蘇君紅院士訪談錄

何懿

蘇君紅 中國工程院院士，紅外技術專家，熱成像工程總設計師，1963年畢業于西安交通大學無線電工程系無線電技術專業，長期從事紅外技術的研究工作，主要研究地面與空中目標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，為我國紅外事業做出了重要貢獻。曾任中國兵器工業集團第二一一所所長，云南省科協主席。曾獲國家科技進步一等獎、中國兵器工業功勛獎、光華基金一等獎、中國工程科技獎、何梁何利基金科學技術進步獎等。

軍事需求推動紅外技術

記者（以下簡稱“記”）：蘇院士，您好！紅外技術發展已有200多年歷史，它是何時走向戰場的？

蘇院士（以下簡稱“蘇”）：怎樣把紅外輻射變成人眼可見的圖像，一直是人們關心的問題。早在19世紀就有人設計了兩種紅外熱成像系統，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來產生熱圖像。軍事應用一直是紅外技術發展的主要動力，人們早就意識到熱成像在軍事上應用的潛力很大，到第二次世界大戰，巴恩斯公司設計了一種用于探測空中目標的測熱輻射計掃描成像系統，雖然性能遠遠沒有達到要求，但成為后來熱成像技術發展的重要思路。20世紀50年代初，一些國家投入相當大的人力物力來發展紅外技術。1958年，英國皇家信號及雷達研究所發明了碲鎘汞（CMT）紅外探測器，顯著地促進了熱成像技術的發展。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。真正實用的紅外熱成像系統產生于20世紀60年代，美國德克薩斯儀器公司研制出世界上第一臺實時顯示電視圖像的軍用紅外熱成像系統，經過戰場的試驗和考核，證明紅外熱成像是一種成功的技術，由于它最先供空軍使用，作為對地面目標觀察的儀器，所以有時也被稱為前視紅外系統（FLIR）。紅外熱成像這種實時顯示的成像設備產生的熱圖像，實際上已與電視的圖像質量相當，可以將其看成是一種“工作在紅外波段的電視攝像機”。

記：熱成像與可見光成像相比，有哪些不同？

蘇：在上世紀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量，就需要用一臺光學機械的掃描器;

二是高性能的紅外探測器需要在低溫條件下工作，因此要配備一個能冷卻到80K（約為零下193℃）的制冷器和一個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，造價比較昂貴。

四是長波紅外波長是可見光的20倍，所以光學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，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備、雷達、激光相比，優勢是什么呢？

蘇：現在熱成像系統已成為重要的夜視器材，能隱蔽、晝夜工作，不受黑夜限制，因為它的工作方式是被動的，不需要用協作光源或自然光照射目標，靠接收目標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，如飛機、坦克、軍艦、導彈等都要消耗能源，其中一部分將轉換成熱能，是一種溫度較高的熱輻射體，熱成像獲得的就是目標與背景之間的溫度差別和輻射率差別的圖像，所以目標要偽裝也很困難，用熱成像系統在很遠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、目標輻射特性三者相一致的關系，決定了熱成像在這兩個波段工作是合適的。溫度在300K（約為27℃）左右的目標，在這兩個波段內會產生較強的輻射，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，在較惡劣的環境下，尤其是能透過敵方施放的煙幕屏障看清目標。

自然界中各類輻射源的電磁波譜相當豐富和寬闊，紅外線在電磁波譜中的波長特點

記：熱成像在軍事上有哪些應用？

蘇：熱成像系統有很高的溫度靈敏度和空間分辨能力，可以顯示出目標的清晰輪廓，并且能識別較遠距離上的目標，已作為探測、監視、跟蹤、火控、夜視的手段，應用在軍事的五大類方面?？臻g上，主要用于航天偵察、監視告警、空間防衛、天文研究、反導導彈;?？辗矫?，主要應用于空中導航、目標定位、威脅告警、搜索跟蹤：地面則用在車輛夜視、火控系統、搜索跟蹤、安全防衛、便攜偵察等方面;同時還被應用于常規導彈如地空導彈、反坦克導彈、空空導彈等的精確制導。

鏗鏘三步曲

記：軍用紅外熱成像技術經歷了哪幾個階段？

蘇：近40年來熱成像發展裝備了三代產品，20世紀七八十年代裝備的是第一代，九十年代裝備了第二代，現在開始向第三代發展。

記：每一代熱成像的發展特點是什么？

蘇：第一代熱成像技術開始于20世紀60年代，多元的銻化銦、碲鎘汞探測器等相繼出現，發展了第一個前視紅外系統（FLIR），但它的探測器需要一個二級制冷器來保證在36K以下的溫度工作，因此很難在常規武器上推廣。70年代初，發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，具有高靈敏度、高分辨率、實時顯示等特點，經驗證系統可靠有效，受到許多國家的關注。

第一代紅外熱成像系統可選擇長波紅外和中波紅外兩個工作波段，但各國無一例外地都選用碲鎘汞長波紅外探測器，因為當目標和背景溫度在300K左右，近距離（4千米）時，長波紅外熱成像系統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系統的性能相當。

第一代熱成像系統的探測器元數一般不超過200元，因此必須用一個光學掃描機構對景物進行二維掃描，以獲取接近于電視質量的圖像。美國第一代熱成像系統采用60元、120元、180元線列光導碲鎘汞系統，來實現120線、240線、360線3種熱成像系統。法國采用11×5的光伏碲鎘汞探測器，用串并掃的方式實現與電視兼容的格式。1980年，英國發明了一種稱為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，結構簡化，性能遠遠超過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。

對于熱成像系統而言，大多數的應用要求都是相似的，眾多的武器平臺都需要采用熱成像系統，針對每一用途獨立發展專用的熱成像系統是很不劃算的。于是，20世紀70年代開始展開熱成像通用組件計劃，重點是把熱成像系統的主要部件，即探測器、制冷器、掃描器、信號處理電路分解成若干組件，使其標準化、模塊化、通用化。而紅外望遠鏡、監視器、控制器、附加電路、外形結構根據用戶要求進行設計，構成各武器平臺所需的熱成像系統。熱成像通用組件一般分為Ⅰ類和Ⅱ類兩種熱成像系統。Ⅰ類熱成像系統具有重量輕、便攜性好、功耗低、體積小、成本低、性能適中等特點，適合于單兵武器、近程武器，用于偵察、監視、搜索、營救等方面。Ⅱ類熱成像系統具有靈敏度高、視場大、高分辨率的特點，被陸、海、空三軍設計成各種車載、機載、艦載的高性能熱成像系統。20世紀70年代N90年代初，美國、歐洲、中國都發展完成了第一代熱成像系統。

為加強對目標的識別和辯認距離，必須提高分辨率，這就對探測器元數提出很高要求。而在實際應用中，對光學口徑有嚴格限制，探測器的探測率已達到背景極限，所以熱成像性能只能靠提高光敏元數來達到，要提高40%的識別距離，探測器元數應是原來的10倍，因此，第二代熱成像系統的探測器元數需要千元以上。

半導體技術和微電子工藝的發展，給紅外探測器技術的發展帶來了新的機遇，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）技術終于有了實用的產品，但還達不到大面陣（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的識別距離大約是3～6千米。

記：第三代紅外成像技術會有哪些質的飛躍？

蘇：為提高武器平臺作戰時的性能優勢，目前正在發展第三代紅外熱成像，重點還是碲鎘汞，并有向非制冷和量子阱發展的趨勢，由長波、中波、短波、雙色、多色、非制冷等多品種組成，采用10⁶元數的大面陣焦平面，主體仍然是制冷型的，因為在一些重要的應用中，性能比價格更重要，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，還發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的探測能力和辨認距離提高50%，幀頻（在熱成像系統中，成像過程是采用探測器對圖像進行掃描來實現圖像傳輸的。每掃完一幅畫面就構成一幀，單位時間內掃描的幀數稱幀頻）提高到480赫茲，紅外成像系統的工作溫度——中、短波的提高到180K（約零下93℃）、長波的提高到120K（約零下153℃）。

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

記：熱成像的更新換代，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第三代紅外焦平面探測器（IRFPA）技術，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，規格有向大規格（640×512元）和超大規格（1000×1000元以上）發展的趨勢。

記：這幾種探測器各有什么特點？

蘇：經過30多年的發展和大量資金投入，碲鎘汞材料成為研究應用最廣泛的一種紅外探測器用半導體合金系統，是紅外探測器的優選材料，目前為止，仍是紅外焦平面熱成像技術的主流發展方向之一。它的主要優點是：高靈敏度、材料制備時可調節響應截止波長、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，規模較小的探測器，如掃描型的焦平面探測器和元數不很大的凝視面陣探測器可以選用碲鎘汞，應用于軍事前視紅外系統。大于640×480規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，材料性能極不穩定，特別是在規模生產中，大面積材料的均勻性和重復性很難控制，因此近幾年，基于砷化鎵的量子阱得到了重視，它的探測機理與傳統探測器截然不同，是靠一個量子阱結構中光子和電子之間的量子力學相互作用來完成探測的，屬于較新的技術。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，可產生更高質量的熱圖像，功耗較低。它的不足也很明顯：達不到很高的靈敏度;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，具有成本低廉、高靈敏的中波應用和均勻性好等優長，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，目前已經制造出來的最大規格是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用。

第一代紅外成像探測器響應波長8～12微米，工作溫度80K，探測器元數：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。它的優點是容易生產，能達到高均勻性（不均勻性小于1%）;另外，當它被制冷到某一個溫度下，其靈敏度就不再隨溫度變化而發生明顯變化。鉑化硅焦平面探測器主要應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。制冷機一直是熱成像中可靠性最差的部件，所以不需制冷和低價格是擴大應用范圍的首要考慮。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重要發展方向，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勢？

蘇：各種非制冷型紅外焦平面成像系統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，具備發熱量小、低成本、低功耗、長壽命、小體積、高可靠性、使用維護方便等優勢，目前正在迅速開拓軍用市場，為紅外傳感器領域注入新的活力，是高性價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之一。在軍事上，它已在夜間駕駛和無人機偵察監視、輕型頭盔瞄準鏡、靈巧彈藥、武器瞄準系統和導彈尋的器等方面得到應用。

記：未來紅外技術發展有哪些變化？

蘇：隨著作戰方式、裝備的變化，目標的背景和目標本身的輻射與以前的預想不一樣，需要探測、識別的目標也隨之發生變化。比如以前主要是探測地面目標，現在慢慢發展為探測高空目標;以前對付火炮，識別距離20千米就夠了，現在發展成對付導彈等，探測距離更遠、高度更高，特別是將來發展成看深空等更遠的目標及背景的輻射很低，對探測器本身的噪聲、目標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

中國紅外技術進展

記：我國在紅外技術領域取得了哪些進展？

蘇：當前，探測器已形成多光譜、長波、中波、短波和紫外同時發展，多種材料并舉，焦平面規格成幾倍增大的格局，我國與美國等發達國家相比，實驗室技術差距10年左右，但戰場裝備差別不是很大?？紤]到性價比，美德等國不會把實驗室的所有高新技術應用到戰場上。

在紅外技術應用領域，我國也取得了較好成績，工藝條件和基礎設施得到很大加強，建立了一定的研制和生產基礎，實現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行二維掃描，第二代從兩維掃描變為一維掃描或凝視。主要的關鍵技術已取得突破，完成了預先研究、型號研究、小批量生產的三個重要階段，在國際矚目的熱成像技術領域中實現了從無到有、自主創新，打破了國外的技術封鎖，性能并不落后，現在已少量裝備部隊，提高了武器平臺的夜間作戰能力。

國外正在發展的第三代焦平面紅外熱成像的一個特點是規格越做越大，如同當今的數碼相機一樣，這主要是得益于制造工藝和基礎研究裝備，但只是規模的延伸并沒有實質性的發明，這就為我們繼續抓住機遇，打好基礎提供機會，在關鍵技術上實現趕超。我國也正在研制第三代紅外熱成像產品，特點是不用掃描，像數碼相機一樣，兩維直接成像，水平與電視相當，探測距離制冷型的是4～5千米，非制冷型的是2～3千米。如果講實用，非制冷的就行，因為成本低，看坦克2～3千米沒問題。但是高水平、探測距離遠還是要制冷型紅外探測器，因為受限于探測器的噪聲，噪聲在低溫狀態下會變小。

法國第一代熱成像通用組件由光機掃描器組件、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：我國發展紅外技術面臨哪些困難？

蘇：還是在探測器的材料和工藝上，光學、信號處理和電子方面與美國等發達國家的差距不大，但趕超美國還有困難，因為美國投入大、人才多、科研裝備基礎好。我們只能緊縮科研目標。要有技術預見，從先進技術中尋找有基礎、能支撐起的有限目標，因為從基礎研究到應用研究，過程很長，花費也大，很多項目不一定能堅持到最后，所以說，科研還是要分工。披常將自己定位為做“回鍋肉”的，而不一定從養豬開始，裝備研究所應該從預先研究到應用研究到裝備研究直到結束，重要的是要有持之以恒的科學精神，正如我國五四先哲所說：“倘人人皆有科學之精神，其國家必日臻強盛，其民族必將被光榮焉;而缺乏科學之精神，其國家必日見被剝削，其種族必不免于淪亡;救國家者，必以提倡科學精神為先務！”

記：一個有科學精神和自省精神的民族，才有遠大的未來！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?。?