Infračervená zobrazovacia technológia funguje na princípe infračerveného žiarenia. Každý objekt s teplotou nad absolútnou nulou bude vyžarovať infračervené svetlo. Táto technológia deteguje túto infračervenú energiu a premieňa ju na viditeľný obraz, čo umožňuje identifikáciu a sledovanie cieľa. Ako moderná-technológia sa v poslednom desaťročí široko používa v zbraniach, od pozemných obrnených vozidiel po vzdušné stíhačky, od povrchových lodí po podvodné ponorky. Jeho pasívna prevádzka (žiadny aktívny prenos signálu, čo vedie k vysokému utajeniu), silná ochrana proti-rušeniu (neovplyvnená elektromagnetickým rušením), robustné rozpoznávanie cieľa (schopné rozlíšiť jemné teplotné rozdiely medzi cieľom a pozadím) a prevádzka za každého-počasia (neovplyvnená dňom, nocou, hmlou, snehom a iným nepriaznivým počasím) z neho urobili modernú nevyhnutnú súčasť high-tech konvenčné zbrane. Spĺňa základné funkčné požiadavky rôznych typov zariadení pre armádu, námorníctvo a letectvo, čím výrazne zlepšuje bojovú účinnosť a schopnosť prežitia zbraňových systémov.
Vojenské aplikácie infračervenej zobrazovacej technológie
Systémy pozemných zbraní
Medzi pozemnými zbraňami sú vojenské vozidlá, ako sú tanky a obrnené vozidlá, často vybavené infračerveným zobrazovacím zariadením, ktoré sa primárne používa na nočný boj, prieskum v zložitých prostrediach bojiska a riadenie paľby. Aktívne blízke-infračervené zobrazovanie sa spolieha na externé zdroje svetla, vďaka čomu je náchylné na detekciu nepriateľa. Nízka úroveň-osvetlenia-je pri jasnom slnečnom svetle alebo dyme obmedzená. Infračervená zobrazovacia technológia však účinne preniká dymom a prachom tým, že zachytí teplotný rozdiel medzi cieľom a okolitým prostredím. Dokáže efektívne identifikovať ciele aj v úplnej tme.
V praktických aplikáciách môžu byť infračervené zobrazovače integrované s laserovými diaľkomermi, balistickými počítačmi a ďalšími zariadeniami, aby vytvorili integrovaný systém riadenia paľby. Napríklad, tank-namontovaný infračervený snímač dokáže v reálnom čase-zachytiť infračervené snímky nepriateľských obrnených vozidiel, opevnení a iných cieľov. Laserový diaľkomer súčasne meria vzdialenosť cieľa a balistický počítač vypočítava parametre streľby na základe pohybu vozidla a typu munície. V konečnom dôsledku je infračervený obraz, vzdialenosť cieľa, nitkový kríž a balistické údaje integrované a zobrazené na ovládacom paneli, čo pomáha posádke rýchlo sa zamerať na cieľ a robiť rozhodnutia o streľbe, čo výrazne skracuje čas odozvy na streľbu a zlepšuje presnosť zásahu.
Protitankové osobné prenosné zbrane
V protitankových osobných prenosných zbraňových systémoch je technológia infračerveného zobrazovania kľúčom k zlepšeniu individuálnych bojových schopností, pričom primárne rieši potreby detekcie cieľov na veľké{1}}dosahy, identifikácie cieľov v komplexnom prostredí a „autonómnej prevádzky po štarte“. Tradičné protitankové zbrane sa spoliehajú na optické mierenie, ktoré je výrazne ovplyvnené okolitým osvetlením a vyžaduje od strelca nepretržité mierenie, kým nezasiahne cieľ, čo môže ľahko odhaliť jeho polohu. Zariadenia vybavené technológiou infračerveného zobrazovania však využívajú vysoko citlivé detektory na zachytenie infračerveného žiarenia z horúcich oblastí, ako sú tankové motory a pásy, čo umožňuje presné umiestnenie cieľa aj v prostrediach zakrytých vegetáciou a zložitým terénom.
Niektoré pokročilé zariadenia integrujú infračervené zobrazovacie zariadenia, ktoré umožňujú „vystreliť-a{1}}zabudnúť“: keď strelec zamkne zbraň a vystrelí, infračervený hľadač autonómne sleduje infračervenú signatúru cieľa bez toho, aby bola ovplyvnená činnosťou strelca. Môže dokonca počas letu znova vybrať ciele s vyššou-prioritou, čím umožní výber viacerých{4}}cieľov a výber cieľových bodov (napríklad uprednostnenie zraniteľných oblastí, ako je motorový priestor tanku). Okrem toho je možné infračervené zobrazovacie zariadenia kombinovať s afokálnymi teleskopmi, duálnymi zosilňovačmi obrazu a ďalšími komponentmi na ďalšie rozšírenie dosahu detekcie, čo spĺňa potreby jednotlivých vojakov v boji proti tankom stredného- a{7}}ďalekého-dosahu.
Systémy leteckých zbraní
Lietadlové zbrane zahŕňajú dve hlavné kategórie: lietadlá a rakety. Infračervené zobrazovacie systémy vykonávajú rôzne základné úlohy v závislosti od typu zariadenia a poskytujú základnú technickú podporu pre letecký prieskum, presné zásahy a bezpečnú navigáciu. V leteckých aplikáciách sú infračervené zobrazovacie systémy konfigurované odlišne v závislosti od funkčnosti modelu lietadla. Protiponorkové hliadkovacie lietadlá sú vybavené infračervenými zobrazovacími systémami, ktoré dokážu rozpoznať ciele, ako sú povrchové lode a podmorské šnorchly v noci (kde je výrazný rozdiel teplôt od morskej vody). Môžu sa tiež pochváliť širokým rozsahom vyhľadávania, ktorý umožňuje rýchle pokrytie rozsiahlych oceánskych oblastí. Stíhacie lietadlá sú vybavené dopredu-výhľadovými infračervenými systémami (FLIR) na nočnú navigáciu-v nízkych nadmorských výškach (identifikovanie terénnych prekážok) a pozemný útok (zameranie na vozidlá a opevnenia). Niektoré systémy môžu byť prepojené aj s laserovými označeniami na navádzanie laserom-navádzaných bômb, čím sa dosiahne stratégia „nájdi a znič“. Infračervené zobrazovacie zariadenie{11}}namontované na vrtuľníku sa primárne používa na prieskum v malých{12}}nadmorských výškach, pátranie a záchranu personálu a pozemnú palebnú podporu. Najmä v mestskom boji môže preniknúť do medzier budov a zachytiť infračervené signály z vnútorných cieľov, čím sa zvyšuje prevádzková flexibilita.
V oblasti rakiet je infračervené zobrazovanie kľúčovým smerom vývoja technológie presného navádzania. V porovnaní s tradičným navádzaním pomocou infračerveného bodového-zdroja (ktoré deteguje iba jeden bod infračerveného žiarenia na cieli), dokáže infračervené zobrazovacie navádzanie pomocou získania infračerveného obrazu cieľa presnejšie rozlíšiť medzi cieľom a infračervenými návnadami, čím sa výrazne zlepšujú jeho schopnosti proti rušeniu.- Táto technológia je kompatibilná s rôznymi typmi rakiet vrátane rakiet vzduch-do{5}}vzduchu, zem-do-vzduchu a vzduch-na-zem. Rakety -vzduch{12}} môžu využívať infračervené zobrazovacie zariadenia na sledovanie výfukových plynov z leteckých motorov a oblastí s vysokou teplotou{13} na trupe lietadla, čo umožňuje zásahy na blízko{14}}dosah a zachytenie stredného- a-diaľky. Rakety zem{18}}do{19}}vzduchu dokážu identifikovať nízko letiace rakety a bojové lietadlá, čím čelia hrozbám prieniku v ultra-nízkej{22}}výške. Rakety vzduch-na{25}}zem sa môžu zamerať na ciele, ako sú pozemné obrnené vozidlá a pevné opevnenia, a dosiahnuť tak presné zásahy aj v zadymenom-prostredí.
Systémy námorných lodí
Lodné infračervené zobrazovacie systémy sú navrhnuté špeciálne pre boj na povrchu a spĺňajú tri základné požiadavky: nočná identifikácia cieľa, protiraketová obrana v nízkej{0}}nadmorskej výške a periskopický prieskum. Slúžia ako kľúčový pomocný nástroj pre lodné-operácie protivzdušnej obrany, proti-raketové a proti{4}}ponorkové operácie. Pokiaľ ide o nočné identifikačné systémy, nedostatok referenčných bodov na morskej hladine sťažuje tradičným optickým zariadeniam rozlíšenie vzdialených lodí od ostrovov a navigačných značiek. Infračervené zobrazovacie systémy však dokážu rýchlo identifikovať typy cieľov (napr. civilné plavidlá z vojenských plavidiel) pomocou infračerveného žiarenia z oblastí s vysokou teplotou-, ako je lodný energetický systém a komíny. Tieto systémy nie sú ovplyvnené povrchovými odrazmi a hmlou, čím sa zlepšujú nočné hliadkovacie a sledovacie schopnosti.
Pokiaľ ide o systémy riadenia paľby, lodné infračervené zobrazovacie systémy často tvoria kompozitný detekčný systém s radarovými a laserovými systémami, ktorý je primárne zameraný na boj proti hrozbám rakiet v nízkych{0}}nadmorských výškach. Keď rakety lietajú v nízkych výškach, trenie vzduchu ohrieva hlavicu a oblak výfukových plynov motora, čím sa generuje intenzívne infračervené žiarenie (vlnová dĺžka žiarenia hlavice je zvyčajne 8-14 μm, zatiaľ čo vlnová dĺžka oblaku výfukových plynov je zvyčajne 3- 5 μm). Infračervené zobrazovacie systémy môžu špecificky zachytiť tieto charakteristiky, automaticky vykonávať vyhľadávanie, získavanie a sledovanie cieľa. Prenášajú azimut cieľa, výšku a ďalšie údaje do veliteľského centra lode v reálnom čase, pomáhajú raketám protivzdušnej obrany a približujú sa-v zbraňových systémoch pri úprave parametrov zachytávania. Dokážu presne rozlíšiť ciele rakiet na komplexnom pozadí, ako je morská hladina a ostrovy, a tak riešiť slepé miesta radaru pri detekcii v ultranízkej nadmorskej výške. Okrem toho sa infračervená zobrazovacia technológia široko používa na palubných optických stožiaroch a periskopoch. Infračervené zobrazovacie zariadenie namontované na optronických stožiaroch umožňuje skrytý prieskum povrchových a vzdušných cieľov bez vystavenia lode radarovým signálom. Infračervené zobrazovacie systémy integrované do periskopov umožňujú ponorkám rýchlo získavať informácie o povrchových cieľoch a zároveň rozširovať svoje periskopy pod vodou, čím sa skracuje čas expozície a zvyšuje sa utajenie a schopnosť prežitia ponorky.
Aktuálny stav technológie infračerveného zobrazovania
Technológia infračerveného zobrazovania sa od 70. rokov 20. storočia rýchlo rozvíjala najmä vďaka technologickému pokroku v oblasti infračervených detektorov. Produkty tepelného zobrazovania sa vyvinuli z jednoduchých počiatočných detekčných systémov na produkty tretej-generácie s vysokým rozlíšením a vysokou citlivosťou. Každá generácia dosiahla prelom v štruktúre detektorov, výkone a systémovej integrácii.
Termálne zobrazovacie systémy prvej{0}}generácie: Od 70. do začiatku 90. rokov 20. storočia tieto primárne fungovali v infračervenom pásme s dlhými- a strednými{4}}vlnami a využívali viacprvkové lineárne poliové detektory (ako sú ortuťové detektory teluridu a kadmia). Tento systém vyžaduje chladič (na udržanie nízkej prevádzkovej teploty detektora a zvýšenie citlivosti) a optomechanický skener (ktorý využíva mechanický pohyb na skenovanie a zobrazenie cieľovej oblasti). Hoci jeho zobrazovacie rozlíšenie je relatívne nízke (menej obrazových riadkov), jeho štandardizovaný a modulárny dizajn umožňuje jeho prispôsobenie rôznym platformám zbraní, ako sú tanky, obrnené vozidlá a lietadlá, čím spĺňa základné požiadavky raných vojenských aplikácií. Počas tohto obdobia vyvinuli Spojené štáty, Spojené kráľovstvo, Francúzsko a ďalšie krajiny produkty prvej-generácie a Čína v tejto fáze tiež dosiahla technologické prelomy, ktoré položili základ pre ďalší vývoj.
Systémy termálneho zobrazovania druhej{0}}generácie: Počnúc 90. rokmi sa technológia ohniskových polí stala kľúčovým prelomom a nahradila tradičné lineárne detektory a optomechanické skenovacie štruktúry, čím sa výrazne zlepšila efektivita zobrazovania a rozlíšenie. Táto technológia je k dispozícii v dvoch konfiguráciách: skenovacie pole 4N (ktoré dosahuje široké-zobrazovanie poľa prostredníctvom skenovania s obmedzeným počtom pixelov) a pole staringu N×M (kde pixely priamo pokrývajú zorné pole, čím sa eliminuje potreba mechanického skenovania a výsledkom je rýchlejšie zobrazovanie). Materiály detektorov sú primárne chladený telurid ortuti a kadmia (HgCdTe) a antimonid india (InSb) a technológia je vyspelá v stredno{6}} a krátko{7}}vlnnom infračervenom (MWIR) rozsahu. V porovnaní s prvou generáciou sa systém druhej-generácie môže pochváliť vyšším rozlíšením, menšou veľkosťou, nižšou spotrebou energie a vylepšenými schopnosťami rozpoznávania cieľov. Postupne sa stal hlavným prvkom v zbraniach vo všetkých odvetviach armády a je široko používaný na platformách, ako sú bojové lietadlá, rakety a lode.
Systémy tepelného zobrazovania-tretej generácie: Od začiatku 21. storočia vstúpila technológia infračerveného zobrazovania do svojej tretej generácie. Hlavným prvkom tohto systému je pole s veľkou ohniskovou rovinou- (LAFA). Hoci je stále primárne založený na chladených detektoroch, dosiahol komplexné vylepšenia výkonu. Táto generácia systémov využíva detektor LFAFA s výrazne zvýšeným počtom pixelov, čo umožňuje-infračervené snímky s vyšším rozlíšením. Optimalizácia materiálov a štruktúry detektora výrazne zlepšuje kvantovú účinnosť (pomer infračervených fotónov prevedených na elektrické signály), rozširuje rozsah prevádzkových teplôt (niektoré detektory môžu pracovať medzi 120 a 180 K, čím sa znižuje zložitosť chladiaceho systému), znižuje teplotný rozdiel ekvivalentu hluku (NETD) na 1 až 5 mK (umožňuje detekciu menších teplotných rozdielov) a výrazne zlepšuje rovnomernosť detekcie medzi pixely). Systém tretej-generácie navyše podporuje viac{14}}detekciu vlnových dĺžok (fungujúca súčasne v krátkovlnných, strednovlnných{16}}a dlho{17}}vlnných infračervených pásmach) a multifunkčné spracovanie signálu (ako je kompresia dynamického rozsahu, nelineárna korekcia a sledovanie pohybujúceho sa cieľa). To mu umožňuje integrovať viac informácií o cieli, čím sa ďalej zlepšuje rozpoznávanie cieľov a schopnosti proti{19}interferencii v zložitých prostrediach.
Výhľad do budúcnosti pre technológiu infračerveného zobrazovania
Budúci vývoj technológie infračerveného zobrazovania sa zameria na štyri hlavné ciele: "zlepšenie výkonu, zmenšenie veľkosti, rozšírenie funkčnosti a zníženie nákladov." Toto sa zameria na prelomy v technológii detektorov a inovácie v systémovej integrácii, konkrétne predstaví štyri hlavné smery vývoja:
Ohnisková rovina a veľké polia: Zariadenia s ohniskovou rovinou môžu priamo konvertovať infračervené žiarenie na elektrické signály, čím sa eliminuje potreba tradičných mechanizmov optického skenovania, zjednodušuje sa návrh systému a znižuje sa veľkosť a spotreba energie. Toto sa v budúcnosti stane hlavnou technologickou cestou. Detektory sa zároveň budú vyvíjať smerom k väčším poliam a dlhším radom, aby sa splnili potreby rozsiahleho-prieskumu a identifikácie s vysokým{3}}rozlíšením. Zvýšením počtu pixelov (napr. z 1 024 × 1 024 pixelov na 2 048 × 2 048 pixelov alebo ešte viac) sa zlepší rozlíšenie obrazu a pokrytie zorného poľa, čo im umožní prispôsobiť sa zložitejším bojovým scenárom (ako je prieskum rozsiahleho bojiska a súčasné sledovanie viacerých{12} cieľov).
Integrácia: Využitím pokroku v technológii výroby polovodičových materiálov sa infračervené zobrazovacie detektory vyvinú smerom k vysoko integrovanému prístupu. Na jednej strane integráciou detektora, čítacích obvodov a jednotiek na spracovanie signálu do jedného čipu sa zredukujú prepojenia medzi komponentmi, čím sa zlepší stabilita systému a rýchlosť odozvy. Na druhej strane, zameraním sa na vývoj materiálov zliatiny HgCdTe (ktoré ponúkajú možnosti širokopásmovej detekcie) a materiálov na kvantové studne/supermriežky (ktoré umožňujú laditeľné detekčné pásma prostredníctvom konštrukčného návrhu), budú detektory ďalej integrované s ohniskovou rovinou a multifunkčnosťou, čím sa dosiahne integrovaný „detekčný{2}}spracujúci-prenosový systém. To ďalej zníži veľkosť systému a umožní kompatibilitu s malými platformami, ako sú mikro-zbrane (ako sú mikro-rakety a drony). Miniaturizácia: Vývoj malých bojových platforiem, ako sú individuálne vybavenie a mikro{8}}UAV, kladie vyššie požiadavky na veľkosť a hmotnosť infračervených zobrazovacích systémov. Budúce prelomy v kľúčových technológiách, ako je dvojpásmový optický dizajn (jeden systém dokáže súčasne rozpoznať dve infračervené pásma, čím sa zníži počet optických komponentov), mikro{11}}technológia chladenia (vývoj menších chladičov s nižším výkonom) a čipov na spracovanie signálu s nízkou spotrebou energie{13} zníži veľkosť a hmotnosť systému pri zachovaní detekčného výkonu. To umožní širšiu aplikáciu technológie infračerveného zobrazovania na zariadenia, ako sú jednotlivé zariadenia na nočné videnie, mikro-prieskumné UAV a malé rakety, čím sa zvýšia bojové schopnosti základných bojových jednotiek.
Viacfarebné: Tradičné infračervené zobrazovanie je väčšinou jednopásmové{0}}a zachytáva obmedzené informácie o cieli. Budúci vývoj bude smerovať k multicolorizácii (viac{2}}pásmové zobrazovanie). Rozšírením detekčného spektrálneho rozsahu (napr. pokrývajúci krátkovlnné, stredovlnné, dlhovlnné a ultra-dlhovlnné infračervené žiarenie) alebo spresnením rozdelenia pásma (rozdelením jedného pásma do viacerých podpásiem-) možno zachytiť radiačné charakteristiky cieľa v rôznych infračervených pásmach, čím sa vytvorí „farebný“ tepelný obraz. Viacfarebné zobrazovanie poskytuje bohatšie informácie o cieli (ako je rozlíšenie rozloženia teploty v rôznych častiach cieľa a identifikácia maskovaných cieľov), zlepšuje presnosť rozpoznania cieľa a schopnosti proti-rušeniu v komplexnom pozadí (napríklad efektívne rozlišuje ciele od infračervených návnad). Okrem toho bude viacfarebnosť kombinovaná s nechladenou technológiou (odstránením potreby chladiča, ďalším znížením veľkosti a spotreby energie), inteligentnými algoritmami (ako je AI{11}}asistované rozpoznanie cieľa a automatické hodnotenie hrozieb) a integráciou s vysokou{12}}hustotou, čo povedie vývoj infračervených zobrazovacích systémov smerom k multifunkčnosti, nízkej spotrebe energie a vysokej inteligenciu.
Z pohľadu trhu bude dopyt po infračervených zobrazovacích systémoch a senzoroch vo vojenskom sektore naďalej rásť. Tento rast je poháňaný nasadením nových zbraní a vybavenia (ako sú stíhačky šiestej{1}}generácie, bezpilotné bojové platformy a hypersonické strely), ako aj modernizácia a dovybavenie existujúceho vybavenia (ako je dovybavenie starších tankov a stíhačiek pokročilými infračervenými zobrazovacími systémami). Zároveň sa bude postupne zvyšovať podiel komerčných hotových výrobkov (ako sú civilné infračervené kamery a priemyselné kontrolné zariadenia) používaných v armáde (prostredníctvom vojenskej štandardizácie a znižovania nákladov). Očakáva sa, že nechladené systémy ohniskovej roviny, vzhľadom na ich malú veľkosť, nízku spotrebu energie a relatívne nízke náklady, sa budú vyvíjať rýchlejším tempom, stanú sa bežnou voľbou pre jednotlivé zariadenia a malé platformy a budú podporovať širokú popularizáciu a aplikáciu technológie infračerveného zobrazovania v armáde.
