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淺析IRST感測系統於獅鷲戰機之應用

◎ 寧博

　瑞典紳寶JAS 39 E/F獅鷲式戰機所搭載的義大利塞雷斯公司（Selex ES）製向天G型（Skyward-G）紅外線搜索追蹤（Infra Red Search and Track）感測系統，以下皆稱IRST感測系統，經過一年的飛行測試後，紳寶試飛員認為結果比預期還更好，塞雷斯公司也將透過美國國防廠商行銷至美國軍機上。

　IRST感測系統的廣視域（Field of View）監視能力能用於被動式自動搜索、偵測、追蹤、辨識與排序優先可能的目標。在電子戰效能不斷強化與反輻射飛彈的進化之下，易遭受電磁干擾的主動式雷達靜默進行隱匿任務已是必要的，因此免於被干擾和不被偵測到，但又能先發制人、偵測敵方目標，IRST感測系統就是現代戰機唯一的選擇。IRST感測系統可以偵測監視從遠距離、複雜實戰環境中出現的高速目標，也能在夜間或是惡劣天候狀況協助飛行員看見降落與飛行狀況。

　高感度對目標持續追蹤

　IRST感測系統的技術基本上與熱影像技術、前視紅外線（FLIR）系統技術很類似，但有一點差異，熱影像系統是以有人介入方式，用於特定視角域，通常很小，擷取高感度影像以偵測、辨識與追蹤可能的目標。FLIR系統以自動擷取的熱影像用於瞄準前面的地面目標進行對地攻擊，或作為導航與降落的輔助儀器。現代戰機運用紅外線感測系統作為天眼共有兩種，分別是FLIR系統與IRST系統，FLIR系統是以莢艙方式外掛於機身或機翼下用以瞄準前方，而IRST系統則是以廣視角域取得全面的狀態警覺資訊，所以常見於駕駛艙前方或機首下方。

　IRST感測系統主要分為搜索次系統與追蹤次系統，搜索次系統就是在所選定的視域中，不斷地進行掃描巡視，一般是以大型線性陣列感測器取得目標像素的瞬時視域立體角度與像素駐留時間（即脈衝訊號的寬度），以及像素所激發的電流脈衝訊號，決定系統對於目標的分辨率；另外目標源的幅射功率與光學系統的透鏡面積，加上大氣環境與光學系統衰減因素，可以取得目標源對感測器的信雜比，運用這兩項參數可以搜索獲取目標。追蹤次系統則是仰賴目標的紅外線輻射指引顯示目標的方位訊息，接著對於傳進來的電子信號加以處理，並形成控制信號，一方面傳至陀螺追蹤機構導引光學系統能追蹤目標，另一方面透過控制信號輸入至此一執行機構，轉動對目標的持續追蹤。

　經過多年的研發，目前塞雷斯公司IRST系統科技已經成為對抗電磁波干擾的利器，無論使用何種匿蹤科技反制，它都可以在遠距離外偵測到敵機，而且透過提供方位和高度，IRST感測系統也可以輔助引導雷達追蹤到低雷達截面的目標。塞雷斯公司前身是伽利略航空公司（Galileo Avionica），從1988年起帶領歐洲第一（Eurofirst）集團在1992年成為歐洲颱風式戰機的海盜式（Pirate） IRST系統的廠商，該公司隨後也推出陸基與海基的IRST感測系統。海盜式IRST系統之名是由其全名之字首Passive Infra-Red Airborne Tracking Equipment組成，其衍生的向天G式IRST感測系統在性能與操作原理方面兩者都相似，僅是重新包裝，並以氣冷方式取代原有的液冷方式。

　偵測長距離外目標效益大

　IRST感測系統與一般熱影像系統不同在於其長聚焦長度和快速機械式掃描，其最大的效益是可偵測長距離外目標，簡單地說IRST感測系統算是熱影像望遠鏡加上快速敏捷掃描透鏡的組合。其輸出是一目標形式而非僅是影像圖片。海盜式與向天G式之光學系統是垂直安裝，而精確平衡的方位高度掃描用透鏡是裝在其上方，最後再覆蓋保護的圓頂。當系統不用時，圓頂可旋轉至保護銅色的紅外線（IR）透明窗的位置，也具有吸收雷達波的匿蹤特性。其光學元件具有反射、折射、繞射等功能元素與塗層，可以耐冷、熱與振動，在光學元件後下方有一-45度鏡片導引訊號至紅外線偵測器。塞雷斯選用水銀-鎘-銻化物製成的線性感測器藉由機械泵和排水氣系統降至70K（-203C）溫度，使其可在中波紅外線（3-5μm）頻譜運作。

　一般IRST感測系統選用的光譜「窗」在3-5μm 和8-12μm頻譜，藉此紅外線可穿透大氣層找到目標。雖然系統可操作至更廣泛的頻譜，能吸收更多的能量但無法更精準。向天G式系統的感測器選用16位元像素尺寸，在此IR頻譜中相當於64,000灰階，其結果是系統可偵測非常小的溫度差ΔT（即為介乎目標與環境的熱值差異）。不過高感度是雙面刃，意味著可偵測到小型目標，但也接受大量雜訊和雜亂群資料，代表著每秒有上千個可能的目標，不易找到正確的目標。在過去，IRST感測系統由於有錯誤訊號率容易混淆誤判，源自於相當複雜的感熱影像可藉由選用高門檻值進行偵測目標解決問題，但相對地這會減少有效感測距離。

　增加偵測追蹤成功機率

　塞雷斯公司利用海盜式和其他IRST系統，進行許多實際飛行測試對抗真實的目標，找出降低錯誤訊號率，增加感測距離之方法，以對付低溫度差的目標，諸如低速至300節航速，與降低尾焰排氣的飛機。此一有效處理的方式是使用神經網絡科技，這項科技最初是用於發展語音辨識軟體，後來在海盜式IRST感測系統時成熟，神經網是一由許多簡單即時控制系統所構成的可程式網路，網路的安排是仿人腦彼此互連的神經元，每一節點可由其他節點指定輸入乘上某一比重值，藉由改變比重值，神經網可以改變其反應的表現。神經網是可以教導學習，如同語音辨識軟體可以適應使用者語言或字彙。

　向天G式與海盜式IRST感測系統都具有廣闊視域，可以同時搜索追蹤，包括高度優先目標的單一追蹤，以及分離目標，即兩架近距離目標的分別追蹤，IRST感測系統重要的優勢是比起雷達具有較佳的角度解析度，也就是可以分辨在雷達上呈現重疊的兩個目標。

　IRST感測系統能與雷達的整合，由於IRST感測系統不像雷達，本質上是無法提距離資料，除了以兩個或以上的平台透過三角定位或是飛機以左右搖晃方式運動藉由與目標之間的方位角改變而得出距離。不過如果IRST系統可以先偵測得目標，它可導引雷達瞄向目標，加強對目標施放的能量，而增加偵測與追蹤的成功機率。武器系統也能與IRST感測系統融合維持追蹤，而利用雷達間歇更新資訊，從而避免洩漏無線電波蹤跡，進行攻擊。

　雖然塞雷斯公司並未公開向天G式IRST感測系統的偵測距離，一般而言，偵測距離取決於目標的紅外線輻射蹤跡，而這又與飛機速度和大氣環境相關，而且也沒有單一雷達橫截面足以定義目標的蹤跡。

　儘管如此，IRST系統的偵測距離大約與中程空對空飛彈包絡圖相仿，若無雲幕影響，IRST系統可以偵測低雷達橫截面的飛機，可以說其系統涵蓋左右正負80+度，俯仰上下70度的搜索與追蹤範圍，高空偵察距離超過100公里，但受限於地球曲率與環境反光雜訊干擾，對地與對海距離僅在30公里以內。塞雷斯公司並認為匿蹤用塗漆與塗層的偽裝科技並不足以對抗具有高感度的IRST感測系統。（作者為僑光科大助理教授）