無人機光電技術的前景

時至今日，無人機已經歷了至少5次局部戰爭的實戰考驗，即20世紀60年代的越南戰爭、70年代的中東戰爭、90年代的海灣戰爭、科索沃戰爭以及現在的阿富汗和伊拉克戰爭。在這些戰爭中無人機卓有成效地執行了多種軍事任務，主要包括照相偵察、撒傳單、信號情報收集、布撒雷達干擾箔條、防空火力誘餌、防空陣地位置標識、直升機航路偵察，為武器系統提供目標定位、目標指示、目標動態監視和目標毀傷評估的實時情報等。執行空中偵察是無人機的一項極其重要的任務。與偵察衛星、載人偵察機等空中偵察手段相比，無人偵察機在以下幾個方面的特點是異常明顯的：

1、風險小，代價低

20世紀90年代冷戰結束后，各國軍費削減，軍隊裁員，迫使軍方努力尋求既能完成任務，而成本又相對較低的途徑。這無疑為無人機的發展提供了機遇。

2、適于偵察云層下或隱蔽的機動目標

以美國為例，盡管有大量的衛星、U2飛機以及其它有人偵察機等偵察手段，但這些只適用于偵察地面大規模戰略軍事行動，難以發現云層下隱蔽處小規模戰術軍事行動。而無人機能低空飛行，可偵察到云層下或隱蔽處的雷達站和坦克等機動目標。

3、便于長時間監視目標

偵察衛星和有人偵察機對目標的偵察和監視時間很短，而無人機續航時間相對長得多，機動性好，可在目標上空盤旋數小時以上進行“盯梢”，有利于連續監視敵方行動態勢。

早在越南戰爭時美國就使用了“火蜂”無人機進行過照相偵察。近在海灣戰爭時，美國海軍也使用了“先鋒”無人機執行過偵察、監視和目標截獲任務。到了科索沃戰爭，北約投入了7種型號上百架無人機晝夜在科索沃上空偵察，包括裝備了小型成像偵察設備的“捕食者”、“獵犬”和CL-289等無人機。如今的阿富汗戰爭，伊拉克戰爭更是無人機的天下。

光電探測設備在無人機上的使用及裝備現狀

無人機所剛的機載偵察設備的主要特點是覆蓋范同寬、分辨率高、能實時向戰場指揮官提供情報數據。電光相機和紅外成像裝置等是無人機使用的傳統偵察監視設備。只有最輕的無人機攜帶單個傳感器，絕大多數無人機都裝備多種傳感器。無人機裝載光電傳感器的特點是體積小、重量輕，可以晝夜在多數氣候條件下完成監視、目標捕獲等任務，能被動工作，不易被發現。“先驅”無人機原裝有的電光／紅外裝置采用凝視焦平而陣列探測器，美國國防部空中偵察處用高質量的銻化銦陣列對其進行改進后，其基本的成像性能提高，有望使用這種紅外傳感器來發現地雷造成的地面十分之幾攝氏度的微小溫差，完成地雷探測。“捕食者”無人機采用的是威斯汀豪斯公司的小型前視紅外傳感器和索尼公司的兩個晝光攝像機，其中一個采用10倍的變焦鏡頭，另一個采用900mm的鏡頭。“捕食者”還計劃安裝新型的超光譜相機，可以監視幾千條光譜帶，能區別偽裝網和樹葉，能分析坦克涂料和燃料的化學特征。

“全球鷹”無人機采用了“步進拍攝”方法，然后將場景寬度達150m的多個成像方塊組合成2km×2km的幀。“暗星”無人機采用了12064像素的CCD線陣，具有較高的分辨率，不必采用“步進拍攝”，就可實現0.6m的分辨率。“全球鷹”和“暗星”兩種無人機上的光電傳感器都具有寬地區搜索和定點搜索兩種主要工作方式。

微型無人機的光電傳感器除了要求具有一定的識別和定位能力外，還要求微型化、輕型化和低成本化。美國陸軍導彈研發與工程制造中心對翼展350-600mm、重225-335g的微型無人機使用的成像傳感器提出的要求是：重量不超過150g；最大功耗為2W；具有120°的視場，搜索1km寬的區域；從300m高度搜索坦克大小的目標要求具有6線對／mm以上的分辨率。美國推出的Alpha像增強CMOS攝像機的驅動功率為2W，分辨率與CCD相近。麻省理工大學研制的大小為12mm×8.5mm、質量不到1g、功耗低于25mW、視場為40°×40°的硅CCD，可從100m高度以0.7mrad的角分辨率觀測目標。此外，美國夜視與電子傳感器局希望開發出尺寸為3cm×4cm×5cm、質量小于50g、最大功率為0.5W、可分辨小于0.1℃溫差的熱像儀。戰術應用無人機還將激光指示器作為重要的設備，例如，“捕食者”裝備的是雷西昂公司研制的激光指示器，可部署在云層之下，通過激光器為云層上的高空攻擊飛機提供目標指示。IAI公司的“偵察”、TRW公司／IAI公司的“獵手”和聯合技術系統公司的“沖刺者”均配備了激光指示器。

現在一些國家的海軍已在其艦隊中裝備無人機，加強戰術作戰能力，補充現有的機載監視和偵察平臺。艦載無人機能自主完成所有的戰術任務，在飛行過程中能重新編程。垂直起降無人機日前裝在各種不同的水而艦上，在理論上可起到傳感器平臺的作用，完成一些重要任務，如大面積海域監視、全天候目標捕獲和電子戰。還有一些國家的海軍正在改進輕型無人機的設計，作為實現超視距觀察和降低其艦船被敵方飛機探測和敵方導彈攻擊危險的主要手段。美海軍正計劃使用各種無人機來完成不同的海戰任務。能探測和識別各種威脅的遙控無人機可裝備到各種不同的水面艦船平臺上，包括航空母艦、護衛艦和兩棲攻擊艇。這種無人機還能執行一些準軍事行動，如監視非法移民、緝毒，能裝備生物戰劑探測器，可作為對付生化恐怖行動的保護措施。

未來的海上無人機將主要用作傳感器平臺，通過使用機載雷達系統、電視攝像機以及光電裝置發送情報和視頻圖像。基于CCD的光電傳感器的譜帶是膠片的2倍，因此能夠穿透多霧和多塵的典型的沿海環境。如QinetiQ的VLADIMIR非致冷熱成像探測器，像素分辨率384×288，就能克服所有這些障礙，探測到樹林中的目標物體(距離大于4km)。這種傳感器同時具有雙視場光學結構，40°×30°廣角視場用于目標探測，13°×10°視場用于提高目標的識別距離。

無人機光電偵察典型系統

●德國OPHELIOS熱攝像機系統BREVEL無人機是一種中程偵察和監系統。它被沒計為螺旋槳推進尤人機，能提供距離射地點60km處的偵察區域的在線圖像。典型的戰飛行高度為1000m，飛行速度約為300km/h。其務使命要求具有一個大面積的偵察范圍和在確定域內的高分辨率，以便進行目標識別。故其紅外成系統就必須滿足這些要求。

OPHELIOS熱攝像機系統是由一組模塊組成的。這些模塊可以不同的配置進行組裝，因此適于地面中和海上應用。為了提供大搜索面積和高識別性，BREVEL無人機要求具有一個變倍因子為8的變物鏡。

在BREVEL應用中，各模塊以非常緊湊的方式組裝起來。熱像儀本身裝在一個框架內，使整個攝像機能旋轉n×360°，能補償無人機的橫搖。OPHELIOS還可裝在一個常平架系統內，成為一個穩定系統。整個攝像機(包括安裝框架和變焦透鏡)的總質量小于10kg。

●MarkⅡ MarkⅡ是一個穩定的紅外和可見光成像系統，廣泛運用到直升機、固定翼飛機和無人機上。這種先進的成像系統主要用于執法、搜索與救援等。

MarkⅡ成像系統使用了前視紅外(FLIR)成像模塊和晝光CCD攝像機。它的FLIR具有兩個遙控放大倍率(1x和6X)，另外還有一個瞬時光電變焦，以提高熱靈敏度，同時將圖像放大2倍。CCD攝像機也具有從1.1x至7X的連續光學變焦能力。另外MmakⅡ上裝有滿足軍標的電子模塊，能連接和控制其它的機載電子系統，如探照燈、從動和自動跟蹤系統等。MarkⅡ能為任務計劃人員和機上人員提供更大的靈活性，裝載更多燃油，增加其它的任務載荷。加固型常平架系統也具有先進的陀螺穩定性，減少震動帶來的圖像模糊，提高目標跟蹤能力。

MarkⅡ的人機工程學手持控制使操作員能方便地完成目標跟蹤、聚焦、視場切換和圖像處理。MarkⅡ系統還包括RS-171或CCIR輸出，提供與VCR和圖像數據鏈的接口，并能實現遙控。的主要任務是監視、偵察和目標截獲，提供圖像情報等。目前光學照相機已被數字和電視攝像等機器替代。電視攝像機在無人機上廣泛用于監視、偵察和輔助操縱員遙控無人機，其小巧和實時性對偵察無人機特別有吸引力。紅外行掃描器目前已很少在無人機上使用，取而代之的是前視紅外。前視紅外是無可替代的全天候實時成像探測設備，它還常常被作為核心，與電視攝像機、激光測距儀、激光照射器組合成多探測轉塔，晝夜執行多種任務。多探測器轉塔目前僅在高性能戰術偵察無人機上使用，在多探測器轉塔中引入激光測距儀／照射器，使無人機具有了武器精確制導的功

無人機探測技術的發展趨勢

目前，世界各國所用的無人機執行能，使偵察無人機“戰斗化”，參與執行目標攻擊任務。這一點在科索沃等戰爭中進行了嘗試，戰果引人注目。

1、前視紅外技術迅猛發展

第一代紅外前視采用掃描紅外探測器，第二代采用掃描陣列紅外探測器。其共同之處是需要光機掃描器，這種復雜的機電光學伺服機構的缺點是體積和質量大、可靠性低。第三代采用了凝視焦平面陣列紅外探測器，在成像焦平面上縱橫著數以百計的紅外敏感元件，通常和電荷耦合器件等信號處理電路集成在同一個芯片上，或通過銦柱連接混成在兩個芯片上，一次完成成像探測、積分、濾波和多路轉換功能。這種全固態紅外成像器不僅體積小、質量輕、可靠性高，而且凝視比掃視具有更高的靈敏度和分辨率以及更遠的作用距離。第四代前視紅外技術(又稱靈巧焦平面陣列技術)將采用HgCdTe傳感器和先進的信號處理技術，可以覆蓋整個可見光波段和近、中、遠紅外波段。可為飛機提供100多km的紅外搜索跟蹤能力。第四代前視紅外系統準備用于“全球鷹”無人機的紅外搜索與跟蹤系統以及美國海軍的E-2C預警機。

2、中波紅外探測器溫熱穿透力更強

美國等西方國家研制的碲鎘汞8-14μm長波紅外前視探測器，主要適用于北美及歐洲寒冷地區。經實驗表明，前視紅外工作在3-5μm中波紅外波段，比8-14μm長波紅外波段具有更強的濕熱氣候穿透能力，這一優點使得近年來銻化銦及硅化鉑等3-5μm中波紅外凝視焦平面陣列成像紅外探測器得以迅速發展和應用。

3、非致冷凝視焦平面陳列應用廣泛

紅外探測器分光探測器和熱探測器。光探測器吸收光子變為電子，再由接收電路探測。為了獲得最大靈敏度，必須把光敏元件置于77-100K深冷溫度下，因此目前使用的碲鎘汞、銻化銦這類探測器都需要致冷器和杜瓦瓶，體積、質量大，成本高。

熱探測器分為輻射熱測量器和熱電探測器兩種。熱電探測器也通常被稱為鐵電探測器，它吸收紅外能量變為熱能，熱能變化改變鐵電材料剩余電極化強度，在鐵電材料加熱超過居里溫度，其介電常數產生變化，從而測量出探測器的電壓差。熱探測器一般可以工作在室溫下，需要深冷致冷器和杜瓦瓶，因此熱電探測器也通常被稱為非致冷紅外探測器。非致冷紅外探測器與凝視焦平面陣列結合在一起，消除了光機掃描和致冷器，更適用于無人機應用。例如，英國國防評估和研究局(DERA)著眼于小型無人機系統的應用研究項目，經過與Cranfield航空公司的合作，研制出裝備在OBSERVER無人機上的非致冷熱成像傳感器，工作波段8-12μm，使用了2個PST混合熱探測器，每個探測器具有384×288像素分辨率，熱成像系統的成像格式與可見光波段傳感器的成像方式相同。為了達到這一目的，同時又具有足夠的分辨率性能，在1個可縱傾的常平架上使用了1個雙視場光學系統，40°×30°的寬視場用于目標探測，13°×10°的窄視場用于提高目標的識別距離。在俯仰方向上控制常平架系統，可以提供整個90°的覆蓋范圍。裝備了這利，熱成像傳感器的OBSERVER無人機演示系統續航時間可達2h，飛行高度300m，飛行速度110km/h，目標定位精度20m，搜索覆蓋面積100km/h。

4、電視攝像機分辨率提高，且不斷小型化

電荷耦合器件電視攝像機的像素陣列正在不斷精化，產生高分辨率，足以在近距離探測和識別出裝甲車。如果說前視紅外在追求接近電視攝像機的圖像質地，那么電荷耦合器件電視攝像機則更一步追求光學照相機的圖像質量。

5、多光譜和超光譜探測器將長遠發展

多光譜探測技術尋求不同類型探測器，由同一孔徑工作。這些探測器可以探測不同的紅外帶寬、光譜甚至混合光和射頻以及激光測距的頻潛。未來的機載成像光潛儀可以在幾十個甚至幾百個波段成像，而不僅僅只進行雙波段探測。這類“超光譜”攝像機已出現多年，但由于缺乏穩定的性能，且性能不足以滿足要求，還無法應用于戰術偵察。但隨著高速電子線路、精確穩定和指向、先進的衍射光學和更大規模的焦平面陣列成為可以利用的，且成本可以接受的技術，這種情況得到了改善。例如，目前已經制造出先進的CMOS圖像處理芯片，能對機載雙波段圖像進行實時每秒萬億次浮點運算。這樣就能在機上完成雙波段圖像的融合處理，并完成特征增強，如相對于基準目標數據的移動目標指示或實時指示。由每個融合圖像獲取的精確的地理位置信息將放人每個目標的全球定位系統標記，完成真正的“傳感器一射手”式操作，而不再需要將數據傳送到地面站來轉換成目標信息。這個過程在攝像機內就可以完成，能即時對目標進行探測和定位，而攝像機和武器平臺的網絡將擴展到整個監視區域。

6、信息實時化

為了將偵察到的情報及時傳送到指揮官手中，偵察系統必須包含先進的通信系統。機載通信系統一般采用空地無線電通信設備或衛星通信設備。由于超光譜成像和高分辨率成像器件等先進傳感器的應用，還要求通信鏈路不斷拓寬頻帶和提高信息傳輸容量。目前“蒂爾”系列無人機都采用了衛星通信系統，其數據傳送速率約為1.5M比特／s，只能傳輸靜止圖片。“捕食者”、“全球鷹”和“暗星”無人機的數據傳輸速率都達到了50M比特／s，可以傳送約30M比特／s的雷達圖像。現裝備的光電傳感器的原始圖像數據速率約為40×106，每像素8-10比特，總速率320-400M比特／s。用壓縮技術可進行：8:1壓縮，壓縮到40M比特／s，因此可進行實時圖像傳輸。

7、偵察系統數字化

所謂數字化，就是把語言、文字、圖像等各種類型的信息變成數字編碼，并利用數字式傳輸、處理系統，使信息資源為整個作戰系統共享。無人機偵察系統實現數字化才能加強系統的功能和有效性。數字化偵察圖像具有以下幾方面的優點：

●是圖像增強。通過數字化對比度處理使圖像清晰度更好。

●辨認和抽取感興趣的區域。可將場景以多種視角和尺寸顯示出來，數字工具能夠測算感興趣的目標。

●采用數據壓縮和錯誤校正編碼，便于圖像分析。目前CCD相機、紅外熱成像和激光測距機等技術基本實現了數字化。