现代战斗机的红外搜索与跟踪系统

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作者：魏楞杰

　　战斗机上有各种精密的航电装备，其中主动式电子扫描阵列雷达威力强大，可让战斗机同时接战来自不同方向的目标，甚至具有成为高能量武器及快速数据链的潜力，赋予战斗机前所未有的新战斗力。但雷达波会泄露飞机的行踪，妨害战斗机遂行任务，甚至危及战斗机的生存性。为兼顾搜索目标及避免敌方知悉我机动向，不会向外发射电磁波的被动式红外搜索与跟踪系统已成为现今新一代战斗机的必要装备。
前言
　　战斗机是安装有高性能传感器及武器系统的飞行平台，机上航电装备及相关软件的价格就大约占了总价格的一半。这些航电系统及传感器虽然很先进，却会发射强烈的电磁波。即使现今战斗机已采用隐身技术来大幅降低雷达反射面积，但发射电磁波无异于向敌方侦察系统报告我机方位及飞行方向，对战斗机遂行任务非常不利。若因电磁波发射管理不当，让战斗机现形于敌方雷达或热成像仪上，之前为隐身所做的一切努力将完全付诸流水。

F-22开加力时的红外图像

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　要解决这个难题，基本方法是降低本身发射的电磁波，根本解决之道则是使用先进、不发射电磁波的被动式传感器，让敌方侦察系统一无所悉。

雷达是战斗机的必备航电系统，却也是妨害隐身的最主要装备

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电磁波管理
雷达
　　现今战斗机所发射的电磁波中，最主要的来源当然是尖峰功率可达数十万瓦的雷达。先进雷达警告接收机（Radar Warning Receiver）接收到雷达发射的电磁波后，不但能定位发射源位置，在与计算机数据库对比后还能确定雷达的种类和战斗机的型号。虽然战斗机可采用“雷达静默”方式来躲避探测，但这只能偶尔为之，而且在躲避敌方探测和探测敌方目标间如何平衡也是一大难题。
　　低拦截率（Low Probability of Intercept）雷达可以解决部分难题，这种雷达的发射频谱很宽，使用最小的发射功率，并采取跳频（frequency hopping）技术，载波以特殊的传输顺序在多个频段内变换发射频率。这种传输方式有两个优点︰一、对窄频干扰有强大的反制能力；二、对窄频接收机而言，这种雷达波就如同多余的背景噪声，因此极难拦截。所以低拦截率雷达在搜索跟踪目标时，雷达警告接收机很难探测，战斗机能在不惊动敌方的情况下进行探测、识别、以及跟踪敌方的目标。

主动式电子扫描阵列雷达的波束狭窄，频率多变，波形变化多端，很难予以拦截

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　　雷达还可用脉冲压缩（pulse compression）技术来降低被探测到的机率。这是一种增加传输距离和提高信噪比（Signal-to-Noise Ratio）的信号处理技术，将发射脉冲先进行调变，并将反射信号与发射电磁波相对比，在距离与分辨率不变的情况下尖峰发射功率可以大幅降低。
　　在设计雷达时，若能减少旁波瓣（side lobe）及后波瓣（back lobe）的功率也能降低被拦截的机率。现今的相位阵列（phased array）雷达不但可控制旁波瓣的大小，还能以狭窄、移动迅速的电磁波进行型态复杂的搜索，用来对付雷达警告接收机效果斐然，即使被它探测到也会认为不值一顾。不过相位阵列雷达仍然需要高功率接收/发射模块，只是把机械式扫描天线（Mechanically Scanning Antenna）换成电子PIN二极管被动式移相器（phase shifter），不再需要机械扫描动作，对雷达运行或降低能量消耗也有相当的帮助。
　　最先进的低拦截率雷达是主动式电子扫描阵列（Active Electronic Scanned Array，AESA）雷达，这种雷达的发射和接收机被多个自备电源及放大器的发射/接收模块取代，每个发射/接收模块具备功率放大器、低噪音放大器、相位控制器及振幅控制装置，因而不需要高功率中央发射系统。除了在操作上更为便利之外，雷达扫描也非常迅速，因此很难予以拦截。据说F-22“猛禽”（Raptor）的AN/APG-77主动式电子扫描阵列雷达在对装有雷达警告接收机或电子支援措施（Electronic Support Measure）的敌机进行扫描时，敌机根本不知道已被雷达波笼罩。

AESA雷达的单个发射/接收模块

　　传统雷达是在一狭窄频段内发射低能量脉冲，AN/APG-77雷达则是以扩展频谱传送（spread spectrum transmission）技术在一宽带段内发射脉冲，各频段的回波由雷达信号处理器综合，从目标传回的总能量与传统雷达相差无几，但每个脉冲的能量大幅减小，而且也不符合一般的雷达波调变型态，因此目标很难察觉F-22就在附近窥伺。

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其它发射源
　　无线电传送也会惊动敌方，因而获知我机的方位，并且有可能由无线电特性知道飞机的型号。现今的战斗机可通过数据链接收语音或数据信息，但战斗机在网络中心化战争（Network Centric Warfare）背景下作战，除接收信息外也得传送大量的信息，数据链容易被探测或拦截，降低了飞机的隐身性能。F-22因此有两套数据链系统，一套使用标准的超高频/极高频（VHF/UHF）无线电频率；另一套是低功率、低拦截性的飞行中数据链（Intra flight Datalink），让各架F-22不需通过无线电通讯就能自动彼此分享目标与系统的信息。

F-22的AN/APG-77主动式电子扫描阵列雷达不但威力强大，且具备成为超级数据链的潜力

　　为了消除数据链可能泄露行踪的顾虑，F-22正在提升AN/APG-77的性能，在2006年9月由诺格（Northrop Grumman）、洛马（Lockheed Martin）、L-3通讯（L-3 Communications）合作的一次测试中，F-22的AN/APG-77主动式电子扫描阵列雷达通过通用数据链（Common DataLink）的调制解调器仿真成无线网络中的一个节点（node），以每秒548Mb和每秒1,000Mb以上的速率下载及上传数据，较美国现役传输速率每秒约1Mb的Link16强上几百倍，能在极短的时间内将数据传输完毕，降低泄露飞机行踪的风险。
　　飞机上的电子反制装备，尤其是各种干扰器也很容易泄露飞机的行踪及方位，使得是否该启动电子反制变成两难。一般而言，若已被敌方探测发现，就应该启动电子反制以迷惑或蒙骗敌方的雷达，但若敌方对我机仍毫无所悉时，就应该避免使用。
　　除了上述各种向外发射电磁波的装备外，飞机上各个电子开关在扳动时也会发出少量电磁信号，这对全金属飞机造成的问题较小，因为金属结构会吸收这部分的噪声，但对性质属于绝缘体的复合材料而言就不容小觑。

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解决方案
　　主动式电子扫描阵列雷达性能强大，又有传输数据的潜力，必然仍是机上最重要的传感器，但由隐身的观点来看，雷达发射的电磁波不论如何降低强度，或是多么谨慎管理与控制，一旦被敌方探测到还是会成为敌方知悉我机行踪及方位的泄密源，而随着战斗机对隐身性能要求与日俱增，这一部分已是必须严肃以对的课题。
　　要确实解决电磁波发射的问题，唯有依赖全被动式传感器，在静默中搜索、探测、跟踪，不泄露任何信息给敌方的侦察系统。因此新一代战斗机都装上先进的红外搜索与跟踪（Infrared Search and Track，IRST）系统与雷达搭配，有时完全取代雷达的工作，有时则协同雷达进行搜索数据融合（data fusion）。红外搜索与跟踪与前视红外（Forward-Looking Infra-Red，FLIR）系统有些雷同，都使用红外技术，但前者很像雷达，能对整个空域进行搜索；后者则视野有限，主要用来产生影像画面。

红外搜索与跟踪系统可在静默中搜索、探测、跟踪，不泄露任何信息给敌方的侦察系统。图为“台风”战斗机的海盗系统图像

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技术与材料
　　任何物体在温度高于绝对零度时都会发出红外热辐射，尤其是飞机在高速飞行时与空气摩擦会无可避免地发出红外热辐射。所谓的红外搜索与跟踪系统就是一种被动式长波红外探测传感器，可在一般或电子干扰的环境下对远距红外热源进行监测及跟踪。也就是说红外搜索与跟踪系统就是被动式远距离空中目标识别传感器，主要应用于战斗机空防任务上，在攻击、防御、或反制敌机的空优任务中都能强化战斗机的生存性及战斗力。

锑化铟中波红外探测阵列组件，一旁为英镑一分钱

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　　红外搜索与跟踪系统的分辨率较高，当敌机大举编队来袭时，能比雷达更快提供各架飞机的位置，并且对移动目标的跟踪较精确。系统获得的信息可自行运用，也能与其它传感器获得的信息相融合，进一步强化战斗机飞行员的态势感知，让他在远距离外就能探测、识别、接战敌对目标，拥有梦寐以求的“先敌发现、先敌射击”（first look,first shoot）先发制敌的能力。
　　红外搜索与跟踪系统也很适用于空对地任务，可提供准确的地面移动目标指示（Ground Moving Target Indicator）以及大范围地面图像更新，这已逐渐成为北约空军此系统的主要应用项目。
　　红外被动式系统的关键技术是红外跟踪仪，会扫描视野所及之处，搜索特定波长或特定频宽的红外信号，并精确量测发射源的角度坐标，整个过程不会产生任何电磁波。最复杂的红外跟踪仪使用聚焦平面阵列（Focal Plane Array）探测组件，它们是具有光电特性的小型半导体，随照射光波长而有不同的电气特性，探测组件探测整个视野，摄得的影像由前视红外或影像处理软件呈现于显示器。

红外传感器摄得的AH-64D阿帕奇影像，发动机排气部分特别明显

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　　红外波长范围涵盖0.75-1000微米，介于可见光与微波之间，大气中某些分子（如二氧化碳、水蒸气…等）及微粒子对于红外传输均能造成衰减，能够顺利透过大气的红外辐射主要波段范围为1-2.7微米（短波红外）、3-5微米（中波红外）、及8-14微米（长波红外），此三个波段范围称为红外的大气窗口，绝大部分红外军事探测器工作波长都介于这二个波段内。现今红外探测组件使用的材料有四种，碲汞镉（mercury-cadmium-telluride）最佳，对长波红外有极佳的灵敏度，但制造很困难；其次是硅化钛（platinum silicide），灵敏度稍逊，但制造简单许多；另外还有锑化铟（Indium antimonide）和硅化铱（Iridium silicide）。
　　碲汞镉︰在8~12微米波段的灵敏度极佳，但要制成阵列很困难，组件灵敏度差异很大，影像软件非常难处理。
　　锑化铟︰用在5.5微米波段内，比碲汞镉容易制造，组件灵敏度也很均衡。
　　硅化钛︰限用于2.5~4微米波段内，灵敏度只有碲汞镉的五十分之一。优点是组件灵敏度非常平均，容易制造且成本低廉。
　　硅化铱︰适用于8~12微米波段内，灵敏度可与碲汞镉相媲美，不过制造不够成熟，不适用于大量生产。
　　红外探测组件冷却后的温度决定其灵敏度以及能探测的波长，因此红外跟踪系统使用时需要冷却。战斗机上的红外搜索与跟踪系统使用闭路式（close-cycle）冷煤以缩短系统的整备时间（turn around time）。大多数探测组件先天上对可见光敏感，因而会产生一些问题。最简单的解决方法是在探测器的镜头前方加个滤光片，滤除不需要的可见光及红外线，一般是在探测器半透明外罩贴上数层很薄且厚度各异的玻璃膜，各层膜的反射系数不同且厚度为欲探测红外波长的倍数，如此一来不需要的光线就会被反射排除，需要的红外线就能长驱直入。红外制导导弹及红外搜索与跟踪传感器玻璃外罩上的一层金色薄膜，就是一种滤光膜。

红外搜索与跟踪系统的视窗一般都是贴膜的

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　　战斗机在高速飞行时，探测器的半透明外罩很容易因沙尘或雨滴吹袭而受损，使探测信号扭曲，减低了系统性能。最好的解决方式是以硬度仅次于人造钻石的人造蓝宝石来做外罩，不过人造蓝宝石很贵，要加工制成外罩的半球型也不是件容易的事。

洛马“狙击手”瞄准吊舱的视窗就是人造蓝宝石玻璃制造的，这种平板视窗容易制造