國外先進航空光電載荷的進展與關鍵技術分析

沈宏海 ，黃 猛，李嘉全，劉晶紅，戴 明，賈 平

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，吉林 長春130033)

1 引 言

掌握戰場態勢的發展和瞬時變化的情報信息是獲取未來戰場主動權的關鍵，實現這一目標，需要能精確、實時地采集情報信息的系統裝備。過去主要由光學偵察衛星和有人駕駛偵察飛機承載這類裝備，但用偵察衛星對某一區域進行全天連續監視，必須擁有一個龐大的星群，其裝備費用十分驚人。目前，機載態勢感知系統以其靈活快捷的優點在這一領域倍受關注。根據所執行的任務，機載態勢感知系統可搭載不同類型的有效載荷，包括:光電傳感器( 可見光傳感器、紅外傳感器) 、情報傳感器( 電磁情報、通信情報) 、機載預警雷達( AEW) 、合成孔徑雷達( SAR) 、磁場異常探測、聲檢測、遠距離雷區探測、核生化檢測和監測、通信中繼、目標特征信號模擬、誘餌和干擾機等。上述各種有效載荷是偵察飛機執行任務時不可或缺的設備，是飛行器發展的動力。

隨著軍事對抗技術的發展，如何提高有人機的戰場生存能力，避免或減少飛行人員傷亡或被俘事件是各國面臨的難題。用無人飛行器平臺對高風險戰區實現近距離精確偵察逐漸成為解決上述難題的最佳方案。無人偵察機執行任務的靈活性，彌補了遠程和空間平臺的不足，它能通過數據鏈向地面指揮中心、地面站或其它用戶提供分辨率很高的實時圖像，特別適用于目標識別、精確定位、打擊指引和效果評估［1-2］。

本文介紹了近年來國外航天載荷，尤其是無人機光電載荷的現狀和發展，并對關鍵設備存在的問題進行了討論和分析。

2 國外裝備及研制現狀

2.1 可見光、紅外探測器的研究現狀

目前光電傳感器主要工作區域為0.4 ～12 μm，圖1 顯示了可見光探測器和紅外探測器的發展趨勢。可見光探測器已由早期的768 ×576 模擬制式的線陣探測器向大面陣數字制式方向發展，CCD 的成像質量已經趨于完美，分辨力和色彩還原能力已與35 mm 甚至67 mm 膠片不相上下，覆蓋面積還略有差距。線陣列CCD 的像元數在20 000 左右。典型的單片面陣CCD 參數為1 Kpixel ×1 Kpixel ～10 Kpixel ×10 Kpixel，高清3CCD 為1 920 pixel × 1 080 pixel，大 面 陣CMOS 為1 Kpixel ×1 Kpixel ～5 Kpixel ×4 Kpixel。對于被非軍方組織用于航空成像的大畫幅數碼相機，絕大多數采用多相機、多鏡頭結合中畫幅CCD 陣列，比如微軟Vexcel 的UltraCam 和Intergraph 公司的DMC 數碼型攝像機系統。由微軟Vexcel 推出的最新一款相機UltraCam-X 最終的全色影像尺寸由8.6 ×107pixel 增加到1.33 ×108pixel［3-6］。

圖1 可見光、紅外探測器的發展Fig.1 Development of visible，infrared image sensor

紅外探測器已經發展到第三代，國外普遍應用的尺寸為640 pixel ×480 pixel，DB-110 航空相機采用兩片512 pixel ×484 pixel 的探測器拼接，CA-270 為2 016 pixel×2 016 pixel 的探測器。針對像元少、分辨力低的缺點，紅外探測器多采用微掃描或拼接方法提高分辨力［7-15］。

在紅外、可見光探測器齊頭并進的同時，國外已經開始研制雙色或多色探測器。Selex 等公司實現了640 pixel×512 pixel 的中波和長波雙色紅外探測器的量產，中、短波線陣雙色探測器已經達到6 000 pixel 的水平，雷神公司基于焦平面陣列( FPA) 處理的靈巧型探測器( AIRS) 在等效噪聲溫差( NETD) 、非均勻性( NUC) 校正、動目標探測機理及邊緣增強方面取得了顯著效果［16-18］。

2.2 國外典型光電感知設備

美國在軍用飛行器領域的發展最為迅速，光電裝備也一直在引領著各國的發展，其應用范圍已經由最初的偵察監視，逐步向滿足遠程告警/預警、網絡化協同作戰、快速打擊、察打一體、無人作戰等需求方向拓展，其探測器譜段也由傳統的可見光、紅外、激光的多光譜偵察成像，向高光譜、超光譜成像方向發展［4-22］。多頻譜瞄準系統( MTS)吊艙、電光目標瞄準系統( EOTS) 和DB-110 航空相機也體現了這一技術的發展趨勢。

2.2.1 捕食者無人機MTS 吊艙

捕食者系列無人機的編號由RQ-1 演變為MQ-9，反映了“捕食者”飛機從偵察型到多任務型的演變。MQ-9 是一種中高空、長航時、多任務無人機系統。它具有持久滯空能力，在作為情報收集平臺的同時，還可用于獵殺時敏目標。其綜合傳感器組件包括具有移動目標指示能力的合成孔徑雷達及MTS-A/B 光電吊艙( B 型主要針對高空應用作適應性設計) 。圖2 所示MTS 吊艙由雷神公司研制，它由轉臺單元( 內部安裝了慣性測量單元( IMU) ) 和電子處理單元組成。轉臺單元內部裝有紅外/可見光電視、激光測距機、激光指示器和激光照射器，其內部還可提供多波長傳感器，近紅外和彩色可見光攝像機、照射器、人眼安全激光測距機、光斑跟蹤器等一系列安裝選項。這些先進設計提供了一個清晰的發展路線，即圖像融合和其他通過增加電路而實現的性能增強技術。圖3 對比了MTS 吊艙圖像融合前后的圖像，融合輸出的圖像信息量明顯優于單一波段的圖像。MTS吊艙系統采用雷神研制的局域圖像處理技術( 一種自動的圖像優化技術) ，它可以最大限度地顯示圖像信息，提高態勢感知和遠距離監視能力。吊艙內部的圖像跟蹤器具有重心、區域和特征跟蹤模式。未來的發展中，可能裝載Talon Radiance 超頻譜成像器，可穿透樹葉探測隱蔽的地面目標［9-10］。

圖2 MTS-A/B 及其裝機照片Fig.2 Graph of MTS-A/B and its installation

圖3 MTS 吊艙的輸出圖像Fig.3 Output image of MTA pod

表1 列出了MTS 吊艙的典型參數，系統采用了先進的數字架構，提供了遠距離監視、目標獲取、跟蹤、測距和激光指示功能，可用于AGM-114地獄火導彈、北約激光制導武器的制導。

表1 MTS 吊艙的典型參數Tab．1 Parameter of MTS pod

2.2.2 F-35 內藏式光電瞄準系統( EOTS)

由洛克希德-馬丁公司導彈與火控部研制的EOTS 于2005 年首飛，2007 年裝備在F-35 上。該系統安裝于機腹內，其性能與夜間低空導航及目標定位( LANTIRN) 吊艙相仿，但是沒有吊艙特有的氣動阻力等問題。EOTS 采用了由7 片藍寶石玻璃拼接而成的單口徑共光路形式，集成了空面前視紅外( FLIR) 和空空紅外搜索與跟蹤( IRST) 系統。EOTS 的隱身和氣動性能有效保證了飛機的全向攻擊能力［11］。

圖4 所示的EOTS 由可見光攝像機、紅外成像、激光器測距機、點跟蹤器、激光指示器組成，全重90.8 kg(200 lb) 。具備可見光高分辨率成像、自動跟蹤、紅外搜索和跟蹤、激光指示、測距和激光點跟蹤等功能，并且可以在雷達干擾狀態下，實現目標的遠距離跟蹤、識別、探測和預警。關鍵部件及功能如下:

(1) 第三代紅外3 ～5 μm 焦面陣列器件;

(2) 英國BAE 公司人眼安全二極管泵浦激光測距/目標指示器;

(3) 激光光斑跟蹤器;

(4) 德國TNO 物理與電子實驗室提供的紅外傳感器修整算法;

(5) 自動化的視線與機身對準;

EOTS 可與雷達互相補充，如果通過雷達發現一個感興趣的地面目標，飛行員可以選擇光學變焦或電子變焦進行進一步探測、識別、跟蹤和瞄準，甚至在150 km 距離外就可以進行確認。隨后，飛行員可以利用區域跟蹤和點跟蹤模式，分別鎖定固定設施和移動車輛。此外，EOTS 還將作為一種遠程IRST 系統，用來探測和識別空中目標，實現對敵方飛機與導彈超遠距離識別、跟蹤和瞄準，從而增加預警距離和己方攻擊及反應時間，提高自我生存能力。

圖4 EOTS 的組成及其輸出的紅外圖像Fig.4 EOTS＇s structure and IR output image

2.2.3 第三代DB-110 傳感器

DB-110 傳感器［12-15］最初形成于20 世紀90年代中期，現在已經發展成全功能、集成式的偵察系統套件，可用于任何空中偵察平臺。它已經在旋風戰機、F-111、F-15、F-16、捕食者B 上成功試飛，并可提供高質量的圖像。第三代DB-110 傳感器系統集成在定制的偵察吊艙內，該吊艙安裝在戰機的中線上，內部環控系統確保其最高工作高度可達到15 240 m。第三代DB-110 是一個雙波段系統，其最主要的特征是在單一部件內實現了3 個視場:

(1)2 794 mm(110 in) 焦距的可見光/近紅外窄視場和1 397 mm(55 in) 焦距的中波紅外;

(2)406 mm(16 in) 焦距的可見光/近紅外寬視場和356 mm(14 in) 焦距的中波紅外;

圖5 DB-110 的主要部件及承載吊艙的內部結構Fig.5 Parts of DB-110 and the structure of pod which contains the DB-110

(3)64 mm(2.5 in) 焦距的中波超寬視場。

可見光FPA 在橫向掃描方向由6 144 pixel組成，像元間距為8.75 μm; 紅外焦平面采用640 ×512 陣列、像元尺寸為24 μm 的商用貨架產品。圖5 顯示了DB-110 的基本組成，它有兩個用來掃描和圖像像移補償的主動軸、可見光/紅外的焦平面陣列、雙波段窄視場的鏡頭。表2 為其主要性能參數。

DB-110 通過垂直于飛行方向掃描地面，利用擺動和傾斜掃描收集圖像。在掃描收集過程中，飛機飛行的方向通過傳感器的傾斜運動加以補償。掃描周期的最后，傾斜運動使得傳感器視場到下一個掃描的開始處。下一個掃描可以設計為重疊，從而可以得到地面的連續覆蓋。在連續覆蓋方式中，通過設置傳感器大于50%的重疊率，可獲得立體圖像。圖6 說明了DB-110 可見/紅外圖像信道的主要掃描方式。其他的掃描方式包括對地面上的同一點從各個方面重復覆蓋。圖7 是DB-110 在陣風飛機上裝載時獲取的英國Farnborough 機場圖像和局部放大圖。飛機和塔臺的細節很好地展示了圖像的高分辨力特性。

圖6 DB-110 獲取大范圍覆蓋圖的方式Fig.6 Method of capturing a large area converage image by DB-110

表2 DB-110 的典型參數Tab．2 Parameters of DB-110

圖7 DB-110 拍攝的可見光圖像Fig.7 Visible image shot by DB-110

由于DB-110 平臺的中波紅外通道使用步進掃描模式成像，可以將該通道改造成支持短波紅外( SWIR) 、中波紅外( MWIR) 或長波紅外( LWIR) 的成像光譜儀。Goodrich 公司已經驗證了DB-110 的穩定精度可以滿足在實現LWIR 光譜儀成像的同時，獲得高分辨力的可見光圖像。開展超光譜儀的設計表明已經可以在DB-110 內部實現焦距為96.5 cm( 38 in) 的超光譜儀和280 cm(110 in) 的可見光成像。

3 關鍵技術分析

3.1 共形光學系統設計

隨著雷達技術、精確制導武器等軍事對抗技術的發展，飛行器的隱身設計和空氣動力學設計越來越受重視，其發展趨勢是采用整機結構設計實現有效的隱身，從而對光學系統提出了共形設計的要求。設計時多采用特殊表面取代傳統的平板或球形窗口，以減少飛行器的空氣阻力和雷達波的反射。圖8 所示F-35 的EOTS 光學窗口為共形設計的典型代表。EOTS 窗口由7 塊表面鍍膜的藍寶石玻璃組成，可提供360°全向視野。這種窗口滿足了結構共形的要求，但同時產生了動態像差。

圖8 EOTS 的共形光學窗口及其動態像差示意圖Fig.8 Conformal optical window of EOTS and the dynamic aberration of slight wedge

當光學系統通過不同角度的窗口塊之間的接合面成像時，會出現以下問題:

(1) 光程( OPL) 會隨瞄準角變化而變化;

(2) 在塊之間會有不同的光程差( OPD) ，使得分割波面產生一定位相差;

(3) 窗口的透射率可能因入射角變化而變化。

上述問題直接制約著設備的成像質量，為滿足高速載機應用需求，應盡快解決如下難題:

(1) 實現透過不連續窗口分段波前的共相位校正;

(2) 窗口平板的拼接;

(3) 抑制拼接窗口內部的雜散光;

(4) 消除平板拼接處高速飛行與空氣磨擦產生的熱梯度;

(5) 高超音速高速飛行后的自適應光學。

3.2 高/超光譜成像技術

圖9 采用光譜譜段識別偽裝目標的示意圖Fig.9 Demonstration of recognizing camouflaged target with spectral technique

在現代化戰爭中，偽裝能隱蔽軍隊作戰行動，迷惑和欺騙敵人，提高戰場生存能力，因而備受各國軍隊的青睞。近年來，一些軍事強國為研制、開發和生產偽裝器材，投入大量人力、物力和財力，并注重吸收和運用新技術、新材料、新工藝，從而大大促進了偽裝器材的發展，提高了戰術性能，加快了作業速度，增強了隱真示假的效果。因此，在現代高技術戰爭中，如何識別偽裝、假目標已經是軍事偵察領域一個重要的研究和應用方向。高光譜成像偵察技術最突出的特點是能從自然背景中發現人工材料制作的偽裝器材和材料，揭示嚴密偽裝的軍事目標，并判定出軍事目標的性質。圖9 為典型高光譜相機識別偽裝的圖像。在場地上放置了一輛偽裝的裝甲車輛，采用全色和多光譜圖像難于識別，而將高光譜圖像不同通道賦予不同RGB 值后，從圖像中Red: 3.73 μm，Green:2.12 μm;Blue:1.27 μm 就可以清晰地發現偽裝目標。隨著高光譜技術和數據融合系統的不斷發展，通過分析、處理所獲得高光譜數據，參照地物波譜數據庫，就能夠識別出目標的表面物質，進而識別出偽裝器材、偽裝目標，這對軍事目標特別是固定目標的識別具有重要的戰略和戰術意義。

高/超光譜成像技術的成功應用需要解決下列關鍵技術問題:

(1) 高精度分光技術;

(2) 共口徑成像技術;

(3) 高精度數據反演與定標技術。

其中高精度數據反演和定標技術嚴重依賴于目標光譜數據庫。目前，國內尚無專業機構開展此項工作，有必要盡快開展此類研究，以便更好地發揮光譜成像的功能。

3.3 高精度穩定與像移補償技術

隨著精確打擊技術的發展，對偵察圖像的清晰度、目標定位精度的要求不斷提高，而圖像清晰度的提高取決于伺服穩定控制技術和像移補償技術的進步。目前，國外先進光電載荷的穩定精度已經達到2 ～5 μrad，國內光電載荷的穩定精度與之相差約一個數量級。采用傳統的機電框架控制技術實現此指標已經難以為繼，引入圖10 所示的快速反射鏡( FSM) 穩定技術［23］是解決這一難題的必要條件。

圖10 FSM 穩定結構及光路示意圖Fig.10 Schematic diagram layout of FSM stabilization and its light path

圖11 載機前傾和側傾成像時的像移示意圖Fig.11 Image motions due to aircraft forward motion varied with camera orientation( Forward oblique and side oblique)

當載機以大速高比運動時，會在探測器的積分時間內帶來像元模糊，圖11顯示了載機前傾、側傾時的像移，由于像移直接導致圖像模糊，像移補償的優劣直接關系到圖像分辨力。

為了保證圖像分辨力，有必要開展如下課題研究:

(1) 系統的高精度穩定控制技術;

(2) 多光譜共光路設計;

(3) 像移補償技術。

3.4 圖像處理技術

隨著光電任務載荷向全天候、多光譜、多模式探測系統的發展，光電設備的圖像處理技術也從單一的目標捕獲、跟蹤功能，向智能化、多模融合、定量分析等方向發展，從而使輸出圖像更清晰、目標捕獲跟蹤更便捷、目標定位更精確。圖像融合是當前研究熱點之一，多種光電傳感器之間的互補性和冗余性可以解決單一成像傳感器的信息不全面或不準確的問題。圖3 的MTS 吊艙輸出圖像充分表明:融合輸出的圖像有效發揮了兩個譜段的優點，便于操作手更好地發現、識別目標。另外利用多重信息間的互補性擴大系統感知時空的覆蓋范圍，也是軍事偵察、識別偽裝，實現光電對抗的重要手段。

圖像傳感器像元數的不斷提高及譜段的不斷拓展，使得圖像處理器的運算量急劇增大，激光雷達或高/超光譜儀成像目標識別過程已經面臨這一問題，而實現并行運算是解決此瓶頸的有效選擇。有研究表明，隨著圖形處理芯片的技術突破，基于GPU 實現嵌入式高速并行處理運算已有可能，基于GPU 或CUDA 架構實現高性能并行運算將成為未來高性能計算的基礎。圖12 顯示了近年來GPU 性能的飛速增長［24］。

圖12 CPU 和GPU 的運算性能增長曲線Fig.12 Curves of CPU/GPU capacity growth

與光電態勢感知設備相關的圖像處理關鍵技術包括: 超分辨力技術、圖像融合技術、圖像去模糊技術以及ATA/ATR 技術。

3．5 激光3D 成像技術

長期以來，激光器在光電設備中僅作為距離測量、指示設備使用，實際上激光器的回波信息除了距離信息以外，還有回波強度、角距信息可以利用，一旦獲取原始的方位角-俯仰角-距離，距離-速度-強度等數據后即可以圖像的形式顯示，從而獲得輻射幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等［25］。

自1996 年美國提出“激光雷達焦平面陣列”( LR-FPA) 的3D 成像激光雷達概念以來，非掃描3D 成像激光雷達成為激光雷達研究的熱點，在國防部高級研究計劃局的支持下，麻省理工學院林肯實驗室、雷神公司和洛克希德·馬丁公司等先后開展了雪崩光電二極管( APD) 焦平面陣列組件、泛光照明激光器和非掃描3D 成像激光雷達原理試驗系統的研制，突破了中等尺寸的APD 焦平面陣列組件和泛光照明激光器等關鍵器件技術，研制出多個原理試驗系統，并進行了飛行試驗。試驗結果證明，非掃描3D 成像激光雷達對地面偽裝目標和樹林中隱蔽目標具有良好的探測、識別能力和各種空中機動平臺的適裝性，標志著非掃描3D 成像激光雷達已取得體制性突破［25-29］。圖13 是美國林肯實驗室獲取的試驗數據，該圖像序列是對偽彩編碼后的高度圖用色彩壓縮實現遮蓋物去除后的效果。這個圖像序列顯示了通過選擇連續壓縮色彩條實現3D 數據層切后的效果，左上角第1 幅圖像顯示了樹冠出的場景，第4 幅顯示了樹冠下的3D 場景，從第4 幅圖像可以清晰地看到樹干、坦克。

圖13 對3D 激光雷達數據作層切顯示后的二維圖像數據( 樹冠至地面目標)Fig. 13 Sequences of 3D images with color-coded height and canopy removal via color-bar compression( From the tree tops to the 3D scene below tree canopy)

實現激光3D 成像技術需要解決下列關鍵技術:

(1) 高重頻、窄( 微) 脈沖的激光器主動照明技術;

(2) 外同步、極小抖動距離選通技術;

(3) 高靈敏探測技術: 光子計數探測、外差探測、多普勒速率探測技術;

(4) 點云數據重構技術。

4 結束語

機載光電態勢感知領域是一個涉及光、機、電、軟件的多學科領域，技術創新非常活躍，新的傳感器組合、新的技術應用不斷涌現。受篇幅限制本文未對告警/預警、激光通訊等領域做闡述。

看得遠、分得清、測得準、隱形/反隱形、智能化、網絡化等發展方向，是光電態勢感知設備的永恒追求。作者認為，國內光電跟蹤技術的開展應在跟蹤國外先進技術的同時，進一步在探測成像機制、數據通信機制上做出創新性探索，實現跨越式發展。

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