雷达隐身技术的发展给机载雷达探测技术带来极大的挑战,甚至成为一种具有威慑性的能力,但机载红外探测与跟踪技术的进一步发展有力地应对了这一挑战。
隐身技术的发展意味着曾经给空战带来革命的机载雷达开始面临着严峻的挑战,但红外搜索与跟踪(IRST)系统的发展使得对空中目标的远距离无源探测成为可能,反过来有力地回应了这一挑战。
事实上,IRST技术并不新颖,世界各国的战斗机多有装备,俗称“光电雷达”。它利用敏感元器件来探测目标发出的红外线,实现对目标的探测。但之前 因发展不成熟,IRST系统提供的信息有限,无法提供独立的跟踪目标的功能,难以真正起到“雷达”的作用,因此这项技术多用于反干扰,即在机载雷达在受到 干扰的情况下协助定位目标。
随着技术的进步,IRST系统本身已经发展成一种高效的传感器,能够独立工作,其更大的价值在于可以向战斗机的雷达提供精确的目标方位角和仰角信息,大大提高了机载雷达的性能,包括远距离探测隐身目标的能力。
从世界范围内来看,欧洲走在了IRST技术竞争的前列,其中塞莱克斯(Selex ES)公司最新研发的斯凯沃-G系统号称能够探测隐身目标。美国虽然是IRST技术的先行者,但相比欧洲已处于落后的位置。
因历史原因,欧洲在航空技术研发领域的国家间合作较多,IRST技术也不例外。塞莱克斯公司是欧洲主要的IRST系统生产商,据披露,它为瑞典JAS-39E/F战斗机研发的斯凯沃-G系统是当前世界上最先进的IRST。
塞莱克斯公司对IRST技术的研究工作可以追溯到1988年。当时,该公司称作“伽利略航电”,隶属于Eurofirst集团。1992 年,Eurofirst集团成为欧洲“台风”战斗机项目的供应商,为其提供“海盗”IRST系统。伽利略航电公司的IRST技术研究团队位于意大利米兰的 内尔维亚诺,在佛罗伦萨还有一个专业的光学研究中心为这项研究提供支持。此外,IRST系统中的红外线检测器研究工作主要由英国飞利浦、GEC-马可尼和 BAE系统等几家英国企业承担。在“海盗”系统之后,塞莱克斯公司还研发了一系列陆基和海基IRST系统,获得了欧洲各主要国家军方的支持。
进入2015年以来,塞莱克斯公司在各个层面上透露了“海盗”和斯凯沃-G系统的一些细节。
萨博公司的试飞员在经过一年的飞行测试之后发现,塞莱克斯公司为JAS-39E/F战斗机研发的斯凯沃-G红外搜索与跟踪系统的性能比预期要好,且优于地面仿真测试的结果。
最新的斯凯沃-G系统在原理上与“海盗”相似,性能也与之相当,但斯凯沃-G将整个系统从一个外场可更换单元(LRU)设计为两个,并将系统的冷却机制从液冷改为气冷。
斯凯沃-G和“海盗”系统的视野都很宽阔,可达到瞄准轴的任意一侧80°以上,可以同时执行搜索和跟踪任务,包括跟踪单个目标或持续跟踪两个临近的分离目标。
与雷达相比,IRST系统重量轻、结构紧凑、价格合理。斯凯沃-G重40kg,高速扫描时峰值功率为380W,成本与小型雷达相当。
另外,塞莱克斯为“神经元”无人机项目研发了智能集成武器舱(SIWB),里面集成了空地IRST系统。这是塞莱克斯公司研制过的最先进的空地IRST系统,据称可在地面杂波很强的情况下探测和识别特定目标,如移动式导弹系统。
与热像仪不同,IRST系统的焦距很长,且能够快速地进行机械扫描。当以最大的放大倍率探测远程目标时,IRST系统可以视为一个装有敏捷扫描反射 镜的热成像望远镜。与其他红外成像系统最大的区别是,IRST系统输出的是目标数据,而不是图像。当然,它可以用作热成像仪,但这并不是其主要功能。
在“海盗”和斯凯沃-G系统中,光学组件较为复杂,研制工作很具有挑战性,其中涉及反射、折射和衍射器件以及对应的涂层,而且这些器件必须耐高温、 耐寒冷和耐振动环境。光学组件一般垂直安装在驾驶舱旁边的机体中。其中,采用轻质高强度材料制成的扫描镜高出机身,被一个可透射红外线的镀铜玻璃罩罩住, 最外面还有一个可以旋转的圆顶整流罩,这样在系统不工作时整流罩可以罩住玻璃罩,减少自然侵蚀。光学组件的下部是一个倾斜角为45°的反射镜,可以将红外 辐射导向红外线探测器。
在IRST系统的设计过程中,很重要的一点是确定工作频率“窗口”(实际选择的是3~5µm或8~12µm),这个频段的红外辐射在大气中衰减较 慢。塞莱克斯公司采用的是碲镉汞 (MCT)线性检测器,工作频率窗口为中波红外(3~5µm)波段。如果选择更宽的工作波段,系统将接收到更多的辐射能量,但获取的目标细节信息会变少。 低温是MCT线性检测器的基本工作条件。通过机械泵和抽真空装置,MCT线性检测器可被冷却到70K,即零下203℃。
据称,塞莱克斯的MCT探测器具有16位像素,相当于在选定的红外波段达到64000灰度。灰度值越高,意味着灵敏度越高。因此,该系统可以探测到目标和背景之间非常小的温差
。但是,高灵敏度是一把“双刃剑”,虽然可以探测到小温差目标,但也会接收到大量的噪声和杂波,从而产生大量的假目标数据,导致系统的虚警率(FAR)很高。解决这个问题的办法就是调低系统的灵敏度,但这种方法减少了有效探测距离。
“海盗”和其他类似项目所做的工作就是设法降低FAR,同时获得更大的有效探测范围,以达到探测低温差目标(如没有打开加力的低速移动飞机)的目 的。这些工作通常包括对真实目标进行数小时的机载测试。基于对作战经验和实际图像的分析,并研究目标的细节红外特征,如目标颜色和亮度的变化,可以过滤掉 鸟类、烧烤炉等引起的大部分虚假目标。
这项工作的关键是快速和高效处理数据的技术。在工程实践过程中,神经网络算法获得了青睐。通过“海盗”项目以及对语音识别技术的探索,塞莱克斯公司在神经网络算法开发和应用方面积累了丰富的经验。
神经网络是一个由许多简单的可实时控制系统构成的可编程网络,这些系统用一种类似于人类大脑神经元相互连接的方式排布。每个“神经元”节点为来自其 他节点的输入赋予一个权重值,通过改变权重,神经网络可以改变它的响应。也就是说,神经网络具有学习功能,能用类似于语音识别或拼写检查软件适应用户的声 音或词汇的方法进行“学习”。在IRST系统的实际应用中,工程人员利用实际目标数据对算法进行训练,这样系统就能大大提高目标识别的准确性。
对于作战飞机来说,传感器间的融合特别重要,特别是雷达和IRST的融合,能够为隐身目标的探测提供新的手段。
作为无源系统,IRST本身不能提供目标的距离信息,因此,在机载雷达不开机的情况下,只能通过两个或多个平台之间进行三角测量或运动学测距获取目 标的距离信息。运动学测距是指IRST系统载机相对于目标进行横向机动,通过一定时间内的目标方位角变化和机动距离来计算目标距离信息。
但是,如果IRST系统首先探测到了目标,它就可以向雷达发出精确指引,雷达将向目标的精确方位发射大量的能量,提高探测和跟踪到目标的概率。武器系统也可以利用IRST提供的信息对目标建立持续跟踪,减少射频信号的发射,从而减少被干扰的概率。
塞莱克斯公司高管表示,在机体表面喷涂特种漆和涂层等红外隐身技术对先进IRST系统无效,因为现代先进的IRST系统灵敏度很高。一些红外吸收涂 层比普通的机体漆面更容易引起气动加热,而IRST系统能够捕捉这些热量。据称,斯凯沃-G系统能够捕捉到以550~700km/h速度飞行的飞机机体表 面的气动加热。加上来自发动机和喷出气流的红外辐射,传统上以雷达隐身为主的隐身飞机在IRST系统面前将面临很大挑战。前美国海军作战部高官曾在今年年 初的一次公开会议上表示,机体表面的气动加热是可以被探测到的。这也从侧面证实了塞莱克斯公司的说法。
塞莱克斯公司的IRST系统的探测距离数据是严格保密的。探测距离高度依赖于目标的红外辐射强度和大气条件,且没有类似雷达截面积(RCS)这样的 单一指标来衡量。但据塞莱克斯宣称,其IRST系统的探测范围与中程空空导弹的包线一致,在没有云层的情况下,IRST将先于雷达探测到低RCS目标。
另据塞莱克斯公司表示,他们已经演示了利用IRST系统和雷达相互配合来探测低RCS飞机的能力。
由于在雷达和隐身技术上处于领先地位,美国并未重视IRST技术的发展。自20世纪90年代初美国决定在先进战术战斗机项目(ATF,即后来的F- 22)中不采用IRST技术之后,美国再也没有研制全新的IRST系统。直到最近,美国才开始重新起步,着手进一步发展先进的IRST系统。
截至目前,洛克希德·马丁(洛马)公司是美国唯一的IRST系统生产商。但据最新消息,塞莱克斯公司已经与诺斯罗普·格鲁门(诺格)公司达成协议,双方将合作开拓美国市场,这对洛马公司是一个严峻的挑战。
洛马公司当前最为成熟的型号是IRST21,该系统的重量几乎是斯凯沃-G的两倍。IRST21主要基于为F-14D战斗机研发的AAS-42系 统,只是更换了新的处理器,本质上还是20年前的技术。IRST21系统有多个不同的版本,新加坡、沙特和韩国的F-15战斗机以及美国的F-16战斗机 都以吊舱的形式装备了这一系统。2009年,洛马公司被选为波音的子承包商,来为美国海军的F/A-18E/F“超级大黄蜂”战斗机提供IRST21系 统,但因美国国防预算削减,该项目进度一拖再拖。
洛马为“超级大黄蜂”提供的IRST系统被附加在中心线副油箱的前端,外加整流罩。这个系统的第一个生产批次采用了与韩国F-15K和新加坡F-15G相同的红外线检测装置,也就是说,最初版本仍然是基于20世纪80年代开发的技术。
第一批次的IRST在2014年5-7月接受了作战评估,但随后的报告表明,其跟踪性能没达到预期的要求,使其数据输出难以与机载雷达融合。今年2 月,该IRST系统被批准进入小批量生产,预计将在2018年达成初始作战能力(IOC)。美国海军计划采购60套第一批次的IRST系统,然后再采购 110套采用新的红外线检测装置的第二批次系统,同时将第一批次版本升级为第二批次版本。
2015年1月,洛马公司公布了新的IRST吊舱Legion,该吊舱与瞄准吊舱的挂架兼容并预留了数据链安装接口。Legion吊舱计划装备美国 空军的F-15C战斗机。2011年年初,美国取消了F-15战斗机的IRST项目,但在今年公布的预算计划中,美国空军将在2016年恢复该项目,并拨 款2.81亿美元。
美国国防部对于美国海军“超级大黄蜂”战斗机装备的IRST系统的跟踪质量不甚满意,这无疑是在提醒美国空军要加快弥补IRST能力的短板。当然, 美国空军在IRST系统的使用方面积累了一些经验。从2013年开始,美国空军中扮演“蓝军”的F-16战斗机一直在携带IRST吊舱进行各种飞行测试。
美国在IRST技术领域落后于欧洲已是不争的事实,但美国国内大多数专业人士和政府官员认为,探测技术的改进并不意味着隐身时代的终结,因为不同程度的隐身设计得出的隐身性能千差万别,高度隐身的作战飞机仍然能在空中取得优势。