)，即利用一些像硫化鉛、碲化鉛或鍺一類的物質(zhì)，在受到紅外線照射后，內(nèi)部就出現(xiàn)自由電子，致使本身電阻發(fā)生改變的特性。而我們就可利用其電阻的改變而測(cè)得目標(biāo)輻射能的大小，而再進(jìn)行工作。再一類是應(yīng)用紅外線照射會(huì)產(chǎn)生熱能而使電阻降低的熱輻射原理的儀器。

在航空中，應(yīng)用上述原理制成的儀器使用得非常普遍。

前面講過，紅外線與無(wú)線電或雷達(dá)波極其相似。因此它可作雷達(dá)所做的工作，如搜索目標(biāo)、飛機(jī)導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)等工作，這兩門同屬于無(wú)線電電子學(xué)學(xué)科在近代都獲得飛速的發(fā)展。那么，它們之間究竟有些什么樣的關(guān)系？紅外線較雷達(dá)又有什么更優(yōu)越的地方？這是值得考慮的。

紅外線與雷達(dá)

現(xiàn)代雷達(dá)在航空中占著極重要地位是大家都知道的。像目標(biāo)搜索、飛機(jī)領(lǐng)航、敵我飛機(jī)識(shí)別以及與瞄準(zhǔn)具交聯(lián)構(gòu)成自動(dòng)射擊和轟炸的火力控制系統(tǒng)等等，都無(wú)不應(yīng)用著雷達(dá)。但是雷達(dá)本身也存在一些問題，從而影響到它在現(xiàn)代日益發(fā)展的航空技術(shù)上面得到更廣泛的應(yīng)用。如用雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)首先必須發(fā)射出能量，這是由雷達(dá)作用原理所決定的，由發(fā)射裝置發(fā)射出脈沖，然后由接收裝置接收由目標(biāo)反射回來(lái)的脈沖信號(hào)，這樣才能測(cè)得目標(biāo)的距離。很顯然，雷達(dá)首先向目標(biāo)發(fā)射出能量，容易被敵方發(fā)現(xiàn)而進(jìn)行干擾，甚至有可能使雷達(dá)完全喪失它的作用。如果應(yīng)用被動(dòng)紅外線系統(tǒng)(本身不需要發(fā)射能源)，在這方面紅外線就能充分顯出它為雷達(dá)所不能比擬的優(yōu)越性了。近來(lái)發(fā)展一種利用紅外線技術(shù)的無(wú)源雷達(dá)也就是用來(lái)彌補(bǔ)這樣一個(gè)缺點(diǎn)。再?gòu)陌l(fā)展的觀點(diǎn)來(lái)看現(xiàn)代飛行器(飛機(jī)和火箭導(dǎo)彈)的飛行速度和飛行高度都必將愈來(lái)愈高，外形也愈來(lái)愈流線型。這些特點(diǎn)，對(duì)紅外線說來(lái)是非常有利的，飛行器的速度增大，其發(fā)動(dòng)機(jī)的推力一定要增加，因此排出的高溫燃?xì)庖捕?，溫度也就愈高，也就是紅外線輻射溫度的提高因?yàn)榧t外線探測(cè)距離是和目標(biāo)的輻射溫度的平方成正比，所以隨著目標(biāo)速度的增加，紅外線的探測(cè)距離也就會(huì)相應(yīng)地增大。另外如果目標(biāo)飛行速度達(dá)到超音速以后，不僅發(fā)動(dòng)機(jī)部位是很強(qiáng)的紅外線輻射源，而且整個(gè)目標(biāo)都將是很強(qiáng)地紅外線輻射源了，因?yàn)榭諝鈩?dòng)力加熱使表面溫度也就大大升高。一架在一萬(wàn)米高空以每秒800米飛行的飛行器，它的表面溫度就高達(dá)攝氏200多度，這對(duì)紅外線儀器來(lái)說是一個(gè)非常良好的目標(biāo)。另外高空云也少、二氧化碳含量也少，飛行器發(fā)射出紅外線輻射被吸收也少，加之在無(wú)云的高空區(qū)域，很少存在有其他紅外線波，因而紅外線儀器在高空中探測(cè)尋覓目標(biāo)是十分方便的。但是對(duì)雷達(dá)說來(lái)，探測(cè)高速高空的飛行器的效果是較差的，所以雷達(dá)射程也就大大減少，為了克服這點(diǎn)，勢(shì)必增加雷達(dá)功率，但這將是非常復(fù)雜和困難的。而目標(biāo)的流線型化也將使雷達(dá)正面得到的反射訊號(hào)要減小。

紅外線較雷達(dá)鑒別目標(biāo)的精確度要高，因?yàn)榧t外線頻率(約一百萬(wàn)到五百萬(wàn)兆周)比雷達(dá)所使用的最高頻率還要高14倍左右。

紅外線裝置較之雷達(dá)也是有著許多不足的地方，譬如在目前說來(lái)，不如雷達(dá)測(cè)量距離方便，不能像雷達(dá)那樣可以自由選擇工作頻率，無(wú)法控制目標(biāo)輻射的紅外線頻率。同時(shí)也不能像雷達(dá)那樣對(duì)待衰減可用增高功率的辦法來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。因此在實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)的重要作用也是絕對(duì)不容忽視的。但隨著現(xiàn)代航空科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，紅外線在某些方面肯定地將會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。

導(dǎo)彈的紅外線制導(dǎo)

由于現(xiàn)代高速飛行器都是很強(qiáng)的紅外線輻射源，因而在一些地空導(dǎo)彈和空—空導(dǎo)彈上就廣泛采用裝有紅外線自尋求的導(dǎo)向裝置用來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行自動(dòng)瞄準(zhǔn)和跟蹤。

裝有紅外線導(dǎo)引的制導(dǎo)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2裝有紅外線導(dǎo)引頭的導(dǎo)彈原理圖

1.整流罩2.反射鏡3.平面鏡4.調(diào)制盤5.紅外線接收機(jī)(光敏元件)6.低頻放大器7.解調(diào)器8.9.引導(dǎo)部分動(dòng)力傳動(dòng)裝置10.舵螺傳感器11.控制舵面的電路12.舵面。

紅外線導(dǎo)引的工作過程是：當(dāng)導(dǎo)彈在追蹤飛行中，裝于導(dǎo)彈頭部光學(xué)系統(tǒng)中的反射鏡向目標(biāo)進(jìn)行搜索，如果此時(shí)導(dǎo)彈軸線偏離了目標(biāo)紅外線接收器(光敏元件)就會(huì)接收到由經(jīng)調(diào)制盤所控制的一部分紅外線射線來(lái)而感受出與偏離成比例的誤差訊號(hào)，經(jīng)過放大器放大后，再輸送到動(dòng)力傳動(dòng)裝置中去，使導(dǎo)引頭重新對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)。而裝在反射鏡上的陀螺傳感器同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)傳給操縱電路，使舵面?zhèn)鲃?dòng)機(jī)構(gòu)工作并操縱舵面轉(zhuǎn)動(dòng)，使導(dǎo)彈重新對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)位置。這時(shí)，這種制導(dǎo)作用即完全停止。當(dāng)導(dǎo)彈飛至離目標(biāo)一定距離范圍時(shí)，紅外線感應(yīng)引信就會(huì)發(fā)生作用，并引導(dǎo)導(dǎo)彈爆炸。

應(yīng)用紅外線制導(dǎo)導(dǎo)彈優(yōu)點(diǎn)，是作用距離較遠(yuǎn)，一般可達(dá)10多公里。在一定距離上能自動(dòng)地進(jìn)行跟蹤。但由于紅外線本身受有氣象條件的限制，在復(fù)雜的氣象條件下(如密云、濃霧、大雨)就不能有效地使用，在低空時(shí)由于地面空氣水分多，導(dǎo)向性也受到影響。此外紅外線制導(dǎo)的這種導(dǎo)彈不能朝向太陽(yáng)方向發(fā)射。由于紅外線裝置對(duì)敵我目標(biāo)無(wú)鑒別能力，因而也可能會(huì)誤傷到自己方面的飛機(jī)。

另外紅外線也可應(yīng)用作為導(dǎo)彈的自動(dòng)天文導(dǎo)航裝置，(圖3)這是由于紅外線裝置在白天也能收集到空中某些星球的強(qiáng)烈的紅外線輻射。我們預(yù)先可以選定天空中有足夠光亮度的星球(如太陽(yáng)、月亮)作為導(dǎo)航的基準(zhǔn)。而裝在導(dǎo)彈中的紅外線望遠(yuǎn)鏡能夠自動(dòng)地對(duì)準(zhǔn)基準(zhǔn)星球所在的方向和接受由星球輻射來(lái)的紅外線射線束，并且把它投射到一組由光敏電阻組成的光感受器上面，當(dāng)導(dǎo)彈沿著正確的方向飛行時(shí)，光感受器中間的光敏電阻就會(huì)接受到紅外線，當(dāng)導(dǎo)彈偏離正確方向飛行時(shí)，則紅外線射線束就離開了中間光敏電阻而射到兩旁的光敏電阻上，此時(shí)光敏電阻的電路上就產(chǎn)生了與偏離成比例的誤差信號(hào)，信號(hào)經(jīng)過放大后就能操縱導(dǎo)彈使回復(fù)到正確方向飛行，而紅外線望遠(yuǎn)鏡也就重新轉(zhuǎn)向到對(duì)準(zhǔn)星球的位置。

圖3紅外線天文導(dǎo)航儀

紅外線瞄準(zhǔn)器

利用紅外線原理作成的一種夜視儀器——電子光學(xué)瞄準(zhǔn)具。在航空中的應(yīng)用也是極其廣泛的。如果在夜間戰(zhàn)斗機(jī)或夜間轟炸機(jī)上裝有這種儀器，那么就可借敵機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)熱部分及排出的熱廢氣底紅外線輻射，來(lái)尋找敵機(jī)或?qū)Φ孛婺繕?biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)轟炸。這種電子光學(xué)瞄準(zhǔn)具的構(gòu)造并不復(fù)雜(見圖4)，瞄準(zhǔn)系統(tǒng)由觀察儀、高壓電源以及其他光學(xué)附件等幾部分組成的。組成瞄準(zhǔn)具中最重要的部分是一個(gè)能將不可見的紅外線形象變成能夠在螢光屏顯示器上看到形象的所謂電子—光學(xué)變換器。這種光電變換器應(yīng)用的就是外光電效應(yīng)原理。來(lái)自目標(biāo)的紅外線束，射到位于光電變換器玻璃屏一端的用半透明氧化銫制成的陰極上面，并引起電子放射，從光電陰極發(fā)射出來(lái)的電子，經(jīng)過聚焦系統(tǒng)后，將加速射向通常用人造硅鋅礦(用錳活化過的正硅酸鋅)制造的螢光屏上并進(jìn)行聚焦。螢光屏在被電子撞擊的地方就會(huì)發(fā)出眼睛可以看到的光線，因此飛行員就能在觀察儀上清楚的看到紅外線輻射的目標(biāo)形象。

圖4電子—光學(xué)瞄準(zhǔn)具略圖

其它用途

紅外線在航空上的應(yīng)用是多方面的，像在人造地球衛(wèi)星上如果按裝紅外線的儀器后，就可以用來(lái)拍攝地球士的地形。不過美帝國(guó)主義卻是用來(lái)干收集社會(huì)主義國(guó)家軍事情報(bào)的間諜活動(dòng)的。紅外線也能作為導(dǎo)彈偵察器用在遠(yuǎn)距離對(duì)彈道火箭的發(fā)射進(jìn)行偵察以及火箭的外彈道測(cè)量。此外飛機(jī)上作為防碰撞接近報(bào)警指示器、對(duì)飛機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航的地速指示器、飛機(jī)與地面通話的儀器以及航空照明、航空氣象測(cè)量等等都廣泛地應(yīng)用著紅外線技術(shù)，航空上還有很多其他紅外線的設(shè)備，這里不一一列舉了。

由于紅外線具有許多特殊的優(yōu)良性能，使它在航空上面有著很重要的用途。因此隨著現(xiàn)代航空技術(shù)的發(fā)展，肯定的紅外線技術(shù)也將得到更大發(fā)展。目前紅外線應(yīng)用的比較廣泛的是波長(zhǎng)為0.76－15M的短波裝置，未來(lái)將逐漸向研究中長(zhǎng)波紅外線裝置(15M－750M)方向過渡。此外有關(guān)紅外線的理論研究、紅外線的調(diào)制、大氣對(duì)紅外線的影響、紅外線電子光學(xué)儀器的理論和制造技術(shù)、以及儀器的靈敏度、紅外線光敏元件的材料等等一系列理論和試驗(yàn)；都將是發(fā)展紅外線技術(shù)面臨的十分迫切需要解決的課題。無(wú)疑地，未來(lái)這門年輕的極其重要的紅外線技術(shù)，它將會(huì)在航空方面得到更廣泛的應(yīng)用。